JP4504614B2 - Fuel cell power generation system - Google Patents

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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し、特に、燃料電池コージェネレーションシステムにおける酸化剤ガスと改質器供給水の処理システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
都市ガス、LPG、消化ガス、メタノールや灯油のような燃料を改質装置を介して水素に富む改質ガスを生成し燃料電池の燃料極に供給すると共に、空気等の酸素を含む酸化剤ガスを燃料電池の空気極に供給して電気化学的反応により発電する燃料電池発電システムと、この燃料電池発電システムの電気出力と排熱を併給する燃料電池コージェネレーションシステムとがある。
【0003】
燃料電池発電システムは、酸化剤ガスとして空気を用いる場合に燃料電池の性能低下を抑えるために空気中の粉塵、SOx、NOxなどの酸性ガス汚染物質や、沿岸地域の大気中塩分等の不純物を除去する必要があり、また、改質装置に供給する燃料改質用の水は、不溶性物質のみならず、Ca2+、Na等の陽イオンや、SO 2−、Cl等の陰イオン等の溶解性物質をも除去する必要がある。
【0004】
また、燃料電池として固体高分子形燃料電池を用いる場合、プロトン交換膜の導電性を高く維持するために、酸化剤ガスを所定の露点まで加湿する必要がある。要求される酸化剤ガス露点は使用する燃料電池の作動温度等の運転条件によって異なるが、約50〜80℃の範囲が一般的である。
【0005】
燃料改質用水の清浄化方法としては、イオン交換樹脂充填カラムとフィルタとを直列に配置した精製装置に原水を通過させ純水に精製してから燃料改質器に供給していた。また、酸化剤ガスの清浄化方法としては、エアフィルタを用いた乾式濾過方式を用いていた。さらに、酸化剤ガスの加湿方法としては、水蒸気透過膜を用いた膜加湿方式や燃料電池スタック冷却水を熱源とした温水接触加湿方式が提案されている。
【0006】
【特許文献1】
特開2002−175826号公報(段落番号0018、図1)
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしこのような従来の燃料電池発電システムでは、酸化剤ガスの加湿方法として膜加湿方式を用いる場合、加湿膜の寿命は燃料電池スタックの寿命より短く、燃料電池システム全体の寿命を制約するという課題が存在していた。
【0008】
また、燃料電池スタック冷却水を熱源とした温水接触加湿方式では、スタック冷却水の温度が低下するので、この冷却水を熱源として燃料電池コージェネレーションシステムから供給される温水の温度が低下するという課題も存在する。
【0009】
さらに、酸化剤ガスの清浄化方法としてエアフィルタによる乾式濾過方式を用いる場合は、酸化剤ガスブロワの消費動力がエアフィルタの圧力損失により増加しシステムの効率を低下させていた。
【0010】
また、改質供給水の原水として系内回収水を用いる時には、この回収水を純水装置により処理すると、純水装置のイオン交換樹脂の寿命が回収水中の溶存COによって大幅に低下する。さらには、酸化剤ガスの清浄化処理と加湿処理、そして、改質器供給水の精製が別々の系統で行われているので、システム全体としての構成機器の点数が増加する結果、燃料電池発電システムの製造コストが増加するという課題も存在する。
【0011】
本発明は、斯かる実情に鑑み、構成機器の簡略化を図った燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
【0012】
加えて、小型化又は長寿命化を図った燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1に係る発明による燃料電池発電システムは、例えば、図2に示すように、燃料ガス41と酸化剤ガス62との電気化学的反応により発電し、水を発生する燃料電池ユニット20と、下部に回収水を溜める貯液部71を有し、発生した水を含む回収水42を導入する回収水入口73と酸化剤ガス61を導入する酸化剤ガス入口72と酸化剤ガス66を排出する酸化剤ガス出口77とが形成され、回収水入口73から導入された回収水42と酸化剤ガス入口72から導入された酸化剤ガス61とを接触させるように構成された気液接触装置70と、貯液部71の回収水を気液接触装置70の上部に送ることにより回収水を気液接触装置70内で循環させる循環経路82を備える。
【0014】
ここで、燃料電池ユニット20は固体高分子形又はリン酸形燃料電池を使用することができ、貯液部71は循環経路82に接続され、回収水を直接的又は間接的に気液接触装置70内へ導入できる手段を用いることができる。また、循環経路82は回収水を液送する循環ポンプ82aと配管を用いてもよい。さらに、気液接触装置70は、充填層を有する気液接触装置70を用いてもよい。この気液接触装置70内の酸化剤ガス61と回収水42との接触は向流接触をするように構成することができる。
【0015】
このように構成すると、酸化剤ガスの処理と改質器供給水の処理を結合させた気液接触装置70により構成機器を簡略化し、気液接触装置70内で回収水と酸化剤ガス61とを接触させることにより、酸化剤ガス61を洗浄し加湿することができ、回収水42を脱炭酸することができる。
【0016】
また、前記循環経路82は、例えば、図2に示すように、循環する回収水を加熱する加熱手段として熱交換器83を有する。
【0017】
このように構成すると、回収水は熱交換器83内で加熱昇温された後に気液接触装置70の上部に循環され酸化剤ガス61と接触することで、酸化剤ガス61を洗浄し加湿昇温することができる。また、回収水は酸化剤ガス61によって脱炭酸し冷却することができる。
【0018】
また、請求項に係る発明による燃料電池発電システムは、例えば、図2に示すように、燃焼燃料5の燃焼により発生する熱で原料燃料2を改質して改質ガス3を製造する改質装置1を備え、加熱手段は熱交換器83であって、熱交換器83の加熱側の熱源流体は、電気化学的反応に伴い発生する酸化剤ガス側のオフガス22又は燃料の燃焼に伴い発生する燃焼排ガス6の少なくとも一方である。
【0019】
ここで、熱交換器83は、オフガス22と燃焼排ガス6の混合ガス63を熱交換器83の熱源流体として使用する。
【0020】
このように構成すると、混合ガス63の熱量により回収水を加熱し気液接触装置70を小型化することができる。また、オフガス22に比較して燃焼排ガス6の温度が高く相対湿度が低いので、オフガス22と燃焼排ガス6を混合させることによって、配管における水の結露を防ぐことができるメリットもある。
【0021】
また、請求項2及び請求項3に係る発明による燃料電池発電システムは、例えば、図3に示すように、燃料電池発電システムの循環経路82は、陰イオン交換樹脂充填カラム94を用いた水処理装置93を有する。
【0022】
ここで、循環経路82は、循環ポンプ82aにより回収水を液送するとよい。また、水処理装置93は循環ポンプ82aの下流側に設置するとよい。
【0023】
このように構成すると、循環経路82に液送される回収水中の溶解物質であるSO 2−やCl等の陰イオン成分を水処理装置93により除去することができる。
【0024】
上記目的を達成するために、請求項に係る発明による請求項1又は請求項に記載の燃料電池発電システムは、例えば、図2に示すように、燃料5の燃焼により発生する熱で原料燃料2を改質して改質ガス3を製造する改質装置1と、気液接触装置70から改質装置1に回収水65を供給する供給水路85を備え、供給水路85は、回収水から不純物を除去する純水装置86を有する。
【0025】
ここで、純水装置86はイオン交換樹脂充填カラム87や固形物フィルタ88を用いることができる。
【0026】
このように構成すると、改質装置1に不純物を除去した純水を供給することができる。
【0027】
上記目的を達成するために、請求項5及び請求項6に係る発明による燃料電池発電システムは、例えば、図2に示すように、燃料電池発電システムの気液接触装置70は、酸化剤ガス出口77側のガス経路に酸化剤ガス62を加圧するブロワ84を備える。
【0028】
このように構成すると、燃料電池20に供給する酸化剤ガス62の露点温度を上昇させることで気液接触装置70を小型化することができる。また、加圧するブロワ84が酸化剤ガス出口77側に備えるため、ブロワ84による噴出し圧力が気液接触装置70にかからない。
【0029】
上記目的を達成するために、請求項7に係る発明による請求項5又は請求項6に記載の燃料電池発電システムは、例えば、図5に示すように、ブロワ84の下流に配置され、加圧された酸化剤ガス62を冷却する冷却手段112をさらに備える。
【0030】
このように構成すると、ブロワ84により圧縮発熱した酸化剤ガス62の温度を冷却手段112により低下させることができるため、酸化剤ガス62の相対湿度を上昇させることができる。
【0031】
ここで、冷却手段112は、例えば、スタック冷却水23と酸化剤ガス62とを熱交換させる熱交換器を用いることができる。
【0032】
上記目的を達成するために、請求項8に係る発明による請求項7に記載の燃料電池発電システムは、例えば、図6に示すように、冷却手段114は、酸化剤ガス流路33aから加圧された酸化剤ガス62を導入し、燃料流路31aから改質ガス3を導入し、冷却水流路32aからスタック冷却水23aを導入して相互に熱交換させるように構成する。
【0033】
このように構成すると、酸化剤ガス流路33aと燃料流路31aと冷却水流路32aを備えるので、酸化剤ガス62と改質ガス3を共に、スタック冷却水23aの温度に近づけ冷却することができる。
【0034】
上記目的を達成するために、請求項9に係る発明による請求項8に記載の燃料電池発電システムは、例えば、図5に示すように、冷却手段112の下流に配置され、酸化剤ガスから凝縮水を分離する気液分離器55をさらに備える。
【0035】
このように構成すると、気液分離器55をさらに備えるため、水蒸気飽和状態の酸化剤ガスから凝縮水を分離した酸化剤ガス68を燃料電池20へ供給することができる。
【0036】
上記目的を達成するために、請求項10に係る発明による請求項1乃至請求項9の何れか1項に記載の燃料電池発電システムは、例えば、図7に示すように、貯液部71に溜めた回収水の貯液量を計測し、所定の貯液量に達した段階で、燃料電池20から発生する水の液送経路67を気液接触装置70から系外へ切り替え、水を外部に放出させる貯液量制御装置117をさらに備える。
【0037】
ここで、貯液量を計測する手段は液面センサ118を用い、液送経路67を切替える手段は電磁バルブ115と電磁バルブ116を用い、貯液量制御装置117はコンピュータ又はマイクロプロセッサを用いることができる。
【0038】
このように構成すると、燃料電池20と気液接触装置70との間で水を循環させながら、燃料電池20で発生する余剰水を系外へ排出することができる。
【0039】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図示例と共に説明する。図1から図7は発明を実施する形態の一例であって、図中、図と同一または類似の符号を付した部分は同一物または相当物を表わし、重複した説明は省略する。
【0040】
図1は、本発明による第1の実施の形態である燃料電池発電システムの模式的ブロック図である。燃料電池発電システムは、改質燃料2を改質する改質装置1と、改質装置1から排熱回収装置40を経由して燃料ガス41が供給される燃料電池としての燃料電池ユニット20と、燃料電池ユニット20から発生するスタック冷却水を排熱回収装置40との間で循環させる循環経路23、24と、外部から導入する酸化剤ガスと排熱回収装置40から回収する系内回収水42とを気液接触処理を行い処理後の酸化剤ガス62を燃料電池ユニット20へ供給する酸化剤ガス及び改質器供給水処理装置60と、を備える。
【0041】
図1のブロック図を参照して、燃料電池発電システムの動作について説明をする。燃料電池発電システムは、改質装置1から製造された改質ガス3を排熱回収装置40に供給し、排熱回収装置40から送出する燃料ガス41を下流の燃料電池ユニット20に供給する。また、酸化剤ガスとして大気中の空気又は酸素を酸化剤ガス及び改質器供給水処理装置60へ供給し処理後の酸化剤ガス62を燃料電池ユニット20へ供給する。燃料電池ユニット20は、供給された処理後の酸化剤ガス62と燃料ガス41との電気化学的反応により直流電力(不図示)を発電する。
【0042】
本実施の形態では、改質装置1へ外部から燃焼燃料5、空気4を導入し、また燃料電池ユニット20から燃料極オフガス21を導入し、酸化剤ガス及び改質器供給水処理装置60から改質器供給水65を導入することにより、天然ガス、ナフサ、メタノールのような改質燃料2を外部から改質装置1へ供給し水素を主成分とする水素富化ガスとしての改質ガス3を製造する。また、改質装置1から排出される燃焼排ガス6を燃料電池ユニット20から排出される空気極オフガス22と混合した後に混合ガス63として酸化剤ガス及び改質器供給水処理装置60へ供給するように構成する。
【0043】
コージェネレーション用の温水熱源は、燃料電池ユニット20から排出するスタック冷却水を往き配管23及び還り配管24で構成する循環系統を経由させて排熱回収装置40内の熱交換器から供給する。この熱交換器によりコージェネレーション系から温水往き配管43と温水還り配管44で構成する循環経路を循環する水の温度を上昇させることができる。
【0044】
排熱回収装置40は、改質装置1から送出される改質ガス3を気液分離し系内回収水42を生成する。生成された系内回収水42は酸化剤ガス及び改質器供給水処理装置60へ供給する。
【0045】
酸化剤ガス及び改質器供給水処理装置60は、上述した混合ガス63と系内回収水42の供給を受けて、大気中の酸素又は空気のような酸化剤ガス61を浄化し、浄化処理後の酸化剤ガス62を燃料電池ユニット20へ送出する。また、系内回収水42を浄化した改質器供給水65を改質装置1へ供給する。
【0046】
改質装置1は、燃焼燃料5と空気4を導入し、改質燃料2を改質して改質ガス3を製造する。この改質ガス3を下流の排熱回収装置40へ送出し改質ガス3の温度及び露点を排熱回収装置40により適宜調整して燃料ガス41を生成することができる。
【0047】
燃料電池ユニット20の燃料極には、排熱回収装置40から送出される燃料ガス41を導入する。一方、酸化剤ガス及び改質器供給水処理装置60から送出される処理後の酸化剤ガス62を燃料電池ユニット20の空気極に導入して電気化学的反応により電力を発電することができる。
【0048】
燃料電池ユニット20の燃料極から排出される燃料極オフガス21と空気4とを改質装置1内の燃焼部にて燃焼させて、改質燃料2の改質熱を発生させる。ここで、改質装置1の起動時や改質熱不足時には燃焼燃料5を改質装置1の補助燃料として供給することができる。
【0049】
改質装置1から排出される燃焼排ガス6と燃料電池ユニット20の空気極33(図2参照)から排出される空気極オフガス22とを混合する混合ガス63と、排熱回収装置40から回収された回収水42と、酸化剤ガス61と、を酸化剤ガス及び改質器供給水処理装置60に送出する。
【0050】
酸化剤ガス及び改質器供給水処理装置60は、混合ガス63を熱源として、系内回収水42を原水として各々利用することにより、処理後の酸化剤ガス62と改質器供給水65を生成する。また、酸化剤ガス及び改質器供給水処理装置60から排気される排ガス64は、燃料電池発電システムの排気ガスとして系外へ排出する。
【0051】
燃料電池ユニット20は、発生する熱エネルギーを回収する燃料電池ユニットのスタック冷却水を還り配管24を経由して排熱回収装置40へ送出し、排熱回収装置40から往き配管23を介して燃料電池ユニット20へ回収する冷却水の循環経路に接続されている。
【0052】
このように、燃料電池ユニット20の熱エネルギーを加湿などによる酸化剤ガス処理の熱源に用いる必要がないので、最大限の温度と熱量を有する温水を燃料電池システムからコージェネレーションシステムへ供給することができる。
【0053】
燃料電池ユニット20は、スタック冷却水の温度が酸化剤ガス及び改質器供給水処理装置60の条件変動による影響を受けないので、燃料電池ユニット20の温度を容易に制御することができる。
【0054】
図2は、第1の実施の形態である燃料電池発電システムの系統図である。燃料電池発電システムは、外部から供給される改質燃料2を改質する改質装置1と、改質装置1に接続され改質装置1から熱交換器106及び気液分離器45を経由して燃料ガス41の供給を受ける燃料電池ユニット20と、酸化剤ガス及び改質器供給水処理装置として外部から供給される酸化剤ガス61と系内回収水42とを気液接触させる気液接触装置としての気液接触塔70と、気液接触塔70の下部に設けた貯液部71から上部に設けた水分散器79へ回収水を循環させる循環経路82と、貯液部71からポンプ85aを通じて回収水を液送し純水化する純水装置86と、を備える。
【0055】
ここで、燃料電池ユニット20は、例えば、積層型の固体高分子形燃料電池を使用することができ、空気極33と、冷却水流路31と、燃料極32とを有し、気液接触塔70から空気極33へ酸化剤ガス62を導入し、改質装置1から燃料としての改質ガス3を導入し、電気化学的反応により電力を発電する。
【0056】
燃料電池ユニット20の冷却水流路31から排出されるスタック冷却水は、冷却水還り配管24から送出し熱交換器110と熱交換器106とポンプ108とを経由して冷却水往き配管23を介して冷却水流路31へ循環される。
【0057】
コージェネレーション系の水は、温水往き配管43から熱交換器110に導入してスタック冷却水と熱交換をし昇温してから、温水還り配管44を通じて送出される。また、熱交換器110を通過したスタック冷却水は次段の熱交換器106へ送出され改質装置1から送出される改質ガス3の温度を調整するように熱交換をする。熱交換器106を通過したスタック冷却水は、ポンプ108を介して燃料電池ユニット20の冷却水流路31へ循環される。
【0058】
気液接触塔70は、その下部に、貯液部71と、回収水入口73と、回収水吸引口74と、溢流管75とを配置し、この溢流管75の上部に位置する溢流口76の上方に酸化剤ガス入口72を備え、気液接触塔70の上部には、酸化剤ガス出口77と、回収水注入口78と、水分散器79とを有する。
【0059】
気液接触塔70は、その中部に、回収水と酸化剤ガス61との気液接触を促進するための充填物を充填した充填部80と、充填部80を支持する充填物支持板81とを備える。
【0060】
回収水42は、循環ポンプ82aによって貯液部71の回収水吸引口74より熱交換器83に送出され、混合ガス63との熱交換により加熱昇温された後に気液接触塔70上部の水分散器79に供給される。このように回収水42は循環経路82を通して循環されている。
【0061】
酸化剤ガスのブロワ84は、気液接触塔70の酸化剤ガス出口77に接続し、気液接触塔70内に酸化剤ガス61を吸引し、気液接触塔70内部を加圧することはない。吸引された酸化剤ガス61と回収水42は充填部80にて向流接触することにより、酸化剤ガス61が回収水42によって洗浄されると共に、昇温及び加湿される。
【0062】
気液接触塔70内の回収水42は、酸化剤ガス61によって脱炭酸され、冷却される。回収水の脱炭酸処理工程により少量の炭酸ガスが酸化剤ガス61に混入するが、炭酸ガスが燃料電池ユニット20内の空気極触媒に対する触媒被毒作用をほとんど示さないので燃料電池ユニット20の劣化や寿命に影響することはない。なお、本実施形態で例示する酸化剤ガス入口72は、大気開放されているので、大気中の空気を酸化剤ガス61として用いることができる。
【0063】
気液接触塔70内で脱炭酸された回収水42は、回収水吸引口74に接続する供給水用のポンプ85aにより純水装置86に送られる。回収水42はイオン交換樹脂充填カラム87により純水に精製された後に、改質器供給水65として改質装置1に液送される。また、純水装置86内にはイオン交換樹脂充填カラム87の次段に固形物フィルタ88を設けても良い。
【0064】
上記実施の形態では、循環用のポンプ85aを用いて回収水42を純水装置86へ液送しているが、これに代えて、回収水吸引口74に接続する循環ポンプ82aの吐出口と純水装置86の入口とを連結する分岐配管を設け、循環する回収水42の一部を分岐して純水装置86へ液送することもできる。従って、供給水用のポンプ85aを省き構成部材を削減することができる。
【0065】
上記本実施形態の純水装置86は、陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂を混合充填したミックスベッド形のイオン交換樹脂充填カラム87と、固形物フィルタ88とを直列に連結して構成することができる。
【0066】
また、酸化剤ガス61に粉塵等の固形汚染物質が多量に含まれる場合には、イオン交換樹脂充填カラム87の上流側に固形物フィルタを追加することも出来る。この場合、回収水42が予め脱炭酸されているので、イオン交換樹脂の寿命を伸ばすことができるので、純水装置86のメンテナンス期間を延ばすことができる。
【0067】
気液接触塔70の酸化剤ガス出口77から送出する酸化剤ガス66は、酸化剤ガスのブロワ84によって昇圧され、処理後の酸化剤ガス62として積層型の燃料電池ユニット20の空気極33に供給される。
【0068】
このように構成すると、酸化剤ガスのブロワ84による昇圧の結果、酸化剤ガス66の露点が上昇する。例えば、酸化剤ガスのブロワ84による酸化剤ガス66の圧力上昇が12kPaとして、酸化剤ガス出口77における酸化剤ガス66の露点が50℃の場合は、処理後の酸化剤ガス62の露点が約2℃上昇し約52℃になる。
【0069】
このように、酸化剤ガス62の達成すべき露点が一定の場合、酸化剤ガスのブロワ84を気液接触塔70の下流側に配置することにより、気液接触塔70の加湿負荷を軽減し、気液接触塔70をコンパクト化、すなわち燃料電池発電システムをコンパクト化することができる。また、ブロワ84を酸化剤ガス入口72側に配置した場合と違って、気液接触塔70内はブロワ84により加圧されることがない。
【0070】
また、気液接触塔70内の貯液部71は、大気開放状態を維持することにより大気圧の状態にあるので、回収水42及び67をそれぞれの水位差によって気液分離器45及び89から貯液部71へ導入することができる。従って、回収水42及び回収水67を液送する送液ポンプ等を不要にすることができる。
【0071】
さらに、余剰の回収水42又は67は、追加の送液ポンプや液面センサ等の系外排出機器を用いることなく、貯液部71内に配置する溢流管75の底部排出口から燃料電池発電システムの系外へ排出することができる利点もある。
【0072】
酸化剤ガス及び改質器供給水処理装置の一部を構成する熱交換器83は、燃料電池ユニット20の空気極33から排出する空気極オフガス22と、改質装置1から排出された燃焼排ガス6を混合した混合ガス63を導入し、顕熱及び潜熱の一部を気液接触塔70から供給された回収水42と熱交換をしてから、回収された混合ガス63を下流に配置する気液分離器89により凝縮水を分離する。
【0073】
気液分離器89内の凝縮水は、回収水67として回収され水位差によって気液接触塔70へ送出される。また、気液分離器89を出た気体は排ガス64として燃料発電システムの系外へ排出される。ここで、熱交換器83の下流側で気液分離器89の上流側に破線矢印にて接続された冷却器100を追加することにより、排ガス64の熱及び水分をさらに回収することもできる。
【0074】
上記実施の形態では、空気極オフガス22と燃焼排ガス6の顕熱、潜熱、及び、水分を比較的に少ない機器で回収し有効利用することができる。
【0075】
図3は、本発明の第2の実施の形態である燃料電池発電システムの系統図である。ここで、前記第1の実施形態と同一又は対応する部材又は要素は、同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【0076】
燃料電池発電システムは、改質装置1と、燃料電池ユニット20と、酸化剤ガス及び改質器供給水処理装置60を構成する気液接触塔70と水処理装置93と、純水装置86と、を備える。
【0077】
気液接触塔70は、上部に配置する水分散器79と酸化剤ガス出口77との間に、デミスタ91を設け、このデミスタ91により中央部の充填部80から上昇する酸化剤ガス61によってキャリーオーバされたミストを除去する。
【0078】
また、気液接触塔70の回収水吸引口74に接続する循環経路82中の循環用のポンプ85aの下流側に水処理装置93を備える。この水処理装置93のイオン交換樹脂充填カラム94に用いるイオン交換樹脂としては、OH型陰イオン交換樹脂が望ましい。本実施形態において、酸化剤ガス61中の酸性ガス汚染物質、例えば、硫黄酸化物SOは、SO + OH → HSO の反応式により、充填部80にて接触する回収水42の中のOHイオンと反応してイオン化し、回収水42に吸収される。
【0079】
そして、吸収された系内循環水中のHSO は、HSO + R−OH → R−HSO + OH の反応式により、イオン交換樹脂充填カラム94にて陰イオン交換樹脂のOHイオンのイオン交換をしてイオン交換樹脂充填カラム94内のイオン交換樹脂に吸着される。この時に、OHイオンが回収水に供給される。
【0080】
本実施の形態では、回収水の循環経路に、OH型陰イオン交換樹脂を用いた水処理装置93を備えることによって、気液接触塔70に循環される回収水42にOHイオンを常に供給する。即ち、循環する回収水42を常にアルカリ性に保ち、酸化剤ガス61に含有するNOx、SOx等の酸性ガスの汚染物質を効果的に除去することができる。
【0081】
図4は、本発明の実施の形態である燃料電池発電システムに用いる気液接触塔70の系統図である。上述した実施の形態では、気液接触塔70内の貯液部71の上部に酸化剤ガス入口72を設けて大気中の酸素又は空気を導入したが、本実施の形態では、貯液部71に貯留した回収水の中に酸化剤ガス導入口104を設けている。
【0082】
この酸化剤ガス導入口104は、酸化剤ガス入口72から空気又は酸素を貯液部71へ導入し貯留した回収水により酸化剤ガス61の不純物を除去することができる。酸化剤ガス61は、泡状に放出され気液接触塔70内を上昇して上部の水分散器79から散布される回収水42と接触し二段階の浄化工程を経ることができる。
【0083】
このように本実施の形態では、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学的反応により水を発生すると共に発電する発電工程と、発生した水を含む回収水42と発電工程で使用する前の酸化剤ガス61とを接触させる気液接触工程とを備えることにより、燃料電池発電システム系内の回収水42を脱炭酸し精製すると共に、酸化剤ガスを浄化して燃料電池ユニット20へ供給する燃料電池発電方法を提供することができる。
【0084】
また、上述した気液接触工程は、酸化剤ガス61と接触させる回収水42を循環使用するために循環する循環工程を備えることにより、この循環工程は、循環する回収水42を加熱する加熱工程を有するので、加熱した回収水42を介して酸化剤ガス61を加湿昇温し浄化する燃料電池発電方法を提供することができる。
【0085】
さらに、燃料を燃焼させて熱を発生し、この熱で原料燃料としての改質燃料2を改質して水素富化ガスとしての改質ガス3を製造する改質工程を備えることにより、加熱工程では、電気化学的反応に伴い発生するオフガス22又は燃料の燃焼に伴い発生する燃焼排ガス6の少なくとも一方で回収水42を加熱することで、回収水42を加熱する十分な熱源を確保する燃料電池発電工程を提供することができる。
【0086】
さらにまた、循環工程は、陰イオン交換工程を有することにより、酸化剤ガス61中の酸性ガス汚染物質を効率良く除去する燃料電池発電システムを提供することができる。
【0087】
図5は、本発明の第3の実施の形態である燃料電池発電システムの系統図である。燃料電池発電システムは、改質燃料2を改質する改質装置1と、改質装置1から燃料ガス41の供給を受ける燃料電池ユニット20と、燃料電池ユニット20から発生する水を貯留すると共に燃料電池ユニット20へ供給する酸化剤ガス61を洗浄する気液接触塔70と、気液接触塔70が貯留する水を純水化する純水装置86と、気液接触塔70が貯留する水を浄化する水処理装置93と、気液接触塔70から浄化した酸化剤ガス66を燃料電池ユニット20へ送風するブロワ84と、ブロワ84の下流に設けられ燃料電池ユニット20から排出するスタック冷却水とブロワ84から送風する酸化剤ガス62とを熱交換する冷却手段としての熱交換器112と、熱交換器112と燃料電池ユニット20との間に配置され、熱交換した冷却酸化剤ガスから凝縮水を分離する気液分離器55とを備える。
【0088】
ここで、本実施の形態に用いる改質装置1、燃料電池ユニット20、気液接触塔70、純水装置86、水処理装置93、ブロワ84等の部材は、上述した実施の形態に用いた部材と同等のものを用いることができるため、重複する説明を省略する。
【0089】
燃料電池ユニット20は、冷却水還り配管24に接続され、内部の冷却水流路31から排出するスタック冷却水をこの冷却水還り配管24から送出し、スタック冷却水を燃料電池ユニット20の下流に位置する熱交換器110と熱交換器106とポンプ108の順番に各々経由させながら、冷却手段としての熱交換器112、及び冷却水往き配管23を介して冷却水流路31へスタック冷却水を循環させるように構成する。
【0090】
上記熱交換器112は、ブロワ84を介して気液接触塔70に接続され、ブロワ84から処理後の酸化剤ガス62を導入し、循環しているスタック冷却水と熱交換させて、この熱交換器112により冷却した酸化剤ガスを次段に接続した気液分離器55に供給する。ここで、熱交換器112は、例えば、酸化剤ガス62とスタック冷却水とを並行して通過させる並流形式の熱交換器が望ましい。
【0091】
燃料電池ユニット20による酸化剤ガスの圧力降下が大きい場合、ブロワ84による酸化剤ガス62の圧縮比が大きいので、圧縮発熱による酸化剤ガス62の温度上昇が顕著となる。この酸化剤ガス62が温度上昇する結果、酸化剤ガス62の相対湿度が90%以下に低下するおそれがある。
【0092】
燃料電池ユニット20の空気極33へ相対湿度が90%以下の酸化剤ガス62を直接供給すると燃料電池ユニット20内部の高分子電解質膜が乾燥し、燃料電池ユニット20の出力電圧低下、及び高分子電解質膜の寿命の低下を招く虞がある。従って、本実施の形態では、上述の如く酸化剤ガス62とスタック冷却水とを熱交換をさせることにより、酸化剤ガス62を冷却し空気極33に導入する酸化剤ガス68の相対湿度を約90%以上に維持することができる。
【0093】
また、熱交換器112により冷却された酸化剤ガス62の相対湿度が100%を超える水蒸気過飽和状態に至る場合でも、気液分離器55は、酸化剤ガス62から凝縮水を分離するので、燃料電池ユニット20に適した湿度の酸化剤ガス68を供給することができる。分離した凝縮水は、下部に設けたバルブの開操作により配管52を通じて気液接触塔70の貯液部71へ液送される。
【0094】
図6は、本発明の第4の実施の形態である燃料電池発電システムの系統図である。燃料電池発電システムは、改質燃料2を改質する改質装置1と、改質装置1から燃料ガス41の供給を受ける燃料電池ユニット20と、燃料電池ユニット20から発生する水を貯留すると共に燃料電池ユニット20へ供給する酸化剤ガス61を洗浄する気液接触塔70と、気液接触塔70が貯留する水を純水化する純水装置86と、気液接触塔70が貯留する水を浄化する水処理装置93と、気液接触塔70から浄化した酸化剤ガス66を燃料電池ユニット20へ送風するブロワ84と、ブロワ84の下流に設けられ燃料電池ユニット20から排出するスタック冷却水とブロワ84から送風する酸化剤ガス62及び改質装置1から供給される改質ガス3とを熱交換する冷却手段としての3流体熱交換器114と、熱交換器114と燃料電池ユニット20との間に配置され、熱交換した冷却酸化剤ガスから凝縮水を分離する気液分離器55と、熱交換した燃料ガス41から凝縮水を分離する気液分離器45と、を備える。
【0095】
ここで、本実施の形態に用いる改質装置1、燃料電池ユニット20、気液接触塔70、純水装置86、水処理装置93、ブロワ84等の部材は、上述した実施の形態に用いた部材と同等のものを用いることができるため、重複する説明を省略する。
【0096】
燃料電池ユニット20は、冷却水還り配管24に接続され、内部の冷却水流路31から排出するスタック冷却水をこの冷却水還り配管24から送出し、スタック冷却水を燃料電池ユニット20の下流に位置する熱交換器110とポンプ108の順番に各々経由させながら冷却水往き配管23a、冷却手段としての3流体熱交換器114、及び冷却水往き配管23を介して冷却水流路31へスタック冷却水を循環させるように構成する。
【0097】
3流体熱交換器114は、燃料流路31a、冷却水流路32a、及び酸化剤ガス流路33aを備え、燃料流路31aは、改質装置1に接続され改質ガス3を導入する。冷却水流路32aは、冷却水往き配管23aを介してポンプ108に接続されスタック冷却水を導入する。酸化剤ガス流路33aはブロワ84に接続され処理後の酸化剤ガス62を導入する。
【0098】
上記3流体熱交換器114は、上述した実施の形態に用いた熱交換器106と熱交換器112の代替手段として機能し、改質ガス3と酸化剤ガス62をスタック冷却水と熱交換させることができる。ここで、3流体熱交換器114は、改質ガス3と酸化剤ガス62とスタック冷却水の3流体を並行して通過させる並流形式の熱交換器が望ましい。
【0099】
また、3流体熱交換器114を用いるのは、上述した実施の形態で説明した熱交換器106(図5参照)が燃料ガス3とスタック冷却水との熱交換を行い、熱交換器112(図5参照)が酸化剤ガス62とスタック冷却水との熱交換を行うように、熱交換器106と熱交換器112は共に、熱交換媒体の一方がスタック冷却水であるため、これらを代替することができるからである。
【0100】
しかも、3流体熱交換器114は冷却媒体としてのスタック冷却水を共通にするので、燃料電池ユニット20に導入する燃料ガス3と酸化剤ガス62の温度をスタック冷却水温度に同時に近づけることができ、システムをコンパクトにすることができる。
【0101】
3流体熱交換器114は、燃料流路31aの出口が気液分離器45を経由して燃料電池ユニットの燃料極32に接続され、燃料ガス41を燃料電池ユニット20へ供給する。また、冷却水流路32aの出口が往き配管23を経由して燃料電池ユニットの冷却水流路31に接続され、スタック冷却水を燃料電池ユニット20へ供給する。さらに、酸化剤ガス流路33aの出口が気液分離器55を経由して燃料電池ユニットの空気極33に接続され、気水分離した酸化剤ガス68を燃料電池ユニット20へ供給する。
【0102】
図7は、本発明の第5の実施の形態である燃料電池発電システムの系統図である。燃料電池発電システムは、改質燃料2を改質する改質装置1と、改質装置1から燃料ガス41の供給を受ける燃料電池ユニット20と、燃料電池ユニット20から発生する水を貯留すると共に燃料電池ユニット20へ供給する酸化剤ガス61を洗浄する気液接触塔70と、気液接触塔70が貯留する水を純水化する純水装置86と、気液接触塔70が貯留する水を浄化する水処理装置93と、気液接触塔70から浄化した酸化剤ガスを燃料電池ユニット20へ送風するブロワ84と、ブロワ84の下流に設けられ燃料電池ユニット20から排出するスタック冷却水とブロワ84から送風する酸化剤ガス62及び改質装置1から供給される燃料ガス41とを熱交換する冷却手段としての3流体熱交換器114と、熱交換器114と燃料電池ユニット20との間に配置され、熱交換した冷却酸化剤ガスから凝縮水を分離する気液分離器55と、熱交換した燃料ガス41から凝縮水を分離する気液分離器45と、燃料電池ユニット20と改質装置1から排気される混合ガス63により循環する回収水を加熱する熱交換器83と、熱交換器83の下流に接続され冷却器100により冷却された混合ガスから凝縮水を分離する気液分離器89と、気液分離器89の下部に設けられ分離した凝縮水を系外へ排出させる電磁バルブ116と、気液分離器89の下部に設けられ分離した凝縮水を気液接触塔70へ供給する電磁バルブ115と、を備える。
【0103】
ここで、本実施の形態に用いる改質装置1、燃料電池ユニット20、気液接触塔70、純水装置86、水処理装置93、ブロワ84、熱交換器114等の部材は、上述した実施の形態に用いた部材と同等のものを用いることができるため、重複する説明を省略する。
【0104】
気液接触塔70は、貯液部に貯留した回収水の貯留量を検出する液面センサ118を備え、液面センサ118のセンサ部120が回収水の液面119を検知するように構成する。液面センサ118は、ライン121を介して貯液量制御装置としてのコントローラ117に電気的に接続され、液面119の検出信号をコントローラ117へ送信する。
【0105】
コントローラ117は、気液分離器89の下方に設けられた電磁バルブ115とライン122を介して電気的に接続され、同様に、気液分離器89の下方に設けられた電磁バルブ116とライン123を介して電気的に接続されている。
【0106】
燃料電池ユニット20は、燃料ガス41と酸化剤ガス68とが電気化学的反応により発電し、水を生成するため、燃料電池発電システム内で水が過剰となる場合がある。本実施の形態では、生成した水を循環利用しながら、気液接触塔70の貯液部71に貯留した回収水の貯留量を制御し、余剰となる水を系外に排出するように構成する。
【0107】
図7の系統図を参照して、燃料電池発電システムの動作について説明をする。コントローラ117は、液面センサ118から貯液部71に貯留した回収水の液面119に対応する検出信号を受信し、内部で論理演算をすることにより予め設定した液面情報と検出信号に基づく演算結果とを比較する。比較結果により液面119が所定の水位以下と判定されたときは、電磁バルブ115を開制御する制御信号をライン122を介して電磁バルブ115へ送信すると共に、電磁バルブ116を閉制御する制御信号をライン123を介して電磁バルブ116へ送信する。この2つの電磁バルブの制御により気液分離器89に溜まった凝縮水を貯液部71へ液送することができる。
【0108】
一方、コントローラ117の比較結果により液面119が所定の水位以上と判定されたときは、電磁バルブ115を閉制御する制御信号をライン122を介して電磁バルブ115へ送信すると共に、電磁バルブ116を開制御する制御信号をライン123を介して電磁バルブ116へ送信する。この2つの電磁バルブの制御により気液分離器89に溜まった凝縮水を余剰水として系外へ排出することができる。
【0109】
このように、燃料電池ユニット20から生成される水の内余剰水を循環系に入れずに直接系外へ排出するため、水処理装置93や純水装置86の負荷を軽減して寿命を延長させることができる。また、系外へ排出する余剰水を不図示の中和装置を経由させてから排水設備に流すように構成することにより中和した排水を環境へ放出することができる。
【0110】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料改質器供給水及び酸化剤ガスを効率よく処理し、燃料電池システムの改質装置、燃料電池及び水処理装置の性能と寿命を改善することができる。
【0111】
また、燃料電池システムの機器点数を少なくして製造コストを低減させることができ、燃料電池システムの熱効率を向上させ、燃料電池発電システムより供給される温水の温度を高くするという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態の燃料電池発電システムの模式的ブロック図である。
【図2】本発明の第1の実施の形態の燃料電池発電システムの系統図である。
【図3】本発明の第2の実施の形態の燃料電池発電システムの系統図である。
【図4】本発明の実施の形態の燃料電池発電システムに用いる気液接触装置の系統図である。
【図5】本発明の第3の実施の形態である燃料電池発電システムの系統図である。
【図6】本発明の第4の実施の形態である燃料電池発電システムの系統図である。
【図7】本発明の第5の実施の形態である燃料電池発電システムの系統図である。
【符号の説明】
1 改質装置
3 燃料ガス
20 燃料電池ユニット
23 循環経路
31a 燃料流路
31 冷却水流路
32 燃料極
32a 冷却水流路
33 空気極
33a 酸化剤ガス流路
40 排熱回収装置
45 気液分離器
55 気液分離器
60 改質器供給水処理装置
67 液送経路
68 酸化剤ガス
70 気液接触塔
82a 循環ポンプ
82 循環経路
83 熱交換器
84 ブロワ
85a ポンプ
86 純水装置
89 気液分離器
93 水処理装置
94 イオン交換樹脂充填カラム
100 冷却器
106 熱交換器
108 ポンプ
110 熱交換器
112 熱交換器
114 熱交換器
115 電磁バルブ
116 電磁バルブ
117 貯液量制御装置
118 液面センサ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell power generation system, and more particularly to a treatment system for oxidant gas and reformer feed water in a fuel cell cogeneration system.
[0002]
[Prior art]
A gas such as city gas, LPG, digestion gas, methanol or kerosene is generated through a reformer to generate a reformed gas rich in hydrogen and supplied to the fuel electrode of the fuel cell, and an oxidant gas containing oxygen such as air. There is a fuel cell power generation system that generates electricity through an electrochemical reaction by supplying the fuel cell to the air electrode of the fuel cell, and a fuel cell cogeneration system that supplies both the electric output and the exhaust heat of the fuel cell power generation system.
[0003]
When using air as the oxidant gas, the fuel cell power generation system removes impurities such as dust in the air, acidic gas pollutants such as SOx and NOx, and atmospheric salinity in coastal areas in order to suppress degradation of fuel cell performance. It is necessary to remove the water for fuel reforming supplied to the reformer, not only insoluble substances but also Ca.2+, Na+Such as cations and SO4 2-, ClIt is also necessary to remove soluble substances such as anions.
[0004]
Further, when a polymer electrolyte fuel cell is used as the fuel cell, it is necessary to humidify the oxidant gas to a predetermined dew point in order to keep the proton exchange membrane highly conductive. The required oxidant gas dew point varies depending on the operating conditions such as the operating temperature of the fuel cell to be used, but is generally in the range of about 50 to 80 ° C.
[0005]
As a method for purifying fuel reforming water, raw water is passed through a purifying apparatus in which an ion exchange resin packed column and a filter are arranged in series to be purified into pure water and then supplied to the fuel reformer. Further, as a method for cleaning the oxidant gas, a dry filtration method using an air filter has been used. Further, as a method for humidifying the oxidant gas, a membrane humidification method using a water vapor permeable membrane and a hot water contact humidification method using fuel cell stack cooling water as a heat source have been proposed.
[0006]
[Patent Document 1]
JP 2002-175826 (paragraph number 0018, FIG. 1)
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in such a conventional fuel cell power generation system, when the membrane humidification method is used as the humidification method of the oxidant gas, the lifetime of the humidification membrane is shorter than the lifetime of the fuel cell stack, and the lifetime of the entire fuel cell system is restricted. Existed.
[0008]
In addition, in the hot water contact humidification method using the fuel cell stack cooling water as a heat source, the temperature of the stack cooling water decreases, so the temperature of the hot water supplied from the fuel cell cogeneration system using this cooling water as the heat source decreases. Is also present.
[0009]
Further, when a dry filtration method using an air filter is used as a method for cleaning the oxidant gas, the power consumed by the oxidant gas blower is increased due to the pressure loss of the air filter, thereby reducing the efficiency of the system.
[0010]
In addition, when the recovered water in the system is used as the raw water for reforming supply water, if the recovered water is treated by a pure water device, the life of the ion exchange resin of the pure water device is reduced by the dissolved CO in the recovered water.2It is greatly reduced by. Furthermore, the cleaning process and humidification process of the oxidant gas and the purification of the reformer supply water are performed in separate systems, resulting in an increase in the number of components of the entire system, resulting in fuel cell power generation. There is also a problem that the manufacturing cost of the system increases.
[0011]
  In view of such circumstances, the present invention provides a fuel cell power generation system in which the components are simplified.TheThe purpose is to provide.
[0012]
  In addition, a fuel cell power generation system with a reduced size or longer lifeThe purpose is to provide.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a fuel cell power generation system according to the first aspect of the present invention, for example, as shown in FIG. 2, generates electric power by an electrochemical reaction between a fuel gas 41 and an oxidant gas 62 to generate water. It has a fuel cell unit 20 to be generated, a liquid storage part 71 for storing recovered water at the lower part, a recovered water inlet 73 for introducing recovered water 42 containing the generated water, and an oxidant gas inlet 72 for introducing oxidant gas 61. And an oxidant gas outlet 77 for discharging the oxidant gas 66 are formed, and the recovered water 42 introduced from the recovered water inlet 73 and the oxidant gas 61 introduced from the oxidant gas inlet 72 are brought into contact with each other. The gas-liquid contact device 70 and a circulation path 82 for circulating the recovered water in the gas-liquid contact device 70 by sending the recovered water of the liquid storage unit 71 to the upper portion of the gas-liquid contact device 70 are provided.
[0014]
Here, the fuel cell unit 20 can use a solid polymer type or phosphoric acid type fuel cell, and the liquid storage unit 71 is connected to a circulation path 82 to directly or indirectly collect the recovered water into a gas-liquid contact device. Means that can be introduced into 70 can be used. Further, the circulation path 82 may use a circulation pump 82a for feeding the recovered water and a pipe. Further, the gas-liquid contact device 70 may be a gas-liquid contact device 70 having a packed bed. The contact between the oxidant gas 61 and the recovered water 42 in the gas-liquid contact device 70 can be configured to be countercurrent contact.
[0015]
  When configured in this way,The gas-liquid contact device 70 that combines the treatment of the oxidant gas and the treatment of the reformer supply water simplifies the components,By contacting the recovered water and the oxidant gas 61 in the gas-liquid contact device 70, the oxidant gas 61 can be washed and humidified, and the recovered water 42 can be decarboxylated.
[0016]
  In addition,For example, as shown in FIG. 2, the circulation path 82 heats the recovered water that circulates.As a heating meansA heat exchanger 83 is included.
[0017]
With this configuration, the recovered water is heated and heated in the heat exchanger 83 and then circulated to the upper portion of the gas-liquid contact device 70 to come into contact with the oxidant gas 61, thereby cleaning the oxidant gas 61 and increasing the humidity. Can be warmed. The recovered water can be decarboxylated by the oxidant gas 61 and cooled.
[0018]
  Also, Claims1According to the inventionBurningThe battery power generation system, for example, as shown in FIG., BurningA reformer 1 is provided for producing a reformed gas 3 by reforming the raw fuel 2 with heat generated by the combustion of the burned fuel 5, the heating means being a heat exchanger 83, the heating side of the heat exchanger 83 The heat source fluid is at least one of the oxidant gas-side off-gas 22 generated by the electrochemical reaction or the combustion exhaust gas 6 generated by the combustion of the fuel.
[0019]
Here, the heat exchanger 83 uses the mixed gas 63 of the off gas 22 and the combustion exhaust gas 6 as a heat source fluid of the heat exchanger 83.
[0020]
If comprised in this way, collection | recovery water can be heated with the calorie | heat amount of the mixed gas 63, and the gas-liquid contact apparatus 70 can be reduced in size. Further, since the temperature of the combustion exhaust gas 6 is higher than that of the off gas 22 and the relative humidity is low, mixing the off gas 22 and the combustion exhaust gas 6 has an advantage that water condensation in the piping can be prevented.
[0021]
  Also, Claims2 and claim 3According to the inventionBurningIn the fuel cell power generation system, for example, as shown in FIG. 3, the circulation path 82 of the fuel cell power generation system includes a water treatment device 93 using an anion exchange resin-filled column 94.
[0022]
Here, the circulation path 82 may feed the recovered water by a circulation pump 82a. Moreover, the water treatment apparatus 93 is good to install in the downstream of the circulation pump 82a.
[0023]
If comprised in this way, it is SO which is a dissolved substance in the recovery water sent to the circulation path 82 liquid.4 2-Or ClAn anion component such as can be removed by the water treatment device 93.
[0024]
  In order to achieve the above object, the claims4The invention according to claim 1OrClaim22, for example, as shown in FIG. 2, a reformer 1 that reforms a raw material fuel 2 with heat generated by combustion of a fuel 5 to produce a reformed gas 3, and a gas-liquid A supply water channel 85 for supplying the recovered water 65 from the contact device 70 to the reformer 1 is provided, and the supply water channel 85 has a pure water device 86 for removing impurities from the recovered water.
[0025]
Here, the pure water device 86 can use an ion exchange resin-filled column 87 or a solid matter filter 88.
[0026]
If comprised in this way, the pure water from which the impurity was removed can be supplied to the reformer 1.
[0027]
  In order to achieve the above object, the claims5 and claim 6According to the inventionBurningIn the fuel cell power generation system, for example, as shown in FIG. 2, the gas-liquid contact device 70 of the fuel cell power generation system includes a blower 84 that pressurizes the oxidant gas 62 in the gas path on the oxidant gas outlet 77 side.
[0028]
If comprised in this way, the gas-liquid contact apparatus 70 can be reduced in size by raising the dew point temperature of the oxidizing gas 62 supplied to the fuel cell 20. FIG. Further, since the blower 84 to be pressurized is provided on the oxidant gas outlet 77 side, the jet pressure by the blower 84 is not applied to the gas-liquid contact device 70.
[0029]
  In order to achieve the above object, according to the invention of claim 7Claim 5 orFor example, as shown in FIG. 5, the fuel cell power generation system according to claim 6 further includes a cooling unit 112 that is disposed downstream of the blower 84 and cools the pressurized oxidant gas 62.
[0030]
With this configuration, the temperature of the oxidant gas 62 compressed and generated by the blower 84 can be lowered by the cooling means 112, and therefore the relative humidity of the oxidant gas 62 can be increased.
[0031]
Here, the cooling means 112 can use, for example, a heat exchanger that exchanges heat between the stack cooling water 23 and the oxidant gas 62.
[0032]
In order to achieve the above object, in the fuel cell power generation system according to claim 7 according to the invention according to claim 8, for example, as shown in FIG. 6, the cooling means 114 is pressurized from the oxidant gas flow path 33a. The oxidant gas 62 thus introduced is introduced, the reformed gas 3 is introduced from the fuel flow path 31a, and the stack cooling water 23a is introduced from the cooling water flow path 32a to exchange heat with each other.
[0033]
With this configuration, since the oxidant gas flow path 33a, the fuel flow path 31a, and the cooling water flow path 32a are provided, both the oxidant gas 62 and the reformed gas 3 can be cooled close to the temperature of the stack cooling water 23a. it can.
[0034]
In order to achieve the above object, a fuel cell power generation system according to an eighth aspect of the invention according to the ninth aspect is disposed downstream of the cooling means 112, for example, as shown in FIG. A gas-liquid separator 55 for separating water is further provided.
[0035]
If comprised in this way, since the gas-liquid separator 55 is further provided, the oxidant gas 68 which isolate | separated condensed water from the oxidant gas of a steam saturated state can be supplied to the fuel cell 20. FIG.
[0036]
In order to achieve the above object, the fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 9 according to the invention according to claim 10 includes, for example, a liquid storage unit 71 as shown in FIG. The amount of collected recovered water is measured, and when a predetermined amount of liquid is reached, the liquid feed path 67 of water generated from the fuel cell 20 is switched from the gas-liquid contact device 70 to the outside of the system, and the water is externally supplied. The liquid storage amount control device 117 is further provided.
[0037]
Here, the liquid level sensor 118 is used as the means for measuring the liquid storage amount, the electromagnetic valve 115 and the electromagnetic valve 116 are used as the means for switching the liquid feeding path 67, and the computer or microprocessor is used as the liquid storage amount control device 117. Can do.
[0038]
If comprised in this way, the surplus water which generate | occur | produces in the fuel cell 20 can be discharged | emitted out of the system, circulating water between the fuel cell 20 and the gas-liquid contact apparatus 70. FIG.
[0039]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described together with illustrated examples. FIG. 1 to FIG. 7 are examples of embodiments for carrying out the invention. In the drawings, the same reference numerals as those in the drawings denote the same or equivalent parts, and duplicate descriptions are omitted.
[0040]
FIG. 1 is a schematic block diagram of a fuel cell power generation system according to a first embodiment of the present invention. The fuel cell power generation system includes a reformer 1 that reforms the reformed fuel 2, and a fuel cell unit 20 as a fuel cell to which fuel gas 41 is supplied from the reformer 1 via the exhaust heat recovery device 40. , Circulation paths 23 and 24 for circulating the stack cooling water generated from the fuel cell unit 20 to and from the exhaust heat recovery device 40, the oxidant gas introduced from the outside, and the in-system recovery water recovered from the exhaust heat recovery device 40 42, and an oxidant gas and a reformer supply water treatment device 60 for supplying the treated oxidant gas 62 to the fuel cell unit 20.
[0041]
The operation of the fuel cell power generation system will be described with reference to the block diagram of FIG. The fuel cell power generation system supplies the reformed gas 3 produced from the reformer 1 to the exhaust heat recovery device 40 and supplies the fuel gas 41 sent from the exhaust heat recovery device 40 to the downstream fuel cell unit 20. Further, air or oxygen in the atmosphere is supplied as the oxidant gas to the oxidant gas and the reformer supply water treatment device 60, and the treated oxidant gas 62 is supplied to the fuel cell unit 20. The fuel cell unit 20 generates DC power (not shown) by an electrochemical reaction between the supplied treated oxidant gas 62 and the fuel gas 41.
[0042]
In the present embodiment, the combustion fuel 5 and the air 4 are introduced into the reformer 1 from the outside, the fuel electrode off-gas 21 is introduced from the fuel cell unit 20, and the oxidant gas and reformer supply water treatment device 60 is introduced. By introducing the reformer supply water 65, the reformed gas as a hydrogen-enriched gas mainly containing hydrogen by supplying the reformed fuel 2 such as natural gas, naphtha and methanol from the outside to the reformer 1 3 is manufactured. In addition, the combustion exhaust gas 6 discharged from the reformer 1 is mixed with the air electrode off-gas 22 discharged from the fuel cell unit 20 and then supplied to the oxidant gas and reformer supply water treatment device 60 as a mixed gas 63. Configure.
[0043]
The hot water heat source for cogeneration is supplied from the heat exchanger in the exhaust heat recovery apparatus 40 through the circulation system constituted by the forward piping 23 and the return piping 24, with the stack cooling water discharged from the fuel cell unit 20. With this heat exchanger, it is possible to raise the temperature of the water circulating through the circulation path constituted by the hot water return pipe 43 and the hot water return pipe 44 from the cogeneration system.
[0044]
The exhaust heat recovery device 40 gas-liquid separates the reformed gas 3 delivered from the reformer 1 to generate in-system recovered water 42. The generated in-system recovered water 42 is supplied to the oxidizing gas and reformer supply water treatment device 60.
[0045]
The oxidant gas and reformer supply water treatment device 60 receives the supply of the mixed gas 63 and the recovered water 42 in the system, purifies the oxidant gas 61 such as oxygen or air in the atmosphere, and performs the purification process. The subsequent oxidant gas 62 is sent to the fuel cell unit 20. Further, the reformer supply water 65 obtained by purifying the in-system recovered water 42 is supplied to the reformer 1.
[0046]
The reformer 1 introduces combustion fuel 5 and air 4 and reforms the reformed fuel 2 to produce a reformed gas 3. The reformed gas 3 can be sent to the downstream exhaust heat recovery device 40, and the temperature and dew point of the reformed gas 3 can be appropriately adjusted by the exhaust heat recovery device 40 to generate the fuel gas 41.
[0047]
A fuel gas 41 delivered from the exhaust heat recovery device 40 is introduced into the fuel electrode of the fuel cell unit 20. On the other hand, the oxidant gas and the treated oxidant gas 62 delivered from the reformer supply water treatment device 60 can be introduced into the air electrode of the fuel cell unit 20 to generate electric power through an electrochemical reaction.
[0048]
The fuel electrode off-gas 21 discharged from the fuel electrode of the fuel cell unit 20 and the air 4 are combusted in the combustion section in the reformer 1 to generate reformed heat of the reformed fuel 2. Here, the combustion fuel 5 can be supplied as an auxiliary fuel for the reformer 1 when the reformer 1 is started or when the reforming heat is insufficient.
[0049]
It is recovered from the exhaust gas recovery device 40 and the mixed gas 63 that mixes the combustion exhaust gas 6 discharged from the reformer 1 and the air electrode off-gas 22 discharged from the air electrode 33 (see FIG. 2) of the fuel cell unit 20. The recovered water 42 and the oxidant gas 61 are sent to the oxidant gas and reformer supply water treatment device 60.
[0050]
The oxidant gas and reformer supply water treatment device 60 uses the mixed gas 63 as a heat source and the in-system recovered water 42 as raw water, so that the treated oxidant gas 62 and the reformer feed water 65 are treated. Generate. Further, the exhaust gas 64 exhausted from the oxidant gas and the reformer supply water treatment device 60 is discharged out of the system as exhaust gas of the fuel cell power generation system.
[0051]
The fuel cell unit 20 returns the stack cooling water of the fuel cell unit that recovers the generated thermal energy to the exhaust heat recovery device 40 via the return pipe 24, and the fuel from the exhaust heat recovery device 40 via the forward piping 23. It is connected to the circulation path of the cooling water recovered to the battery unit 20.
[0052]
Thus, since it is not necessary to use the heat energy of the fuel cell unit 20 as a heat source for oxidant gas processing by humidification or the like, it is possible to supply hot water having the maximum temperature and heat amount from the fuel cell system to the cogeneration system. it can.
[0053]
The fuel cell unit 20 can easily control the temperature of the fuel cell unit 20 because the temperature of the stack cooling water is not affected by fluctuations in the conditions of the oxidant gas and the reformer supply water treatment device 60.
[0054]
FIG. 2 is a system diagram of the fuel cell power generation system according to the first embodiment. The fuel cell power generation system includes a reformer 1 for reforming reformed fuel 2 supplied from the outside, and the reformer 1 connected to the reformer 1 via a heat exchanger 106 and a gas-liquid separator 45. The fuel cell unit 20 that receives the supply of the fuel gas 41, and the gas-liquid contact that brings the oxidant gas 61 supplied from the outside as the oxidant gas and reformer supply water treatment device and the in-system recovered water 42 into gas-liquid contact. A gas-liquid contact tower 70 as a device, a circulation path 82 for circulating the recovered water from a liquid storage part 71 provided at the lower part of the gas-liquid contact tower 70 to a water disperser 79 provided at the upper part, and a pump from the liquid storage part 71 And a pure water device 86 for feeding the recovered water through 85a and purifying it.
[0055]
Here, the fuel cell unit 20 can use, for example, a stacked polymer electrolyte fuel cell, and includes an air electrode 33, a cooling water channel 31, and a fuel electrode 32, and a gas-liquid contact tower. The oxidant gas 62 is introduced from 70 to the air electrode 33, the reformed gas 3 as fuel is introduced from the reformer 1, and electric power is generated by an electrochemical reaction.
[0056]
The stack cooling water discharged from the cooling water flow path 31 of the fuel cell unit 20 is sent out from the cooling water return pipe 24, passes through the heat exchanger 110, the heat exchanger 106, and the pump 108, and passes through the cooling water outlet pipe 23. And circulated to the cooling water passage 31.
[0057]
The cogeneration water is introduced into the heat exchanger 110 through the hot water outlet pipe 43 and heat-exchanged with the stack cooling water to raise the temperature, and then sent out through the hot water return pipe 44. In addition, the stack cooling water that has passed through the heat exchanger 110 is sent to the heat exchanger 106 at the next stage, and heat exchange is performed so as to adjust the temperature of the reformed gas 3 sent from the reformer 1. The stack cooling water that has passed through the heat exchanger 106 is circulated through the pump 108 to the cooling water flow path 31 of the fuel cell unit 20.
[0058]
In the gas-liquid contact tower 70, a liquid storage portion 71, a recovered water inlet 73, a recovered water suction port 74, and an overflow pipe 75 are arranged at the lower part, and an overflow located above the overflow pipe 75. An oxidant gas inlet 72 is provided above the flow port 76, and an oxidant gas outlet 77, a recovered water inlet 78, and a water disperser 79 are provided in the upper part of the gas-liquid contact tower 70.
[0059]
The gas-liquid contact tower 70 has a filling part 80 filled therein with a filling for promoting gas-liquid contact between the recovered water and the oxidant gas 61, and a filling support plate 81 that supports the filling part 80. Is provided.
[0060]
The recovered water 42 is sent to the heat exchanger 83 from the recovered water suction port 74 of the liquid storage unit 71 by the circulation pump 82a, heated and heated by heat exchange with the mixed gas 63, and then the water in the upper part of the gas-liquid contact tower 70. It is supplied to the disperser 79. Thus, the recovered water 42 is circulated through the circulation path 82.
[0061]
The oxidant gas blower 84 is connected to the oxidant gas outlet 77 of the gas-liquid contact tower 70, sucks the oxidant gas 61 into the gas-liquid contact tower 70, and does not pressurize the gas-liquid contact tower 70. . The sucked oxidant gas 61 and the recovered water 42 are brought into countercurrent contact at the filling unit 80, whereby the oxidant gas 61 is cleaned by the recovered water 42 and is heated and humidified.
[0062]
The recovered water 42 in the gas-liquid contact tower 70 is decarboxylated by the oxidant gas 61 and cooled. Although a small amount of carbon dioxide gas is mixed in the oxidant gas 61 by the decarbonation process of the recovered water, since the carbon dioxide gas hardly shows a catalyst poisoning action on the air electrode catalyst in the fuel cell unit 20, the deterioration of the fuel cell unit 20 is caused. There is no effect on life. In addition, since the oxidant gas inlet 72 illustrated in the present embodiment is open to the atmosphere, air in the atmosphere can be used as the oxidant gas 61.
[0063]
The recovered water 42 decarboxylated in the gas-liquid contact tower 70 is sent to the pure water device 86 by a supply water pump 85 a connected to the recovered water suction port 74. The recovered water 42 is purified to pure water by the ion exchange resin-filled column 87 and then sent to the reformer 1 as the reformer supply water 65. Further, a solid filter 88 may be provided in the pure water device 86 at the next stage of the ion exchange resin packed column 87.
[0064]
In the above embodiment, the recovered water 42 is sent to the pure water device 86 using the circulating pump 85a, but instead, the discharge port of the circulating pump 82a connected to the recovered water suction port 74 and A branch pipe that connects the inlet of the pure water device 86 may be provided, and a part of the circulating recovered water 42 may be branched and sent to the pure water device 86. Therefore, the supply water pump 85a can be omitted and the number of components can be reduced.
[0065]
The pure water device 86 of the present embodiment is configured by connecting a mixed bed type ion exchange resin-filled column 87 in which a cation exchange resin and an anion exchange resin are mixed and packed, and a solid filter 88 in series. Can do.
[0066]
Further, when the oxidizing gas 61 contains a large amount of solid contaminants such as dust, a solid matter filter can be added upstream of the ion exchange resin-filled column 87. In this case, since the recovered water 42 has been decarboxylated in advance, the life of the ion exchange resin can be extended, so that the maintenance period of the pure water device 86 can be extended.
[0067]
The oxidant gas 66 delivered from the oxidant gas outlet 77 of the gas-liquid contact tower 70 is pressurized by the oxidant gas blower 84 and is applied to the air electrode 33 of the stacked fuel cell unit 20 as the treated oxidant gas 62. Supplied.
[0068]
With this configuration, the dew point of the oxidant gas 66 increases as a result of the pressure increase by the oxidant gas blower 84. For example, when the pressure increase of the oxidant gas 66 by the oxidant gas blower 84 is 12 kPa and the dew point of the oxidant gas 66 at the oxidant gas outlet 77 is 50 ° C., the dew point of the oxidant gas 62 after the treatment is about It rises by 2 ° C to about 52 ° C.
[0069]
Thus, when the dew point to be achieved by the oxidant gas 62 is constant, the humidification load of the gas-liquid contact tower 70 can be reduced by disposing the oxidant gas blower 84 downstream of the gas-liquid contact tower 70. The gas-liquid contact tower 70 can be made compact, that is, the fuel cell power generation system can be made compact. Unlike the case where the blower 84 is disposed on the oxidant gas inlet 72 side, the inside of the gas-liquid contact tower 70 is not pressurized by the blower 84.
[0070]
Moreover, since the liquid storage part 71 in the gas-liquid contact tower 70 is in an atmospheric pressure state by maintaining the open state to the atmosphere, the recovered water 42 and 67 are separated from the gas-liquid separators 45 and 89 by the respective water level differences. It can be introduced into the liquid reservoir 71. Therefore, a liquid feed pump for feeding the recovered water 42 and the recovered water 67 can be eliminated.
[0071]
Further, the surplus recovered water 42 or 67 is discharged from the bottom discharge port of the overflow pipe 75 disposed in the liquid storage unit 71 without using an extra-system discharge device such as an additional liquid feed pump or a liquid level sensor. There is also an advantage that it can be discharged outside the power generation system.
[0072]
The heat exchanger 83 that constitutes part of the oxidant gas and reformer supply water treatment device includes the air electrode off-gas 22 discharged from the air electrode 33 of the fuel cell unit 20 and the combustion exhaust gas discharged from the reformer 1. 6 is introduced, and part of the sensible heat and latent heat is exchanged with the recovered water 42 supplied from the gas-liquid contact tower 70, and then the recovered mixed gas 63 is disposed downstream. The condensed water is separated by the gas-liquid separator 89.
[0073]
The condensed water in the gas-liquid separator 89 is recovered as recovered water 67 and sent to the gas-liquid contact tower 70 due to the difference in water level. The gas exiting the gas-liquid separator 89 is discharged out of the fuel power generation system as exhaust gas 64. Here, by adding a cooler 100 connected to the upstream side of the gas-liquid separator 89 on the downstream side of the heat exchanger 83 by a broken line arrow, the heat and moisture of the exhaust gas 64 can be further recovered.
[0074]
In the above embodiment, the sensible heat, latent heat, and moisture of the air electrode off-gas 22 and the combustion exhaust gas 6 can be recovered and used effectively with relatively few devices.
[0075]
FIG. 3 is a system diagram of a fuel cell power generation system according to the second embodiment of the present invention. Here, the same or corresponding members or elements as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
[0076]
The fuel cell power generation system includes a reformer 1, a fuel cell unit 20, a gas-liquid contact tower 70, a water treatment device 93, and a pure water device 86 that constitute an oxidant gas and reformer supply water treatment device 60. .
[0077]
The gas-liquid contact tower 70 is provided with a demister 91 between a water disperser 79 disposed at the upper portion and an oxidant gas outlet 77, and is carried by the oxidant gas 61 rising from the filling portion 80 at the center by the demister 91. Remove the mist that was over.
[0078]
In addition, a water treatment device 93 is provided on the downstream side of the circulation pump 85 a in the circulation path 82 connected to the recovered water suction port 74 of the gas-liquid contact tower 70. As an ion exchange resin used for the ion exchange resin packed column 94 of this water treatment device 93, OHA type anion exchange resin is desirable. In the present embodiment, an acidic gas pollutant in the oxidant gas 61, for example, sulfur oxide SO2Is SO2  + OH    → HSO3   OH in the recovered water 42 in contact with the filling unit 80 by the reaction formula ofIt reacts with ions to be ionized and absorbed in the recovered water 42.
[0079]
And the absorbed HSO in the circulating water in the system3 HSO3   + R-OH    → R-HSO3   + OH  OH of anion exchange resin in ion exchange resin packed column 94The ions are ion-exchanged and adsorbed by the ion-exchange resin in the ion-exchange resin packed column 94. At this time, OHIons are supplied to the recovered water.
[0080]
In the present embodiment, OH is provided in the recovered water circulation path.By providing a water treatment device 93 using a type anion exchange resin, OH is added to the recovered water 42 circulated to the gas-liquid contact tower 70.Always supply ions. In other words, the circulating recovered water 42 is always kept alkaline, and acidic gas contaminants such as NOx and SOx contained in the oxidant gas 61 can be effectively removed.
[0081]
FIG. 4 is a system diagram of the gas-liquid contact tower 70 used in the fuel cell power generation system according to the embodiment of the present invention. In the above-described embodiment, the oxidant gas inlet 72 is provided at the upper portion of the liquid storage unit 71 in the gas-liquid contact tower 70 to introduce oxygen or air in the atmosphere. However, in this embodiment, the liquid storage unit 71. An oxidant gas inlet 104 is provided in the recovered water stored in the tank.
[0082]
The oxidant gas inlet 104 can remove impurities in the oxidant gas 61 by using the recovered water that is stored by introducing air or oxygen from the oxidant gas inlet 72 into the liquid storage part 71. The oxidant gas 61 is released in the form of foam, rises in the gas-liquid contact tower 70, contacts the recovered water 42 sprayed from the upper water disperser 79, and can undergo a two-stage purification process.
[0083]
As described above, in the present embodiment, water is generated by the electrochemical reaction between the fuel gas and the oxidant gas and the power is generated, and the recovered water 42 containing the generated water and the oxidation before being used in the power generation process. By providing a gas-liquid contact step for contacting the oxidant gas 61, the recovered water 42 in the fuel cell power generation system is decarboxylated and purified, and the oxidant gas is purified and supplied to the fuel cell unit 20 A battery power generation method can be provided.
[0084]
Further, the gas-liquid contact step described above includes a circulation step for circulating the recovered water 42 to be brought into contact with the oxidant gas 61 so that the circulation step is a heating step for heating the recovered water 42 to be circulated. Therefore, it is possible to provide a fuel cell power generation method in which the oxidant gas 61 is humidified and heated and purified through the heated recovered water 42.
[0085]
Furthermore, heating is performed by providing a reforming step in which the fuel is burned to generate heat and the reformed fuel 2 as the raw material fuel is reformed by this heat to produce the reformed gas 3 as the hydrogen-enriched gas. In the process, the recovered water 42 is heated by heating at least one of the off-gas 22 generated by the electrochemical reaction or the combustion exhaust gas 6 generated by the combustion of the fuel, thereby ensuring a sufficient heat source for heating the recovered water 42. A battery power generation process can be provided.
[0086]
Furthermore, since the circulation step includes an anion exchange step, it is possible to provide a fuel cell power generation system that efficiently removes acidic gas pollutants in the oxidant gas 61.
[0087]
FIG. 5 is a system diagram of a fuel cell power generation system according to the third embodiment of the present invention. The fuel cell power generation system stores a reformer 1 that reforms the reformed fuel 2, a fuel cell unit 20 that receives supply of the fuel gas 41 from the reformer 1, and water generated from the fuel cell unit 20. A gas-liquid contact tower 70 for cleaning the oxidant gas 61 supplied to the fuel cell unit 20, a pure water device 86 for purifying water stored in the gas-liquid contact tower 70, and water stored in the gas-liquid contact tower 70 A water treatment device 93 for purifying the gas, a blower 84 for blowing the oxidant gas 66 purified from the gas-liquid contact tower 70 to the fuel cell unit 20, and stack cooling water provided downstream of the blower 84 and discharged from the fuel cell unit 20. And a heat exchanger 112 as a cooling means for exchanging heat between the oxidant gas 62 blown from the blower 84 and a cooling acid which is disposed between the heat exchanger 112 and the fuel cell unit 20 and exchanges heat. And a gas-liquid separator 55 for separating the condensed water from the agent gas.
[0088]
Here, the members such as the reformer 1, the fuel cell unit 20, the gas-liquid contact tower 70, the pure water device 86, the water treatment device 93, the blower 84, and the like used in the present embodiment are used in the above-described embodiment. Since a member equivalent to the member can be used, a duplicate description is omitted.
[0089]
The fuel cell unit 20 is connected to the cooling water return pipe 24 and sends out the stack cooling water discharged from the internal cooling water flow path 31 from the cooling water return pipe 24, and the stack cooling water is located downstream of the fuel cell unit 20. The stack cooling water is circulated to the cooling water passage 31 through the heat exchanger 112 as the cooling means and the cooling water outlet pipe 23 while passing through the heat exchanger 110, the heat exchanger 106, and the pump 108 in this order. Configure as follows.
[0090]
The heat exchanger 112 is connected to the gas-liquid contact tower 70 via the blower 84, introduces the treated oxidant gas 62 from the blower 84, and exchanges heat with the circulating stack cooling water. The oxidant gas cooled by the exchanger 112 is supplied to the gas-liquid separator 55 connected to the next stage. Here, the heat exchanger 112 is preferably, for example, a parallel flow type heat exchanger that allows the oxidizing gas 62 and the stack cooling water to pass in parallel.
[0091]
When the pressure drop of the oxidant gas by the fuel cell unit 20 is large, since the compression ratio of the oxidant gas 62 by the blower 84 is large, the temperature rise of the oxidant gas 62 due to compression heat generation becomes significant. As a result of the temperature rise of the oxidant gas 62, the relative humidity of the oxidant gas 62 may be reduced to 90% or less.
[0092]
When the oxidant gas 62 having a relative humidity of 90% or less is directly supplied to the air electrode 33 of the fuel cell unit 20, the polymer electrolyte membrane inside the fuel cell unit 20 is dried, the output voltage of the fuel cell unit 20 decreases, and the polymer There is a risk of reducing the life of the electrolyte membrane. Therefore, in the present embodiment, the relative humidity of the oxidant gas 68 that cools the oxidant gas 62 and introduces it into the air electrode 33 is reduced by exchanging heat between the oxidant gas 62 and the stack cooling water as described above. It can be maintained at 90% or more.
[0093]
Even when the relative humidity of the oxidant gas 62 cooled by the heat exchanger 112 reaches a water vapor supersaturated state exceeding 100%, the gas-liquid separator 55 separates the condensed water from the oxidant gas 62, so that the fuel An oxidizing gas 68 having a humidity suitable for the battery unit 20 can be supplied. The separated condensed water is sent to the liquid storage part 71 of the gas-liquid contact tower 70 through the pipe 52 by opening a valve provided in the lower part.
[0094]
FIG. 6 is a system diagram of a fuel cell power generation system according to the fourth embodiment of the present invention. The fuel cell power generation system stores a reformer 1 that reforms the reformed fuel 2, a fuel cell unit 20 that receives supply of the fuel gas 41 from the reformer 1, and water generated from the fuel cell unit 20. A gas-liquid contact tower 70 for cleaning the oxidant gas 61 supplied to the fuel cell unit 20, a pure water device 86 for purifying water stored in the gas-liquid contact tower 70, and water stored in the gas-liquid contact tower 70 A water treatment device 93 for purifying the gas, a blower 84 for blowing the oxidant gas 66 purified from the gas-liquid contact tower 70 to the fuel cell unit 20, and stack cooling water provided downstream of the blower 84 and discharged from the fuel cell unit 20. , The three-fluid heat exchanger 114 as a cooling means for exchanging heat between the oxidant gas 62 blown from the blower 84 and the reformed gas 3 supplied from the reformer 1, and the heat exchanger 114 and the fuel cell unit. And a gas-liquid separator 55 that separates condensed water from the heat-exchanged cooling oxidant gas and a gas-liquid separator 45 that separates condensed water from the heat-exchanged fuel gas 41. Prepare.
[0095]
Here, the members such as the reformer 1, the fuel cell unit 20, the gas-liquid contact tower 70, the pure water device 86, the water treatment device 93, the blower 84, and the like used in the present embodiment are used in the above-described embodiment. Since a member equivalent to the member can be used, a duplicate description is omitted.
[0096]
The fuel cell unit 20 is connected to the cooling water return pipe 24 and sends out the stack cooling water discharged from the internal cooling water flow path 31 from the cooling water return pipe 24, and the stack cooling water is located downstream of the fuel cell unit 20. The cooling water flow pipe 23a, the three-fluid heat exchanger 114 as a cooling means, and the cooling water flow pipe 23 are passed through the heat exchanger 110 and the pump 108 in this order, and the stack cooling water is supplied to the cooling water flow path 31. Configure to circulate.
[0097]
The three-fluid heat exchanger 114 includes a fuel channel 31a, a cooling water channel 32a, and an oxidant gas channel 33a. The fuel channel 31a is connected to the reformer 1 and introduces the reformed gas 3. The cooling water flow path 32a is connected to the pump 108 via the cooling water going-out pipe 23a and introduces the stack cooling water. The oxidant gas flow path 33a is connected to the blower 84 and introduces the treated oxidant gas 62.
[0098]
The three-fluid heat exchanger 114 functions as an alternative to the heat exchanger 106 and the heat exchanger 112 used in the above-described embodiment, and exchanges heat between the reformed gas 3 and the oxidant gas 62 with the stack cooling water. be able to. Here, the three-fluid heat exchanger 114 is preferably a co-current type heat exchanger that allows the three fluids of the reformed gas 3, the oxidant gas 62, and the stack cooling water to pass in parallel.
[0099]
The three-fluid heat exchanger 114 is used because the heat exchanger 106 (see FIG. 5) described in the above-described embodiment performs heat exchange between the fuel gas 3 and the stack cooling water, and the heat exchanger 112 ( As shown in FIG. 5, the heat exchanger 106 and the heat exchanger 112 are replaced with each other because one of the heat exchange media is the stack cooling water so that the oxidant gas 62 exchanges heat with the stack cooling water. Because it can be done.
[0100]
In addition, since the three-fluid heat exchanger 114 uses the same stack cooling water as a cooling medium, the temperature of the fuel gas 3 and the oxidant gas 62 introduced into the fuel cell unit 20 can be simultaneously brought close to the stack cooling water temperature. The system can be made compact.
[0101]
In the three-fluid heat exchanger 114, the outlet of the fuel flow path 31 a is connected to the fuel electrode 32 of the fuel cell unit via the gas-liquid separator 45, and supplies the fuel gas 41 to the fuel cell unit 20. Further, the outlet of the cooling water flow path 32 a is connected to the cooling water flow path 31 of the fuel cell unit via the outgoing pipe 23, and supplies the stack cooling water to the fuel cell unit 20. Further, the outlet of the oxidant gas flow path 33 a is connected to the air electrode 33 of the fuel cell unit via the gas-liquid separator 55, and the oxidant gas 68 separated from the gas and water is supplied to the fuel cell unit 20.
[0102]
FIG. 7 is a system diagram of a fuel cell power generation system according to the fifth embodiment of the present invention. The fuel cell power generation system stores a reformer 1 that reforms the reformed fuel 2, a fuel cell unit 20 that receives supply of the fuel gas 41 from the reformer 1, and water generated from the fuel cell unit 20. A gas-liquid contact tower 70 for cleaning the oxidant gas 61 supplied to the fuel cell unit 20, a pure water device 86 for purifying water stored in the gas-liquid contact tower 70, and water stored in the gas-liquid contact tower 70 A water treatment device 93 for purifying gas, a blower 84 for blowing the oxidant gas purified from the gas-liquid contact tower 70 to the fuel cell unit 20, and stack cooling water provided downstream of the blower 84 and discharged from the fuel cell unit 20. A three-fluid heat exchanger 114 as a cooling means for exchanging heat between the oxidant gas 62 blown from the blower 84 and the fuel gas 41 supplied from the reformer 1, a heat exchanger 114, and a fuel cell unit A gas-liquid separator 55 that is disposed between the heat-exchanged cooling oxidant gas, a gas-liquid separator 45 that separates the condensed water from the heat-exchanged fuel gas 41, and a fuel cell. A heat exchanger 83 for heating the recovered water circulated by the mixed gas 63 exhausted from the unit 20 and the reformer 1, and condensed water from the mixed gas connected downstream of the heat exchanger 83 and cooled by the cooler 100. The gas-liquid separator 89 to be separated, the electromagnetic valve 116 provided at the lower part of the gas-liquid separator 89 for discharging the separated condensed water to the outside of the system, and the separated condensed water provided at the lower part of the gas-liquid separator 89 are gasified. And an electromagnetic valve 115 that supplies the liquid contact tower 70.
[0103]
Here, members such as the reformer 1, the fuel cell unit 20, the gas-liquid contact tower 70, the pure water device 86, the water treatment device 93, the blower 84, the heat exchanger 114, and the like used in the present embodiment are the same as those described above. Since the same member as that used in the above embodiment can be used, a duplicate description is omitted.
[0104]
The gas-liquid contact tower 70 includes a liquid level sensor 118 that detects the amount of recovered water stored in the liquid storage unit, and the sensor unit 120 of the liquid level sensor 118 is configured to detect the liquid level 119 of the recovered water. . The liquid level sensor 118 is electrically connected to a controller 117 serving as a liquid storage amount control device via a line 121, and transmits a detection signal of the liquid level 119 to the controller 117.
[0105]
The controller 117 is electrically connected to an electromagnetic valve 115 provided below the gas-liquid separator 89 via a line 122, and similarly, the electromagnetic valve 116 provided below the gas-liquid separator 89 and a line 123. It is electrically connected via.
[0106]
In the fuel cell unit 20, the fuel gas 41 and the oxidant gas 68 generate electricity through an electrochemical reaction to generate water, and thus water may be excessive in the fuel cell power generation system. In the present embodiment, the amount of recovered water stored in the liquid storage part 71 of the gas-liquid contact tower 70 is controlled while the generated water is circulated and used to discharge excess water out of the system. To do.
[0107]
The operation of the fuel cell power generation system will be described with reference to the system diagram of FIG. The controller 117 receives a detection signal corresponding to the liquid level 119 of the recovered water stored in the liquid storage unit 71 from the liquid level sensor 118, and based on the liquid level information and the detection signal set in advance by performing a logical operation therein. Compare the operation result. When it is determined that the liquid level 119 is equal to or lower than the predetermined water level based on the comparison result, a control signal for controlling the opening of the electromagnetic valve 115 is transmitted to the electromagnetic valve 115 via the line 122, and a control signal for controlling the closing of the electromagnetic valve 116. Is transmitted to the electromagnetic valve 116 via the line 123. By controlling these two electromagnetic valves, the condensed water accumulated in the gas-liquid separator 89 can be sent to the liquid storage unit 71.
[0108]
On the other hand, when the liquid level 119 is determined to be equal to or higher than the predetermined water level based on the comparison result of the controller 117, a control signal for controlling the closing of the electromagnetic valve 115 is transmitted to the electromagnetic valve 115 via the line 122 and the electromagnetic valve 116 is turned on. A control signal for opening control is transmitted to the electromagnetic valve 116 via the line 123. By controlling these two electromagnetic valves, the condensed water accumulated in the gas-liquid separator 89 can be discharged out of the system as surplus water.
[0109]
In this way, surplus water in the water generated from the fuel cell unit 20 is directly discharged out of the system without entering the circulation system, so the load on the water treatment device 93 and the pure water device 86 is reduced and the life is extended. Can be made. Moreover, the neutralized waste water can be discharged | emitted to an environment by comprising so that the surplus water discharged | emitted out of the system may be made to flow to a drainage facility after passing through the neutralization apparatus not shown.
[0110]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, fuel reformer feed water and oxidant gas can be processed efficiently, and the performance and lifetime of the reformer, fuel cell, and water treatment device of the fuel cell system can be improved.
[0111]
In addition, the manufacturing cost can be reduced by reducing the number of devices of the fuel cell system, and the thermal efficiency of the fuel cell system can be improved and the temperature of the hot water supplied from the fuel cell power generation system can be increased.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic block diagram of a fuel cell power generation system according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a system diagram of the fuel cell power generation system according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a system diagram of a fuel cell power generation system according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a system diagram of a gas-liquid contact device used in the fuel cell power generation system according to the embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a system diagram of a fuel cell power generation system according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a system diagram of a fuel cell power generation system according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a system diagram of a fuel cell power generation system according to a fifth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 reformer
3 Fuel gas
20 Fuel cell unit
23 Circulation route
31a Fuel flow path
31 Cooling water flow path
32 Fuel electrode
32a Cooling water flow path
33 Air electrode
33a Oxidant gas flow path
40 Waste heat recovery device
45 Gas-liquid separator
55 Gas-liquid separator
60 Reformer supply water treatment device
67 Liquid feed route
68 Oxidizing gas
70 Gas-liquid contact tower
82a Circulation pump
82 Circulation Route
83 Heat exchanger
84 Blower
85a pump
86 Pure water equipment
89 Gas-liquid separator
93 Water treatment equipment
94 Ion exchange resin packed column
100 cooler
106 heat exchanger
108 pump
110 heat exchanger
112 heat exchanger
114 heat exchanger
115 Solenoid valve
116 Solenoid valve
117 Liquid storage amount control device
118 Liquid level sensor

Claims (11)

  1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学的反応により発電し、水を発生する燃料電池と;
    下部に回収水を溜める貯液部を有し、前記発生した水を含む回収水を導入する回収水入口と前記酸化剤ガスを導入する酸化剤ガス入口と前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口とが形成され、前記回収水入口から導入された回収水と前記酸化剤ガス入口から導入された酸化剤ガスとを接触させるように構成された気液接触装置と;
    前記貯液部の回収水を前記気液接触装置の上部に送ることにより前記回収水を前記気液接触装置内で循環させる循環経路を備え;
    前記循環経路は、循環する前記回収水を加熱する加熱手段を有し;
    燃料の燃焼により発生する熱で原料燃料を改質して前記燃料ガスを製造する改質装置をさらに備え;
    前記加熱手段は熱交換器であって、該熱交換器の加熱側の熱源流体は、前記電気化学的反応に伴い発生する酸化剤ガス側のオフガス又は前記燃料の燃焼に伴い発生する燃焼排ガスの少なくとも一方である;
    燃料電池発電システム。
    A fuel cell that generates water by generating an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas and generates water;
    There is a liquid storage part for storing recovered water at the bottom, a recovered water inlet for introducing recovered water containing the generated water, an oxidant gas inlet for introducing the oxidant gas, and an oxidant gas for discharging the oxidant gas A gas-liquid contact device configured to contact the recovered water introduced from the recovered water inlet and the oxidant gas introduced from the oxidant gas inlet;
    E Bei circulation path for circulating the recovered water in the gas-liquid contact apparatus by sending the recovered water of the reservoir on top of the gas-liquid contact device;
    The circulation path is to have a heating means for heating the recovered water circulating;
    Further comprising a reforming device for reforming the raw material fuel with heat generated by the combustion of the fuel to produce the fuel gas;
    The heating means is a heat exchanger, and the heat source fluid on the heating side of the heat exchanger is an off-gas on the oxidant gas side generated with the electrochemical reaction or combustion exhaust gas generated with combustion of the fuel. At least one;
    Fuel cell power generation system.
  2. 前記循環経路は、陰イオン交換樹脂を用いた水処理装置を有する、請求項1に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 circulation path includes a water treatment device using an anion exchange resin.
  3. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学的反応により発電し、水を発生する燃料電池と;
    下部に回収水を溜める貯液部を有し、前記発生した水を含む回収水を導入する回収水入口と前記酸化剤ガスを導入する酸化剤ガス入口と前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口とが形成され、前記回収水入口から導入された回収水と前記酸化剤ガス入口から導入された酸化剤ガスとを接触させるように構成された気液接触装置と;
    前記貯液部の回収水を前記気液接触装置の上部に送ることにより前記回収水を前記気液接触装置内で循環させる循環経路を備え;
    前記循環経路は、陰イオン交換樹脂を用いた水処理装置を有する、燃料電池発電システム。
    A fuel cell that generates water by generating an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas and generates water;
    There is a liquid storage part for storing recovered water at the bottom, a recovered water inlet for introducing recovered water containing the generated water, an oxidant gas inlet for introducing the oxidant gas, and an oxidant gas for discharging the oxidant gas A gas-liquid contact device configured to contact the recovered water introduced from the recovered water inlet and the oxidant gas introduced from the oxidant gas inlet;
    E Bei circulation path for circulating the recovered water in the gas-liquid contact apparatus by sending the recovered water of the reservoir on top of the gas-liquid contact device;
    The circulation path has a water treatment apparatus using an anion exchange resin, fuel cell power generation system.
  4. 記気液接触装置から前記改質装置に前記回収水を供給する供給水路を備え;
    前記供給水路は、前記回収水から不純物を除去する水処理装置を有する;
    請求項1又は請求項に記載の燃料電池発電システム。
    Before Kikieki contact device comprises a supply water channel for supplying the recovered water to the reformer;
    The supply channel has a water treatment device for removing impurities from the recovered water;
    The fuel cell power generation system according to claim 1 or 2 .
  5. 前記酸化剤ガス出口側のガス経路に前記酸化剤ガスを加圧するブロワを備える、請求項1乃至請求項の何れか1項に記載の燃料電池発電システム。The fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 4 , further comprising a blower that pressurizes the oxidant gas in a gas path on the oxidant gas outlet side.
  6. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学的反応により発電し、水を発生する燃料電池と;
    下部に回収水を溜める貯液部を有し、前記発生した水を含む回収水を導入する回収水入口と前記酸化剤ガスを導入する酸化剤ガス入口と前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口とが形成され、前記回収水入口から導入された回収水と前記酸化剤ガス入口から導入された酸化剤ガスとを接触させるように構成された気液接触装置と;
    前記貯液部の回収水を前記気液接触装置の上部に送ることにより前記回収水を前記気液接触装置内で循環させる循環経路
    前記酸化剤ガス出口側のガス経路に前記酸化剤ガスを加圧するブロワを備える、燃料電池発電システム。
    A fuel cell that generates water by generating an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas and generates water;
    There is a liquid storage part for storing recovered water at the bottom, a recovered water inlet for introducing recovered water containing the generated water, an oxidant gas inlet for introducing the oxidant gas, and an oxidant gas for discharging the oxidant gas A gas-liquid contact device configured to contact the recovered water introduced from the recovered water inlet and the oxidant gas introduced from the oxidant gas inlet;
    A circulation path for circulating the recovered water in the gas-liquid contact apparatus by sending the recovered water of the reservoir on top of the gas-liquid contact device;
    Comprising a blower for pressurizing the oxygen-containing gas to the gas passage of the oxidant gas outlet side, fuel cell power generation system.
  7. 前記ブロワの下流に配置され、加圧された前記酸化剤ガスを冷却する冷却手段をさらに備える請求項5又は請求項6に記載の燃料電池発電システム。The fuel cell power generation system according to claim 5 or 6, further comprising a cooling unit disposed downstream of the blower and configured to cool the pressurized oxidant gas.
  8. 前記冷却手段は、酸化剤ガス流路から加圧された酸化剤ガスを導入し、燃料流路から改質ガスを導入し、冷却水流路からスタック冷却水を導入して相互に熱交換させる請求項7に記載の燃料電池発電システム。  The cooling means introduces pressurized oxidant gas from the oxidant gas flow path, introduces reformed gas from the fuel flow path, and introduces stack cooling water from the cooling water flow path to exchange heat with each other. Item 8. The fuel cell power generation system according to Item 7.
  9. 前記冷却手段の下流に配置され、前記酸化剤ガスから凝縮水を分離する気液分離器をさらに備える請求項8に記載の燃料電池発電システム。  The fuel cell power generation system according to claim 8, further comprising a gas-liquid separator disposed downstream of the cooling means and separating condensed water from the oxidant gas.
  10. 前記貯液部に溜めた回収水の貯液量を計測し、所定の貯液量に達した段階で、前記燃料電池から発生する水の液送経路を前記気液接触装置から系外へ切り替え、該水を外部に放出させる貯液量制御装置をさらに備える請求項1乃至請求項9の何れか1項に記載の燃料電池発電システム。  The amount of collected water stored in the liquid storage unit is measured, and when the predetermined amount of liquid is reached, the liquid supply path of water generated from the fuel cell is switched from the gas-liquid contact device to the outside of the system. The fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 9, further comprising a liquid storage amount control device that discharges the water to the outside.
  11. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学的反応により発電し、水を発生する燃料電池と;
    下部に回収水を溜める貯液部を有し、前記発生した水を含む回収水を導入する回収水入口と前記酸化剤ガスを導入する酸化剤ガス入口と前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口とが形成され、前記回収水入口から導入された回収水と前記酸化剤ガス入口から導入された酸化剤ガスとを接触させるように構成された気液接触装置と;
    前記貯液部の回収水を前記気液接触装置の上部に送ることにより前記回収水を前記気液接触装置内で循環させる循環経路
    前記貯液部に溜めた回収水の貯液量を計測し、所定の貯液量に達した段階で、前記燃料電池から発生する水の液送経路を前記気液接触装置から系外へ切り替え、該水を外部に放出させる貯液量制御装置を備る燃料電池発電システム。
    A fuel cell that generates water by generating an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas and generates water;
    There is a liquid storage part for storing recovered water at the bottom, a recovered water inlet for introducing recovered water containing the generated water, an oxidant gas inlet for introducing the oxidant gas, and an oxidant gas for discharging the oxidant gas A gas-liquid contact device configured to contact the recovered water introduced from the recovered water inlet and the oxidant gas introduced from the oxidant gas inlet;
    A circulation path for circulating the recovered water in the gas-liquid contact apparatus by sending the recovered water of the reservoir on top of the gas-liquid contact device;
    The amount of collected water stored in the liquid storage unit is measured, and when the predetermined amount of liquid is reached, the liquid supply path for water generated from the fuel cell is switched from the gas-liquid contact device to the outside of the system. , fuel cell power generation system Ru Bei example liquid storage amount control device for releasing the water to the outside.
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