JP5127733B2 - Combined power generator - Google Patents
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Description
本発明は、固体酸化物形燃料電池とスターリングエンジン発電機とを組み合わせてなる複合発電装置に関する。 The present invention relates to a combined power generation apparatus that is a combination of a solid oxide fuel cell and a Stirling engine generator.
近年、次世代エネルギーとして、水素含有ガス(燃料ガス)と酸素含有ガス(空気等)とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを複数個立設し電気的に直列に接続してなるセルスタックと、セルスタックを構成する燃料電池セルを固定するとともに、燃料電池セルに燃料ガスを供給するマニホールドとを有するセルスタック装置を、収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールや燃料電池モジュールを収納してなる燃料電池装置が種々提案されている。 In recent years, as a next-generation energy, a plurality of fuel cells that can obtain electric power using a hydrogen-containing gas (fuel gas) and an oxygen-containing gas (air, etc.) are installed and electrically connected in series. A fuel cell module and a fuel cell module in which a cell stack device having a cell stack and a fuel cell constituting the cell stack and having a manifold for supplying fuel gas to the fuel cell is housed in a container Various fuel cell devices in which the battery is housed have been proposed.
また、発電効率を向上させる目的で、燃料電池装置を他の発電装置と組み合わせた複合発電装置が提案されており、例えば燃料電池装置とガスタービンやスターリングエンジン発電機を組み合わせた複合発電装置が提案されている(例えば、特許文献1、特許文献2参照)。
In addition, for the purpose of improving power generation efficiency, a combined power generation device in which a fuel cell device is combined with another power generation device has been proposed. For example, a combined power generation device in which a fuel cell device is combined with a gas turbine or a Stirling engine generator is proposed. (For example, refer to
このような複合発電装置においては、固体酸化物形燃料電池から排出されるオフガスを用いてスターリングエンジン発電機を駆動させることが概念的に提案されているが、固体酸化物形燃料電池より排出される排ガスの温度が低下している場合があり、スターリングエンジン発電機を効率的に駆動させることが難しい場合があった。 In such a combined power generation device, it has been proposed conceptually to drive the Stirling engine generator using off-gas discharged from the solid oxide fuel cell, but it is discharged from the solid oxide fuel cell. In some cases, the temperature of the exhaust gas to be reduced has decreased, and it has been difficult to efficiently drive the Stirling engine generator.
また、スターリングエンジン発電機を駆動させるにあたり、ヒーター等の熱源を別途設ける場合には、発電効率が低下する場合があった。 In addition, when the Stirling engine generator is driven, if a heat source such as a heater is separately provided, the power generation efficiency may be reduced.
それゆえ、本発明においては、効率よくスターリングエンジン発電機を駆動させることができ、発電効率が向上した複合発電装置を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a composite power generator that can efficiently drive a Stirling engine generator and has improved power generation efficiency.
本発明の複合発電装置は、複数個の固体酸化物形燃料電池セルをそれぞれ電気的に直列に接続してなるセルスタックを収納容器内に設けられた発電室内に収納してなる燃料電池モジュールを備える燃料電池装置と、内部にピストンを備え、該ピストンを挟んで膨張空間側と圧縮空間側とが形成されるとともに、前記ピストンを作動させるための作動ガスが充填されたピストン容器と、前記ピストンの動作に伴って発電を行なう発電部とを備えるスターリングエンジン発電機とを組み合わせてなる複合発電装置であって、前記ピストン容器の膨張空間側が前記発電室内に配置されているとともに、前記収納容器内に、前記燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するための改質器を備え、前記ピストン容器の圧縮空間側または前記冷却部の周囲に、前記改質器内に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給配管が設けられていることを特徴とする。
また、本発明の複合発電装置は、複数個の固体酸化物形燃料電池セルをそれぞれ電気的に直列に接続してなるセルスタックを収納容器内に設けられた発電室内に収納してなる燃料電池モジュールを備える燃料電池装置と、内部にピストンを備え、該ピストンを挟んで膨張空間側と圧縮空間側とが形成されるとともに、前記ピストンを作動させるための作動ガスが充填されたピストン容器と、前記ピストンの動作に伴って発電を行なう発電部とを備えるスターリングエンジン発電機とを組み合わせてなる複合発電装置であって、前記ピストン容器の膨張空間側が前記発電室内に配置されているとともに、前記収納容器内に、前記燃料電池セルに供給する燃料ガスを水蒸気改質にて生成するための気化部を備える改質器が配置されており、前記ピストン容器の圧縮空間側または前記冷却部の周囲に、前記気化部に水を供給するための配管が設けられていることを特徴とする。
さらに、本発明の複合発電装置は、複数個の固体酸化物形燃料電池セルをそれぞれ電気的に直列に接続してなるセルスタックを収納容器内に設けられた発電室内に収納してなる燃料電池モジュールを備える燃料電池装置と、内部にピストンを備え、該ピストンを挟んで膨張空間側と圧縮空間側とが形成されるとともに、前記ピストンを作動させるための作動ガスが充填されたピストン容器と、前記ピストンの動作に伴って発電を行なう発電部とを備えるスターリングエンジン発電機とを組み合わせてなる複合発電装置であって、前記ピストン容器の膨張空間側が前記発電室内に配置されているとともに、前記燃料電池装置が、前記燃料電池モジュールより排出される排ガスと水とで熱交換するための熱交換器を備え、前記ピストン容器の圧縮空間側または前記冷却部の周囲に、前記熱交換器に水を供給するための配管が設けられていることを特徴とする。
The combined power generation device of the present invention includes a fuel cell module in which a cell stack formed by electrically connecting a plurality of solid oxide fuel cells is connected in series in a power generation chamber provided in a storage container. A fuel cell device comprising a piston, an expansion space side and a compression space side formed between the pistons, a piston container filled with a working gas for operating the piston, and the piston And a Stirling engine generator that includes a power generation unit that generates power in accordance with the operation of the above, wherein an expansion space side of the piston container is disposed in the power generation chamber, and the inside of the storage container And a reformer for generating fuel gas to be supplied to the fuel battery cell, the compression space side of the piston container or the periphery of the cooling unit , Wherein the oxygen-containing gas supply pipe for supplying an oxygen-containing gas to the reformer is provided.
Also, the combined power generation apparatus of the present invention is a fuel cell in which a cell stack formed by electrically connecting a plurality of solid oxide fuel cells is connected in series in a power generation chamber provided in a storage container. A fuel cell device including a module; a piston container including a piston therein; an expansion space side and a compression space side formed between the pistons; and a piston container filled with a working gas for operating the piston; A combined power generation device comprising a Stirling engine generator provided with a power generation unit that generates power in accordance with the operation of the piston, wherein the expansion space side of the piston container is disposed in the power generation chamber, and the storage A reformer including a vaporization unit for generating fuel gas to be supplied to the fuel battery cell by steam reforming is disposed in the container. Around the compression space side or the cooling unit of ton container, characterized in that the pipe for supplying water to said vaporizing portion.
Furthermore, the combined power generation device of the present invention is a fuel cell in which a cell stack formed by electrically connecting a plurality of solid oxide fuel cell cells in series is housed in a power generation chamber provided in a housing container. A fuel cell device including a module; a piston container including a piston therein; an expansion space side and a compression space side formed between the pistons; and a piston container filled with a working gas for operating the piston; A combined power generation device comprising a Stirling engine generator including a power generation unit that generates power in accordance with the operation of the piston, wherein an expansion space side of the piston container is disposed in the power generation chamber, and the fuel The battery device includes a heat exchanger for exchanging heat between the exhaust gas discharged from the fuel cell module and water, and compressing the piston container Around between side or the cooling unit, characterized in that the pipe for supplying water to said heat exchanger is provided.
燃料電池セル装置を構成する固体酸化物形燃料電池セルは600〜1000℃という高温で発電する。それゆえ、複数個の固体酸化物形燃料電池セルをそれぞれ電気的に直列に接続してなるセルスタックを収納する発電室内は、非常に高温となる。そこで、燃料電池装置とスターリングエンジン発電機とを組み合わせてなる複合発電装置において、スターリングエンジン発電機を構成するピストン容器の膨張空間側を発電室内に配置することにより、別途ヒーター等の加熱手段を設けることなく膨張空間側を効率よく高温とすることができる。それにより、ピストン容器内に充填されたピストンを作動させるための作動ガスを効率よく加熱することができる。それにより、ピストンを効率よく動作させることができることから、スターリングエンジン発電機を効率よく駆動させることができ、発電効率が向上した複合発電装置とすることができる。
また、ピストン容器の圧縮空間側または冷却部の周囲に、改質器内に酸素含有ガス(空気等)を供給するための酸素含有ガス供給配管が設けられており、この酸素含有ガス供給配管に低温の酸素含有ガスを流すことにより、作動ガスと酸素含有ガスとで熱交換することとなる。それにより、作動ガスを効率よく冷却することができることから、効率よくスターリングエンジン発電機を駆動させることができ、発電効率を向上することができる。
あわせて、作動ガスと熱交換され温められた酸素含有ガスを、固体酸化物形燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するための改質器に供給することから、改質器で部分酸化改質やオートサーマル改質を行なう場合に、改質効率を向上することができ、燃料電池モジュール(燃料電池装置)の発電効率を向上することができる。
それにより、燃料電池装置およびスターリングエンジン発電機の発電効率を向上することができることから、発電効率の向上した複合発電装置とすることができる。
さらに、ピストン容器の圧縮空間側または冷却部の周囲に、気化部を備える改質器の気化部に水を供給するための配管が設けられていることから、この配管に温度の低い水を流すことにより、作動ガスと温度の低い水とで熱交換することとなる。それにより、作動ガスを効率よく冷却することができることから、効率よくスターリングエンジン発電機を駆動させることができ、発電効率を向上することができる。
あわせて、配管を流れる水は作動ガスと熱交換されて温められる、あるいは気化するため、気化部に直接温度の低い水を供給する場合に比べて、気化部での水の気化に伴う吸熱反応が少なくなり、セルスタックが高温を維持しやすくなる。それにより、燃料電池モジュール(燃料電池装置)の発電効率を向上することができる。
さらにまた、ピストン容器の圧縮空間側または冷却部の周囲に、熱交換器に水を供給するための配管が設けられていることから、この配管に低温の水を流すことにより、作動ガスと水とで熱交換することとなる。それにより、作動ガスを効率よく冷却することができることから、効率よくスターリングエンジン発電機を駆動させることができ、発電効率を向上することができる。
あわせて、燃料電池モジュールより排出される排ガスと、配管を流れる水とで熱交換するための熱交換器を備えていることから、燃料電池装置の排熱回収効率を向上させることができ、総合エネルギー効率を向上することができる。それにより、総合エネルギー効率の向上した複合発電装置とすることができる。
The solid oxide fuel cells constituting the fuel cell device generate power at a high temperature of 600 to 1000 ° C. Therefore, the power generation chamber that houses a cell stack formed by electrically connecting a plurality of solid oxide fuel cells to each other in series is very hot. Therefore, in the combined power generation device formed by combining the fuel cell device and the Stirling engine generator, a heating means such as a heater is separately provided by disposing the expansion space side of the piston container constituting the Stirling engine generator in the power generation chamber. The expansion space side can be efficiently heated to a high temperature without any problems. Thereby, the working gas for operating the piston filled in the piston container can be efficiently heated. Thereby, since the piston can be operated efficiently, the Stirling engine generator can be driven efficiently, and a combined power generator with improved power generation efficiency can be obtained.
An oxygen-containing gas supply pipe for supplying an oxygen-containing gas (such as air) into the reformer is provided on the compression space side of the piston container or around the cooling unit. By flowing a low-temperature oxygen-containing gas, heat exchange is performed between the working gas and the oxygen-containing gas. Thereby, since the working gas can be efficiently cooled, the Stirling engine generator can be driven efficiently, and the power generation efficiency can be improved.
At the same time, the oxygen-containing gas heated and exchanged with the working gas is supplied to the reformer for generating fuel gas to be supplied to the solid oxide fuel cell. When quality or autothermal reforming is performed, the reforming efficiency can be improved, and the power generation efficiency of the fuel cell module (fuel cell device) can be improved.
Thereby, since the power generation efficiency of the fuel cell device and the Stirling engine generator can be improved, a combined power generation device with improved power generation efficiency can be obtained.
Furthermore, since a pipe for supplying water to the vaporization section of the reformer including the vaporization section is provided on the compression space side of the piston container or around the cooling section, low temperature water is allowed to flow through this pipe. Thus, heat exchange is performed between the working gas and water having a low temperature. Thereby, since the working gas can be efficiently cooled, the Stirling engine generator can be driven efficiently, and the power generation efficiency can be improved.
At the same time, the water flowing through the piping is heated by heat exchange with the working gas or vaporized, so that the endothermic reaction associated with the vaporization of water in the vaporization section is compared to the case where low temperature water is supplied directly to the vaporization section. And the cell stack can easily maintain a high temperature. Thereby, the power generation efficiency of the fuel cell module (fuel cell device) can be improved.
Furthermore, since a pipe for supplying water to the heat exchanger is provided on the compression space side of the piston container or around the cooling unit, the working gas and water are supplied by flowing low temperature water through the pipe. Heat exchange. Thereby, since the working gas can be efficiently cooled, the Stirling engine generator can be driven efficiently, and the power generation efficiency can be improved.
In addition, it has a heat exchanger for exchanging heat between the exhaust gas discharged from the fuel cell module and the water flowing through the pipe, so the exhaust heat recovery efficiency of the fuel cell device can be improved. Energy efficiency can be improved. Thereby, it can be set as the combined electric power generating apparatus with improved total energy efficiency.
また、本発明の複合発電装置は、前記ピストン容器の圧縮空間側が前記燃料電池モジュールの前記収納容器の外部に配置されていることが好ましい。 In the combined power generation device of the present invention, it is preferable that the compression space side of the piston container is disposed outside the storage container of the fuel cell module.
このような複合発電装置においては、ピストン容器の圧縮空間側が燃料電池モジュールの収納容器の外部に配置されていることから、ピストン容器の圧縮空間側は高温の熱に曝されないため、膨張空間側に比べて低温となる。それにより、ピストン容器内に充填されたピストンを作動させるための作動ガスを、別途クーラー等の冷却手段を設けることなく効率よく冷却することができる。それにより、ピストンを効率よく動作させることができることから、スターリングエンジン発電機を効率よく駆動させることができ、発電効率が向上した複合発電装置とすることができる。 In such a combined power generation device, since the compression space side of the piston container is disposed outside the storage container of the fuel cell module, the compression space side of the piston container is not exposed to high-temperature heat. Compared to the low temperature. Thereby, the working gas for operating the piston filled in the piston container can be efficiently cooled without providing a cooling means such as a separate cooler. Thereby, since the piston can be operated efficiently, the Stirling engine generator can be driven efficiently, and a combined power generator with improved power generation efficiency can be obtained.
また、本発明の複合発電装置は、前記スターリングエンジン発電機は、前記作動ガスが前記ピストン容器の膨張空間側と圧縮空間側との間を往復する構成のスターリングエンジン発電機であって、前記ピストン容器の膨張空間側と圧縮空間側とが、前記作動ガスを加熱するための加熱部と前記作動ガスを冷却するための冷却部とを備える接続部により接続されるとともに、前記加熱部が前記発電室内に配置され、前記冷却部が前記燃料電池モジュールの前記収納容器の外部に配置されていることが好ましい。 The Stirling engine generator may be a Stirling engine generator configured such that the working gas reciprocates between an expansion space side and a compression space side of the piston container. The expansion space side and the compression space side of the container are connected by a connecting portion including a heating portion for heating the working gas and a cooling portion for cooling the working gas, and the heating portion is the power generation It is preferable that the cooling unit is disposed outside the storage container of the fuel cell module.
このような複合発電装置においては、ピストン容器内の作動ガスがピストン容器の膨張空間側と圧縮空間側とを往復する構成のスターリングエンジン発電機を用いる場合に、作動ガスを加熱するための加熱部が発電室内に配置され、作動ガスを冷却するための冷却部が燃料電池モジュールの収納容器の外部に配置されていることから、別途ヒーターやクーラー等の加熱・冷却手段を設けることなく作動ガスを効率よく加熱・冷却することができる。それにより、ピストンを効率よく動作させることができることから、スターリングエンジン発電機を効率よく駆動させることができ、発電効率が向上した複合発電装置とすることができる。 In such a combined power generation device, when a Stirling engine generator configured to reciprocate between the expansion space side and the compression space side of the piston container in the working gas in the piston container is used, a heating unit for heating the working gas Is disposed inside the power generation chamber, and the cooling part for cooling the working gas is arranged outside the storage container of the fuel cell module, so that the working gas can be supplied without separately providing heating / cooling means such as a heater or a cooler. Heating and cooling can be performed efficiently. Thereby, since the piston can be operated efficiently, the Stirling engine generator can be driven efficiently, and a combined power generator with improved power generation efficiency can be obtained.
本発明の複合発電装置は、スターリングエンジン発電機を効率よく駆動させることができ、発電効率が向上した複合発電装置とすることができる。
The combined power generator of the present invention can drive a Stirling engine generator efficiently, and can be a combined power generator with improved power generation efficiency.
図1は、複合発電装置のうち燃料電池装置を構成する燃料電池モジュール1(以下、モジュールと略す)と、スターリングエンジン発電機を構成するピストン容器13とを抜粋して示す外観斜視図である(スターリングエンジン発電機を構成するパワーピストンを備えるパワーピストン装置、発電機等は省略して示している。)。なお、図1においては、スターリングエンジン発電機として、ディスプレーサ型スターリングエンジン発電機を用いる場合を示しており、ピストン容器13は、内部にディスプレーサピストン(図示せず)を有するディスプレーサ装置の役割を果たしている。なお、ピストン容器13内は、ピストンを作動させるための作動ガスが充填されている。作動ガスとしては、温度により膨張や収縮するガスを用いることができ、例えば空気や、ヘリウムガス等を用いることができる。
FIG. 1 is an external perspective view showing an excerpt of a fuel cell module 1 (hereinafter abbreviated as a module) constituting a fuel cell device and a
以下、図1を用いて本発明の複合発電装置のうち燃料電池装置を構成するモジュール1について説明する。なお、以降の図において同一の部材については同一の番号を付するものとする。
Hereinafter, the
図1に示すモジュール1においては、収納容器2の内部に、内部を第1の反応ガスが流通するガス流路(図示せず)を有する柱状の固体酸化物形燃料電池セル3(以下、燃料電池セルと略す。)を立設させた状態で配列し、隣接する燃料電池セル3間に集電部材(図1においては図示せず)を介して電気的に直列に接続してなるセルスタック5を収納して構成されている。なお、セルスタック5は、各燃料電池セル3の下端をガラスシール材等の絶縁性接合材(図示せず)でマニホールド4に固定している。また、セルスタック5の両端部には、セルスタック4(燃料電池セル3)の発電により生じた電流を集電して外部に引き出すための、電流引き出し部を有する導電部材が配置されている(図示せず)。このような構成により、セルスタック装置12が構成される。
In the
なお、図1においては、燃料電池セル3として、内部を第1の反応ガス(水素含有ガス)が長手方向に流通するガス流路を有する中空平板型で、ガス流路を有する支持体の表面に、燃料側電極層、固体電解質層および酸素側電極層を順に積層してなる固体酸化物形燃料電池セル3を例示している。以降の説明の説明において、特に断りのない限り第1の反応ガスを燃料ガス(水素含有ガス)とし、後述する第2の反応ガスを酸素含有ガスとして説明する。
In FIG. 1, the
さらに図1においては、燃料電池セル3の発電で使用する燃料ガスを得るために、原燃料供給管10を介して供給される天然ガスや灯油等の原燃料を改質して燃料ガスを生成するための改質器6をセルスタック5(燃料電池セル3)の上方に配置している。なお、改質器6は、効率のよい改質反応である水蒸気改質を行うことができる構造とすることが好ましく、水を気化させるための気化部7と、原燃料を燃料ガスに改質するための改質触媒(図示せず)が配置された改質部8とを備えている。そして、改質器6で生成された燃料ガスは、燃料ガス流通管9を介してマニホールド4に供給され、マニホールド4より燃料電池セル3の内部に設けられたガス流路に供給される。なお、セルスタック装置12の構成は、燃料電池セル3の種類や形状により、適宜変更することができ、例えばセルスタック装置12に改質器6を含むこともできる。
Further, in FIG. 1, in order to obtain fuel gas used for power generation of the
また図1においては、収納容器2の一部(前後面)を取り外し、内部に収納されるセルスタック装置12を後方に取り出した状態を示している。ここで、図1に示したモジュール1においては、セルスタック装置12を、収納容器2内にスライドして収納することが可能である。
FIG. 1 shows a state in which a part (front and rear surfaces) of the
なお、収納容器2の内部には、マニホールド4に並置されたセルスタック5の間に配置され、第2の反応ガス(酸素含有ガス)が燃料電池セル3の側方を下端部から上端部に向けて流れるように、反応ガス導入部材11が配置されている。
In addition, the
また、このような構成のセルスタック装置12においては、燃料電池セル3のガス流路より排出される余剰な燃料ガスと酸素含有ガスとを燃料電池セル3の上端部側で燃焼させることにより、燃料電池セル3の温度を上昇させることができ、セルスタック装置12の起動を早めることができる。あわせて、燃料電池セル3(セルスタック5)の上方に配置された改質器6を温めることができ、改質器6で効率よく改質反応を行なうことができる。
Further, in the
また、図1においては収納容器2内に、スターリングエンジン発電機を構成するピストン容器13の一部が挿入して配置されている。
In FIG. 1, a part of the
図2は、図1で示すモジュール1およびモジュール1に収納されたスターリングエンジン発電機を構成するピストン容器13の断面図である。モジュール1を構成する収納容器2は、内壁14と外壁15とを有する二重構造で、外壁15により収納容器2の外枠が形成されるとともに、内壁14によりセルスタック5(セルスタック装置12)を収納する発電室16が形成されている。さらにモジュール1(収納容器2)においては、内壁14と外壁15との間を、燃料電池セル3に導入する酸素含有ガスが流通する反応ガス流路としている。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the
ここで内壁14には、内壁14の上面よりセルスタック5の側面側にまで延び、内壁14と外壁15とで形成される反応ガス流路に通じて、セルスタック5に酸素含有ガスを導入するための反応ガス導入部材11が備えられている。また、反応ガス導入部材11の下端に、燃料電池セル3の下端部に第2の反応ガスを導入するための反応ガス導入口17が設けられている。
Here, an oxygen-containing gas is introduced into the
図2においては、反応ガス導入部材11が、収納容器2の内部に横並びに並置された2つのセルスタック5間に位置するように配置されているが、セルスタック5の数により、例えば反応ガス導入部材11をセルスタック5の両側面側から挟み込むように配置してもよい。具体的には、セルスタック5(セルスタック装置12)を1つだけ収納する場合には、反応ガス導入部材11を2つ設け、セルスタック5を両側面側から挟み込むように配置することができる。
In FIG. 2, the reaction
また発電室16内には、モジュール1内の熱が極端に放散され、燃料電池セル3(セルスタック5)の温度が低下して発電量が低減しないよう、モジュール1内の温度を高温に維持するための断熱材18が適宜設けられている。
Also, in the
断熱材18は、セルスタック5の近傍に配置することが好ましく、特には、燃料電池セル3の配列方向に沿ってセルスタック5の側面側に配置するとともに、セルスタック5の側面の外形と同等またはそれ以上の大きさを有する断熱材17を配置することが好ましい。なお、図2においては示していないが、好ましくは、断熱材18はセルスタック5の両側面側に配置することが好ましい。それにより、セルスタック5の温度が低下することを効果的に抑制できる。さらには、反応ガス導入部材11より導入される酸素含有ガスが、セルスタック5の側面側より排出されることを抑制でき、セルスタック5を構成する燃料電池セル3間の酸素含有ガスの流れを促進することができる。
The
また、燃料電池セル3の配列方向に沿った内壁14の内側には、排ガス用内壁19が設けられており、内壁14と排ガス用内壁19との間が、発電室16内の排ガスが上方から下方に向けて流れる排ガス流路とされている。なお、排ガス流路は、収納容器2の底部に設けられた排気孔20と通じている。
Further, an exhaust gas
それにより、モジュール1の稼動(起動処理時、発電時、停止処理時)に伴って生じる排ガスは、排ガス流路を流れた後、排気孔20より排気される構成となっている。なお、排気孔20は収納容器2の底部の一部を切り欠くようにして形成してもよく、また管状の部材を設けることにより形成してもよい。
Thereby, the exhaust gas generated with the operation of the module 1 (during start-up processing, power generation, and stop processing) flows through the exhaust gas passage and is then exhausted from the
ところで、上述したモジュール1内に収納する燃料電池セル3として固体酸化物形燃料電池セルを用いる場合、固体酸化物燃料電池セルは600〜1000℃という高温で発電するため、燃料電池装置を稼動するにあたって、発電室16内も600〜1000℃程度の高温に保持される。
By the way, when a solid oxide fuel cell is used as the
それゆえ、燃料電池装置とスターリングエンジン発電機とを組み合わせた複合発電装置において、スターリングエンジン発電機を構成する内部にピストンを備えるピストン容器13の膨張空間側を発電室内に配置することにより、別途ヒーター等の加熱手段を設けることなく膨張空間側を効率よく高温とすることができる。
Therefore, in the combined power generation device in which the fuel cell device and the Stirling engine generator are combined, the expansion space side of the
ここで、本発明の複合発電装置においては、ピストン容器13の膨張空間側をモジュール1の発電室16内に配置して構成される。
Here, in the combined power generation device of the present invention, the expansion space side of the
それにより、ピストン容器13内に充填されたピストンを作動させるための作動ガスを効率よく加熱することができ、ピストンを効率よく作動させることができる。それにより、スターリングエンジン発電機を効率よく駆動させることができ、発電効率が向上した複合発電装置とすることができる。
Thereby, the working gas for operating the piston filled in the
なお、図1および図2において、ピストン容器13の膨張空間側をセルスタック5の側方に位置するように配置した例を示しているが、ピストン容器13の膨張空間側が発電室16内に位置するように配置すればよく、その配置位置は特に限定されるものではない。例えば、燃料電池セル3の上端部側で余剰の燃料ガスを燃焼させる構成のモジュール1においては、発電室16内において上方側が特に高温となるため、ピストン容器13の膨張空間側を発電室16内の上方側に配置することもできる。
1 and FIG. 2 show an example in which the expansion space side of the
また、図1に示しているように、ピストン容器13の圧縮空間側はモジュール1の収納容器2の外部に配置されていることが好ましい。
Further, as shown in FIG. 1, the compression space side of the
モジュール1の外部は、発電室16内に比べて低温となる。それゆえ、ピストン容器13の圧縮空間側をモジュール1の収納容器2の外部に配置することにより、ピストン容器13内に充填された作動ガスを、別途ヒーター等の冷却手段を設けることなく効率よく冷却することができ、ピストンを効率よく作動させることができる。それにより、スターリングエンジン発電機を効率よく駆動させることができ、発電効率が向上した複合発電装置とすることができる。
The outside of the
なお、ピストン容器13の圧縮空間側をさらに効率よく冷却する目的で、ピストン容器13の圧縮空間側をフィン形状等とすることや、放熱部材を設けることもできる。
In addition, in order to cool the compression space side of the
ところで、スターリングエンジン発電機として、ピストン容器13内の作動ガスを膨張空間側と圧縮空間側との間を往復するように構成されたスターリングエンジン発電機も知られている。このようなスターリングエンジン発電機においては、膨張空間側と圧縮空間側とを接続する接続部に、作動ガスを加熱するための加熱部と、作動ガスを冷却するための冷却部が備えられている。なお、加熱部と冷却部との間に再生器を設けることもでき、この接続部に加熱部(ヒーター)、再生器、冷却部(ヒーター)からなる熱交換器が設けられているスターリングエンジン発電機が知られている。
By the way, as a Stirling engine generator, a Stirling engine generator configured to reciprocate the working gas in the
ここで、燃料電池装置と上述のようなスターリングエンジン発電機とを組み合わせてなる複合発電装置においては、加熱部を発電室16内に配置するとともに、冷却部をモジュール1の外部に配置することにより、ピストン容器13内の作動ガスを効率よく加熱・冷却することができる。それにより、ピストンを効率よく動作させることができることから、スターリングエンジン発電機を効率よく駆動させることができ、発電効率が向上した複合発電装置とすることができる。
Here, in the combined power generation device formed by combining the fuel cell device and the Stirling engine generator as described above, the heating unit is disposed in the
さらに、加熱部を高温の発電室16内に配置することで、作動ガスを加熱するためのヒーター等の加熱手段を設けなくとも作動ガスを効率よく加熱することができることから、複合発電装置の発電効率を向上することができる。
Furthermore, by disposing the heating unit in the high-temperature
図3および図4は、上述の複合発電装置の構成の一例を簡略的に示す構成図である。図3および図4において、燃料電池装置を構成する各装置を二点鎖線にて囲って示している。また、図3および図4において太線で囲っている部分がモジュール1を示す。
3 and 4 are configuration diagrams schematically showing an example of the configuration of the above-described combined power generation apparatus. 3 and 4, each device constituting the fuel cell device is surrounded by a two-dot chain line. In FIG. 3 and FIG. 4, a portion surrounded by a thick line indicates the
図3に示す複合発電装置21を構成する燃料電池装置においては、収納容器2内に配置された改質器6に原燃料を供給するための原燃料供給手段22、改質器6に酸素含有ガスを供給するための改質器用酸素含有ガス供給手段23、改質器6に水を供給するための水供給手段24を備えている。
In the fuel cell device constituting the combined
それにより、改質器6で部分酸化改質を行う場合には、原燃料供給手段22より原燃料が供給されるとともに、改質器用酸素含有ガス供給手段23より酸素含有ガスが供給され、改質器6でオートサーマル改質を行う場合には、さらに水供給手段24より改質用の水が供給され、改質器6で水蒸気改質を行う場合には、原燃料供給手段22より原燃料が供給されるとともに、水供給手段24より改質用の水が供給される。そして改質器6で改質されて生成された燃料ガスがセルスタック装置12に供給され、また、モジュール用酸素含有ガス供給手段25により、モジュール1の収納容器2内(セルスタック装置12)に酸素含有ガスが供給され、セルスタック装置12(燃料電池セル3)の発電が行なわれる。なお、改質器用酸素含有ガス供給手段23と、モジュール用酸素含有ガス供給手段25とを併用することもできる。
Thereby, when partial oxidation reforming is performed in the
なお、上述したピストン容器13のうち、膨張側空間26が発電室16(収納容器2)内に配置され、圧縮側空間27がモジュール1の外部に配置されている。そして、ピストン容器13内に収納されるピストンの動力が、パワーピストン(図示せず)に伝送され、パワーピストンの動力により、発電機28で発電が行なわれる。
In the
なお、図4においてはスターリングエンジン発電機として、ピストン容器13内の作動ガスを膨張空間側26と圧縮空間側27との間を往復するように構成されたスターリングエンジン発電機を用いる場合を示しており、膨張空間側26と圧縮空間側27を接続する接続部に設けられた加熱部29を発電室16(収納容器2)内に配置し、作動ガスを冷却するための冷却部30をモジュール1の収納容器2の外部に配置している例を示している。なお、図には示していないが、加熱部29と冷却部30との間に再生器を設けることもできる。
FIG. 4 shows a case where a Stirling engine generator configured to reciprocate the working gas in the
このような複合発電装置において、図3に示した構成の複合発電装置においては圧縮空間側27、図4に示した複合発電装置においては冷却部30をさらに効率よく冷却する(作動ガスを効率よく冷却する)ことにより、ピストン容器13内のピストンが効率よく作動し、効率よくスターリングエンジン発電機を駆動させることができ、発電効率を向上することができる。
In such a combined power generation apparatus, in the combined power generation apparatus having the configuration shown in FIG. 3, the
ここで、図5に示した複合発電装置においては、モジュール用酸素含有ガス供給手段25とモジュール1内(セルスタック装置12)とを接続するモジュール用酸素含有ガス供給配管31の一部を、ピストン容器13の圧縮空間側27の周囲に配置している例を示している。なお、モジュール用酸素含有ガス供給配管31は、ピストン容器13の圧縮空間27側の周囲を取り囲むように配置してもよく、また、ピストン容器13の圧縮空間27側の外面を蛇行するように配置してもよい。
Here, in the combined power generation device shown in FIG. 5, a part of the module oxygen-containing
それにより、作動ガスと、外部より供給されモジュール用酸素含有ガス供給配管31を流れる温度の低い酸素含有ガスとで熱交換することにより、作動ガスを効率よく冷却することができることから、効率よくスターリングエンジン発電機を駆動させることができ、発電効率を向上することができる。
Accordingly, the working gas can be efficiently cooled by exchanging heat between the working gas and the oxygen-containing gas having a low temperature supplied from the outside and flowing through the module-containing oxygen-containing
あわせて、作動ガスとの熱交換により温められた酸素含有ガスが、モジュール1内(セルスタック装置12)に供給されることから、モジュール1の発電効率を向上することもできる。
In addition, since the oxygen-containing gas heated by heat exchange with the working gas is supplied into the module 1 (cell stack device 12), the power generation efficiency of the
なお、改質器用酸素含有ガス供給手段23により、改質器6およびモジュール1内(セルスタック装置12)に酸素含有ガスを供給する構成とする場合においては、改質器用酸素含有ガス供給手段23とモジュール1内(セルスタック装置12)とを接続する配管の一部を、圧縮空間側27の周囲に配置することもできる。
When the oxygen-containing gas is supplied to the
また、図4に示した構成の複合発電装置の場合においては、モジュール用酸素含有ガス供給手段25とモジュール1内(セルスタック装置12)とを接続するモジュール用酸素含有ガス供給配管31の一部、または改質器用酸素含有ガス供給手段23とモジュール1内(セルスタック装置12)とを接続する配管の一部を、冷却部30の周囲に配置することにより、作動ガスを効率よく冷却することができ、発電効率を向上することができる。
4, a part of the module oxygen-containing
また、図6に示した複合発電装置においては、改質器用酸素含有ガス供給手段23と改質器6とを接続する改質器用酸素含有ガス供給配管32の一部を、ピストン容器13の圧縮空間側27の周囲に配置している例を示している。
Further, in the combined power generator shown in FIG. 6, a part of the reformer oxygen-containing
それにより、作動ガスと、外部より供給され改質器用酸素含有ガス供給配管32を流れる温度の低い酸素含有ガスとで熱交換することにより、作動ガスを効率よく冷却することができることから、効率よくスターリングエンジン発電機を駆動させることができ、発電効率を向上することができる。
As a result, the working gas can be efficiently cooled by exchanging heat between the working gas and the oxygen-containing gas having a low temperature that is supplied from the outside and flows through the reformer oxygen-containing
あわせて、作動ガスとの熱交換により温められた酸素含有ガスが、改質器6に供給されることから、改質器6で部分酸化改質やオートサーマル改質を行う場合に、改質効率を向上することができ、モジュール1の発電効率を向上することもできる。
In addition, since the oxygen-containing gas heated by heat exchange with the working gas is supplied to the
なお、上述と同様に、モジュール用酸素含有ガス供給手段25により、改質器6およびモジュール1内(セルスタック装置12)に酸素含有ガスを供給する構成とする場合においては、モジュール用酸素含有ガス供給手段25と改質器6とを接続する配管の一部を、圧縮空間側27の周囲に配置することもできる。
In the same manner as described above, when the oxygen-containing gas is supplied to the
さらに、上述と同様に、図4に示した構成の複合発電装置の場合においては、改質器用酸素含有ガス供給手段23と改質器6とを接続する改質器用酸素含有ガス供給配管32の一部、またはモジュール用酸素含有ガス供給手段25と改質器6とを接続する配管の一部を、冷却部30の周囲に配置することにより、作動ガスを効率よく冷却することができ、発電効率を向上することができる。
Further, in the case of the combined power generation device having the configuration shown in FIG. 4, as described above, the reformer oxygen-containing
ところで、上述においては、ピストン容器13の圧縮空間側27または冷却部30の周囲に、温度の低い酸素含有ガスを流すことにより、作動ガスの温度を低下させる構成の例について説明したが、作動ガスの温度を低下させることができればよく、例えばピストン容器13の圧縮空間側27または冷却部30の周囲に温度の低い水を流して、作動ガスの温度を低下させる構成とすることもできる。
By the way, in the above description, an example of a configuration in which the temperature of the working gas is lowered by flowing an oxygen-containing gas having a low temperature around the
図7は、本発明の複合発電装置の他の一例を簡略的に示す構成図であり、水供給手段24より改質器6(気化部7、図示せず)に水を供給するための配管33の一部を、ピストン容器13の圧縮空間側27の周囲に配置している例を示している。なお、配管33は、ピストン容器13の圧縮空間27側の周囲を取り囲むように配置してもよく、また、ピストン容器13の圧縮空間27側の外面を蛇行するように配置してもよい。
FIG. 7 is a block diagram schematically showing another example of the combined power generation device of the present invention, and a pipe for supplying water from the water supply means 24 to the reformer 6 (
ここで、配管33に温度の低い水を流すことにより、作動ガスと温度の低い水とで熱交換し、作動ガスを効率よく冷却することができることから、効率よくスターリングエンジン発電機を駆動させることができ、発電効率を向上することができる。
Here, by flowing water at a low temperature through the
あわせて、配管33を流れる水は作動ガスと熱交換されて温められる、あるいは気化するため、気化部7に直接温度の低い水を供給する場合に比べて、気化部7での水の気化に伴う吸熱反応が少なくなり、セルスタック5が高温を維持しやすくなる。それにより、モジュール1の発電効率を向上することもできる。
In addition, since the water flowing through the
また、図4に示した構成の複合発電装置の場合においては、配管33の一部を、冷却部30の周囲に配置することにより、作動ガスを効率よく冷却することができ、発電効率を向上することができる。
Further, in the case of the combined power generation apparatus having the configuration shown in FIG. 4, the working gas can be efficiently cooled by arranging a part of the
図8は、本発明の複合発電装置を構成する燃料電池装置を具備する燃料電池システムと、スターリングエンジン発電機のピストン容器13とを抜粋して、その構成を示した複合発電システムの構成図である。本発明の複合発電装置を構成する燃料電池装置は、図8においては発電を行なう発電ユニットに相当し、熱交換後の湯水を貯湯する貯湯ユニット、これらのユニット間を水が循環するための循環配管46とあわせて、燃料電池システムが構成されている。
FIG. 8 is a configuration diagram of a combined power generation system showing a configuration of a fuel cell system including a fuel cell device constituting the combined power generation device of the present invention and a
図8に示す燃料電池装置(発電ユニット)は、燃料電池セル1、天然ガス等の原燃料を供給する原燃料供給手段22、酸素含有ガスを改質器6等に供給するための改質器用酸素含有ガス供給手段23、原燃料と水蒸気により水蒸気改質する改質器6を具備している。なお、図8に示す複合発電システム(燃料電池装置)においては、改質器用酸素含有ガス供給手段23とモジュール用酸素含有ガス供給手段25とを併用している場合を示している。
The fuel cell apparatus (power generation unit) shown in FIG. 8 is for a
また、図8に示す複合発電システム(燃料電池装置)においては、燃料電池セル3の複数個と改質器6とが収納容器2内に収納されてモジュール1が構成されており、図7においては二点鎖線にて示している。なお、上述したようにピストン容器13の膨張空間側26がモジュール1(発電室16)内に配置されている。
Further, in the combined power generation system (fuel cell apparatus) shown in FIG. 8, a plurality of
また、図8に示す燃料電池装置(発電ユニット)においては、燃料電池セル1の発電により生じた排ガス(排熱)と水とで熱交換を行なう熱交換器42、熱交換により生成された凝縮水を純水に処理するための凝縮水処理装置48、熱交換器42で生成された凝縮水を凝縮水処理装置48に供給するための凝縮水供給管50が設けられており、凝縮水処理装置48にて処理された凝縮水は、水タンク39に貯水された後、水ポンプ40により改質器6に供給される。
Further, in the fuel cell device (power generation unit) shown in FIG. 8, the
一方、凝縮水処理装置48に供給される凝縮水の量が少ない場合や凝縮水処理手段で処理された後の凝縮水の純度が低い場合においては、外部より供給される水(水道水等)を純水に処理して改質器6に供給することもでき、図8においては外部から供給される水を純水に処理する手段として各外部水処理装置を具備している。
On the other hand, when the amount of condensed water supplied to the condensed
ここで、外部より供給される水を改質器6に供給するための各外部水処理装置としては、水を浄化するための活性炭フィルタ装置36、逆浸透膜装置37および浄化された水を純水にするためのイオン交換樹脂装置38の各装置のうち、少なくともイオン交換樹脂装置38(好ましくは全ての装置)を具備する。そして、イオン交換樹脂装置38にて生成された純水は水タンク39に貯水される。なお、図8に示す燃料電池装置(発電ユニット)おいては、外部より供給される水の量を調整するための給水弁35が設けられている。また、凝縮水処理装置48と水タンク39とがタンク連結管49にて連結されている。なお、凝縮水のみを改質器6に供給する場合には、凝縮水処理装置48と改質器6とを水ポンプ40を介して接続することも可能である。
Here, as each external water treatment device for supplying water supplied from the outside to the
また、改質器6に供給する水を処理するための各外部水処理装置および凝縮水処理装置を一点鎖線により囲って示している。なお、改質器6と各水処理装置とを接続する給水管34(図7における配管33に相当する)、タンク連結管49、凝縮水供給管50も含めて水供給手段24として示している。
In addition, each external water treatment device and condensate treatment device for treating water supplied to the
さらに図8に示す燃料電池装置は、燃料電池セル1にて発電された直流電力を交流電力に切り替え外部負荷に供給するためのパワーコンディショナ41、熱交換器42の出口に設けられ熱交換器42の出口を流れる水(循環水流)の水温を測定するための出口水温センサ44のほか、制御装置43が設けられており、循環ポンプ45とあわせて発電ユニットが構成されている。そして、これら発電ユニットを構成する各装置を、外装ケース内に収納することで、設置や持ち運び等が容易な燃料電池装置とすることができる(図示せず)。なお、貯湯ユニットは、熱交換後の湯水を貯湯するための貯湯タンク47を具備して構成されている。
Further, the fuel cell device shown in FIG. 8 is provided at the outlet of the
ここで、図8に示す燃料電池装置においては、熱交換器42に水を供給するための循環配管46(特には貯湯タンク47と熱交換器42とを接続する循環配管46)の一部を、ピストン容器13の圧縮空間側27または冷却部30の周囲に配置することにより、作動ガスを効率よく冷却することができ、発電効率を向上することができる。
Here, in the fuel cell apparatus shown in FIG. 8, a part of the circulation pipe 46 (particularly, the
あわせて、燃料電池装置が、モジュール1より排出される排ガスと、循環配管46を流れる水とで熱交換するための熱交換器42を備えることから、燃料電池装置の排熱回収効率を向上させることができ、総合エネルギー効率を向上することができる。それにより、総合エネルギー効率の向上した複合発電装置とすることができる。
In addition, since the fuel cell device includes the
以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。 Although the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and improvements can be made without departing from the scope of the present invention. .
例えば、上述の説明において、スターリングエンジン発電機として、ディスプレーサ型スターリングエンジン発電機を用いる例を示したが、それ以外にも、2ピストン形、小林形、機械リンク形、ダブルアクティング形等を適宜使用することもできる。 For example, in the above description, an example in which a displacer type Stirling engine generator is used as the Stirling engine generator has been shown, but other than that, a 2-piston type, a Kobayashi type, a mechanical link type, a double acting type, etc. It can also be used.
また固体酸化物形燃料電池セル3として、中空平板型の燃料電池セル3を用いて説明したが、例えば平板型や円筒型の固体酸化物形燃料電池セルを用いることもでき、また燃料電池セル3のガス流路に酸素含有ガスを流通させる構成の燃料電池セルを用いることもできる。
Moreover, although the hollow plate
1:燃料電池モジュール
3:燃料電池セル
12:セルスタック装置
13:ピストン容器
22:原燃料供給手段
23:改質器用酸素含有ガス供給手段
24:水供給手段
25:モジュール用酸素含有ガス供給手段
26:膨張空間側
27:圧縮空間側
29:加熱部
30:冷却部
31:モジュール用酸素含有ガス供給配管
32:改質器用酸素含有ガス供給配管
33:配管
1: Fuel cell module 3: Fuel cell 12: Cell stack device 13: Piston container 22: Raw fuel supply means 23: Reformer oxygen-containing gas supply means 24: Water supply means 25: Module oxygen-containing gas supply means 26 : Expansion space side 27: Compression space side 29: Heating unit 30: Cooling unit 31: Module oxygen-containing gas supply pipe 32: Reformer oxygen-containing gas supply pipe 33: Pipe
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