JP4781655B2 - Fuel cell system and control method of fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法に関する。特に本発明は、改質器で製造した水素を消費して発電する燃料電池を備えた燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system and a control method for the fuel cell system. In particular, the present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that consumes hydrogen produced by a reformer and generates electric power, and a control method for the fuel cell system.
燃料電池を用いた分散型電源においては、燃料改質型の燃料電池システムが知られている。燃料改質型の燃料電池システムは、灯油、都市ガス、プロパンガス等を改質して水素を生成する改質器を備え、改質器が生成する水素を燃料電池に供給する(例えば、特許文献1参照。)。
ところで、改質器で製造した水素を燃料電池に供給する場合、燃料電池は10%〜20%程度という低純度の未利用水素と一酸化炭素を含むオフガスを排出する。従来の燃料電池システムでは、燃料電池が排出するオフガスを改質器で燃焼させていた。 By the way, when supplying the hydrogen produced by the reformer to the fuel cell, the fuel cell discharges off-gas containing unused hydrogen and carbon monoxide having a low purity of about 10% to 20%. In the conventional fuel cell system, the off gas discharged from the fuel cell is burned by the reformer.
しかしながら、集合住宅などにおいて、複数の住戸に分散した燃料電池に供給する水素を集中型改質器で一括して製造する場合、オフガスを燃料電池から集中型改質器まで導く配管を設けることは設備の無駄であった。また、従来は、オフガスに含まれる水素を発電用に再利用することができないという課題があった。 However, when producing hydrogen to be supplied to a fuel cell dispersed in a plurality of units in a centralized reformer in a collective housing, etc., it is necessary to provide a pipe for leading offgas from the fuel cell to the centralized reformer. It was a waste of equipment. Further, conventionally, there has been a problem that hydrogen contained in off-gas cannot be reused for power generation.
上記課題を解決するために、本発明の第1の形態においては、水素を生成する改質器と、改質器が生成した水素により発電し、未利用の水素を含むオフガスを排出する燃料電池と、冷却されることによりオフガスに含まれる水素を吸蔵し、加熱されることにより高純度の水素を放出して燃料電池に供給する水素吸蔵部と、水素吸蔵部及び燃料電池の直近に配され、燃料電池に供給する冷却水の少なくとも一部で水素吸蔵部を冷却する冷水用配管と、燃料電池及び水素吸蔵部の直近に配され、燃料電池から吸収した熱で水素吸蔵部を加熱する温水用配管とを備える燃料電池システムが提供される。したがって、燃料電池から排出されるオフガスに含まれる未利用の水素を有効に利用し、しかも燃料電池の冷却水と排熱を利用して水素吸蔵部を機能させることができる。 In order to solve the above-described problems, in the first embodiment of the present invention, a reformer that generates hydrogen, and a fuel cell that generates electric power using the hydrogen generated by the reformer and discharges off-gas containing unused hydrogen. And a hydrogen storage part that stores hydrogen contained in the off-gas when cooled, releases high-purity hydrogen when heated, and supplies it to the fuel cell, and is disposed in the immediate vicinity of the hydrogen storage part and the fuel cell. , A cold water pipe that cools the hydrogen storage part with at least a part of the cooling water supplied to the fuel cell, and hot water that is arranged in the immediate vicinity of the fuel cell and the hydrogen storage part and heats the hydrogen storage part with heat absorbed from the fuel cell A fuel cell system is provided. Therefore, it is possible to effectively use the unused hydrogen contained in the off-gas discharged from the fuel cell, and to make the hydrogen storage unit function using the cooling water and exhaust heat of the fuel cell.
水素吸蔵部は、冷水用配管の直近に配され、当該冷水用配管に冷却されて水素を吸蔵する第1の水素吸蔵ユニットと、温水用配管の直近に配され、当該温水用配管に加熱されて水素を放出する第2の水素吸蔵ユニットとを有してもよい。これにより、水素吸蔵部は、水素の吸蔵と放出を同時に並行して行うことができる。 The hydrogen storage unit is disposed in the immediate vicinity of the cold water pipe, and is disposed in the immediate vicinity of the first hydrogen storage unit cooled by the cold water pipe and storing hydrogen and the hot water pipe, and is heated by the hot water pipe. And a second hydrogen storage unit that releases hydrogen. Thereby, the hydrogen storage part can perform storage and discharge | release of hydrogen simultaneously in parallel.
冷水用配管の直近に配された第1の水素吸蔵ユニットと温水用配管の直近に配された第2の水素吸蔵ユニットとを交換することにより、第1及び第2の水素吸蔵ユニットのそれぞれに水素を吸蔵させるか水素を放出させるかを切り替えるユニット交換部を更に備えてもよい。これにより、最小限の配管構成で、水素吸蔵ユニットに水素を吸蔵させるか放出させるかを切り替えることができる。 By exchanging the first hydrogen storage unit arranged in the immediate vicinity of the cold water pipe and the second hydrogen storage unit arranged in the immediate vicinity of the hot water pipe, each of the first and second hydrogen storage units You may further provide the unit exchange part which switches whether hydrogen is occluded or discharge | releases hydrogen. Thereby, it is possible to switch the hydrogen storage unit between storing and releasing hydrogen with a minimum piping configuration.
ユニット交換部は、第2の水素吸蔵ユニットからの単位時間あたりの水素放出量が予め定められた基準を下回った場合に、第1の水素吸蔵ユニットと第2の水素吸蔵ユニットとを交換してもよい。これにより、水素の放出量が低下した水素吸蔵ユニットに水素を吸蔵させ、他方の水素吸蔵ユニットに水素を放出させるという切替動作を適切なタイミングで実行することができる。従って、高純度水素を安定的に放出して燃料電池に補給できる。 The unit exchange unit replaces the first hydrogen storage unit and the second hydrogen storage unit when the hydrogen release amount per unit time from the second hydrogen storage unit falls below a predetermined standard. Also good. As a result, the switching operation in which hydrogen is stored in the hydrogen storage unit having a reduced hydrogen release amount and hydrogen is released in the other hydrogen storage unit can be executed at an appropriate timing. Therefore, high-purity hydrogen can be stably released and replenished to the fuel cell.
ユニット交換部は、第1の水素吸蔵ユニットの重量増分が予め定められた基準に達した場合に、第1の水素吸蔵ユニットと第2の水素吸蔵ユニットとを交換してもよい。これにより、水素の吸蔵量が限界に近づいた水素吸蔵ユニットに水素を放出させ、他方の水素吸蔵ユニットに水素を吸蔵させるという切替動作を適切なタイミングで実行することができる。従って、オフガスに含まれる未利用水素を安定的に吸蔵できる。 The unit replacement unit may replace the first hydrogen storage unit and the second hydrogen storage unit when the weight increment of the first hydrogen storage unit reaches a predetermined reference. As a result, the switching operation of causing the hydrogen storage unit whose hydrogen storage amount is approaching the limit to release hydrogen and allowing the other hydrogen storage unit to store hydrogen can be executed at an appropriate timing. Therefore, unused hydrogen contained in the off gas can be stably stored.
冷水用配管及び温水用配管は、二つの水素吸蔵ユニットのそれぞれの直近を通る独立した配管を有し、当該燃料電池システムはさらに、二つの水素吸蔵ユニットのそれぞれの直近を通る独立した配管に対して冷却水及び温水のいずれを供給するかを切り替えることにより、第1及び第2の水素吸蔵ユニットのそれぞれに水素を吸蔵させるか水素を放出させるかを切り替える水供給切替部を備えてもよい。これにより、水素吸蔵ユニットのそれぞれに水素を吸蔵させるか水素を放出させるかを、水素吸蔵ユニットを移動させることなく容易に切り替えることができる。 The cold water pipe and the hot water pipe have independent pipes that pass in the immediate vicinity of the two hydrogen storage units, and the fuel cell system further includes an independent pipe that passes in the immediate vicinity of the two hydrogen storage units. A water supply switching unit may be provided that switches between whether the first and second hydrogen storage units store hydrogen or releases hydrogen by switching between cooling water and warm water. Thereby, it is possible to easily switch between hydrogen storage and hydrogen release in each of the hydrogen storage units without moving the hydrogen storage unit.
水供給切替部は、第2の水素吸蔵ユニットからの単位時間あたりの水素放出量が予め定められた基準を下回った場合に、第2の水素吸蔵ユニットの直近を通る配管に対して冷却水を供給し、第1の水素吸蔵ユニットの直近を通る配管に対して温水を供給するように、冷水用配管及び温水用配管における水の流れを切り替えてもよい。これにより、水素の放出量が低下した水素吸蔵ユニットに水素を吸蔵させ、他方の水素吸蔵ユニットに水素を放出させるという切替動作を適切なタイミングで実行することができる。従って、高純度水素を安定的に放出して燃料電池に補給できる。 When the amount of hydrogen released per unit time from the second hydrogen storage unit falls below a predetermined standard, the water supply switching unit supplies cooling water to the pipe passing through the immediate vicinity of the second hydrogen storage unit. The flow of water in the cold water pipe and the hot water pipe may be switched so that the hot water is supplied to the pipe that is supplied and passes in the immediate vicinity of the first hydrogen storage unit. As a result, the switching operation in which hydrogen is stored in the hydrogen storage unit having a reduced hydrogen release amount and hydrogen is released in the other hydrogen storage unit can be executed at an appropriate timing. Therefore, high-purity hydrogen can be stably released and replenished to the fuel cell.
水供給切替部は、第1の水素吸蔵ユニットの重量増分が予め定められた基準に達した場合に、第1の水素吸蔵ユニットの直近を通る配管に対して温水を供給し、第2の水素吸蔵ユニットの直近を通る配管に対して冷却水を供給するように、冷水用配管及び温水用配管における水の流れを切り替えてもよい。これにより、水素の吸蔵量が限界に近づいた水素吸蔵ユニットに水素を放出させ、他方の水素吸蔵ユニットに水素を吸蔵させるという切替動作を適切なタイミングで実行することができる。従って、オフガスに含まれる未利用水素を安定的に吸蔵できる。 The water supply switching unit supplies hot water to a pipe passing through the immediate vicinity of the first hydrogen storage unit when the weight increment of the first hydrogen storage unit reaches a predetermined reference, and the second hydrogen storage unit The flow of water in the cold water pipe and the hot water pipe may be switched so that the cooling water is supplied to the pipe passing through the immediate vicinity of the storage unit. As a result, the switching operation of causing the hydrogen storage unit whose hydrogen storage amount is approaching the limit to release hydrogen and allowing the other hydrogen storage unit to store hydrogen can be executed at an appropriate timing. Therefore, unused hydrogen contained in the off gas can be stably stored.
温水用配管に接続され、水素吸蔵部の直近を通過した温水を貯める貯湯槽と、貯湯槽から外部に供給する水を加熱する場合に、水素吸蔵部が水素を吸収した後に排出されるオフガスを燃焼させる給湯器とを更に備えてもよい。これにより、水素吸蔵部から排出されるオフガスを改質器まで導くことなく、給湯器で燃焼させることができる。 When heating the hot water storage tank that is connected to the hot water piping and stores the hot water that has passed through the immediate vicinity of the hydrogen storage section, and the water supplied to the outside from the hot water storage tank, the off gas discharged after the hydrogen storage section absorbs hydrogen You may further provide the hot water heater to burn. As a result, the off-gas discharged from the hydrogen storage unit can be burned in the water heater without leading to the reformer.
本発明の第2の形態によれば、改質器と燃料電池と水素吸蔵部とを備える燃料電池システムの制御方法であって、改質器が、水素を生成するステップと、燃料電池が、改質器が生成した水素により発電し、未利用の水素を含むオフガスを排出するステップと、水素吸蔵部及び燃料電池の直近に配されている冷水用配管が、燃料電池に供給する冷却水の少なくとも一部で水素吸蔵部を冷却するステップと、水素吸蔵部が有する複数の独立した水素吸蔵ユニットのうち冷水用配管の直近に配されている第1の水素吸蔵ユニットが、当該冷水用配管に冷却されることによりオフガスに含まれる水素を吸蔵する吸蔵ステップと、燃料電池及び水素吸蔵部の直近に配されている温水用配管が、燃料電池から吸収した熱で水素吸蔵部を加熱するステップと、複数の水素吸蔵ユニットのうち温水用配管の直近に配されている第2の水素吸蔵ユニットが、当該温水用配管に加熱されることにより高純度の水素を放出して燃料電池に供給する放出ステップと、第1の水素吸蔵ユニットと第2の水素吸蔵ユニットとを交換することにより、第1及び第2の水素吸蔵ユニットのそれぞれに水素を吸蔵させるか水素を放出させるかを切り替えるステップとを備える制御方法が提供される。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a control method for a fuel cell system comprising a reformer, a fuel cell, and a hydrogen storage unit, wherein the reformer generates hydrogen, and the fuel cell includes: Cooling water supplied to the fuel cell by the step of generating off-gas including unused hydrogen generated by the hydrogen generated by the reformer, and the cold water piping arranged in the immediate vicinity of the hydrogen storage unit and the fuel cell A step of cooling at least a portion of the hydrogen storage unit, and a first hydrogen storage unit disposed in the immediate vicinity of the cold water pipe among the plurality of independent hydrogen storage units of the hydrogen storage unit is provided in the cold water pipe. An occlusion step for occlusion of hydrogen contained in the off-gas by being cooled; and a step of heating the hydrogen occlusion unit with heat absorbed by the fuel cell and a hot water pipe arranged in the immediate vicinity of the fuel cell and the hydrogen occlusion unit; A discharge step in which a second hydrogen storage unit disposed in the immediate vicinity of the hot water pipe among the plurality of hydrogen storage units releases the high-purity hydrogen by being heated by the hot water pipe and supplies it to the fuel cell. And switching the first hydrogen storage unit and the second hydrogen storage unit to switch between storing hydrogen and releasing hydrogen in each of the first and second hydrogen storage units. A control method is provided.
本発明の第3の形態によれば、改質器と燃料電池と水素吸蔵部とを備える燃料電池システムの制御方法であって、改質器が、水素を生成するステップと、燃料電池が、改質器が生成した水素により発電し、未利用の水素を含むオフガスを排出するステップと、水素吸蔵部及び燃料電池の直近に配されている冷水用配管が、燃料電池に供給する冷却水の少なくとも一部で水素吸蔵部を冷却するステップと、水素吸蔵部が有する複数の独立した水素吸蔵ユニットのうち冷水用配管の直近に配されている第1の水素吸蔵ユニットが、当該冷水用配管に冷却されることによりオフガスに含まれる水素を吸蔵する吸蔵ステップと、燃料電池及び水素吸蔵部の直近に配されている温水用配管が、燃料電池から吸収した熱で水素吸蔵部を加熱するステップと、複数の水素吸蔵ユニットのうち温水用配管の直近に配されている第2の水素吸蔵ユニットが、当該温水用配管に加熱されることにより高純度の水素を放出して燃料電池に供給する放出ステップと、第1の水素吸蔵ユニットの直近を通る温水用配管に温水を供給して第1の水素吸蔵部を加熱することにより第1の水素吸蔵ユニットに高純度の水素を放出させ燃料電池に供給させるステップと、第2の水素吸蔵ユニットの直近を通る冷水用配管に冷水を供給して第2の水素吸蔵部を冷却することにより第2の水素吸蔵ユニットにオフガスに含まれる水素を吸蔵させるステップとを備える制御方法が提供される。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a control method for a fuel cell system comprising a reformer, a fuel cell, and a hydrogen storage unit, wherein the reformer generates hydrogen, and the fuel cell includes: Cooling water supplied to the fuel cell by the step of generating off-gas including unused hydrogen generated by the hydrogen generated by the reformer, and the cold water piping arranged in the immediate vicinity of the hydrogen storage unit and the fuel cell A step of cooling at least a portion of the hydrogen storage unit, and a first hydrogen storage unit disposed in the immediate vicinity of the cold water pipe among the plurality of independent hydrogen storage units of the hydrogen storage unit is provided in the cold water pipe. An occlusion step for occlusion of hydrogen contained in the off-gas by being cooled; and a step of heating the hydrogen occlusion unit with heat absorbed by the fuel cell and a hot water pipe arranged in the immediate vicinity of the fuel cell and the hydrogen occlusion unit; A discharge step in which a second hydrogen storage unit disposed in the immediate vicinity of the hot water pipe among the plurality of hydrogen storage units releases the high-purity hydrogen by being heated by the hot water pipe and supplies it to the fuel cell. Then, hot water is supplied to the hot water pipe that passes in the immediate vicinity of the first hydrogen storage unit, and the first hydrogen storage unit is heated to release high-purity hydrogen to the fuel cell. And a step of causing the second hydrogen storage unit to store hydrogen contained in the offgas by supplying cold water to a cold water pipe passing through the immediate vicinity of the second hydrogen storage unit and cooling the second hydrogen storage unit. A control method is provided.
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。 The above summary of the invention does not enumerate all the necessary features of the present invention, and sub-combinations of these feature groups can also be the invention.
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。 Hereinafter, the present invention will be described through embodiments of the invention. However, the following embodiments do not limit the invention according to the scope of claims, and all combinations of features described in the embodiments are included. It is not necessarily essential for the solution of the invention.
本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池が発生するオフガスを水素吸蔵部に通すことにより、高純度の水素を抽出する。そして、水素吸蔵部から高純度の水素を放出させて再度燃料電池に供給する。この場合、燃料電池を冷却する冷水を利用して水素吸蔵部を冷却することにより水素を吸蔵させる。また、燃料電池から発生する排熱を利用して水素吸蔵部を加熱することにより、吸蔵した水素を放出させる。 The fuel cell system of this embodiment extracts high-purity hydrogen by passing off-gas generated by the fuel cell through a hydrogen storage unit. Then, high-purity hydrogen is released from the hydrogen storage unit and supplied again to the fuel cell. In this case, hydrogen is occluded by cooling the hydrogen occlusion unit using cold water for cooling the fuel cell. Further, the stored hydrogen is released by heating the hydrogen storage unit using the exhaust heat generated from the fuel cell.
図1は、燃料電池システム100の第1実施例を示す。燃料電池システム100は、集中型改質器10、燃料電池60、水素吸蔵部70、冷水用配管52、及び温水用配管54を備える。集中型改質器10は、灯油、都市ガス、プロパンガス等を改質して水素を製造する。改質水素供給管12は、集中型改質器10が製造した水素を燃料電池60に供給する。燃料電池60は、集中型改質器10が生成した水素により発電し、未利用の水素を含むオフガスを排出する。燃料電池60は、例えば固体高分子形燃料電池(PEFC)である。第1オフガス用配管62は、燃料電池60が排出するオフガスを水素吸蔵部70に供給する。
FIG. 1 shows a first embodiment of a
水素吸蔵部70は、例えば水素吸蔵合金であり、冷却されることによりオフガスに含まれる水素を吸蔵し、加熱されることにより高純度の水素を放出して燃料電池60に供給する。水素貯蔵合金は、例えば、Ti−Cr−V系合金よりなる。水素吸蔵合金は、水素を選択的に吸着するので、水素の純度を高めることができる。冷水用配管52は、水素吸蔵部70及び燃料電池60の直近に配され、燃料電池60に供給する冷却水の少なくとも一部で水素吸蔵部70を冷却する。温水用配管54は、燃料電池60及び水素吸蔵部70の直近に配され、燃料電池60から吸収した熱で水素吸蔵部70を加熱する。このような構成によれば、燃料電池システム100は、燃料電池60から排出されるオフガスに含まれる未利用の水素を有効に利用できる。これにより、燃料電池60が発生するオフガスを集中型改質器10に導く配管が不要である。しかも、燃料電池60の冷却水と排熱を利用して水素吸蔵部70を機能させることができる。
The
水素吸蔵部70は、複数の水素吸蔵ユニット72a、72bを有する。水素吸蔵ユニット72aは、冷水用配管52の直近に配され、当該冷水用配管52に冷却されて水素を吸蔵する。水素吸蔵ユニット72bは、温水用配管54の直近に配され、当該温水用配管54に加熱されて水素を放出する。これにより、水素吸蔵部70は、水素の吸蔵と放出を同時に並行して行うことができる。
The
燃料電池システム100は更に、ユニット交換部80を備える。ユニット交換部80は、水素吸蔵ユニット72aと水素吸蔵ユニット72bとを交換することにより、水素吸蔵ユニット72a、72bのそれぞれに水素を吸蔵させるか水素を放出させるかを切り替える。これにより、最小限の配管構成で、水素吸蔵ユニット72a、72bに水素を吸蔵させるか放出させるかを切り替えることができる。また、水素吸蔵部70は3つ以上の水素吸蔵ユニットを有してもよい。例えば、水素を容量一杯まで吸蔵した水素吸蔵ユニットや、大部分の水素を放出しきった水素吸蔵ユニットを予備の水素吸蔵ユニットとして有してもよい。
The
燃料電池システム100は、さらに貯湯槽90、第2オフガス用配管66、及び給湯器92を備える。貯湯槽90は、温水用配管54に接続され、水素吸蔵部70の直近を通過した温水を貯める。第2オフガス用配管66は、水素吸蔵部70が水素を吸蔵した後に排出される一酸化炭素などのオフガスを給湯器92に供給する。給湯器92は、貯湯槽90から外部に供給する水を加熱する場合に、水素吸蔵部70から排出されるオフガスを燃料と混合して燃焼させる。これにより、水素吸蔵部70から排出されるオフガスを集中型改質器10まで導くことなく、給湯器92で燃焼させることができる。貯湯槽90には、下部の冷水を排出して冷水用配管52に導く冷水用配管56を設ける。これにより、貯湯槽90の温水を効率的に加熱することができる。
The
ユニット交換部80は、温水用配管54によって加熱されている水素吸蔵ユニット72bからの単位時間あたりの水素放出量が予め定められた基準を下回った場合に、水素吸蔵ユニット72aと水素吸蔵ユニット72bとを交換する。これにより、水素の放出量が低下した水素吸蔵ユニット72bに水素を吸蔵させ、他方の水素吸蔵ユニット72aに水素を放出させるという切替動作を適切なタイミングで実行することができる。これにより、水素吸蔵部70は、高純度水素を安定的に放出して燃料電池60に補給できる。
When the hydrogen release amount per unit time from the
図1に示した燃料電池システム100は、住戸毎に占用部分50a、50b、50c・・・を有する。占用部分50は、燃料電池60、水素吸蔵部70、ユニット交換部80、貯湯槽90、及び給湯器92を含む。しかしながら、燃料電池システム100の形態はこのような構成に限られない。例えば、燃料電池システム100は、複数の住戸で一つの水素吸蔵部70を共有してもよい。そのような例を図2に示す。
The
図2は、燃料電池システム100の第2実施例を示す。本実施例の燃料電池システム100は、複数の住戸で一組の水素吸蔵部70を共有している点で図1に示した第1実施例と異なる。例えば、集合住宅の各フロアにおける1戸に、図1に示した占用部分50aと同一の構成を設置し、同一フロアの他の住戸に設置された燃料電池60から第1オフガス用配管62を介して水素吸蔵部70にオフガスを回収する。
FIG. 2 shows a second embodiment of the
図3は、燃料電池システム100の第3実施例を示す。以下、図1に示した第1の実施例と異なる構成のみを説明する。第1の実施例と同様の構成には同一の符号を付して説明を省略する。本実施例の燃料電池システム100は、冷水用配管52及び温水用配管54において、二つの水素吸蔵ユニット72a、72bのそれぞれの直近を通る独立した配管(52a、52b、54a、54b)を有する。本実施例の燃料電池システム100はさらに、供給切替部(82a、82b、82c)を有する。供給切替部82a及び82bは、二つの水素吸蔵ユニット72a、72bのそれぞれの直近を通る独立した配管(52a、52b、54a、54b)に対して冷却水及び温水のいずれを供給するかを切り替える。これにより、供給切替部82a及び82bは、水素吸蔵ユニット72a、72bのそれぞれに水素を吸蔵させるか水素を放出させるかを切り替える。
FIG. 3 shows a third embodiment of the
供給切替部82cは、水素を吸蔵する水素吸蔵ユニット72、すなわち供給切替部82aによって冷水が供給される側の水素吸蔵ユニット72に、燃料電池60が排出するオフガスを供給する。例えば、供給切替部82aが水素吸蔵ユニット72aに冷水を供給する場合、供給切替部82cは、燃料電池60が排出するオフガスを水素吸蔵ユニット72aに供給する。本実施例では、水素吸蔵ユニット72a、72bにそれぞれ第2オフガス用配管66a、66bが設けられる。第2オフガス用配管66a、66bは、水素吸蔵ユニット72a、72bのそれぞれが水素を吸蔵した後に排出される一酸化炭素などのオフガスを給湯器92に供給する。
The
本実施例では、水素吸蔵ユニット72のそれぞれに高純度水素用配管64a、64bが設けられる。高純度水素用配管64a、64bは、供給切替部82bによって温水が供給される側の水素吸蔵ユニット72から放出される高純度水素を燃料電池60に再度供給する。本実施例の構成によれば、燃料電池システム100は、水素吸蔵ユニット72のそれぞれに水素を吸蔵させるか水素を放出させるかを、水素吸蔵ユニット72を移動させることなく容易に切り替えることができる。
In the present embodiment, high-
なお、本実施例の占用部分50は、上述の構成のうちの集中型改質器10を以外の構成を含む。しかしながら、燃料電池システム100の形態はこのような構成に限られない。例えば、燃料電池システム100は、複数の住戸で一つの水素吸蔵部70を共有してもよい。そのような例を図4に示す。
In addition, the occupied part 50 of a present Example contains structures other than the
図4は、燃料電池システム100の第4実施例を示す。本実施例において、第3の実施例と同様の構成には同一の符号を付して説明を省略する。本実施例の燃料電池システム100は、複数の住戸で一組の水素吸蔵部70を共有している点で図3に示した第3実施例と異なる。例えば、集合住宅の各フロアにおける1戸に、図3に示した占用部分50と同一の構成を設置し、同一フロアの他の住戸に設置された燃料電池60から供給切替部82cを介して水素吸蔵部70にオフガスを回収する。
FIG. 4 shows a fourth embodiment of the
図5は、燃料電池システム100の第5実施例を示す。本実施例において、第1の実施例と同様の構成には同一の符号を付して説明を省略する。本実施例の燃料電池システム100は、集中型改質器10と複数戸の燃料電池60の間に水素吸蔵部70を備える点で第1の実施形態と異なる。本実施例の水素吸蔵部70は集中型改質器10が製造した改質水素を一方の水素吸蔵ユニット72aで吸蔵しつつ、他方の水素吸蔵ユニット72bから高純度の水素を放出して各戸の燃料電池60に供給する。ユニット交換部80は、冷水用配管52の直近に配された水素吸蔵ユニット72aと温水用配管54の直近に配された水素吸蔵ユニット72bとを交換することにより、水素吸蔵ユニット72a、72bのそれぞれに水素を吸蔵させるか水素を放出させるかを切り替える。本実施例の燃料電池システム100は、燃料電池60に高純度の水素を供給するのでオフガスがほとんど発生しないという利点がある。
FIG. 5 shows a fifth embodiment of the
図6は、燃料電池システム100の第6実施例を示す。本実施例において、第3の実施例と同様の構成には同一の符号を付して説明を省略する。本実施例の燃料電池システム100は、集中型改質器10と複数戸の燃料電池60の間に水素吸蔵部70を備える点で第3の実施形態と異なる。本実施例の水素吸蔵部70は集中型改質器10が製造した改質水素を一方の水素吸蔵ユニット72aで吸蔵しつつ、他方の水素吸蔵ユニット72bから高純度の水素を放出して各戸の燃料電池60に供給する。供給切替部82a及び82bは、二つの水素吸蔵ユニット72a、72bのそれぞれの直近を通る独立した配管(52a、52b、54a、54b)に対して冷却水及び温水のいずれを供給するかを切り替える。これにより、供給切替部82a及び82bは、水素吸蔵ユニット72a、72bのそれぞれに水素を吸蔵させるか水素を放出させるかを切り替える。本実施例の燃料電池システム100は、燃料電池60に高純度の水素を供給するのでオフガスがほとんど発生しないという利点がある。
FIG. 6 shows a sixth embodiment of the
図7は、図1から図4に示した燃料電池システム100の動作例を示すフロー図である。燃料電池システム100の制御方法は、集中型改質器10が、水素を生成するステップ(S100)と、燃料電池60が、集中型改質器10が生成した水素により発電し、未利用の水素を含むオフガスを排出するステップ(S102)と、水素吸蔵部70及び燃料電池60の直近に配されている冷水用配管52が、燃料電池60に供給する冷却水の少なくとも一部で水素吸蔵部70を冷却するステップ(S104)と、水素吸蔵部70が有する複数の独立した水素吸蔵ユニット72のうち冷水用配管52の直近に配されている水素吸蔵ユニット72aが、冷水用配管52に冷却されることによりオフガスに含まれる水素を吸蔵する吸蔵ステップ(S106)と、燃料電池60及び水素吸蔵部70の直近に配されている温水用配管54が、燃料電池60から吸収した熱で水素吸蔵部70を加熱するステップ(S108)と、複数の水素吸蔵ユニット72のうち温水用配管54の直近に配されている水素吸蔵ユニット72bが、温水用配管54に加熱されることにより高純度の水素を放出して燃料電池60に供給する放出ステップ(S110)と、水素吸蔵ユニット72a、72bのそれぞれに水素を吸蔵させるか水素を放出させるかを切り替える切替ステップ(S112)を備える。
FIG. 7 is a flowchart showing an operation example of the
図8は、図7における切替ステップ(S112)の詳細を示す。燃料電池システム100は、温水用配管54で加熱中の水素吸蔵ユニット72bからの単位時間あたりの水素放出量が、予め定められた基準値以上であるか否かを判断する(S200)。ステップ200における基準値は、水素吸蔵部70の水素の貯蔵量が残り少ないこと示す基準値である。例えば水素吸蔵ユニット72による単位時間あたりの水素放出量がピーク時の10%から20%程度低下する状態をステップ200における基準値とする。水素放出量が基準値以上である場合(S200:Yes)、次に冷水用配管56で冷却中の水素吸蔵ユニット72aの重量増分が予め定められた基準値以下であるか否かを判断する(S202)。ステップ202における基準値は、水素吸蔵部70の水素の貯蔵量が限界に近いことを示す基準値である。例えば、水素吸蔵ユニット72が水素を最大限吸蔵する状態における水素吸蔵ユニット72の重量増分(以下、最大重量増分という)を予め実験又は理論計算に基づいて調査する。そして、冷却中の水素吸蔵ユニット72の重量増分が最大重量増分の80%から90%に達する状態をステップ202における基準値とする。上記重量増分が基準値以下である場合(S202:Yes)、本フローは終了する。一方、ステップ200において、温水用配管54で加熱中の水素吸蔵ユニット72bからの単位時間あたりの水素放出量が、予め定められた基準値を下回った場合(S200:No)、または、ステップ202において、冷水用配管56で冷却中の水素吸蔵ユニット72aの重量増分が予め定められた基準値を超えている場合(S202:No)、水素吸蔵ユニット72a、72bのそれぞれに水素を吸蔵させるか水素を放出させるかを切り替える(S204)。
FIG. 8 shows details of the switching step (S112) in FIG. The
図1及び図2に示したユニット交換部80を備える燃料電池システム100の場合、ステップ204において、ユニット交換部80は、水素吸蔵ユニット72aと水素吸蔵ユニット72bとを交換する。一方、図3及び図4に示した供給切替部82を備える燃料電池システム100の場合、ステップ204において、供給切替部82は、二つの水素吸蔵ユニット72a、72bのそれぞれの直近を通る独立した配管に対して冷却水及び温水のいずれを供給するかを切り替える。これにより、燃料電池システム100は、水素の放出量が低下した水素吸蔵ユニット72に水素を吸蔵させ、他方の水素吸蔵ユニット72に水素を放出させる切替動作を容易に実行することができる。さらに、加熱中の水素吸蔵ユニット72からの単位時間あたりの水素放出量が基準値以上であるか否かの判断結果に基づいて切替動作を実行するので、水素吸蔵部70は、高純度水素を燃料電池60に安定的に放出できる。また、水素吸蔵ユニット72の重量増分が基準値以下であるか否かの判断結果に基づいて切替動作を実行するので、水素吸蔵部70は、燃料電池60が排出するオフガスに含まれる未利用水素を安定的に吸蔵できる。
In the case of the
以上の説明から明らかなように、本実施形態の燃料電池システム100によれば、燃料電池60が排出するオフガスを集中型改質器10まで導く配管が不要である。また、燃料電池60から排出されるオフガスに含まれる未利用の水素を有効に利用し、しかも燃料電池60の冷却水と排熱を利用して水素吸蔵部70を機能させる省エネルギー性に優れた燃料電池システム100が提供できる。
As is clear from the above description, according to the
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。 As mentioned above, although this invention was demonstrated using embodiment, the technical scope of this invention is not limited to the range as described in the said embodiment. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications or improvements can be added to the above-described embodiment. It is apparent from the scope of the claims that the embodiments added with such changes or improvements can be included in the technical scope of the present invention.
10 集中型改質器
12 改質水素供給管
50 占用部分
52、56 冷水用配管
54 温水用配管
60 燃料電池
62 第1オフガス用配管
64 高純度水素用配管
66 第2オフガス用配管
70 水素吸蔵部
72 水素吸蔵ユニット
80 ユニット交換部
82 供給切替部
90 貯湯槽
92 給湯器
100 燃料電池システム
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記改質器が生成した水素により発電し、未利用の水素を含むオフガスを排出する燃料電池と、
冷却されることにより前記オフガスに含まれる水素を吸蔵し、加熱されることにより高純度の水素を放出して前記燃料電池に供給する水素吸蔵部と、
前記水素吸蔵部及び前記燃料電池の直近に配され、前記燃料電池に供給する冷却水の少なくとも一部で前記水素吸蔵部を冷却する冷水用配管と、
前記燃料電池及び前記水素吸蔵部の直近に配され、前記燃料電池から吸収した熱で前記水素吸蔵部を加熱する温水用配管と、
前記温水用配管に接続され、前記水素吸蔵部の直近を通過した温水を貯める貯湯槽と、
前記貯湯槽から外部に供給する水を加熱する場合に、前記水素吸蔵部が水素を吸収した後に排出されるオフガスを燃焼させる給湯器と
を備える燃料電池システム。 A reformer that produces hydrogen;
A fuel cell that generates electric power from hydrogen generated by the reformer and discharges offgas containing unused hydrogen;
A hydrogen occlusion unit that occludes hydrogen contained in the off-gas by being cooled and releases high-purity hydrogen by being heated to supply the fuel cell;
A cold water pipe that is arranged in the immediate vicinity of the hydrogen storage unit and the fuel cell and cools the hydrogen storage unit with at least a part of cooling water supplied to the fuel cell;
A hot water pipe which is arranged in the immediate vicinity of the fuel cell and the hydrogen storage unit and heats the hydrogen storage unit with heat absorbed from the fuel cell;
A hot water storage tank connected to the hot water piping and storing hot water that has passed through the immediate vicinity of the hydrogen storage unit;
A fuel cell system comprising: a water heater that burns off-gas discharged after the hydrogen storage unit absorbs hydrogen when water supplied to the outside from the hot water tank is heated.
前記冷水用配管の直近に配され、当該冷水用配管に冷却されて水素を吸蔵する第1の水素吸蔵ユニットと、
前記温水用配管の直近に配され、当該温水用配管に加熱されて水素を放出する第2の水素吸蔵ユニットとを有する、請求項1に記載の燃料電池システム。 The hydrogen storage part is
A first hydrogen storage unit which is arranged in the immediate vicinity of the cold water pipe and is cooled by the cold water pipe and occludes hydrogen;
2. The fuel cell system according to claim 1, further comprising a second hydrogen storage unit that is disposed in the immediate vicinity of the hot water pipe and is heated by the hot water pipe to release hydrogen.
を更に備える、請求項2に記載の燃料電池システム。 By replacing the first hydrogen storage unit disposed in the immediate vicinity of the cold water pipe and the second hydrogen storage unit disposed in the immediate vicinity of the hot water pipe, the first hydrogen storage unit and 3. The fuel cell system according to claim 2, further comprising a unit exchanging unit that switches whether each of the second hydrogen storage units stores hydrogen or releases hydrogen. 4.
当該燃料電池システムはさらに、
前記第1の水素吸蔵ユニット及び前記第2の水素吸蔵ユニットのそれぞれの直近を通る独立した前記配管に対して冷却水及び温水のいずれを供給するかを切り替えることにより、前記第1の水素吸蔵ユニット及び前記第2の水素吸蔵ユニットのそれぞれに水素を吸蔵させるか水素を放出させるかを切り替える水供給切替部
を備える、請求項2に記載の燃料電池システム。 The cold water pipe and the hot water pipe have independent pipes that pass through the respective vicinity of the first hydrogen storage unit and the second hydrogen storage unit,
The fuel cell system further includes
The first hydrogen storage unit is switched by switching between supplying cooling water and hot water to the independent pipes that pass through the first hydrogen storage unit and the second hydrogen storage unit. 3. The fuel cell system according to claim 2, further comprising: a water supply switching unit that switches between each of the second hydrogen storage units storing hydrogen or releasing hydrogen.
前記改質器が、水素を生成するステップと、
前記燃料電池が、前記改質器が生成した水素により発電し、未利用の水素を含むオフガスを排出するステップと、
前記水素吸蔵部及び前記燃料電池の直近に配されている冷水用配管が、前記燃料電池に供給する冷却水の少なくとも一部で前記水素吸蔵部を冷却するステップと、
前記水素吸蔵部が、前記冷水用配管に冷却されることにより前記オフガスに含まれる水素を吸蔵する吸蔵ステップと、
前記燃料電池及び前記水素吸蔵部の直近に配されている温水用配管が、前記燃料電池から吸収した熱で前記水素吸蔵部を加熱するステップと、
前記水素吸蔵部が、前記温水用配管に加熱されることにより高純度の水素を放出して前記燃料電池に供給する放出ステップと、
前記温水用配管に接続された貯湯槽が、前記水素吸蔵部の直近を通過した温水を貯めるステップと、
前記貯湯槽から外部に供給する水を加熱する場合に、前記水素吸蔵部が水素を吸収した後に排出されるオフガスを、給湯器で燃焼させるステップと
を備える、燃料電池システムの制御方法。 A control method for a fuel cell system comprising a reformer, a fuel cell, and a hydrogen storage unit,
The reformer produces hydrogen;
The fuel cell generates power with hydrogen generated by the reformer and discharges off-gas containing unused hydrogen;
A step of cooling the hydrogen storage unit with at least a part of cooling water supplied to the fuel cell by a cold water pipe arranged in the immediate vicinity of the hydrogen storage unit and the fuel cell;
The hydrogen storage unit stores the hydrogen contained in the off-gas by being cooled by the cold water pipe; and
A hot water pipe arranged in the immediate vicinity of the fuel cell and the hydrogen storage unit, heating the hydrogen storage unit with heat absorbed from the fuel cell;
A discharge step in which the hydrogen storage unit discharges high-purity hydrogen by being heated by the hot water pipe and supplies the hydrogen to the fuel cell;
A hot water tank connected to the hot water pipe stores hot water that has passed through the immediate vicinity of the hydrogen storage unit; and
Wherein the case of heating the water supplied to the outside from the hot water tank, the off-gas the hydrogen storage portion is discharged after absorbing hydrogen, and a step of burning in the water heater, the control method of the fuel cell system.
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