JP4751589B2 - Fuel cell power generation system - Google Patents
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Description
本発明は、一般的には、水素を含む燃料を使用して発電する燃料電池発電システムに関し、特に、発電に伴う発熱を利用した熱供給機能を有する燃料電池発電システムに関する。 The present invention generally relates to a fuel cell power generation system that generates power using a fuel containing hydrogen, and more particularly to a fuel cell power generation system having a heat supply function using heat generated by power generation.
近年、燃料電池発電システムとして、家庭用あるいは小規模事業用向けの比較的小型の燃料電池発電システムの実用化が推進されている。このシステムは、一般的には、発電による電力と発電に伴う排熱を利用した熱を供給する熱電併給、いわゆるコージェネレーション装置として使用される。 In recent years, as a fuel cell power generation system, practical use of a relatively small fuel cell power generation system for home use or small-scale business has been promoted. This system is generally used as a so-called cogeneration apparatus that supplies heat using electric power generated by power generation and exhaust heat generated by power generation.
従来では、燃料電池発電システムは、燃料供給基盤の制約上の理由から、都市ガス等の炭化水素系燃料を使用する方式が一般的である。以下、燃料電池発電システムの構成を簡単に説明する。 Conventionally, the fuel cell power generation system generally uses a hydrocarbon-based fuel such as city gas because of the limitation of the fuel supply base. Hereinafter, the configuration of the fuel cell power generation system will be briefly described.
当該システムは、パッケージユニット内に、直流(DC)電力を発生する燃料電池本体を含む各要素が統合的に収納された構造である。具体的には、水素を生成する改質器、改質ガス中に多く含まれる一酸化炭素を水素に変えるCO変成器、わずかに残った一酸化炭素を酸化処理するCO選択酸化器、排気中の水分を凝縮させる凝縮器、発電により生じる熱を制御するための電池冷却水系、排熱を供給するための熱利用系および電池冷却水系から熱利用系へ熱を移動させる熱交換器などが収納されている。 The system has a structure in which components including a fuel cell main body that generates direct current (DC) power are integrally stored in a package unit. Specifically, a reformer that generates hydrogen, a CO converter that converts carbon monoxide contained in a large amount of reformed gas into hydrogen, a CO selective oxidizer that oxidizes a slight amount of remaining carbon monoxide, and in the exhaust Contains a condenser that condenses the moisture of the battery, a battery cooling water system for controlling heat generated by power generation, a heat utilization system for supplying exhaust heat, and a heat exchanger that transfers heat from the battery cooling water system to the heat utilization system Has been.
また、電気と熱の需要は一致しないため、パッケージユニットの外側に設けられた貯湯槽により温水を貯蔵し、この貯湯槽から温水を利用先に供給する方式が取られることが多い。 Moreover, since the demand for electricity and heat does not match, it is often the case that hot water is stored in a hot water tank provided outside the package unit and the hot water is supplied from the hot water tank to the user.
このようなシステムにおいて、改質器における都市ガス等の炭化水素系燃料を水素に変換する反応は吸熱反応であるため、燃料電池本体の燃料極からの排気に含まれる未反応の水素を燃焼させ反応熱を与えている。これらは、高い発電効率および排熱利用を含めた総合効率が得られるように、最適設計されたシステムの実現が図られている。 In such a system, the reaction to convert hydrocarbon fuel such as city gas in the reformer into hydrogen is an endothermic reaction, so unreacted hydrogen contained in the exhaust from the fuel electrode of the fuel cell body is burned. Heat of reaction is given. These are designed to realize an optimally designed system so as to obtain high power generation efficiency and total efficiency including exhaust heat utilization.
ところで、将来的には、水素供給基盤の整備が計画されており、水素循環型の社会が到来すると考えられている。燃料電池発電システムは、水素循環型社会の重要な構成要素となることが期待されている。即ち、純水素型の燃料電池コージェネレーション発電装置が家庭のあるいは小規模事業者のエネルギーを供給するようになる。 By the way, in the future, the development of a hydrogen supply infrastructure is planned, and it is thought that a hydrogen-circulating society will arrive. The fuel cell power generation system is expected to be an important component of a hydrogen recycling society. That is, a pure hydrogen type fuel cell cogeneration power generator supplies energy for home or small-scale business.
また、大規模な水素供給基盤が整備されるまでの有効なシステムとして、集合住宅あるいは地域コミュニティー等を単位として水素を供給するシステムが提案されている(例えば、特許文献1を参照)。このような各家庭に設置される燃料電池コージェネレーションシステムは、改質器、CO変成器、CO選択酸化器で構成される燃料処理装置が不要となるためシンプルな構成が可能となる。 In addition, as an effective system until a large-scale hydrogen supply base is established, a system that supplies hydrogen in units of apartment houses or local communities has been proposed (see, for example, Patent Document 1). Such a fuel cell cogeneration system installed in each home does not require a fuel processing device including a reformer, a CO converter, and a CO selective oxidizer, so that a simple configuration is possible.
一方、各家庭に置かれる燃料電池コージェネレーションのパッケージユニットは、改質器を有しないため、燃料電池本体の燃料極からの排気に含まれる未反応水素を処理するためのアフターバーナーを有する。このアフターバーナーの燃焼排ガスから熱を温水として回収する方式が取られる。 On the other hand, since the package unit of the fuel cell cogeneration installed in each home does not have a reformer, it has an afterburner for treating unreacted hydrogen contained in the exhaust from the fuel electrode of the fuel cell main body. A system is adopted in which heat is recovered from the combustion exhaust gas of the afterburner as hot water.
アフターバーナーの燃焼量は、燃料電池本体の燃料極の燃料利用率により定まるが、このような燃料電池コージェネレーションシステムにおいて燃料利用率を可変することにより熱出力と発電出力の比率を制御することが提案されている(例えば、非特許文献1を参照)。このような熱電比可変のコージェネレーションシステムによれば、様々なエネルギー消費パターンを有する家庭へ電力と温水を最も効率的に供給することが可能である。
前述したようなアフターバーナーを用いた熱電比可変型の燃料電池コージェネレーションシステムは、その実現ために下記のような技術的な課題があり、その実現が困難であった。まず、第1の課題として、純水素あるいは水素を豊富に含むガス(水素リッチガス)を燃料とする従来のシステムでは、一般的に、燃料電池本体への燃料は、燃料電池本体上流に設置した流量調整弁あるいは可変燃料ポンプ等の流量制御機能により、発電出力に応じた燃料流量が供給される。この燃料流量制御機能は、燃料電池本体において発電で消費される水素量と、アフターバーナーに要求される熱量相当の水素量をあわせた流量を流すよう制御する。 The thermoelectric ratio variable fuel cell cogeneration system using the afterburner as described above has the following technical problems to realize, and is difficult to realize. First, as a first problem, in a conventional system that uses pure hydrogen or a gas rich in hydrogen (hydrogen-rich gas) as a fuel, the fuel to the fuel cell main body is generally supplied at a flow rate installed upstream of the fuel cell main body. A fuel flow rate corresponding to the power generation output is supplied by a flow rate control function such as a regulating valve or a variable fuel pump. This fuel flow rate control function controls to flow a flow rate that combines the amount of hydrogen consumed in power generation in the fuel cell body and the amount of hydrogen corresponding to the amount of heat required for the afterburner.
このような燃料流量制御システムにおいては、熱電比が変わることにより制御機能下流の圧力が大きく変動するため燃料流量測定によるフィードバック制御が必要となる。発電出力の比率を高くした場合は燃料電池で水素が消費されるため、圧力は低くなるが、熱出力の比率を高めた場合は燃料電池を通過する燃料流量が大きくなり、しかもアフターバーナーでの燃焼負荷が大きくなることより、制御機能の下流側の圧力が高くなる。 In such a fuel flow rate control system, the pressure downstream of the control function greatly fluctuates due to a change in the thermoelectric ratio, so that feedback control based on fuel flow rate measurement is required. When the power generation ratio is increased, hydrogen is consumed in the fuel cell, so the pressure decreases.However, when the heat output ratio is increased, the fuel flow rate through the fuel cell increases, and combustion in the afterburner As the load increases, the pressure on the downstream side of the control function increases.
一般的に、燃料電池発電システムは、発電に十分な燃料が供給されない状態で運転を行うと、構造部材が腐食を受けて、急速に劣化が進行する。しかしながら、このようなシステムにおいては熱負荷需要が低くなった場合、燃料電池本体の燃料利用率が高まるため燃料流量制御機能により供給される燃料と燃料電池本体で消費される燃料流量との差が小さくなり、燃料電池本体にとっては危険な状態で運転を行うことになる。 In general, when a fuel cell power generation system is operated in a state in which sufficient fuel is not supplied for power generation, the structural member is corroded and rapidly deteriorates. However, in such a system, when the heat load demand becomes low, the fuel utilization rate of the fuel cell body increases, so the difference between the fuel supplied by the fuel flow rate control function and the fuel flow rate consumed by the fuel cell body is different. As the fuel cell body becomes smaller, it is operated in a dangerous state.
第2の課題として、アフターバーナーを用いた熱電比可変型の燃料電池コージェネレーションシステムは、アフターバーナーからの熱回収により高温での貯湯が可能であるため、相対的に小型の貯湯槽での温水の供給が可能である。しかしながら、当該システムにおいて、電力比の高い運転を行った場合に得られる排熱の多くが、通常では、60℃程度の低温水となるため、有効な手段とはならなかった。 As a second problem, a variable thermoelectric ratio fuel cell cogeneration system using an afterburner can store hot water at a high temperature by recovering heat from the afterburner. Therefore, supply hot water in a relatively small hot water tank. Is possible. However, in this system, most of the exhaust heat obtained when the operation with a high power ratio is performed is usually low-temperature water of about 60 ° C., and thus it has not been an effective means.
さらに、第3の課題として、当該システムにおけるアフターバーナーに求められる負荷変化は非常に大きく、通常の燃焼器ではカバーすることが困難である。このため、従来から触媒燃焼器の適用が提案されている(前述の非特許文献1を参照)。
Further, as a third problem, the load change required for the afterburner in the system is very large, and it is difficult to cover with a normal combustor. For this reason, application of a catalytic combustor has been proposed (see Non-Patent
触媒燃焼器を適用すれば、広い負荷範囲で、水素を主成分とする希薄燃料を安定して燃焼することができる。しかしながら、触媒燃焼器に使用される触媒は、停止時に表面が若干酸化された状態になっているため、起動時に酸化表面を還元する必要がある。例えばPtあるいはPd等の燃焼触媒を使用した場合、触媒温度が70℃以下では還元反応速度が遅く、燃料を導入しても数分間燃焼反応が始まらない問題がある。 If a catalytic combustor is applied, a lean fuel containing hydrogen as a main component can be stably burned over a wide load range. However, since the surface of the catalyst used in the catalytic combustor is slightly oxidized at the time of stopping, it is necessary to reduce the oxidized surface at the time of startup. For example, when a combustion catalyst such as Pt or Pd is used, the reduction reaction rate is slow when the catalyst temperature is 70 ° C. or less, and there is a problem that the combustion reaction does not start for several minutes even when fuel is introduced.
このため、触媒燃焼器では電気ヒータ等により触媒を予熱することが行われる。触媒層はガスを低圧損で流しかつ触媒との接触面積を大きく取るため多孔質体、粒状触媒の充填層、ハニカム、ワイヤーメッシュなどの構造をとっているため、熱伝導率は低く電気ヒータ等の加熱源による昇温では時間がかかる問題がある。また、電気ヒータによる昇温は70℃程度でよいが、触媒燃焼が始まると燃焼温度は400℃から600℃程度の高温となる。このため電気ヒータは高い耐熱性が必要となり、高コスト要因となると共に、信頼性を低下させる要因となっていた。 For this reason, in the catalytic combustor, the catalyst is preheated by an electric heater or the like. The catalyst layer has a structure such as a porous body, a packed bed of granular catalyst, a honeycomb, a wire mesh, etc. in order to allow the gas to flow with low pressure loss and to take a large contact area with the catalyst. However, there is a problem that it takes a long time to raise the temperature by the heating source. The temperature rise by the electric heater may be about 70 ° C., but when the catalytic combustion starts, the combustion temperature becomes a high temperature of about 400 ° C. to 600 ° C. For this reason, the electric heater is required to have high heat resistance, which is a high cost factor and a factor of reducing reliability.
そこで、本発明の目的は、簡単な構成で安定した燃料制御性能、高い信頼性でかつ高効率で高温水として熱回収可能なアフターバーナーを併用する熱電出力比可変型の燃料電池コージェネレーションシステムを実現できる燃料電池発電システムを提供することにある。 Therefore, the object of the present invention is to realize a fuel cell cogeneration system with a variable thermoelectric output ratio that uses a stable fuel control performance with a simple configuration, a highly reliable and highly efficient afterburner that can recover heat as high-temperature water. It is to provide a fuel cell power generation system that can be used.
本発明の観点に従った燃料電池発電システムは、水素を含む燃料を使用して発電する燃料電池本体と、前記燃料電池本体に含まれる燃料極から排出される可燃成分を含んだ排出ガスを、前記燃料電池本体に含まれる空気極から排出される空気により燃焼させる燃焼器と、前記燃料電池本体または前記燃焼器から発生する熱を温水として回収する熱交換手段と、前記燃料極に対する燃料供給の圧力を一定に保持するとともに、前記燃料極から前記燃焼器に導入する前記排出ガスの流量を調整する流量調整手段とを具備し、前記流量調整手段は、前記排出ガスの流量により一次側の圧力が変動しないように圧力降下が設定されている構成である。 A fuel cell power generation system according to an aspect of the present invention includes a fuel cell main body that generates power using a fuel containing hydrogen, and an exhaust gas containing a combustible component discharged from a fuel electrode included in the fuel cell main body. A combustor that burns with air discharged from an air electrode included in the fuel cell body; heat exchange means that recovers heat generated from the fuel cell body or the combustor as hot water; and fuel supply to the fuel electrode. And a flow rate adjusting means for adjusting a flow rate of the exhaust gas introduced from the fuel electrode into the combustor , wherein the flow rate adjusting means adjusts the pressure on the primary side by the flow rate of the exhaust gas. The pressure drop is set so that does not fluctuate .
本発明によれば、簡単な構成で安定した燃料制御性能、高い信頼性でかつ高効率で高温水として熱回収可能なアフターバーナーを併用する熱電出力比可変型の燃料電池コージェネレーションシステムを実現できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell cogeneration system of the thermoelectric output ratio variable type which uses together the afterburner which can recover heat | fever as high temperature water with high fuel efficiency, high reliability with high reliability by simple structure is realizable.
以下図面を参照して、本発明の各実施形態を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に関する燃料電池発電システムの要部を示すブロック図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram showing a main part of the fuel cell power generation system according to the first embodiment.
本システムは、燃料電池パッケージユニット1と、水素ガス源2と、貯湯槽4とを有する。水素ガス源2は、例えば、図3に示すように、集合住宅あるいは地域コミュニティー等を単位として水素を供給する水素分配システムである。
The system includes a fuel
このシステムでは、中央設置燃料処理装置300が、原燃料から純水素または水素リッチガス(水素を豊富に含むガス)を生成して、各家庭に設置される燃料電池パッケージユニット1に供給するシステムである。また、水素ガス源2は、パイプラインを通じて水素ガスを分配する供給元あるいは貯蔵設備である。以下、純水素または水素リッチガスを総称して水素ガスと表記する。
In this system, the centrally installed
燃料電池パッケージユニット1は、燃料電池本体10、2次圧制御弁11、排気流量調整弁12、空気フィルタ13、空気ブロア14、排気用ヒータ15、及びアフターバーナー20を有する。
The fuel
燃料電池本体10は、水素ガスが供給される燃料極10Aと空気が供給される空気極10Bとを有し、直流の電力を発生する。燃料極10Aには、燃料電池パッケージユニット1に供給された水素ガスが、2次圧制御弁11により常に一定の圧力で供給される。燃料極10Aでは、当該水素ガスの一部が発電反応により消費される。
The
排気流量調整弁12は、設定された流量で調整し、燃料極10Aからの水素ガスを含む燃料排気ガスをアフターバーナー20に供給する。排気流量調整弁12は、燃料極10Aからの燃料排気ガスの流量により一次側の圧力が変動しないように、圧力降下が十分大きくなるように設定されている。即ち、燃料極10Aからの燃料排気ガスの排気は、排気流量調整弁12の開度による制御、即ち流量測定によるフィードバックを必要としない制御が可能になるように構成されている。
The exhaust flow
なお、燃料電池パッケージユニット1への燃料供給圧力が、水素ガス源2である供給設備側で安定して制御されている場合は、2次圧制御弁11は不要である。
Note that the secondary
排気流量調整弁12は、燃料電池本体10の発電出力によって決定される流量と、熱出力指令により要求されるアフターバーナー20の負荷から決定される流量のいずれか大きい流量となるように、燃料極10Aの排気流量を制御する(図2を参照)。
The exhaust flow
アフターバーナー20は、広い燃焼負荷範囲に対応できるように内部に燃焼触媒層20Aを有する触媒燃焼器である。この燃焼触媒層20Aの近傍には、燃焼触媒温度センサ20Bが設置されている。
The
燃料電池本体10の空気極10Bには、空気フィルタ13により不純物や粉塵を取り除いた空気3が、空気ブロア14により供給される。この空気流量は、空気ブロア14の可変速制御あるいは流量調整弁などにより調整可能である。また、空気流量は、燃料極10Aの排気流量調整弁12の開度指令と、燃料電池本体10の発電量の関数として決定される。即ち、空気極10Bには、燃料電池パッケージユニット1への総燃料投入量に比例した空気流量が供給される。排気用ヒータ15は、空気極10Bの下流で、燃料との混合部20Cの上流の空気配管中に設けられて、空気極10Bから排気される空気を予熱する。
The air 3 from which impurities and dust are removed by the
さらに、燃料電池パッケージユニット1は、電池冷却水循環系統16、電池冷却水熱交換器17、バイパス配管17A、電池冷却水温度センサ18、バイパス流量調整弁19、燃焼ガス熱交換器21、凝縮器22、及び排熱回収循環系統23を有する。
Further, the fuel
(第1の実施形態の作用効果)
次に、本実施形態のシステムの動作を説明する。
(Operational effects of the first embodiment)
Next, the operation of the system of this embodiment will be described.
燃料電池本体10では、燃料極10Aは、供給された水素ガスの一部を発電反応により消費し、水素ガスを含む燃料排気ガスを排気する。排気流量調整弁12は、設定された流量で調整し、燃料極10Aからの燃料排気ガスをアフターバーナー20に供給する。
In the fuel cell
一方、空気極10Bから排気される空気は、排気用ヒータ15により予熱された後に、混合部20Cで燃料排気ガスと混合されて、アフターバーナー20に供給される。システムの起動時において、アフターバーナー20は、空気による着火前パージから始まるが、触媒層温度が70℃以下の低い状態の場合には、排気用ヒータ15により予熱された空気が燃料排気ガスと混合されて供給される。
On the other hand, the air exhausted from the
アフターバーナー20は、燃焼触媒温度センサ20Bにより燃焼触媒20Aの温度が70℃以上になったことを確認した後に、燃料排気ガス(空気との混合)の導入を実行する。このような方法であれば、従来のヒータにて燃焼触媒を加熱する方法と比較して、燃焼触媒20Aの低い熱伝導率の影響を受けることが無いため、燃焼触媒20A全体を短時間で均一に昇温することが可能となる。
After the
また、排気用ヒータ15は、空気温度を70℃から150℃程度に加熱するだけでよい。また、運転状態になると、60℃から80℃程度の空気極10Bからの排気が通過するだけである。従って、本実施形態によるいわば起動用予熱方法によれば、高温にさらされる燃焼触媒20Aの周辺にヒータを設置することが不要となる。排気用ヒータ15は、標準的な電気ヒータが使用可能で、相対的に高い耐久性を維持できる。
Further, the
アフターバーナー20により、燃料極10Aからの燃焼排気ガスは、高温の燃焼ガスとなり、燃焼ガス熱交換器21および凝縮器22を経由して低温の排気5として燃料電池パッケージユニット1の外に排出される。
By the
本実施形態の燃料電池システムの熱利用は、排熱回収循環系統23により行われる。以下、貯湯槽4の温水を利用する熱供給系を説明する。なお、熱の使用先への供給形態は、貯湯槽4に限定されることは無く、また排熱回収循環系統23を流れる媒体も水に限定されるものではない。
Heat utilization of the fuel cell system of the present embodiment is performed by the exhaust heat
貯湯槽4には、予め相対的に低温の温水が貯蔵されている。この貯湯槽4から低温水は、排熱回収循環系統23により凝縮器22に供給されて、水蒸気分を多く含む燃焼ガスから凝縮潜熱を回収する。これと共に、凝縮器22により、燃料電池発電に必要な水を回収する。凝縮器22からの水は、電池冷却水熱交換器17により60℃から80℃程度まで昇温されて、燃焼ガス熱交換器21により80℃以上の高温水として貯湯槽4に供給される。
The
また、電池冷却水循環系統16は電池冷却水熱交換器17を有し、排熱回収循環系統23はバイパス配管17A及びバイパス流量調整弁19を有している。排熱回収循環系統23の流量は、排熱供給温度を設定された温度で維持するように制御される。
Further, the battery cooling
熱利用負荷が高くなり熱出力を多く取り出す指令が出ると、アフターバーナー20の燃焼量が多くなり、排熱回収循環系統23の循環水量が増大する。バイパス流量調整弁19は、電池冷却水循環系統16に設置された電池冷却水温度センサ18を所定の温度範囲に維持するよう電池冷却水熱交換器10をバイパスする流量を調整する。電池冷却水温度センサ18は、通常では、燃料電池本体10の出口に設置されるが、電池冷却水系統16内での燃料電池本体10の温度制御上最適な場所に設置されることが好ましい。
When the heat utilization load increases and a command to extract a large amount of heat output is issued, the amount of combustion of the
以上のような本実施形態のアフターバーナー20を使用する熱電併給の燃料電池システムであれば、2次圧制御弁11により、燃料電池本体10の燃料極10Aには常に一定圧力で燃料を供給できるため、燃料が欠乏する危険性を未然に回避できる。また、排気流量調整弁12により、アフターバーナー20に供給する燃料排気ガスを直接制御できるため、アフターバーナー20の負荷追従性の良い熱供給システムを実現できる。
In the combined heat and power fuel cell system using the
従来のシステムでは、燃料電池本体で消費する水素に加えて、アフターバーナーで消費する水素も合わせて調整する燃料流量制御弁が使用されるため、相対的に大型の制御弁が必要であった。これに対して、本実施形態の排気流量調整弁12は、アフターバーナー20への燃料排気ガスの供給だけを調整するため、相対的に小型の弁を使用できる。従って、燃料電池パッケージユニット1の全体的小型化を図ることが可能となる。
In the conventional system, a fuel flow control valve that adjusts the hydrogen consumed by the afterburner in addition to the hydrogen consumed by the fuel cell main body is used. Therefore, a relatively large control valve is required. On the other hand, the exhaust flow
さらに、本実施形態のシステムであれば、相対的に高温の温水を貯湯槽4に保存することができる。従って、熱電併給のシステムを実現する場合に、高温水の取り出しを可能とし、しかも熱電出力比を可変としても、燃料電池本体10の温度を、冷却され過ぎることなく、所定の温度範囲内で安定して維持することが可能となる。
Furthermore, if it is the system of this embodiment, a comparatively high temperature warm water can be preserve | saved in the hot
(第2の実施形態)
図4は、第2の実施形態に関する燃料電池システムの構成を示す図である。なお、第1の実施形態と同一構成については、図1と同一符号を付して説明を省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of a fuel cell system according to the second embodiment. In addition, about the same structure as 1st Embodiment, the same code | symbol as FIG. 1 is attached | subjected and description is abbreviate | omitted.
本実施形態の燃料電池パッケージユニット1は、燃料極10Aへの燃料供給圧力を調整する2次圧制御弁11の下流に、燃料極10A及び排気流量調整弁12をバイパスするアフターバーナー20の燃料供給流路32と、該流路32中にアフターバーナー20の燃料量を制御する燃料流量調整弁31を有する。燃料流量調整弁31は、アフターバーナー20の必要燃料量が排気流量調整弁12で制御される量だけでは熱出力の増加指令に対応できなくなった場合に、アフターバーナー20の燃料を増大させるように制御される。
In the fuel
また、燃料電池本体10の空気極10Bに空気を供給する空気ブロア14の下流に、空気極10Bをバイパスするアフターバーナー20の空気供給流路33と、該流路33中にアフターバーナー20の空気量を制御する空気流量調整弁30を有する。空気流量調整弁30は、アフターバーナー20の燃料流量調整弁31により供給されるアフターバーナー20の燃料量に比例した空気量を供給するように制御される。
Further, downstream of the
前述の第1の実施形態は、熱電比可変システムにおいて、その熱電出力比率が1対1に近い範囲内で有効となるシステムを実現できる。これに対して、本実施形態のシステムは、よれば、熱電出力比率が2倍または3倍の場合でも、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。 The first embodiment described above can realize a system that is effective when the thermoelectric output ratio is close to 1: 1 in the thermoelectric ratio variable system. On the other hand, according to the system of the present embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained even when the thermoelectric output ratio is double or triple.
(第3の実施形態)
図5は、第3の実施形態に関する燃料電池システムの構成を示す図である。なお、第1及び第2の実施形態と同一構成については、図1及び図4と同一符号を付して説明を省略する。
(Third embodiment)
FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration of a fuel cell system according to the third embodiment. In addition, about the same structure as 1st and 2nd embodiment, the same code | symbol as FIG.1 and FIG.4 is attached | subjected and description is abbreviate | omitted.
本実施形態の燃料電池パッケージユニット1は、アフターバーナー20と燃焼ガス熱交換器21との間に設けられた高温水取出し熱交換器34を有する。この高温水取出し熱交換器34は、2次側に高温水流路35を介して吸収式冷凍機36に接続されて、高温水を供給する。なお、本実施形態は、高温水の利用先として吸収式冷凍機36を使用する構成であるが、高温水の利用先としては吸収式冷凍機に限られることはない。
The fuel
このようなシステムにおいて、前述したように、アフターバーナー20の燃料投入量は、排気流量調整弁12により制御される。ここで、高温水取出し熱交換器34が高温水を取出して吸収式冷凍機36に供給する場合に、排気流量調整弁12の制御だけでは、高温水の供給に必要なアフターバーナー20の燃料量が確保されない場合がある。このような場合には、アフターバーナー20の燃料流量調整弁31によりアフターバーナー20の燃料を増大させるように制御することになる。
In such a system, as described above, the fuel input amount of the
また、アフターバーナー20の空気流量は、前述の第2の実施形態と同様に、アフターバーナー20の燃料流量調整弁31により供給される燃料量に比例した空気量を供給するように制御される。
Further, the air flow rate of the
本実施形態のシステムであれば、貯湯槽4などを使用した低温水熱利用と共に、吸収式冷凍機36などを使用した高温水熱利用も合わせて行うことが可能となる。
If it is the system of this embodiment, it will become possible to perform the utilization of the high-temperature water heat using the
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.
1…燃料電池パッケージユニット、2…水素ガス源、4…貯湯槽、
10…燃料電池本体、10A…燃料極、10B…空気極、11…2次圧制御弁、
12…排気流量調整弁、13…空気フィルタ、14…空気ブロア、15…排気用ヒータ、
16…電池冷却水循環系統、17…電池冷却水熱交換器、18…電池冷却水温度センサ、
19…バイパス流量調整弁、20…アフターバーナー、20A…燃焼触媒層、
20B…燃焼触媒温度センサ、21…燃焼ガス熱交換器、22…凝縮器、
23…排熱回収循環系統、30…空気流量調整弁、31…燃料流量調整弁、
32…燃料供給流路、33…空気供給流路、34…高温水取出し熱交換器、
35…高温水流路、36…吸収式冷凍機。
1 ... Fuel cell package unit, 2 ... Hydrogen gas source, 4 ... Hot water tank,
DESCRIPTION OF
12 ... Exhaust flow rate adjusting valve, 13 ... Air filter, 14 ... Air blower, 15 ... Exhaust heater,
16 ... Battery cooling water circulation system, 17 ... Battery cooling water heat exchanger, 18 ... Battery cooling water temperature sensor,
19 ... Bypass flow control valve, 20 ... Afterburner, 20A ... Combustion catalyst layer,
20B ... Combustion catalyst temperature sensor, 21 ... Combustion gas heat exchanger, 22 ... Condenser,
23 ... Waste heat recovery circulation system, 30 ... Air flow rate adjustment valve, 31 ... Fuel flow rate adjustment valve,
32 ... Fuel supply flow path, 33 ... Air supply flow path, 34 ... High temperature water extraction heat exchanger,
35 ... high-temperature water flow path, 36 ... absorption refrigerator.
Claims (13)
前記燃料電池本体に含まれる燃料極から排出される可燃成分を含んだ排出ガスを、前記燃料電池本体に含まれる空気極から排出される空気により燃焼させる燃焼器と、
前記燃料電池本体または前記燃焼器から発生する熱を温水として回収する熱交換手段と、
前記燃料極に対する燃料供給の圧力を一定に保持するとともに、前記燃料極から前記燃焼器に導入する前記排出ガスの流量を調整する流量調整手段とを具備し、
前記流量調整手段は、前記排出ガスの流量により一次側の圧力が変動しないように圧力降下が設定されていることを特徴とする燃料電池発電システム。 A fuel cell body that generates power using fuel containing hydrogen;
A combustor for combusting exhaust gas containing a combustible component discharged from a fuel electrode included in the fuel cell body with air discharged from an air electrode included in the fuel cell body;
Heat exchange means for recovering heat generated from the fuel cell body or the combustor as hot water;
A flow rate adjusting means for maintaining a constant pressure of fuel supply to the fuel electrode and adjusting a flow rate of the exhaust gas introduced from the fuel electrode to the combustor ;
The fuel cell power generation system according to claim 1, wherein the flow rate adjusting means is set so that a pressure on the primary side does not fluctuate depending on the flow rate of the exhaust gas .
前記熱交換手段による温水供給量に従って前記燃焼器に必要となる流量、または前記燃料電池本体の発電出力に従って定められる最低流量のいずれか大きい流量で、前記排出ガス流量を制御するように構成されることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池発電システム。 The flow rate adjusting means is
The exhaust gas flow rate is configured to be controlled at a flow rate which is larger of a flow rate required for the combustor according to a hot water supply amount by the heat exchange means or a minimum flow rate determined according to a power generation output of the fuel cell body. The fuel cell power generation system according to claim 1.
前記空気供給制御手段は、
前記燃料電池本体の発電出力と前記排出ガス流量の関数として、前記空気供給量を制御することを特徴とする請求項1または請求項2のいずれか1項に記載の燃料電池発電システム。 Air supply control means for controlling an air supply amount when supplying air to the air electrode;
The air supply control means includes
3. The fuel cell power generation system according to claim 1, wherein the air supply amount is controlled as a function of a power generation output of the fuel cell main body and the exhaust gas flow rate. 4.
前記燃焼ガス中に含まれる水蒸気の凝縮潜熱を放出するための凝縮熱交換器と、当該凝縮熱交換器により得られる温水を前記燃料電池本体の循環水により加熱した温水を生成する第1の熱交換器と、当該第1の熱交換器により得られる温水を前記燃焼ガスの熱により加熱した温水を生成する第2の熱交換器とを含むことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池発電システム。 The heat exchange means includes
A condensation heat exchanger for releasing latent heat of condensation of water vapor contained in the combustion gas, and first heat for generating hot water obtained by heating the hot water obtained by the condensation heat exchanger with the circulating water of the fuel cell body 4. The heat exchanger according to claim 1, further comprising: an exchanger; and a second heat exchanger that generates hot water obtained by heating hot water obtained by the first heat exchanger with heat of the combustion gas. The fuel cell power generation system according to any one of claims.
前記凝縮熱交換器からの温水を前記第2の熱交換器に供給するためのバイパス手段を有し、
前記バイパス手段は、前記燃料電池本体の循環水の温度を一定に保持するように前記バイパスの流量を制御することを特徴とする請求項4に記載の燃料電池発電システム。 The heat exchange means includes
Having bypass means for supplying hot water from the condensation heat exchanger to the second heat exchanger;
5. The fuel cell power generation system according to claim 4, wherein the bypass means controls the flow rate of the bypass so as to keep the temperature of the circulating water in the fuel cell main body constant.
前記温度検出手段の検出結果に従って、前記温水の温度を所定の温度に維持するような前記温水の流量制御を実行する流量制御手段と
を有することを特徴とする請求項4に記載の燃料電池発電システム。 Temperature detecting means for detecting the hot water temperature of the second heat exchanger;
5. The fuel cell power generation according to claim 4, further comprising flow rate control means for performing flow rate control of the hot water so as to maintain the temperature of the hot water at a predetermined temperature according to a detection result of the temperature detection means. system.
前記空気の一部を、前記空気極をバイパスして前記燃焼器に供給する第2のバイパス手段と
を有することを特徴とする請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の燃料電池発電システム。 First bypass means for supplying a part of the fuel to the combustor by bypassing the fuel electrode;
10. The fuel cell according to claim 1, further comprising second bypass means for supplying a part of the air to the combustor by bypassing the air electrode. 11. Power generation system.
前記第2のバイパス手段は、前記第1のバイパス手段による前記燃料の流量に比例して前記空気の流量を制御する手段を含むことを特徴とする請求項10に記載の燃料電池発電システム。 The first bypass means includes means for controlling a flow rate of the fuel to be bypassed according to a heat output of the combustor,
11. The fuel cell power generation system according to claim 10, wherein the second bypass means includes means for controlling the flow rate of the air in proportion to the flow rate of the fuel by the first bypass means.
前記第2のバイパス手段は、前記第1のバイパス手段による前記燃料の流量に比例して前記空気の流量を制御する手段を含むことを特徴とする請求項12に記載の燃料電池発電システム。 The first bypass means includes means for controlling the flow rate of the fuel in response to the heat output of the combustor sufficient to remove hot water in a hot water removal heat exchanger;
The fuel cell power generation system according to claim 12, wherein the second bypass means includes means for controlling the flow rate of the air in proportion to the flow rate of the fuel by the first bypass means.
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