JP4528570B2 - Fuel cell cogeneration system - Google Patents
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Description
本発明は燃料電池コージェネレーションシステムに関し、特に水自立性と高い排熱回収効率と高いシステム稼動率とを有する燃料電池コージェネレーションシステムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell cogeneration system, and more particularly to a fuel cell cogeneration system having water independence, high exhaust heat recovery efficiency, and high system operation rate.
燃料電池コージェネレーションシステムは、水素に富む燃料ガスと酸素を含有する酸化剤ガスとを導入して燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素との電気化学的反応により発電し熱と水を発生する燃料電池と、燃料電池の電気化学的反応の際に発生する熱を温水を媒体として回収し蓄える貯湯タンクとを備え、電力と温熱を同時に得ることができるシステムである。燃料電池で発生した熱は、冷却水により冷却され、冷却水と熱交換する温水を介して貯湯タンクに蓄えられる。貯湯タンクに蓄えられた燃料電池からの排熱は、給湯や暖房等の熱需要に利用される。また、燃料電池に導入された燃料ガスや酸化剤ガスはすべてが電気化学的反応に利用されるわけではなく、反応に利用されなかった燃料ガス及び酸化剤ガスは後に混合され混合排ガスとして系外へ排出される。この系外へ排出される混合排ガスは燃料電池で発生した水分を含んでおり、また燃料電池で発生した熱の一部を含んでいる。 The fuel cell cogeneration system introduces a fuel gas rich in hydrogen and an oxidant gas containing oxygen to generate electricity and generate heat and water through an electrochemical reaction between hydrogen in the fuel gas and oxygen in the oxidant gas. The system includes a fuel cell to be generated and a hot water storage tank that collects and stores heat generated during the electrochemical reaction of the fuel cell using hot water as a medium, and can simultaneously obtain electric power and heat. The heat generated in the fuel cell is cooled by the cooling water and stored in the hot water storage tank through hot water that exchanges heat with the cooling water. The exhaust heat from the fuel cell stored in the hot water storage tank is used for heat demand such as hot water supply and heating. Also, not all of the fuel gas and oxidant gas introduced into the fuel cell are used for the electrochemical reaction, and the fuel gas and oxidant gas that were not used for the reaction are mixed later and mixed as exhaust gas. Is discharged. The mixed exhaust gas discharged out of the system contains moisture generated in the fuel cell, and also includes a part of the heat generated in the fuel cell.
一方、燃料電池が固体高分子型燃料電池の場合は、プロトン交換膜の導電率を高く維持するために酸化剤ガスを所定の露点に対応する湿度まで加湿する必要がある。この酸化剤ガスの加湿は、混合排ガスに含まれる水分を凝縮回収して得られた水により行なわれている。また、混合排ガスから水分を凝縮するために放出した熱は、酸化剤ガスを加湿する水分の加熱に利用される。このように、燃料電池から回収した排熱は給湯や暖房等の熱需要に供給し、回収した水は酸化剤ガスの加湿に利用することにより燃料電池コージェネレーションシステムの総合エネルギ効率を高めている(例えば特許文献1参照。)。
上述した酸化剤ガスの加湿に利用される水分として混合排ガスから回収された水分で不足する場合は系外から水の供給を受けざるを得ないが、系外から供給を受ける水にシリカ等の不純物が含まれる場合はこの不純物の処理負荷が増大し、不純物を処理する水処理装置の寿命が短くなってしまう。 When the moisture recovered from the mixed exhaust gas is insufficient as the moisture used for humidifying the oxidant gas described above, water must be supplied from outside the system. When impurities are contained, the treatment load of the impurities increases, and the life of the water treatment apparatus for treating the impurities is shortened.
一方で、混合排ガスに含まれる熱は、酸化剤ガスを加湿する回収水の温度を上昇させた後でも回収する余地があり、混合排ガスからなるべく多くの熱を回収することで排熱回収効率を高めることができ、またより多くの水分も回収できることとなる。 On the other hand, there is room to recover the heat contained in the mixed exhaust gas even after raising the temperature of the recovered water that humidifies the oxidant gas. By recovering as much heat as possible from the mixed exhaust gas, the heat recovery efficiency can be improved. It can be increased and more water can be recovered.
しかし、排熱回収効率を高めても排熱を蓄熱するタンクがいわゆる満蓄状態になると燃料電池を所定の作動温度に冷却することができなくなり、このような場合は別途ラジエータ等を設置して燃料電池を所定の作動温度に冷却するかシステムを停止しなければならず、燃料電池コージェネレーションシステムの総合エネルギ効率の向上が頭打ちとなってしまう。 However, even if the exhaust heat recovery efficiency is increased, the fuel cell cannot be cooled to a predetermined operating temperature when the tank for storing the exhaust heat reaches a so-called full storage state. In such a case, a separate radiator or the like is installed. The fuel cell must be cooled to a predetermined operating temperature or the system must be stopped, and the improvement of the overall energy efficiency of the fuel cell cogeneration system will reach its peak.
そこで、本発明は、水自立と排熱回収率とシステム稼動率とのバランスを考慮した上で、水自立性と高い排熱回収効率と高いシステム稼動率とを有する燃料電池コージェネレーションシステムを提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention provides a fuel cell cogeneration system having water independence, high exhaust heat recovery efficiency, and high system operation rate in consideration of the balance among water independence, exhaust heat recovery rate, and system operation rate. The purpose is to do.
上記目的を達成するために、請求項1に記載の発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムは、例えば図1に示すように、燃料電池30を冷却した冷却水24aと熱交換する排熱温水43aを貯留する貯湯タンク120であって、貯湯タンク120に貯留され又は貯湯タンク120から導出される排熱温水43aの温度を検知する温度検知器124を有する貯湯タンク120と;燃料電池30から排出されるオフガス63aと排熱温水43aとを熱交換する排ガス冷却熱交換器100と;燃料電池30に導入する酸化剤ガス61aを加湿する有用水42aをオフガス63aから回収し貯留する貯水タンク70であって、貯留された有用水42aの水位を検知する水位検知器132を有する貯水タンク70とを備え;温度検知器124で検知される排熱温水43aの温度が所定の温度以上かつ水位検知器132で検知される水位が所定の水位以上のときに、燃料電池30から排出されるオフガス63aと排熱温水43aとの熱交換を回避するように構成されている。
In order to achieve the above object, the fuel cell cogeneration system according to the first aspect of the present invention includes, as shown in FIG. 1, for example, exhaust heat
このように構成すると、温度検知器で検知される排熱温水の温度が所定の温度以上かつ水位検知器で検知される水位が所定の水位以上のときに、燃料電池から排出されるオフガスと排熱温水との熱交換を回避するように構成されているので、貯湯タンクがいわゆる満蓄になりつつあり貯水タンクに所定の水量があるときに排熱回収を行なわないようにすることで、燃料電池コージェネレーションシステムの稼動率を高めてかつ水自立させつつできるだけ多くの排熱を回収することができる。ここで「所定の温度」とは、典型的には、冷却水が燃料電池を冷却することができる温度に、冷却水と排熱温水との熱交換の効率を勘案した温度である。また「満蓄」とは、燃料電池を所定の温度に冷やすために必要な温度に冷却水を冷却できなくなるほど貯湯タンク内の排熱温水の温度が上昇した状態をいう。 With this configuration, when the temperature of the exhaust heat hot water detected by the temperature detector is equal to or higher than the predetermined temperature and the water level detected by the water level detector is equal to or higher than the predetermined water level, the off-gas and exhaust discharged from the fuel cell are discharged. Since it is configured so as to avoid heat exchange with hot water, fuel is saved by preventing exhaust heat recovery when the hot water storage tank is becoming fully charged and there is a predetermined amount of water in the water storage tank. It is possible to recover as much exhaust heat as possible while increasing the operating rate of the battery cogeneration system and making the water independent. Here, the “predetermined temperature” is typically a temperature that takes into consideration the efficiency of heat exchange between the cooling water and the exhaust hot water at a temperature at which the cooling water can cool the fuel cell. “Full storage” refers to a state in which the temperature of the exhaust heat water in the hot water storage tank increases so that the cooling water cannot be cooled to a temperature necessary for cooling the fuel cell to a predetermined temperature.
また、請求項2に記載の発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムは、例えば図1に示すように、請求項1に記載の燃料電池コージェネレーションシステム1において、排熱温水43aを循環する排熱温水循環流路128と;排熱温水循環流路128に配置され、排ガス冷却熱交換器100への排熱温水43aの流れを回避する、切替手段131を有するバイパス流路129と;温度検知器124で検知される排熱温水43aの温度が所定の温度以上かつ水位検知器132で検知される水位が所定の水位以上のときに、排ガス冷却熱交換器100への排熱温水43aの流れを回避するように切替手段131を制御する制御装置130とを備える。
Moreover, the fuel cell cogeneration system according to the invention described in
このように構成すると、温度検知器で検知される排熱温水の温度が所定の温度以上かつ水位検知器で検知される水位が所定の水位以上のときに、排ガス冷却熱交換器への排熱温水の流れを回避するように切替手段を制御するので、貯湯タンクがいわゆる満蓄になりつつあり貯水タンクに所定の水量があるときに排熱回収を行なわないように制御することで、燃料電池コージェネレーションシステムの稼動率を高めてかつ水自立させつつできるだけ多くの排熱を回収することができる。 With this configuration, when the temperature of the exhaust heat hot water detected by the temperature detector is equal to or higher than the predetermined temperature and the water level detected by the water level detector is equal to or higher than the predetermined water level, the exhaust heat to the exhaust gas cooling heat exchanger is Since the switching means is controlled so as to avoid the flow of hot water, the fuel cell is controlled so that exhaust heat recovery is not performed when the hot water storage tank is becoming fully charged and the water storage tank has a predetermined amount of water. It is possible to recover as much exhaust heat as possible while increasing the operation rate of the cogeneration system and making the water independent.
また、請求項3に記載の発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムは、例えば図1に示すように、請求項1又は請求項2に記載の燃料電池コージェネレーションシステム1において、冷却水24aを導入し、発生した熱を冷却水24aに移す燃料電池30と;原料燃料2aと有用水65aとを導入して燃料電池30に供給する燃料ガス3aを生成する改質装置7を備える。
Further, the fuel cell cogeneration system according to the invention described in claim 3 introduces
このように構成すると、燃料電池と、燃料ガスを生成する改質装置を備えるので、都市ガスや灯油等の原料燃料を基に燃料電池で発電することができる燃料電池コージェネレーションシステムとなる。 If comprised in this way, since the fuel cell and the reformer which produces | generates fuel gas are provided, it will become a fuel cell cogeneration system which can generate electric power with a fuel cell based on raw material fuels, such as city gas and kerosene.
また、請求項4に記載の発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムは、例えば図1に示すように、請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池コージェネレーションシステム1において、温度検知器124は、貯湯タンク120に貯留される排熱温水43aの満水時の水位の鉛直方向中間より下部に貯留される排熱温水43aの温度を検知するように構成されている。
Further, the fuel cell cogeneration system according to the invention described in claim 4 is the temperature of the fuel
このように構成すると、温度検知器は、貯湯タンクに貯留される排熱温水の満水時の水位の鉛直方向中間より下部に貯留される排熱温水の温度を検知するように構成されているので、検知される温度が貯湯タンクから導出されオフガスと熱交換される排熱温水の温度とほぼ等しくなり、できるだけ多くの排熱を回収しつつ貯湯タンクが満蓄になるのを回避して燃料電池コージェネレーションシステムの稼動率を高めることができる。 With this configuration, the temperature detector is configured to detect the temperature of the exhaust heat hot water stored below the middle in the vertical direction of the water level when the exhaust heat hot water stored in the hot water storage tank is full. , The temperature detected is almost equal to the temperature of the exhaust heat hot water derived from the hot water tank and exchanged with off-gas, and the fuel cell avoids the hot water storage tank becoming full while collecting as much exhaust heat as possible The operation rate of the cogeneration system can be increased.
また、請求項5に記載の発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムは、例えば図1に示すように、請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の燃料電池コージェネレーションシステム1において、所定の水位は、燃料電池コージェネレーションシステム1で所定時間の間に消費される水量に相当する水位である。
A fuel cell cogeneration system according to the invention described in claim 5 is the fuel
このように構成すると、所定時間の間は水分を回収することができなくても外部から水の供給を受けずに燃料電池コージェネレーションシステムを稼動することができる。なお「所定時間」は、典型的には、0.5〜4時間であり、燃料電池コージェネレーションシステム稼動時間の観点から下限は1時間程度であることが好ましく、貯水タンクをできるだけ小さくする観点から上限は2時間程度であることが好ましい。 If comprised in this way, even if a water | moisture content cannot be collect | recovered during predetermined time, a fuel cell cogeneration system can be operated, without receiving supply of water from the outside. The “predetermined time” is typically 0.5 to 4 hours, and the lower limit is preferably about 1 hour from the viewpoint of operating time of the fuel cell cogeneration system. From the viewpoint of making the water tank as small as possible. The upper limit is preferably about 2 hours.
本発明によれば、温度検知器で検知される排熱温水の温度が所定の温度以上かつ水位検知器で検知される水位が所定の水位以上のときに、燃料電池から排出されるオフガスと排熱温水との熱交換を回避するように構成されているので、燃料電池コージェネレーションシステムの稼動率を高めてかつ水自立させつつできるだけ多くの排熱を回収することができる。 According to the present invention, when the temperature of the exhaust heat hot water detected by the temperature detector is equal to or higher than the predetermined temperature and the water level detected by the water level detector is equal to or higher than the predetermined water level, the off gas and exhaust gas discharged from the fuel cell are discharged. Since it is configured to avoid heat exchange with hot water, it is possible to recover as much exhaust heat as possible while increasing the operation rate of the fuel cell cogeneration system and making the water independent.
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、互いに同一又は相当する装置には同一符号を付し、重複した説明は省略する。なお、図1及び図3中、破線は制御信号を表す。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In each figure, the same or equivalent devices are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. In FIGS. 1 and 3, a broken line represents a control signal.
まず、図1を参照して本発明の第1の実施の形態に係る燃料電池コージェネレーションシステム1の構成について説明する。図1は、本発明の第1の実施の形態である燃料電池コージェネレーションシステム1を説明するブロック図である。燃料電池コージェネレーションシステム1は、改質装置7と、貯水タンク70と、ブロワ84と、三流体熱交換器114と、気液分離器45、55と、燃料電池30と、冷却水熱交換器110と、ポンプ108と、混合排ガス熱交換器83と、排ガス冷却熱交換器100と、気液分離器89と、ポンプ82、85と、純水装置86と、水処理装置93と、貯湯タンク120と、ポンプ125と、制御装置130とを備えている。
First, the configuration of the fuel
改質装置7は、改質に必要な改質熱を得るための燃焼部107を有する。また、改質装置7は、天然ガス、ナフサ、メタノール、灯油等の原料燃料2aを導入するノズルと、純水装置86から送出される改質用水65aを導入するノズルと、改質反応により生成される燃料ガス3aを導出するノズルとを有する。さらに、燃焼部107に、燃料電池30から排出されるアノードオフガス21aを導入するノズルと、支燃剤ガスとしての酸素含有ガスである燃焼用空気4aを導入するノズルと、燃焼排ガス6aを排出するノズルとを有し、さらに、改質装置7は、起動時や改質反応に必要な改質熱が不足するときの補助燃料として燃焼用に供給される燃焼燃料5aを導入するノズルとを有する。改質装置7で生成された燃料ガス3aを導出するノズルは、三流体熱交換器114、気液分離器45を経て、燃料電池30の燃料極32と接続されている。なお、2つの機器等が「接続され」とは、流路を介して接続される場合を含む。
The
貯水タンク70は、燃料電池30に導入する酸化剤ガス61aを加湿する加湿器の役割を兼ねており、その下部に、気液分離器45から送出された回収水42A、気液分離器55から送出された回収水42B、気液分離器89から送出された回収水42Cが入る回収水入口73と、導入された回収水42A、42B、42Cを有用水42aとして貯留する貯液部71とを有する。貯液部71には、貯液部71に貯留されている有用水42aの水位を検知する水位検知器132が設けられている。水位検知器132と制御装置130との間には信号ケーブルが敷設されており、水位検知器132は貯液部71の水位を信号i2として制御装置130に送信できるように構成されている。
The
また、貯水タンク70内の貯液部71は、酸化剤ガス入口72により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、気液分離器45、55、89とのレベル差によって気液分離器45、55、89から回収水42A、42B、42Cを貯液部71へ導入することができる。したがって、回収水42A、42B、42Cを送液する送液ポンプ等を不要にすることができる。なお、余剰の有用水42aは、ポンプ82の吐出側に設けた分岐(不図示)から系外へ排出することができる。
Further, since the
貯水タンク70の下部には、さらに、有用水42aが導出される有用水導出口74と、酸化剤ガス61aが導入される酸化剤ガス入口72とを有する。なお、本実施の形態で例示する酸化剤ガス入口72は、大気開放されており、大気中の空気を酸化剤ガス61aとして用いる。貯水タンク70の上部には、酸化剤ガス61aが燃料電池30の空気極33に向けて流れ出る酸化剤ガス出口77と、混合排ガス熱交換器83から戻った有用水42aが、加湿用水として注入される有用水注入口78と、有用水注入口78に注入された有用水42aを細かい水滴として貯水タンク70内に散布する水分散器79とが設けられている。また、貯水タンク70の上部と下部の間には、注入された有用水42aと酸化剤ガス61a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とが設けられている。
The lower part of the
有用水導出口74の先は、ポンプ82、水処理装置93及び混合排ガス熱交換器83を経て、貯水タンク70上部の水分散器79に接続される。このように、貯液部71から有用水導出口74、ポンプ82、水処理装置93、混合排ガス熱交換器83、有用水注入口78、水分散器79、充填部80を経て貯液部71に有用水42aを循環する循環流路が構成される。
The tip of the
貯水タンク70の酸化剤ガス出口77に、酸化剤ガス61aを燃料電池30に圧送するブロワ84が接続される。ブロワ84により貯水タンク70内の酸化剤ガス61aが吸引される。酸化剤ガス入口72から吸引された酸化剤ガス61aと、有用水注入口78から注入された有用水42aとは、充填部80にて向流接触するように構成されている。
A
ブロワ84の出口は、三流体熱交換器114、気液分離器55を経て、燃料電池30の空気極33に接続されている。ブロワ84にて昇圧された酸化剤ガス61aは、燃料電池30の空気極33に導入されるように構成されている。
The outlet of the
三流体熱交換器114は、冷却水24aと、貯水タンク70から送出される酸化剤ガス61aとを熱交換し、さらに冷却水24aと、改質装置7から送出される燃料ガス3aとを熱交換する三流体の熱交換器であって、多管式熱交換器が好適に用いられる。三流体熱交換器114は、燃料ガス3a、酸化剤ガス61a、冷却水24aを平行流で熱交換し、これら三つの流体が三流体熱交換器114の出口でほぼ等しい温度になるように構成されている。
The three-
三流体熱交換器114の燃料ガス3aの出口ノズルは、気液分離器45を経て、燃料電池30の燃料極32に接続される。三流体熱交換器114の酸化剤ガス61aの出口ノズルは、気液分離器55を経て、燃料電池30の空気極33に接続される。三流体熱交換器114の冷却水24aの出口ノズルは、燃料電池30の冷却水流路31に接続される。
The outlet nozzle of the
気液分離器45は、燃料ガス3a中の凝縮水を分離する装置である。気液分離器45には、分離された回収水42Aを貯水タンク70に導入する流路145が接続される。気液分離器55は、酸化剤ガス61a中の凝縮水を分離する装置である。気液分離器55には、分離された回収水42Bを貯水タンク70に導入する流路155が接続される。
The gas-
燃料電池30は、固体高分子型燃料電池であり、冷却水流路31と燃料極32と空気極33とを有する。冷却水流路31には、ポンプ108により圧送される冷却水24aを導入するノズルと、冷却水24aを導出するノズルが配置されている。燃料極32には、改質装置7で生成され供給される燃料ガス3aを導入するノズルと、燃料ガス3aのうち電気化学的反応に使われなかったオフガスであるアノードオフガス21aを排出するノズルが配置されている。空気極33には、貯水タンク70から送出される酸化剤ガス61aを導入するノズルと、酸化剤ガス61aのうち電気化学的反応に使われなかったオフガスであるカソードオフガス22aを排出するノズルが配置されている。なお、本明細書中、アノードオフガス21a及びカソードオフガス22aをオフガスと総称する。また、既述の、改質装置7の燃焼部107に導入されたアノードオフガス21aを燃焼した後に排出される燃焼排ガス6aも燃料電池30から排出されるオフガスの一種であることとする。
The
燃料電池30は、燃料ガス3aと酸化剤ガス61aとの電気化学的反応により電力を出力し、水を発生する。この電気化学的反応は発熱反応であり、燃料電池30を冷却するために冷却水流路31に冷却水24aが導入され、冷却水流路31に冷却水24aが流れることにより燃料電池30を冷却しつつ、電気化学的反応により発生した熱を吸収するように構成されている。電気化学的反応により発生した熱は、冷却水24aあるいは排出される排ガス(アノードオフガス21a、カソードオフガス22a)により燃料電池30から搬出される。また、固体高分子型燃料電池では、プロトン交換膜(不図示)の電気伝導度を高く維持するために空気極に供給する酸化剤ガス61aを加湿する必要がある。要求される酸化剤ガス61aの露点は使用する燃料電池の作動温度等運転条件によって変わるが、50〜80℃の範囲であるのが一般的である。
The
燃料電池30の空気極33から排出されたカソードオフガス22aを搬送する空気極オフガス流路141と、改質装置7の燃焼部107から排出された燃焼排ガス6aを搬送する流路142とは分岐管にて合流し、排熱及び水分を保有するガスとしての混合排ガス63aを搬送する流路143となる。ここで、オフガスであるカソードオフガス22a及び燃焼排ガス6aが合流した混合排ガス63aも燃料電池30から排出されるオフガスである。流路143は、混合排ガス熱交換器83、排ガス冷却熱交換器100及び気液分離器89を経て、系外102の排気口(不図示)に至る。
An air electrode
燃料電池30の冷却水流路31から排出される冷却水24aが流れる流路には、冷却水熱交換器110とポンプ108と三流体熱交換器114とが配置され、冷却水24aの流路は、冷却流体流路として、これらの機器を経由して冷却水流路31に戻る循環流路とされる。なお、ポンプ108は、冷却水24aを圧送して循環させるもので、冷却水熱交換器110と三流体熱交換器114との間でなくても、循環する冷却水24aの流路上に配置されればよい。
The cooling
冷却水熱交換器110は、貯湯タンク120に蓄えられる排熱温水43aと冷却水24aとの間で熱交換させる熱交換器であり、プレート型熱交換器が好適に用いられる。冷却水熱交換器110において排熱温水43aは加熱され、冷却水24aは冷却される。すなわち、排熱温水43aにより冷却水24a中に移された燃料電池30の排熱を回収する。冷却水熱交換器110の排熱温水43aの出口ノズルは、貯湯タンク120の上部に接続される。
The cooling
混合排ガス熱交換器83は、混合排ガス63aと有用水42aとの間で熱交換させる熱交換器であって、温度差の比較的少ない、混合排ガス63aである気体と有用水42aである液体との熱を交換するので、プレート型熱交換器が好適に用いられる。混合排ガス熱交換器83において有用水42aは加熱され、混合排ガス63aは冷却される。有用水42aが加熱されることで貯水タンク70の水分散器79から散布される散布水の温度が高くなる結果酸化剤ガス61aの露点を上昇させることができ、混合排ガス63aが冷却されることで混合排ガス63a中の水分の一部が凝縮する。
The mixed exhaust
排ガス冷却熱交換器100は、貯湯タンク120に蓄えられる排熱温水43aと混合排ガス63aとの間で熱交換させる熱交換器であって、プレート型熱交換器が好適に用いられる。排ガス冷却熱交換器100において排熱温水43aは加熱され、混合排ガス63aは冷却される。すなわち、排熱温水43aにより混合排ガス63a中に移された燃料電池30の排熱を回収する。また、混合排ガス63aが冷却されることで混合排ガス63a中の水分の一部が凝縮する。
The exhaust gas
混合排ガス63a流れ方向から見た排ガス冷却熱交換器100の下流側には気液分離器89が設置される。気液分離器89は、混合排ガス熱交換器83及び排ガス冷却熱交換器100により冷却された混合排ガス63aから、凝縮水42Cを分離する。気液分離器89には、分離された回収水42Cを貯水タンク70に導入する流路189が接続され、回収水42A、42Bと共に、回収水入口73から貯水タンク70に導入される。気液分離器89には、凝縮水を回収された後の混合排ガスである排出ガス64aを大気(系外)102に放出する流路104が接続される。
A gas-
純水装置86は、有用水42aを改質用水65aとして改質装置7へ導く流路中のポンプ85の下流側に配置され、イオン交換樹脂充填カラム87を備えている。純水装置86は、改質用水65aとして利用される有用水42aを純水に精製する。純水装置86の出口ノズルは、改質装置7に接続されており、純水に精製された改質用水65aが改質装置7に送水される。また、イオン交換樹脂が改質用水65aに混入することを防止するために、イオン交換樹脂充填カラム87の下流側にフィルタ88を設置してもよい。
The
水処理装置93は、貯水タンク70の有用水導出口74に接続する有用水42aの循環流路中のポンプ82の下流側に配置され、イオン交換樹脂充填カラム94を有している。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、陰イオン交換樹脂が望ましい。また、イオン交換樹脂充填カラム94の下流側にフィルタ95を設置することで、イオン交換樹脂が有用水42aに混入することを防止する。本実施の形態では、有用水42aが循環する循環流路に、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、貯水タンク70で酸化剤ガス61aと気液接触する有用水42aに水酸化イオンOH−を常に供給するように構成されている。これにより、循環する有用水42aが常にアルカリ性に保たれ、酸化剤ガス61aに含有されるNOx、SOx等の酸性ガスの汚染物質が効果的に除去される。
The
貯湯タンク120は、排熱温水43aを貯留するタンクである。貯湯タンク120に貯留される排熱温水43aは、上部は比較的温度が高く下部は比較的温度が低い、いわゆる温度成層を形成している。貯湯タンク120には、排熱温水43aを供給又は循環させることにより外部の熱需要に熱を供給する装置(不図示)が接続されている。例えば、貯湯タンク120に貯留される排熱温水43aが外部の装置との間を循環し、貯湯タンク120から導出された排熱温水43aは外部の装置に熱を供給した後に、貯湯タンク120に戻される。すなわち、排熱温水43aを介して貯湯タンク120に蓄えられた燃料電池30の排熱が、熱需要に対して有効利用される。
The hot
貯湯タンク120には、上述した外部の装置へ熱を供給するための不図示の循環流路の他に、燃料電池コージェネレーションシステム1内に、排熱を回収するための排熱温水43aの循環流路である排熱温水循環流路128が接続されている。排熱温水循環流路128には排熱温水43aの流れる方向に、ポンプ125、切替手段としての三方弁131、排ガス冷却熱交換器100、冷却水熱交換器110がこの順序で配設されている。貯湯タンク120に貯留される排熱温水43aは排熱温水循環流路128を流れ、排ガス冷却熱交換器100で混合排ガス63aと熱交換をして混合排ガス63aに移動した燃料電池30の排熱や燃焼部107での燃焼熱を回収し、冷却水熱交換器110で冷却水24aと熱交換をして冷却水24aに移動した燃料電池30の排熱を回収して貯湯タンク120に戻り、回収した排熱を貯湯タンク120に蓄えることができるように構成されている。また、排熱温水循環流路128には、三方弁131を切り替えることにより排熱温水43aが排ガス冷却熱交換器100を通過するのを回避させるためのバイパス流路129が配設されており、排熱温水43aがバイパス流路129を通過した場合には排ガス冷却熱交換器100での排熱回収は行なわれないように構成されている。三方弁131と制御装置130との間には信号ケーブルが敷設されており、三方弁131は制御装置130からの信号i3を受信して排熱温水43aがバイパス流路129を通るか否かの切替動作をすることができるように構成されている。
In addition to the circulation path (not shown) for supplying heat to the external device described above, the hot
貯湯タンク120の下部には、温度検知器124が設置されている。温度検知器124は、冷却水熱交換器110を循環する排熱温水43aの温度を計測するために貯湯タンク120の下部に設置される。又は貯湯タンク120から導出される排熱温水43aの温度を計測するように配置してもよい。温度検知器124と制御装置130との間には信号ケーブルが敷設されており、温度検知器124で検知された温度は信号i1として制御装置130に送信することができるように構成されている。
A
制御装置130は、温度検知器124で検知された温度を信号i1として随時受信し、また水位検知器132で検知された水位を信号i2として随時受信して、受信した温度が所定の温度以上でかつ受信した水位が所定の水位以上のときに三方弁131に信号i3を送信して、排熱温水循環流路128を流れる排熱温水43aが排ガス冷却熱交換器100を流れることを回避するように三方弁131の流れを切り替えることができるように構成されている。
The
次に、本発明の第1の実施の形態である燃料電池コージェネレーションシステム1の作用を説明する。
改質装置7では、有用水42aから精製された改質用水65aと燃料電池コージェネレーションシステム1の系外から供給される原料燃料2aとの改質反応により、水素を主成分とする燃料ガス3aを生成する。通常、改質用水65aが必要量以上に供給されるので、燃料ガス3aには水分が多く含まれる。改質装置7は、さらに系外からの支燃剤としての空気4aと燃料極32から排出されるアノードオフガス21aとを燃焼部107に導入して燃焼し、原料燃料2aの改質反応のための改質熱を発生させ、燃焼排ガス6aを排出する。燃焼部107には、アノードオフガス21aが不足するときの補助用に、燃焼燃料5aが系外より供給される。改質装置7で生成された燃料ガス3aは、三流体熱交換器114に送出されて冷却水24aにより冷却され、温度及び絶対湿度が適宜調整される。三流体熱交換器114に入る前の燃料ガス3aの温度は、65〜100℃、三流体熱交換器114を出る燃料ガス3aの温度は、50〜70℃である。冷却された燃料ガス3aは水分が凝縮し、凝縮した水分は気液分離器45において回収水42Aとして分離されて回収水入口73より貯水タンク70へ導入される。気液分離器45で回収水42Aとして余分な水分が分離された燃料ガス3aは、燃料電池30の燃料極32に供給される。
Next, the operation of the fuel
In the
一方、貯水タンク70に導入された酸化剤ガス61aは、充填部80へ導かれ、充填部80を通過中に水分散器79から散布される有用水42aと気液接触し、有用水42aによって洗浄されると共に、昇温及び加湿される。洗浄、昇温、加湿が終了した酸化剤ガス61aは、貯水タンク70から流出する。なお、貯水タンク70に入る酸化剤ガス61aの温度は、5〜40℃であり、貯水タンク70を流出する酸化剤ガス61aの温度は、50〜65℃である。
On the other hand, the
貯水タンク70を流出した酸化剤ガス61aは、ブロワ84によって昇圧される。ブロワ84による昇圧の結果、酸化剤ガス61aの露点が上昇する。例えば、ブロワ84による酸化剤ガス61aの圧力上昇を12kPaとして、酸化剤ガス出口77における酸化剤ガス61aの露点が50℃の場合は、酸化剤ガス61aの露点が約2℃上昇し約52℃になる。よって、酸化剤ガス61aの達成すべき露点が一定の場合、ブロワ84を貯水タンク70の下流側に配置することにより、貯水タンク70の加湿負荷を軽減し、貯水タンク70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、貯水タンク70内はブロワ84により加圧されることがない。
The
ブロワ84によって昇圧された酸化剤ガス61aは三流体熱交換器114に圧送され、三流体熱交換器114で冷却水24aとの熱交換により冷却される。三流体熱交換器114で冷却された酸化剤ガス61aは、余剰な水分が凝縮し、凝縮した水分は気液分離器55において回収水42Bとして分離されて回収水入口73より貯水タンク70へ導入される。気液分離器55で余剰な水分が分離された酸化剤ガス61aは、燃料電池30の空気極33に供給される。三流体熱交換器114に入る前の酸化剤ガス61aの温度は、55〜85℃、三流体熱交換器114を出る酸化剤ガス61aの温度は、50〜70℃である。また、三流体熱交換器114に入る前の冷却水24aの温度は、50〜70℃であり、三流体熱交換器114を出る冷却水24aの温度は、50〜70℃である。ここで、三流体熱交換器114においては、冷却水24aと、酸化剤ガス61a及び燃料ガス3aとの比熱が大きく異なるので、酸化剤ガス61a及び燃料ガス3aが冷却されても、冷却水24aの温度はほとんど変わらない。冷却水24a、酸化剤ガス61a及び燃料ガス3aは、三流体熱交換器114で並流することによりそれぞれの出口温度は同じとなり、燃料電池30に送られる。
The
冷却水24aは、冷却水熱交換器110において排熱温水43aとの間で熱交換が行なわれ、ポンプ108へ導かれて昇圧された後、三流体熱交換器114へ向けて送出される。冷却水熱交換器110において、冷却水24aは排熱温水43aを加熱し、排熱温水43aは冷却水24aを冷却する。ここで、冷却水熱交換器110に入る前の冷却水24aの温度は、60〜80℃であり、冷却水熱交換器110を出る冷却水24aの温度は、50〜70℃である。また、冷却水熱交換器110に入る前の排熱温水43aの温度は、10〜45℃であり、冷却水熱交換器110を出る排熱温水の温度は、59〜79℃である。既述のように、三流体熱交換器114に導入された冷却水24aは、燃料ガス3a及び酸化剤ガス61aの温度及び湿度を調整した後に燃料電池30に送られる。
The cooling
燃料電池30では、燃料極32に供給された燃料ガス3a中の水素と空気極33に供給された酸化剤ガス61a中の酸素との電気化学的反応により電力を出力し熱と水を発生する。電気化学的反応により発生した熱は冷却水24aに吸収され燃料電池30は冷却される。また、燃料電池30は、燃料極32から電気化学的反応に利用されなかった燃料ガス3aのオフガスであるアノードオフガス21aが、空気極33から電気化学的反応に利用されなかった酸化剤ガス61aのオフガスであるカソードオフガス22aがそれぞれ排出される。なお、電気化学的反応で生じた水分は、排出されるカソードオフガス22aの中に含まれる。したがって、オフガスとしての混合排ガス63aにも水分が含まれていることとなる。
In the
混合排ガス63aは、まず、混合排ガス熱交換器83へ導かれる。混合排ガス熱交換器83では、混合排ガス63aと有用水42aとの間で熱交換が行なわれ、有用水42aが混合排ガス63aによって加熱されることにより混合排ガス63a中の排熱が有用水42aに回収される。混合排ガス熱交換器83に入る前の混合排ガス63aの温度は、60〜80℃であり、混合排ガス熱交換器83を出る混合排ガス63aの温度は、35〜55℃である。また、この場合の混合排ガス熱交換器83に入る前の有用水42aの温度は、30〜50℃であり、混合排ガス熱交換器83を出る有用水42aの温度は、55〜70℃である。有用水42aにより熱を回収された混合排ガス63aは温度が下がるので、混合排ガス63a中の水分は凝縮する。
The
混合排ガス熱交換器83から出た混合排ガス63aは排ガス冷却熱交換器100に導かれ、混合排ガス63aと排熱温水43aとが熱交換することにより、混合排ガス63aが持っている燃料電池30の排熱がさらに回収される。排ガス冷却熱交換器100に入る前の混合排ガス63aの温度は、35〜55℃であり、排ガス冷却熱交換器100を出る混合排ガス63aの温度は、10〜45℃である。また、この場合の排ガス冷却熱交換器100に入る前の排熱温水43aの温度は、5〜40℃であり、排ガス冷却熱交換器100を出る排熱温水43aの温度は、10〜45℃である。排熱温水43aにより熱を回収された混合排ガス63aは温度が下がるので、混合排ガス63a中の水分はさらに凝縮する。
The
混合排ガス熱交換器83及び排ガス冷却熱交換器100において冷却されて水分の凝縮した混合排ガス63aは、気液分離器89に導かれ凝縮水が分離される。分離された凝縮水は、回収水42Cとして、回収水入口73より貯水タンク70へ導入される。また、凝縮水が分離された排出ガス64aは、排ガスとして流路104を通って大気である系外102に放出される。
The
貯水タンク70の回収水入口73から導入された回収水42A、42B、42Cは、有用水42aとして貯液部71に溜められた後、有用水導出口74からポンプ82により吸い込まれ、水処理装置93に圧送される。水処理装置93に圧送された有用水42aは、水処理装置93のイオン交換樹脂充填カラム94により含有する酸性ガス汚染物質が除去される。水処理装置93を出た有用水42aは、混合排ガス熱交換器83で混合排ガス63aにより加熱され、混合排ガス63a中の排熱を回収する。排熱を回収した有用水42aは、有用水注入口78から貯水タンク70に注入され、水分散器79によって充填部80に分散して撒かれ、そこで酸化剤ガス61aと気液接触し、酸化剤ガス61aを加湿、昇温、洗浄する。一方、有用水42aは、酸化剤ガス61aによって脱炭酸され、冷却される。脱炭酸され、冷却された有用水42aは、再び貯液部71に戻り、貯留される。したがって、貯液部71に貯留される有用水42aは、脱炭酸されたものとなる。なお、有用水42aの脱炭酸処理工程により少量の炭酸ガスが酸化剤ガス61aに混入するが、炭酸ガスが燃料電池30内の空気極触媒(不図示)に対する触媒被毒作用をほとんど有しないので、燃料電池30の劣化や寿命に影響することはない
The recovered
また、有用水42aの一部は、改質用水65aとして使用される。改質用水65aとして使用される有用水42aは、有用水導出口74からポンプ85により吸い込まれ、純水装置86に圧送される。純水装置86において純水に精製された改質用水65aは、改質装置7に供給され、改質反応に用いられる。改質反応に用いる改質用水65aは純水であることが要求される。ここで、有用水42aが予め脱炭酸され、すなわち改質用水65aが脱炭酸されている場合は、イオン交換樹脂87の寿命を延ばすことができ、純水装置86のメンテナンス期間を延ばすことができる。また、燃料電池コージェネレーションシステム1が水自立をすることにより、外部からの水供給を受けない間は、水処理負荷が小さく、純水装置86のメンテナンス期間がさらに延びる。
A part of the
さて、冷却水熱交換器110で冷却水24aから排熱を回収した排熱温水43aは、貯湯タンク120に貯留される。既述のとおり、貯湯タンク120内に貯留される排熱温水43aは温度成層を形成しており、上層部の高温の排熱温水43aが系外の熱需要に利用され、下層部の低温の排熱温水43aが冷却水24aを冷却するのに用いられる。貯湯タンク120下部から導出された排熱温水43aは、ポンプ125により排熱温水循環流路128内を圧送され、三方弁131に至る。原則として、三方弁131は排熱温水43aをバイパス流路129に流さないようになっているため、排熱温水43aは排熱温水循環流路128内を流れて排ガス冷却熱交換器100に導入される。
Now, the waste heat
排ガス冷却熱交換器100に導入された排熱温水43aは、混合排ガス63aとの間で熱交換を行ない、燃料電池30の排熱を回収する。排熱を回収して排ガス冷却熱交換器100から出た排熱温水43aは、冷却水熱交換器110に導入され冷却水24aとの間で熱交換を行ない、冷却水24aに吸収された燃料電池30の排熱を回収する。排ガス冷却熱交換器100及び冷却水熱交換器110で燃料電池30の排熱を回収した排熱温水43aは貯湯タンク120の上部に戻される。このようにして貯湯タンク120に燃料電池30の排熱の多くが回収・蓄熱され、蓄えられた熱は要求に応じて系外の熱需要に供給されて有効利用される。
The exhaust heat
本来は系外に排出されるべき燃料電池30の排熱をなるべく多く回収することは燃料電池コージェネレーションシステム1の総合エネルギ効率を高める観点から好ましい。しかし、貯湯タンク120に貯留される排熱温水43aは燃料電池30を冷却する冷却水24aを冷やすために用いられるため、冷却水24aを冷やすことができなくなるほど、すなわち燃料電池30を冷却することができなくなるほど貯湯タンク120内の排熱温水43aが昇温することを回避する必要がある。つまり、燃料電池コージェネレーションシステム1の稼動率を高めるには貯湯タンク120が満蓄になるのを回避する必要がある。
It is preferable from the viewpoint of improving the total energy efficiency of the fuel
満蓄になると燃料電池30を冷却できなくなるので、このような場合は別途ラジエータ等を設置して燃料電池30を所定の作動温度に冷却するか燃料電池コージェネレーションシステム1を停止しなければならない。別途ラジエータ等を設けると初期コストが増大すると共に設置スペースも必要となる。また、これを作動させるエネルギが必要となりシステムの総合エネルギ効率が低下することとなる。他方、システムを停止すると稼動率が低下し、その間に電力需要が発生した場合、貯湯タンク120が満蓄であるために燃料電池30を停止している間は、系外の電源(例えば商用電源)から電力の供給を受ける必要がある。その一方で排熱回収をしないと得られる回収水が少なくなり、シリカ等の不純物が含まれる系外の水を系内に導入せざるを得なくなる。そこで、水自立と排熱回収率とシステム稼動率とのバランスを考慮して、以下に示すようなフローで排熱温水43aの流れを制御する。
Since the
図2は、排熱温水循環流路128内の排熱温水43aの流れを切り替える切替手段としての三方弁131の切替動作を説明するフローチャートである。なお、以下の説明の便宜上、排ガス冷却熱交換器100に向けて排熱温水43aを流す方向に三方弁131が開いている状態を「ノーマル」といい、バイパス流路129に向けて排熱温水43aを流す方向に三方弁131が開いている状態を「バイパス」ということとする。
FIG. 2 is a flowchart for explaining the switching operation of the three-
制御装置130は、温度検知器124から温度信号i1を随時受信しており、水位検知器132から水位信号i2を随時受信している。三方弁131が制御装置130から信号i3を受信していないときは三方弁131はノーマルである(S201)。三方弁131がノーマルのとき、排熱温水43aは排熱温水循環流路128を通って排ガス冷却熱交換器100及び冷却水熱交換器110において燃料電池30の排熱を回収して貯湯タンク120に戻る。
The
制御装置130は、随時受信している温度信号i1により、温度検知器124で検知される排熱温水43aの温度が所定の温度以上か否かを判断する(S202)。所定の温度以上でなければ三方弁131をノーマルの状態に維持し(S201)、所定の温度以上であれば次のステップに進む。所定の温度は、冷却水が燃料電池を冷却することができる温度に、冷却水と排熱温水との熱交換の効率を勘案した温度であり、本実施の形態の場合は40℃である。この温度を所定の温度とすると、冷却水熱交換器110で冷却水24aを冷やすことができ、燃料電池30の運転可能時間を延ばすことができる。
The
温度検知器124で検知される排熱温水43aの温度が所定の温度以上のときは、随時受信している水位信号i2により、水位検知器132で検知される貯液部71に貯留される有用水42aの水位が所定の水位以上か否かを判断する(S203)。所定の水位以上でなければ三方弁131をノーマルの状態に維持し(S201)、所定の水位以上であれば次のステップに進む。所定の水位は、典型的には、燃料電池コージェネレーションシステム1が起動してから発電が開始されるまでの間に改質装置7で使用される有用水としての改質用水65aを貯留したときの水位である。本実施の形態では、改質装置7で使用される改質用水65aは1分間平均6mLで、燃料電池コージェネレーションシステム1が起動してから発電が開始されるまでの時間が50分である。したがって、10分の余裕を見ると、所定の水位は、6mL/min×(50+10)min=360mLの水量を貯水タンク70が貯水したときの水位となる。
When the temperature of the exhaust heat
温度検知器124で検知される排熱温水43aの温度が所定の温度以上かつ水位検知器132で検知される有用水42aの水位が所定の水位以上のときは、制御装置130は、三方弁131に信号i3を送信し、三方弁131をバイパス側に切り替える(S204)。三方弁131がバイパスになると排熱温水43aは、排ガス冷却熱交換器100に導入されずに、バイパス流路129を通って直接冷却水熱交換器110に導入される。これにより、冷却水熱交換器110に導入される排熱温水43aは排ガス冷却熱交換器100での排熱回収がなされないため、貯湯タンク120における蓄熱速度が抑制される。したがって、貯湯タンク120が満蓄となることに起因する燃料電池30の運転を継続することができなくなるまでの時間を延ばすことができる。燃料電池30の運転時間を延ばしている間に系外の熱需要が発生し、貯湯タンク120に蓄えられた熱が消費されれば燃料電池30の運転を停止することなく継続することが可能となる。
When the temperature of the exhaust heat
しかし、排熱温水43aが排ガス冷却熱交換器100をバイパスしていると、排ガス冷却熱交換器100で排熱回収ができず、さらに気液分離器89で分離される回収水も少なくなる。したがって、温度検知器124で検知される排熱温水43aの温度が所定の温度よりも低いノーマルの状態に復帰させる温度(以下「復帰温度」という。)になったとき(すなわち、貯湯タンク120内の蓄熱量が減少して残蓄熱可能量に余裕が発生したとき)に排熱温水43aのバイパスを解除し排熱温水43aを排ガス冷却熱交換器100に導入して、排熱及び水分を回収することが好ましい。そのため、三方弁131をバイパス側に切り替えた後(S204)、温度検知器124で検知される排熱温水43aの温度が復帰温度以下か否かを判断するステップ(S205)に進む。なお、復帰温度を所定の温度よりも低い温度にしているのは、貯湯タンク120内の蓄熱可能量に余裕を持たせるためである。
However, if the exhaust heat
制御装置130は、随時受信している温度信号i1により、温度検知器124で検知される排熱温水43aの温度が復帰温度以下か否かを判断する(S205)。復帰温度まで下がっていれば三方弁131をノーマルの状態にするステップに戻る(S201)。復帰温度まで下がっていなければ、随時受信している水位信号i2により、水位検知器132で検知される貯液部71に貯留される有用水42aの水位が所定の水位以上か否かを判断するステップ(S203)に戻る。貯液部71に貯留される有用水42aの水位が所定の水位以上か否かを判断するステップ(S203)において、所定の水位以上であれば三方弁131をバイパスの状態に維持し(S204)、所定の水位以上でなければ三方弁131をノーマルの状態にするステップに戻る(S201)。
The
三方弁131がノーマルの状態に戻ると、排熱温水43aは再び排ガス冷却熱交換器100に導入されるようになり、より多くの排熱が回収されると共に水分も回収されることとなる。このようにして、燃料電池コージェネレーションシステム1の稼動率を高めつつ、できるだけ多くの排熱を回収してシステムの総合エネルギ効率を高めると共に系内の水自立も可能な限り満足している。なお、本発明では、温度検知器124で検知される排熱温水43aの温度が所定の温度以上であっても水位検知器132で検知される有用水42aの水位が所定の水位を下回っているときは排熱温水43aが排ガス冷却熱交換器100をバイパスしないが、この場合は、排熱を最大限に回収して貯湯タンク120が満蓄になった後、燃料電池コージェネレーションシステム1を停止することとなる。温度検知器124が所定の温度を検知した時点では貯湯タンク120はまだ満蓄状態に至っていない一方で、貯水タンク70内の有用水42aの水位が所定の水位に満たないときは、燃料電池コージェネレーションシステム1の運転を継続するために系外から水を補充しなければならない。しかし、系外から導入した水を使用するにはシリカ等の不純物を除去しなくてはならない。貯水タンク70内の有用水42aの水位が所定の水位に満たないときに三方弁131をバイパスせず排熱を最大限に回収して貯湯タンク120が満蓄になった後燃料電池コージェネレーションシステム1を停止すれば、水処理装置93の寿命を延ばすことができる。
When the three-
続いて、図3を参照して、本発明の第2の実施の形態に係る燃料電池コージェネレーションシステム2について説明する。図3に示す第2の実施の形態に係る燃料電池コージェネレーションシステム2は、第1の実施の形態に係る燃料電池コージェネレーションシステム1が排熱温水循環流路128にバイパス流路129及び切替手段である三方弁131を備えるのに代えて、混合排ガス流路143にバイパス流路144及び切替手段である三方弁136を備えている。三方弁136と制御装置130との間には信号ケーブルが敷設されており、三方弁136は制御装置130からの信号i4を受信して混合排ガス63aがバイパス流路144を通るか否かの切替動作をすることができるように構成されている。
Subsequently, a fuel
燃料電池コージェネレーションシステム2では、排熱温水43aが常に排ガス冷却熱交換器100及び冷却水熱交換器110を通過する。しかし、温度検知器124で検知される排熱温水43aの温度が所定の温度以上かつ水位検知器132で検知される有用水42aの水位が所定の水位以上のときに、制御装置130は、三方弁136に信号i4を送信し、三方弁136をバイパス側に切り替える。三方弁136がバイパス側に切り替わると混合排ガス63aは排ガス冷却熱交換器100を通らないため、排熱温水43aと混合排ガス63aとの間で熱交換は行なわれない。したがって排熱温水43aに燃料電池30の排熱が回収されないこととなる。三方弁136の制御は、図2において三方弁131を三方弁136に置き換えた場合のフローと同様になる。
In the fuel
以上の説明では、改質方式は水蒸気改質方式として説明したが、部分酸化改質方式やオートサーマル改質方式であってもよい。部分酸化改質方式やオートサーマル改質方式を採用した場合は燃焼部107が不要になり、改質装置7をコンパクトにすることができる。
In the above description, the reforming method has been described as the steam reforming method, but it may be a partial oxidation reforming method or an autothermal reforming method. When the partial oxidation reforming method or the autothermal reforming method is adopted, the
以上の説明では、燃料電池30は固体高分子型燃料電池として説明したが、りん酸型燃料電池等の固体高分子型燃料電池以外の燃料電池であってもよい。
In the above description, the
以上の説明では、切替手段131(136)は三方弁であるとして説明をしたが、バイパス流路129(144)との分岐部の下流側の排熱温水循環流路128(混合排ガス流路143)及びバイパス流路129(144)のそれぞれに二方弁を設けるように構成してもよい。また、排熱温水循環流路128及び排ガス冷却熱交換器100での圧力損失によってはバイパス流路129のみに二方弁を設けるように構成してもよい。
In the above description, the switching unit 131 (136) is described as a three-way valve, but the exhaust heat / hot water circulation channel 128 (mixed exhaust gas channel 143) on the downstream side of the branching portion with the bypass channel 129 (144). ) And bypass flow path 129 (144) may be provided with a two-way valve. Further, a two-way valve may be provided only in the
1 燃料電池コージェネレーションシステム
2a 原料燃料
3a 燃料ガス
7 改質装置
24a 冷却水
30 燃料電池
42a 有用水
43a 排熱温水
61a 酸化剤ガス
63a オフガス(混合排ガス)
70 貯水タンク
100 排ガス冷却熱交換器
120 貯湯タンク
124 温度検知器
128 排熱温水循環流路
129 バイパス流路
130 制御装置
131 切替手段
132 水位検知器
DESCRIPTION OF
70
Claims (5)
前記燃料電池から排出されるオフガスと前記排熱温水とを熱交換する排ガス冷却熱交換器と;
前記燃料電池に導入する酸化剤ガスを加湿する有用水を前記オフガスから回収し貯留する貯水タンクであって、該貯留された有用水の水位を検知する水位検知器を有する貯水タンクとを備え;
前記温度検知器で検知される排熱温水の温度が所定の温度以上かつ前記水位検知器で検知される水位が所定の水位以上のときに、前記燃料電池から排出されるオフガスと前記排熱温水との熱交換を回避するように構成された;
燃料電池コージェネレーションシステム。 A hot water storage tank for storing hot exhaust hot water that exchanges heat with cooling water that has cooled the fuel cell, and a temperature detector that detects the temperature of the exhaust hot water stored in or derived from the hot water storage tank. Having a hot water storage tank;
An exhaust gas cooling heat exchanger for exchanging heat between the off-gas discharged from the fuel cell and the exhaust hot water;
A water storage tank for recovering and storing useful water for humidifying the oxidant gas introduced into the fuel cell from the off gas, the water storage tank having a water level detector for detecting the water level of the stored useful water;
The off-gas discharged from the fuel cell and the exhaust heat hot water when the temperature of the exhaust heat hot water detected by the temperature detector is equal to or higher than a predetermined temperature and the water level detected by the water level detector is equal to or higher than a predetermined water level. Configured to avoid heat exchange with
Fuel cell cogeneration system.
前記排熱温水循環流路に配置され、前記排ガス冷却熱交換器への前記排熱温水の流れを回避する、切替手段を有するバイパス流路と;
前記温度検知器で検知される排熱温水の温度が所定の温度以上かつ前記水位検知器で検知される水位が所定の水位以上のときに、前記排ガス冷却熱交換器への前記排熱温水の流れを回避するように前記切替手段を制御する制御装置とを備える;
請求項1に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。 A waste heat and hot water circulation passage for circulating the waste heat and hot water;
A bypass flow path having switching means arranged in the exhaust heat hot water circulation flow path and avoiding the flow of the exhaust heat hot water to the exhaust gas cooling heat exchanger;
When the temperature of the exhaust heat hot water detected by the temperature detector is equal to or higher than a predetermined temperature and the water level detected by the water level detector is equal to or higher than a predetermined water level, the exhaust heat hot water to the exhaust gas cooling heat exchanger is A control device for controlling the switching means so as to avoid flow;
The fuel cell cogeneration system according to claim 1.
原料燃料と前記有用水とを導入して前記燃料電池に供給する燃料ガスを生成する改質装置とを備える;
請求項1又は請求項2に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。 A fuel cell that introduces the cooling water and transfers the generated heat to the cooling water;
A reformer that introduces raw fuel and the useful water and generates fuel gas to be supplied to the fuel cell;
The fuel cell cogeneration system according to claim 1 or 2.
請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。 The temperature detector is configured to detect the temperature of the exhaust heat hot water stored below the middle in the vertical direction of the water level when the exhaust heat warm water stored in the hot water storage tank is full;
The fuel cell cogeneration system according to any one of claims 1 to 3.
請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
The predetermined water level is a water level corresponding to an amount of water consumed during a predetermined time in the fuel cell cogeneration system;
The fuel cell cogeneration system according to any one of claims 1 to 4.
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