JP5129452B2 - Fuel cell power generation system - Google Patents

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Description

本発明は、外部から供給された被改質ガスおよび純水を用いて燃料ガスを生成する改質器と、燃料ガスと酸素含有ガスによる電極反応で発電を行う燃料電池とを備えた燃料電池発電システムに関するものである。   The present invention relates to a fuel cell including a reformer that generates fuel gas using a gas to be reformed and pure water supplied from the outside, and a fuel cell that generates power by an electrode reaction between the fuel gas and an oxygen-containing gas. It relates to a power generation system.
従来の技術では、高温型燃料電池の代表格である固体酸化物形燃料電池(SOFC)は、複数の固体酸化物形燃料電池セルからなる燃料電池セルスタックを収納容器内に収容して構成され、約700〜1000℃の温度で運転されている。 In the prior art, a solid oxide fuel cell (SOFC), which is a typical high-temperature fuel cell, is configured by housing a fuel cell stack composed of a plurality of solid oxide fuel cells in a storage container. , And is operated at a temperature of about 700 to 1000 ° C.
そして、近年の研究開発の進展により、従来にはなかった新たな知見が得られてきており小型分散型発電など多用途への展開が期待されている。これに伴い、従来のSOFCでは存在しなかった新たな課題が浮上しており、この課題解決が急務となっている。   And with the recent progress of research and development, new knowledge that has not been available has been obtained, and it is expected to be expanded to various uses such as small distributed power generation. Along with this, new problems that did not exist in the conventional SOFC have emerged, and there is an urgent need to solve this problem.
たとえば、一般的に燃料電池発電に必要となる水素などの燃料は、都市ガスなどの炭化水素と水蒸気を触媒上で反応させる水蒸気改質法などによって生成されるが、この水蒸気の生成には高純度で供給する純水とこの純水を気化させるための大きな熱量が必要となる。高純度の純水を精製するためには、不純物等を除去するためのフィルターやイオン交換膜などの水処理装置が必要であるが、これらの寿命は決して長くないため定期的な交換が必要とされており、交換やメンテナンスなどに大きな費用や手間がかかる。これを避けるために水処理装置の負荷を低減し、交換頻度を減らすことが重要である。   For example, fuel such as hydrogen, which is generally required for fuel cell power generation, is generated by a steam reforming method in which hydrocarbons such as city gas and steam are reacted on a catalyst. Pure water supplied with purity and a large amount of heat for vaporizing the pure water are required. In order to purify high-purity pure water, water treatment equipment such as filters and ion exchange membranes for removing impurities, etc. are necessary, but their lifespan is never long, so regular replacement is necessary. It takes a lot of money and labor for replacement and maintenance. In order to avoid this, it is important to reduce the load of the water treatment device and reduce the replacement frequency.
さらに、燃料電池から排気される排ガスと水道水を熱交換し貯湯タンクに貯湯することで給湯を行うコジェネレーションシステムとして運用した場合、貯湯タンク内の常温の水を循環させながら排ガスの熱と熱交換を行うが、これを繰り返すことによって貯湯タンク内の水温が上昇すると排ガスの熱との温度差が少なくなって熱交換効率が低下し総合効率を低下させると共に、排ガスの温度が高く水蒸気を多く含んだままとなって、多量の水蒸気が排出されることになる。これにより水回収率が低下するだけではなく排気口付近で結露水が発生し、外装金属部材の腐食を引き起こしたり、燃料電池のシステム内部に結露水が流れ込んで侵入することによって補機類の破損、漏電などが生じる恐れがある。   Furthermore, when operating as a cogeneration system that supplies hot water by exchanging exhaust gas and tap water exhausted from the fuel cell and storing them in a hot water storage tank, the heat and heat of the exhaust gas are circulated while circulating normal temperature water in the hot water storage tank. If the water temperature in the hot water storage tank rises by repeating this, the temperature difference from the heat of the exhaust gas decreases, the heat exchange efficiency decreases and the overall efficiency decreases, and the exhaust gas temperature increases and steam increases. A large amount of water vapor is discharged as it is contained. This not only reduces the water recovery rate, but also generates condensed water near the exhaust port, causing corrosion of the outer metal parts, and damage to the auxiliary equipment by flowing into and entering the fuel cell system. There is a risk of electrical leakage.
また、従来のSOFCでは一定状態での定出力による大規模発電が通常であったが、小型分散発電への適用に向けて負荷追従運転が検討されている。負荷追従運転を実現するためには低出力での熱自立運転が必要であるが、低出力では投入熱量が少なくなるために熱自立温度が高出力時に比べて大きく低下してしまい発電効率を低下させる要因となっている。   In addition, in conventional SOFC, large-scale power generation with constant output in a constant state is normal, but load following operation is being studied for application to small distributed power generation. In order to realize load following operation, heat self-sustained operation at low output is necessary, but at low output, the amount of input heat is reduced, so the heat self-sustained temperature is greatly reduced compared to that at high output, reducing power generation efficiency. It is a factor to make.
このような課題に対応するため各種の方法が検討されている。例えば、SOFCと同様に水蒸気改質法を用いる固体高分子形燃料電池(PEFC)の場合では、燃料電池から排気される排ガスと改質器から排出されるガスを冷却させて含有される水蒸気を回収し反応空気の加湿に再利用する方法が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。   Various methods have been studied to deal with such problems. For example, in the case of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) that uses a steam reforming method in the same way as SOFC, the exhaust gas exhausted from the fuel cell and the gas exhausted from the reformer are cooled and contained in the steam. A method of collecting and reusing it for humidification of reaction air has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
特開2002−231282号公報JP 2002-231282 A
しかしながら、上記したPEFCで使用する方式では排ガスからの水回収は実現できるが、この水の回収経路が改質器から排出されるものと燃料電池から排気されるものとの2種類存在するために構造が複雑になりやすい。さらに、上記の方法だけではコジェネレーションシステムにおける熱効率低下という課題には不十分であり、回収水量が減少してしまうため水処理装置の負荷低減率が減少すると共に、安全性に欠けるシステムとなってしまうという問題があった。   However, although the method used in the PEFC described above can recover water from exhaust gas, there are two types of water recovery paths, one that is discharged from the reformer and one that is discharged from the fuel cell. The structure tends to be complicated. Furthermore, the above method alone is not sufficient for the problem of thermal efficiency reduction in the cogeneration system, and the amount of recovered water is reduced, so the load reduction rate of the water treatment device is reduced and the system lacks safety. There was a problem that.
本発明は、以上の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、システムからの排気中に含まれる水蒸気を効率的に回収すると共に、高い総合効率と安全性を両立させた燃料電池発電システムを提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and its object is to efficiently recover the water vapor contained in the exhaust gas from the system and achieve both high overall efficiency and safety. Another object is to provide a fuel cell power generation system.
以上の問題点を解決するために請求項1に係る発明は、収納容器内に、外部から供給される被改質ガスおよび純水を用いて燃料ガスを生成する気化部および改質部を備える改質器と、前記燃料ガスと酸素含有ガスによる電極反応で発電を行う固体酸化物形燃料電池セルとを備え、前記燃料電池セルの発電で使用されなかった前記燃料ガスを前記収納容器内で燃焼させて生じる燃焼熱により前記改質器の温度を上昇させる構成を有する固体酸化物形燃料電池と、
前記固体酸化物形燃料電池から排出された燃焼排ガスにおける上流側に位置しかつ該燃焼排ガスを用いて貯湯タンクに貯水するための水を加熱する第1の加熱手段と、
前記燃焼排ガスにおける下流側に位置しかつ該燃焼排ガスを用いて前記改質器に供給する純水を加熱する第2の加熱手段とを備えるとともに、
前記第1の加熱手段および前記第2の加熱手段は一体的に構成されて前記収納容器の外部に配置されていることを特徴とする。
る。
In order to solve the above problems, the invention according to claim 1 is provided with a vaporization section and a reforming section for generating fuel gas using a gas to be reformed and pure water supplied from outside in a storage container. a reformer, and a the fuel gas and the fuel cell of the solid oxide which electric power generation is performed by the electrode reaction due to oxygen-containing gas, wherein the fuel gas which has not been used in power generation of the fuel battery cell storage container A solid oxide fuel cell having a configuration in which the temperature of the reformer is increased by combustion heat generated by combustion in
A first heating means that is located upstream of the combustion exhaust gas discharged from the solid oxide fuel cell and heats water for storing water in a hot water storage tank using the combustion exhaust gas ;
Rutotomoni and a second heating means for heating the pure water supplied to the reformer by using the position and and the flue gas downstream of the flue gas,
The first heating means and the second heating means are integrally formed and arranged outside the storage container .
The
請求項に係る発明は、請求項に記載の燃料電池発電システムにおいて、水を処理して前記改質器に供給する純水とする水処理装置および該水処理装置による処理後の純水を貯えるリザーブタンクを備えるとともに、前記第2の加熱手段が加熱を行った後、前記燃焼排ガス中の水蒸気から液化した回収水を、前記水処理装置または前記リザーブタンクに供給することを特徴とする。 Invention, pure water after the treatment with the water treatment device and water treatment device for the fuel cell power generation system, a pure water supplied to the reformer to process water of claim 1 according to claim 2 provided with a reserve tank for storing the after pre Symbol second heating means and heating was carried out, the recovered water liquefied from vapor of the combustion exhaust gas, and wherein the supply to the water treatment device or the reserve tank To do.
請求項に係る発明は、請求項に記載の燃料電池発電システムにおいて、前記リザーブタンク内の水量に基づいて前記回収水を前記リザーブタンクに供給するか否かを判断する水量判断手段を備え、前記水量判断手段が水を供給すると判断した場合には、前記回収水を前記リザーブタンクに供給し、かつ、前記水量判断手段が水を供給しないと判断した場合には、前記回収水を廃棄することを特徴とする。 The invention of claim 3 is the fuel cell power generation system according to claim 2, comprising a water amount determining means for determining whether to supply the recovered water to the reserve tank on the basis of the amount of water in the re Zabutanku When the water amount determining means determines to supply water, the recovered water is supplied to the reserve tank, and when the water amount determining means determines not to supply water, the recovered water is It is characterized by discarding.
請求項に係る発明は、請求項に記載の燃料電池発電システムにおいて、前記リザーブタンク内の水量に基づいて前記回収水を前記水処理装置に供給するか否かを判断する水量判断手段を備え、前記水量判断手段が水を供給すると判断した場合には、前記回収水を前記水処理装置に供給し、かつ、前記水量判断手段が水を供給しないと判断した場合には、前記回収水を廃棄することを特徴とする。 The invention according to claim 4, in the fuel cell power generation system according to claim 2, the amount of water determining means for determining whether to supply the recovered water to the water treatment system based on the amount of water in the re Zabutanku And when the water amount determining means determines to supply water, the recovered water is supplied to the water treatment device, and when the water amount determining means determines not to supply water, the recovery amount is determined. It is characterized by discarding water.
以上、本発明に係る燃料電池発電システムによれば、システムからの排気中に含まれる水蒸気を効率的に回収すると共に、高い総合効率と安全性を両立させることが可能となる。   As described above, according to the fuel cell power generation system of the present invention, it is possible to efficiently recover the water vapor contained in the exhaust gas from the system and achieve both high overall efficiency and safety.
請求項1に係る発明においては、固体酸化物形燃料電池から発生した排ガスを用いて貯湯タンクに貯える水を加熱する第1の加熱手段と、同じく排ガスを用いて改質器に供給する純水を加熱する第2の加熱手段とを備えているため、SOFCの非常に温度の高い排ガス(排気温度は150〜280℃程度)の排熱の有効利用を図ることができる。第1の加熱手段では貯湯タンクに貯える水を加熱し、第2の加熱手段では改質器に供給する純水を気化するべく加熱する。 In the invention according to claim 1, a first heating means for heating the water to store the hot water storage tank using a solid oxide fuel cell or al onset pear exhaust gas, also supplied to the reformer by using the exhaust gas Since the second heating means for heating the pure water is provided, it is possible to effectively use the exhaust heat of the exhaust gas (exhaust temperature is about 150 to 280 ° C.) having a very high SOFC temperature. The first heating means heats water stored in the hot water storage tank, and the second heating means heats pure water supplied to the reformer to vaporize.
請求項に係る発明においては、排ガスを用いて加熱するための供給経路上流側に第1の加熱手段が設置され、供給経路下流側に第2の加熱手段が設置されているので、大量の熱量を必要とする貯湯タンクの方をより高温の上流側にて加熱し、その後、改質器に供給する純水を下流側にて加熱することにより効率よく排熱を利用することができる。 In the invention according to claim 1 , since the first heating means is installed upstream of the supply path for heating using the exhaust gas and the second heating means is installed downstream of the supply path, a large amount of Heat storage can be efficiently utilized by heating the hot water storage tank that requires heat at the higher temperature upstream side and then heating the pure water supplied to the reformer at the downstream side.
請求項に係る発明においては、第1の加熱手段および第2の加熱手段は、排ガスを用いて加熱するための供給経路が形成されたガス供給手段内に一体的に構成されているので、第1の加熱手段および第2の加熱手段を別体で構成することと比較して、小型化を図ることができる。加えて、接続配管からの放熱が発生しないので熱効率も向上する。 In the invention according to claim 1 , since the first heating means and the second heating means are integrally formed in the gas supply means in which the supply path for heating using the exhaust gas is formed, As compared with the case where the first heating unit and the second heating unit are configured separately, the size can be reduced. In addition, since heat radiation from the connection pipe does not occur, the thermal efficiency is improved.
請求項に係る発明においては、回収水利用手段が、排ガス中の水蒸気が液化した回収水を改質器に供給する純水の一部として利用するので、回収水を有効利用できる。 In the invention according to claim 2 , since the recovered water using means uses the recovered water in which the water vapor in the exhaust gas is liquefied as a part of the pure water supplied to the reformer, the recovered water can be used effectively.
請求項に係る発明においては、水量判断手段が、純水のリザーブタンク内の水量に基づいて回収水を加えるか否かを判断し、加えると判断した場合にはリザーブタンクに加え、加えないと判断した場合には回収水を廃棄するので、回収水をより適切な時点で有効利用することができる。 In the invention according to claim 3 , the water amount determining means determines whether or not to add the recovered water based on the amount of water in the pure water reserve tank, and if it is determined to add, it is added to the reserve tank and is not added. When it is determined that the recovered water is discarded, the recovered water can be effectively used at a more appropriate time.
請求項に係る発明においては、回収水を水処理装置に供給するので、回収水に不純物等が含まれている場合にこれを精製し純水を得ることができる。また、水道水から純水製造するよりも水処理装置への負荷が少ないため、水処理装置の寿命が延びる。 In the invention which concerns on Claim 4 , since recovered water is supplied to a water treatment apparatus, when impurities etc. are contained in recovered water, this can be refine | purified and pure water can be obtained. Moreover, since the load on the water treatment apparatus is less than that produced from pure water from tap water, the life of the water treatment apparatus is extended.
請求項に係る発明においては、水量判断手段が、純水のリザーブタンク内の水量に基づいて回収水を加えるか否かを判断し、加えると判断した場合には水処理装置に供給して精製し、加えないと判断した場合には回収水を廃棄するので回収水をより適切な時点で有効利用することができる。 In the invention according to claim 4 , the water amount judging means judges whether or not to add the recovered water based on the amount of water in the pure water reserve tank. When it is determined that it is not added after purification, the recovered water is discarded, so that the recovered water can be effectively used at a more appropriate time.
以下、本発明による燃料電池発電システムを実施するための最良の実施の形態について図面を参照して説明する。図1は、本発明の燃料電池発電システムの一実施例を示す縦断面図である。本明細書では、図1の紙面に向かって左及び右を燃料電池1の左側及び右側としこの方向を左右方向と称し、紙面に垂直な方向を前後方向と称することとする。図2は、図1の燃料電池の中央部に設けた発電・燃焼室内を概略的に示す斜視図である。   DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, a best mode for carrying out a fuel cell power generation system according to the invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing an embodiment of a fuel cell power generation system of the present invention. In the present specification, the left and right sides in FIG. 1 are referred to as the left and right sides of the fuel cell 1, and the directions are referred to as the left and right directions, and the direction perpendicular to the plane is referred to as the front-rear direction. FIG. 2 is a perspective view schematically showing a power generation / combustion chamber provided at the center of the fuel cell of FIG.
図1に示すように、図示の燃料電池1は、略直方体形状のハウジング2を具備する。このハウジング2の外壁を形成する6面には、適宜の断熱材料である左側外断熱壁3a、右側外断熱壁3b、上側外断熱壁3c、下側外断熱壁3d、前側外断熱壁(図示せず)及び後側外断熱壁(図示せず)が配設されている。ハウジング2内の中央部には発電・燃焼室8が設けられている。前側外断熱壁及び/又は後側外断熱壁は、着脱自在或いは開閉自在に装着されており、発電・燃焼室8内に交換・修理のためにアクセスできる。一実施例として、各外断熱壁の外周面上を金属板製カバーにて覆ってもよい。   As shown in FIG. 1, the illustrated fuel cell 1 includes a housing 2 having a substantially rectangular parallelepiped shape. On the six surfaces forming the outer wall of the housing 2, a left outer heat insulating wall 3a, a right outer heat insulating wall 3b, an upper outer heat insulating wall 3c, a lower outer heat insulating wall 3d, and a front outer heat insulating wall (Fig. (Not shown) and a rear outer heat insulating wall (not shown) are provided. A power generation / combustion chamber 8 is provided in the center of the housing 2. The front outer heat insulating wall and / or the rear outer heat insulating wall are detachably or removably mounted, and can access the power generation / combustion chamber 8 for replacement and repair. As an example, the outer peripheral surface of each outer heat insulating wall may be covered with a metal plate cover.
図1の燃料電池1は、概ね左右対称な構造を有する。発電・燃焼室8の周囲は、上側を除いた5面に、適宜の断熱材料である左側内断熱壁4a、右側内断熱壁4b、下側内断熱壁4c、前側内断熱壁(図示せず)及び後側内断熱壁(図示せず)が配設されている。発電・燃焼室8の上側には隔壁板46を介して上部ガス室ケース41が配置されており、その内部に上部ガス室42を形成する。そして、左側内断熱壁4aと左側外断熱壁3aとの間、並びに、右側内断熱壁4bと右側外断熱壁3bとの間には、それぞれ熱交換器70a、70bが設けられている。2つの熱交換器70a、70bの上端も、隔壁板46を介して上部ガス室42と区画されている。下側内断熱壁4cと下側外断熱壁3dとの間には、
底板40が配設されている。
The fuel cell 1 in FIG. 1 has a generally symmetrical structure. The surroundings of the power generation / combustion chamber 8 are on the five surfaces excluding the upper side, the left inner heat insulating wall 4a, the right inner heat insulating wall 4b, the lower inner heat insulating wall 4c, and the front inner heat insulating wall (not shown) as appropriate heat insulating materials. ) And a rear inner heat insulating wall (not shown). An upper gas chamber case 41 is disposed above the power generation / combustion chamber 8 with a partition plate 46 interposed therebetween, and an upper gas chamber 42 is formed therein. Heat exchangers 70a and 70b are provided between the left inner heat insulating wall 4a and the left outer heat insulating wall 3a and between the right inner heat insulating wall 4b and the right outer heat insulating wall 3b, respectively. The upper ends of the two heat exchangers 70 a and 70 b are also partitioned from the upper gas chamber 42 via the partition plate 46. Between the lower inner heat insulating wall 4c and the lower outer heat insulating wall 3d,
A bottom plate 40 is provided.
2つの熱交換器70aと70bは、左右方向の幅に比べて上下方向及び前後方向の長さが長い直方体形状の中空筐体を具備し、互いに左右対称な構造である。熱交換器70aについて説明すると、中空筐体内部は鉛直隔壁74により縦割りされ、外側の流入路75と内側の排出路76に区画されている。流入路75の下端には、外部から供給される酸素含有ガス(例えば空気)が流入する流入部77が設けられ、排出路76の下端には、外部へ排出するべき排ガスを熱交換器71から排出する排出部78が設けられている。熱交換器70aの後方には、上下方向に細長く延びる二重筒体50(図1にはその上端部のみが現れている)が配設されている。二重筒体50の内側の流入用筒体54は流入部77と接続され、酸素含有ガス供給管(図示せず)が接続される。二重筒体50の外側の排出用筒体52は、熱交換器70aの排出部78と接続されている。   The two heat exchangers 70a and 70b have a rectangular parallelepiped hollow casing whose length in the up-down direction and the front-rear direction is longer than the width in the left-right direction, and has a bilaterally symmetric structure. The heat exchanger 70a will be described. The inside of the hollow housing is vertically divided by a vertical partition 74, and is divided into an outer inflow passage 75 and an inner discharge passage 76. An inflow portion 77 into which an oxygen-containing gas (for example, air) supplied from the outside flows is provided at the lower end of the inflow passage 75, and exhaust gas to be discharged to the outside from the heat exchanger 71 at the lower end of the exhaust passage 76. A discharge portion 78 for discharging is provided. Behind the heat exchanger 70a, a double cylindrical body 50 (only the upper end portion thereof is shown in FIG. 1) is provided that is elongated in the vertical direction. The inflow cylinder 54 inside the double cylinder 50 is connected to an inflow portion 77, and an oxygen-containing gas supply pipe (not shown) is connected. The discharge cylinder 52 outside the double cylinder 50 is connected to the discharge part 78 of the heat exchanger 70a.
熱交換器70aの流入路75及び排出路76の各々には、5枚の水平隔壁73により上下方向に6つの階層からなるジグザグ形状の流路が形成されている。流入路75については、例えば、外部から供給され流入部77から熱交換器70aに流入した低温の酸素含有ガスが、1階層目では後から前へ、2階層目では前から後へとジグザグ状に流れながら上昇し、6階層目の上端に設けた流入開口45から上部ガス室42へと流入する。一方、排出路76については、例えば発電・燃焼室8から排出開口72を通って6階層目に流入した高温の排ガスが後から前へ、5階層目では前から後へとジグザグ状に流れながら降下し、1階層目の後端部に設けた排出部78から熱交換器70aを出て、排出用筒体52を通って外部へ排出される。従って、この過程において鉛直隔壁74を介して低温の酸素含有ガスと高温の排ガスとの間で熱交換が行われ、その結果、酸素含有ガスが予熱される。このようにして排ガスからの排熱回収が行われる。   In each of the inflow path 75 and the discharge path 76 of the heat exchanger 70a, zigzag-shaped flow paths having six layers in the vertical direction are formed by five horizontal partition walls 73. For the inflow path 75, for example, the low-temperature oxygen-containing gas supplied from the outside and flowing into the heat exchanger 70a from the inflow portion 77 is zigzag from the back to the front in the first layer and from the front to the back in the second layer. And flows into the upper gas chamber 42 from an inflow opening 45 provided at the upper end of the sixth layer. On the other hand, for the discharge path 76, for example, high-temperature exhaust gas flowing into the sixth floor through the discharge opening 72 from the power generation / combustion chamber 8 flows in a zigzag manner from the rear to the front and from the front to the rear in the fifth floor. It descends, exits the heat exchanger 70a from the discharge portion 78 provided at the rear end of the first layer, and is discharged to the outside through the discharge cylinder 52. Accordingly, in this process, heat exchange is performed between the low-temperature oxygen-containing gas and the high-temperature exhaust gas via the vertical partition 74, and as a result, the oxygen-containing gas is preheated. In this way, exhaust heat recovery from the exhaust gas is performed.
上部ガス室42へ流入した酸素含有ガスは、酸素含有ガス導入管43a、43b、43cにより発電・燃焼室8内に導入される。酸素含有ガス導入管43a、43b、43cの上端は、隔壁板46上に固定された酸素含有ガス導入管集合金具47a、47b、47cにそれぞれ取り付けられ、上部ガス室42内に開口している。一方、下端は発電・燃焼室8内に垂下し開口している。この下端から酸素含有ガスを放出する。また、酸素含有ガス導入管43a、43b、43cの周囲は適宜の断熱材5a、5b、5cで覆われている。これにより、高温の燃焼領域に挿通される酸素含有ガス導入管43a、43b、43cの熱による劣化を防止できる。   The oxygen-containing gas flowing into the upper gas chamber 42 is introduced into the power generation / combustion chamber 8 through the oxygen-containing gas introduction pipes 43a, 43b, 43c. The upper ends of the oxygen-containing gas introduction pipes 43a, 43b, 43c are respectively attached to oxygen-containing gas introduction pipe assembly fittings 47a, 47b, 47c fixed on the partition plate 46 and open into the upper gas chamber 42. On the other hand, the lower end hangs down into the power generation / combustion chamber 8 and opens. Oxygen-containing gas is released from this lower end. Further, the periphery of the oxygen-containing gas introduction pipes 43a, 43b, 43c is covered with appropriate heat insulating materials 5a, 5b, 5c. Thereby, deterioration by the heat | fever of the oxygen containing gas introduction pipes 43a, 43b, and 43c inserted in a high temperature combustion area | region can be prevented.
発電・燃焼室8内の底面上には、1つの燃料ガスマニホールド61が設置されている。燃料ガスマニホールド61は、前後方向に長く延びる直方体形状である。また好適には、左右方向の幅に比べて上下方向の厚さが比較的薄い平たい箱型形状である。燃料ガスマニホールド61の天板上には、発電反応を行う4列のセルスタック30b、30a、31a、31bが左右方向に所定間隔で配置されており、セルスタック集合体を形成している。図2に示すように、各セルスタックは、複数の燃料電池セルを含み、これらを前後方向に所定間隔で配列させている。1つの燃料電池セルは上下方向に細長い略平板形状である。   One fuel gas manifold 61 is installed on the bottom surface in the power generation / combustion chamber 8. The fuel gas manifold 61 has a rectangular parallelepiped shape that extends long in the front-rear direction. Further, it is preferably a flat box shape whose thickness in the vertical direction is relatively thin compared to the width in the horizontal direction. On the top plate of the fuel gas manifold 61, four rows of cell stacks 30b, 30a, 31a, 31b that perform a power generation reaction are arranged at predetermined intervals in the left-right direction to form a cell stack aggregate. As shown in FIG. 2, each cell stack includes a plurality of fuel cells, and these are arranged at a predetermined interval in the front-rear direction. One fuel battery cell has a substantially flat plate shape elongated in the vertical direction.
各燃料電池セルは、燃料ガスマニホールド61の天板上に穿設された各スリット上にそれぞれ装着されることにより、燃料ガスマニホールド61から燃料ガスを供給される。図示の例では、燃料ガスマニホールド61内には2つの燃料ガス室62a、62bが設けられており、燃料ガス室62aは、左側2つのセルスタック30a、30bへ燃料ガスを供給し、燃料ガス室62bは、右側2つのセルスタック31a、31bへ燃料ガスを供給する。別の実施例として、2つの燃料ガス室62aと62bの間の仕切り壁に適宜の数及び形状の連通孔を形成してもよい。この場合には、燃料ガスの分配性がさらに良好となる。   Each fuel cell is mounted on each slit formed on the top plate of the fuel gas manifold 61 so that the fuel gas is supplied from the fuel gas manifold 61. In the illustrated example, two fuel gas chambers 62a and 62b are provided in the fuel gas manifold 61. The fuel gas chamber 62a supplies the fuel gas to the two left cell stacks 30a and 30b, and the fuel gas chamber 62b supplies fuel gas to the two cell stacks 31a and 31b on the right side. As another example, communication holes of an appropriate number and shape may be formed in the partition wall between the two fuel gas chambers 62a and 62b. In this case, the fuel gas distribution is further improved.
さらに、改質器10がセルスタック集合体の上方に設けられている。改質器10は、外部から供給される被改質ガスを水素リッチな燃料ガスへと改質して燃料ガスとし、燃料ガスマニホールド61へ送出する役割を担う。   Furthermore, the reformer 10 is provided above the cell stack assembly. The reformer 10 plays a role of reforming a gas to be reformed supplied from the outside into a hydrogen-rich fuel gas to form a fuel gas and sending it to the fuel gas manifold 61.
図2を参照して改質器10について説明する。改質器10は、水平面内で互いに平行に配置される往路ケース12と復路ケース14を具備する。さらに往路ケース12と復路ケース14の端部同士を連結する連結ケース13とを具備する略U字形状である。従って、往路ケース12と復路ケース14との間には、適宜の間隔の中央スペースが存在する。尚、改質器10の往路ケース12は、左側2つのセルスタック30a、30bの上方に位置し、一方、復路ケース14は右側2つのセルスタック31a、31bの上方に位置することが好適である。連結ケースは、セルスタック集合体の後端側の上方に位置する。連結ケース13は、発電・燃焼室8の底部に固定された支持具17の上端に取り付けられ、支持されている。改質器10は、この連結ケース13を取り付けた支持具17と、後述する燃料ガス導入ケース16により所定の位置に保持されている。   The reformer 10 will be described with reference to FIG. The reformer 10 includes an outward path case 12 and a return path case 14 that are arranged in parallel with each other in a horizontal plane. Furthermore, it is a substantially U shape which comprises the connection case 13 which connects the end parts of the outward path case 12 and the return path case 14. Therefore, a central space with an appropriate interval exists between the forward case 12 and the backward case 14. The forward case 12 of the reformer 10 is preferably located above the two left cell stacks 30a and 30b, while the return case 14 is preferably located above the two right cell stacks 31a and 31b. . The connection case is located above the rear end side of the cell stack assembly. The connection case 13 is attached to and supported by the upper end of a support 17 fixed to the bottom of the power generation / combustion chamber 8. The reformer 10 is held at a predetermined position by a support 17 to which the connection case 13 is attached and a fuel gas introduction case 16 described later.
好適には、図2に示すように、往路ケース12と復路ケース14が前後方向に長く延びる直方体形状であり、左右方向の幅に比べて上下方向の厚さが比較的薄い平たい箱型形状である。往路ケース12の前端面へは被改質ガス供給管11と水供給管19とが接続され、これらにより被改質ガス及び水がそれぞれ供給される。被改質ガスは、都市ガス等の炭化水素ガスでよい。供給されたガスは、改質器10の往路ケース12内を前から後へと流れ、連結ケース13内を通過して復路ケース14内を後から前へと流れる。すなわち、図中破線矢印で示すように、U字形状を描くようにガスが流れる。   Preferably, as shown in FIG. 2, the forward case 12 and the return case 14 have a rectangular parallelepiped shape extending long in the front-rear direction, and a flat box shape having a relatively thin vertical thickness compared to the width in the left-right direction. is there. A reformed gas supply pipe 11 and a water supply pipe 19 are connected to the front end face of the forward case 12, and the gas to be reformed and water are supplied by these. The reformed gas may be a hydrocarbon gas such as city gas. The supplied gas flows in the forward case 12 of the reformer 10 from the front to the rear, passes through the connection case 13, and flows from the rear to the front in the return case 14. That is, as shown by a broken line arrow in the figure, the gas flows so as to draw a U shape.
図2では、酸素含有ガス導入管は省略されているが、図1における中央の酸素含有ガス導入管43bは、略U字形状の改質器10の往路ケース12と復路ケース14の間のスペースを通って挿入配置されている。また、図1における左右の酸素含有ガス導入管43a、43cはそれぞれ、セルスタック集合体の左右外側に挿入配置されている。   In FIG. 2, the oxygen-containing gas introduction pipe is omitted, but the central oxygen-containing gas introduction pipe 43 b in FIG. 1 is a space between the forward case 12 and the return case 14 of the substantially U-shaped reformer 10. Inserted through. Further, the left and right oxygen-containing gas introduction pipes 43a and 43c in FIG. 1 are respectively inserted and arranged on the left and right outer sides of the cell stack assembly.
一般的には、本発明におけるセルスタック集合体は、左右方向に複数のセルスタックを配列させてなる。同時に、セルスタック集合体は、同数ずつセルスタックを含む左側セルスタック群と右側セルスタック群とから構成されていることが好適である。すなわち、本発明の好適なセルスタック集合体は、偶数個のセルスタックを含むことになる。そして、いずれか一方のセルスタック群の上方に改質器10の往路ケース12が延在し、他方のセルスタック群の上方に改質器10の復路ケース14が延在する。図1及び図2の例では、セルスタック集合体が4つのセルスタックを含むが、これに限定されない。さらに、別の実施例として、左側セルスタック群と右側セルスタック群の各々に含まれるセルスタック数が必ずしも同数ずつでなくともよい。例えば、左側が3つ、右側が2つのごとくである。   Generally, the cell stack aggregate in the present invention is formed by arranging a plurality of cell stacks in the left-right direction. At the same time, the cell stack aggregate is preferably composed of a left cell stack group and a right cell stack group each including the same number of cell stacks. That is, the preferred cell stack assembly of the present invention includes an even number of cell stacks. The forward case 12 of the reformer 10 extends above one of the cell stack groups, and the return case 14 of the reformer 10 extends above the other cell stack group. In the example of FIGS. 1 and 2, the cell stack aggregate includes four cell stacks, but is not limited thereto. Furthermore, as another embodiment, the number of cell stacks included in each of the left cell stack group and the right cell stack group may not necessarily be the same. For example, three on the left side and two on the right side.
さらに、図2に示すように、復路ケース14の前端面には前後方向に延在する燃料ガス移送管15の一端が連結されている。燃料ガス移送管15の他端は、上下方向に延びる直方体形状の燃料ガス導入ケース16の上部に連結されている。   Further, as shown in FIG. 2, one end of a fuel gas transfer pipe 15 extending in the front-rear direction is connected to the front end surface of the return case 14. The other end of the fuel gas transfer pipe 15 is connected to the upper part of a rectangular parallelepiped fuel gas introduction case 16 extending in the vertical direction.
燃料ガス導入ケース16は、燃料ガスマニホールド61上に立設されている。燃料ガス導入ケース16は、左右方向の幅に比べて前後方向の厚さが薄い平たい箱形形状である。左右方向の幅は、図示の例では燃料ガスマニホールド61の幅のほぼ半分であるが、被改質ガス供給管11や水供給管19の配置に支障とならなければ、さらに幅を拡張してもよい。燃料ガス導入ケース16の下端16aは燃料ガスマニホールド61と連通しており、例えば、燃料ガスマニホールド61の天板61aの一部に穿設した連通孔61b上に立設する。   The fuel gas introduction case 16 is erected on the fuel gas manifold 61. The fuel gas introduction case 16 has a flat box shape in which the thickness in the front-rear direction is smaller than the width in the left-right direction. The width in the left-right direction is almost half of the width of the fuel gas manifold 61 in the illustrated example. However, if the arrangement of the reformed gas supply pipe 11 and the water supply pipe 19 is not hindered, the width is further expanded. Also good. The lower end 16 a of the fuel gas introduction case 16 communicates with the fuel gas manifold 61, for example, standing on a communication hole 61 b formed in a part of the top plate 61 a of the fuel gas manifold 61.
従って、改質器10から送出された燃料ガスは、燃料ガス移送管15を通って燃料ガス導入ケース16内に流入し、矢印で示すように鉛直方向に降下して燃料ガスマニホールド61へ流入する。燃料ガスは、燃料ガス導入ケース16の幅全体に均一に拡散しつつ降下する。燃料ガスマニホールド61内に流入した燃料ガスは、矢印で示すように各燃料ガス室へと流れていく。   Therefore, the fuel gas delivered from the reformer 10 flows into the fuel gas introduction case 16 through the fuel gas transfer pipe 15, descends in the vertical direction as shown by the arrow, and flows into the fuel gas manifold 61. . The fuel gas descends while uniformly diffusing over the entire width of the fuel gas introduction case 16. The fuel gas that has flowed into the fuel gas manifold 61 flows into each fuel gas chamber as indicated by arrows.
図3は、図2のA断面図であり、改質器10の横断面の一例を示す。改質器10の往路ケース12内に形成されたガス室12aには、被改質ガスと水の流入部側に空洞の気化部12bが設けられる。気化部12bでは水が水蒸気とされ、水蒸気が被改質ガスと混合される。このときの気化熱として排ガスの熱量が利用される。気化部12bには、例えばジルコニア球等の耐熱性球体が充填され、球体の間隙をガスが流通する際に発生する乱流により水蒸気と被改質ガスが十分に混合され、かつ予熱される。続いて、連結ケース13内のガス室13aを通り、復路ケース14へと流入する。復路ケース14内に形成されたガス室14aには、改質触媒14bが収容されており、水素リッチな燃料ガスへと改質される。そして、復路ケース14から送出された燃料ガスは、燃料ガス移送管15を経て燃料ガス導入ケース16へと流入し、降下する。図中、破線矢印は、被改質ガスまたは燃料ガス及び水または水蒸気の流れを示す。   FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line A in FIG. 2 and shows an example of a cross section of the reformer 10. The gas chamber 12a formed in the forward case 12 of the reformer 10 is provided with a hollow vaporization portion 12b on the inflow side of the gas to be reformed and water. In the vaporization section 12b, water is converted into steam, and the steam is mixed with the reformed gas. The amount of heat of the exhaust gas is used as the heat of vaporization at this time. The vaporization part 12b is filled with heat-resistant spheres such as zirconia spheres, for example, and the steam and the reformed gas are sufficiently mixed and preheated by the turbulent flow generated when the gas flows through the gaps between the spheres. Subsequently, the gas flows through the gas chamber 13 a in the connection case 13 and flows into the return case 14. A gas chamber 14a formed in the return case 14 contains a reforming catalyst 14b and is reformed into a hydrogen-rich fuel gas. Then, the fuel gas delivered from the return case 14 flows into the fuel gas introduction case 16 through the fuel gas transfer pipe 15 and descends. In the figure, broken line arrows indicate the flow of the reformed gas or fuel gas and water or steam.
再び図1を参照する。左右方向に複数配列したセルスタック同士の間に、酸素含有ガス導入管が挿入配置されていない場合、例えばセルスタック30aと30bの間、及びセルスタック31aと31bの間には、断熱材6a、6bがそれぞれ配置されている。このようなセルスタック間の上方には、改質器10の往路ケース12または復路ケース14があるため、上方から酸素含有ガス導入管を垂下させることができない。このような空間を断熱材6a、6bで塞ぐことにより不都合な空気の流れを阻止して、熱放散を防ぐことができる。   Refer to FIG. 1 again. When oxygen-containing gas introduction pipes are not inserted between the cell stacks arranged in the left-right direction, for example, between the cell stacks 30a and 30b and between the cell stacks 31a and 31b, the heat insulating material 6a, 6b are respectively arranged. Since there is the forward case 12 or the return case 14 of the reformer 10 above the cell stack, the oxygen-containing gas introduction pipe cannot be suspended from above. By closing such a space with the heat insulating materials 6a and 6b, it is possible to prevent an inconvenient air flow and prevent heat dissipation.
以上の通り、本発明では、概ね左右対称の略U字形状の改質器がセルスタック集合体の上方に配置される関係上、セルスタック集合体が同数ずつのセルスタックを含む左側セルスタック群と右側セルスタック群から構成されることが好ましい。しかしながら、セルスタック集合体に含まれるセルスタック数は、実施例に示した2つまたは4つに限定されない。   As described above, in the present invention, the left-side cell stack group including the same number of cell stacks because the substantially symmetrical U-shaped reformer is disposed above the cell stack assembly. And a right cell stack group. However, the number of cell stacks included in the cell stack aggregate is not limited to two or four shown in the embodiment.
図1及び図2を再び参照して、本発明の燃料電池における発電時の工程を説明する。上述したとおりの燃料電池1においては、被改質ガスが被改質ガス供給管11を介して改質器10に供給され、改質器10内において水素リッチな燃料ガスに改質された後に、燃料ガス移送管15及び燃料ガス導入ケース16を介して燃料ガスマニホールド61内に規定されている燃料ガス室62a、62bに供給され、次いでセルスタックに供給される。   With reference to FIGS. 1 and 2 again, a process during power generation in the fuel cell of the present invention will be described. In the fuel cell 1 as described above, after the reformed gas is supplied to the reformer 10 via the reformed gas supply pipe 11 and reformed into hydrogen-rich fuel gas in the reformer 10. The fuel gas is supplied to the fuel gas chambers 62a and 62b defined in the fuel gas manifold 61 through the fuel gas transfer pipe 15 and the fuel gas introduction case 16, and then supplied to the cell stack.
一方、空気でよい酸素含有ガスは、二重筒体50の流入用筒体54から流入部77を通して熱交換器71の流入路75に供給され、次いで上部ガス室42から酸素含有ガス導入管43a等により発電・燃焼室8内で噴射される。セルスタック30a〜31bの各々においては、酸素極において、
1/2O+2e→O2−(固体電解質)
の電極反応が生成され、燃料極において、
2−(固体電解質)+H→HO+2e
の電極反応が生成されて発電される。
On the other hand, oxygen-containing gas, which may be air, is supplied from the inflow cylinder 54 of the double cylinder 50 through the inflow portion 77 to the inflow path 75 of the heat exchanger 71, and then from the upper gas chamber 42 to the oxygen-containing gas introduction pipe 43a. The fuel is injected in the power generation / combustion chamber 8 by such means. In each of the cell stacks 30a to 31b, at the oxygen electrode,
1 / 2O 2 + 2e → O 2− (solid electrolyte)
The electrode reaction of
O 2− (solid electrolyte) + H 2 → H 2 O + 2e
The electrode reaction is generated and power is generated.
セルスタック30a〜31bにおける発電に使用されなかった燃料ガス及び酸素含有ガスは、発電・燃焼室8の上方に流動し、適宜の位置に配設されている点火手段(図示せず)によって点火されて燃焼される。周知の如く、セルスタックにおける発電に起因して、そしてまた燃料ガスと酸素含有ガスとの燃焼に起因して発電・燃焼室8内は例えば700〜1000℃程度の高温になる。そして、発電・燃焼室8の天井面近傍に開口する排出開口72を通して排ガスが熱交換器71の排出路76へ流入する。そして、排出部78を経て排出用筒体52から排出される。なお、この形態では、排ガスとして燃焼ガスを用いたが、燃焼させずに水素ガス、酸素含有ガスを回収してこれを排ガスとしたものであってもよい。   The fuel gas and oxygen-containing gas not used for power generation in the cell stacks 30a to 31b flow above the power generation / combustion chamber 8 and are ignited by ignition means (not shown) disposed at appropriate positions. Burned. As is well known, the temperature in the power generation / combustion chamber 8 becomes high, for example, about 700 to 1000 ° C. due to the power generation in the cell stack and also due to the combustion of the fuel gas and the oxygen-containing gas. Then, the exhaust gas flows into the discharge path 76 of the heat exchanger 71 through the discharge opening 72 opened near the ceiling surface of the power generation / combustion chamber 8. Then, it is discharged from the discharge cylinder 52 through the discharge portion 78. In this embodiment, combustion gas is used as exhaust gas. However, hydrogen gas and oxygen-containing gas may be recovered and used as exhaust gas without burning.
斯かる発電時の工程において、改質器10は発電・燃焼室8内に配設され、セルスタック30a〜30dの直ぐ上方に位置することから、燃焼炎による直接的な加熱も含め、発電・燃焼室8内に生成される高温が被改質ガスの改質に効果的に利用される。   In such a power generation process, the reformer 10 is disposed in the power generation / combustion chamber 8 and is located immediately above the cell stacks 30a to 30d. The high temperature generated in the combustion chamber 8 is effectively used for reforming the reformed gas.
そして、本発明における燃料電池発電システムでは、排出用筒体52から排出された排ガスを用いて純水や水道水等を加熱するための排熱用熱交換器90が、排出用筒体52に接続されて設けられている。図4、図5は、この排熱用熱交換器90の構成を示す説明図である。図4は、排熱用熱交換器90の構成を示す斜視図、図5は、排熱用熱交換器90の内部構成を示す縦断面図である。排熱用熱交換器90は、排出用筒体52から排出された排ガス用のガスパイプ91を接続する中空の筐体を有する。この筐体の内部は排ガスが流れる供給経路を形成する。さらに、温水パイプ92および純水パイプ93が、排ガスが流れる供給経路を通過するように設けられている。図4および図5では、排熱用熱交換器90の上部から下部に向かって排ガスが流れて下部に開口された排気口から排気される一方、温水パイプ92および純水パイプ93では、逆に下部から上部に向かって水が流れるようになっており、いわゆる対向流となっている。   In the fuel cell power generation system according to the present invention, the exhaust heat exchanger 90 for heating pure water, tap water or the like using the exhaust gas discharged from the discharge cylinder 52 is provided in the discharge cylinder 52. Connected and provided. 4 and 5 are explanatory views showing the configuration of the heat exchanger 90 for exhaust heat. FIG. 4 is a perspective view showing the configuration of the heat exchanger 90 for exhaust heat, and FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing the internal configuration of the heat exchanger 90 for exhaust heat. The heat exchanger 90 for exhaust heat has a hollow casing that connects the gas pipe 91 for exhaust gas discharged from the discharge cylinder 52. The inside of the housing forms a supply path through which exhaust gas flows. Further, a hot water pipe 92 and a pure water pipe 93 are provided so as to pass through a supply path through which exhaust gas flows. In FIGS. 4 and 5, exhaust gas flows from the upper part to the lower part of the heat exchanger 90 for exhaust heat and is exhausted from the exhaust port opened in the lower part. On the other hand, in the hot water pipe 92 and the pure water pipe 93, Water flows from the lower part to the upper part, so-called counterflow.
温水パイプ92および純水パイプ93は、筐体の一方の側部から筐体内部に貫入し、対向する他方の側部から筐体外部に取り出されるように、筐体と一体的に設けられている。温水パイプ92内は、後述する貯湯タンク内の水道水等の水が通過し、純水パイプ93内は、水供給管19を介して後述する改質器10に供給される純水が通過する。よって、排熱用熱交換器90の筐体内部には、貯湯タンクに貯水するための水を排ガスにより加熱する第1の加熱手段と、改質器に供給する純水を排ガスにより加熱する第2の加熱手段とが設けられていることになる。また、筐体内部の排ガス供給経路の上流側、即ち上部側に温水パイプ92が設けられ、供給経路の下流側、即ち下部側に純水パイプ93が設けられている。上流側のより高熱の排ガスが温水パイプ92と第1段階目の熱交換を行い、更に、下流側で純水パイプ93と第2段階目の熱交換を行って、2段階構成の熱交換システムにより常温程度のガスとなって排気口から排気される。 The hot water pipe 92 and the pure water pipe 93 are provided integrally with the casing so as to penetrate into the casing from one side of the casing and to be taken out from the other opposing side. Yes. Water such as tap water in a hot water storage tank described later passes through the hot water pipe 92, and pure water supplied to the reformer 10 described later passes through the water supply pipe 19 through the pure water pipe 93. . Therefore, in the housing of the heat exchanger for exhaust heat 90, there are first heating means for heating the water to be stored in the hot water storage tank with the exhaust gas, and the first heating means for heating the pure water supplied to the reformer with the exhaust gas. 2 heating means are provided. Further, a hot water pipe 92 is provided on the upstream side, that is, the upper side of the exhaust gas supply path inside the housing, and a pure water pipe 93 is provided on the downstream side, that is, the lower side of the supply path. Higher heat exhaust gas on the upstream side performs heat exchange of the first stage with the hot water pipe 92, and further heat exchange of the second stage with the pure water pipe 93 on the downstream side, thereby a heat exchange system having a two-stage configuration. As a result, the gas becomes a room temperature gas and is exhausted from the exhaust port.
温水パイプ92および純水パイプ93は、筐体内部において排ガスとの熱交換効率を上げるために密に収納されているのが好ましく、排熱用熱交換器90をなるべくコンパクトとするため蛇行形状が好適である。この形状は、螺旋状でもよい。尚、温水パイプ92および純水パイプ93の材質としては、銅、アルミニウム、ステンレスなどが挙げられるが、特に限定はされない。なお、温水パイプ92は水量が多い貯湯タンク内の水をより効果的に加熱して生活用水として湯を供給できるようにするため、純水パイプ93よりも外径が大きい。   It is preferable that the hot water pipe 92 and the pure water pipe 93 are tightly accommodated in the housing in order to increase the efficiency of heat exchange with exhaust gas, and the meandering shape is used to make the heat exchanger 90 for exhaust heat as compact as possible. Is preferred. This shape may be a spiral. In addition, as a material of the hot water pipe 92 and the pure water pipe 93, although copper, aluminum, stainless steel, etc. are mentioned, it does not specifically limit. The hot water pipe 92 has an outer diameter larger than that of the pure water pipe 93 in order to more effectively heat the water in the hot water storage tank having a large amount of water and supply hot water as domestic water.
そして、温水パイプ92および純水パイプ93の外側を流れる排ガスから温水パイプ92および純水パイプ93の内側を流れる水への伝熱面積を増加させるために、図6に示すように、温水パイプ92および純水パイプ93の外壁に接して複数のフィン96が設けられている。このフィン96は、排ガスの圧力損失をなるべく少なくするように、温水パイプ92および純水パイプ93の屈曲部位には設けられずに、排ガス流れ方向に垂直な方向の直線部位に、排ガス流れ方向に略平行に配置されている。また、複数のフィン96は、所定の間隔で配置されているが、この間隔が狭すぎると、後述の排ガス中の水蒸気が液化してなる凝縮水がフィンの間隙に溜まり熱交換率が低下してしまうおそれがあり、間隔が広すぎると集熱が悪く熱交換率が低下してしまうおそれがあるので、フィン96の間隔は1mm〜数mm程度であるのが好ましい。なお、フィン96を設けた直線部位の方へ排ガスが流れていくように、両パイプ92、93の屈曲部位と直線部位との境界位置に仕切り壁99(図5中に破線で示す)を立設することが好適である。   Then, in order to increase the heat transfer area from the exhaust gas flowing outside the hot water pipe 92 and the pure water pipe 93 to the water flowing inside the hot water pipe 92 and the pure water pipe 93, as shown in FIG. A plurality of fins 96 are provided in contact with the outer wall of the pure water pipe 93. The fins 96 are not provided in the bent portions of the hot water pipe 92 and the pure water pipe 93 so as to reduce the pressure loss of the exhaust gas as much as possible, but in a straight portion perpendicular to the exhaust gas flow direction, in the exhaust gas flow direction. They are arranged substantially in parallel. Further, the plurality of fins 96 are arranged at a predetermined interval, but if this interval is too narrow, condensed water formed by liquefying water vapor in exhaust gas described later accumulates in the gaps between the fins and the heat exchange rate decreases. If the interval is too wide, heat collection is poor and the heat exchange rate may be reduced. Therefore, the interval between the fins 96 is preferably about 1 mm to several mm. Note that a partition wall 99 (shown by a broken line in FIG. 5) stands at the boundary position between the bent portion and the straight portion of both pipes 92 and 93 so that the exhaust gas flows toward the straight portion where the fin 96 is provided. It is preferable to install.
また、フィン96は、排ガス流れ方向に対して連続しておらず、複数に分割されている。具体的には、上下に隣接する温水パイプ92、純水パイプ93の間で分割されているか、2〜3本程度のパイプとパイプの間ではつながっている状態となっている。この分割形状は、排ガス流れ方向に連続するような従来よりあるフィン形状を単に分割したような形状でもよく、図6に示すように温水パイプ92、純水パイプ93の周囲に付設可能な円盤状のフィンであってもよい。このように排ガス流れ方向に対して分割されていることにより、排ガス流れ方向(水の流れに垂直な方向)への熱伝導が悪くなり、排熱用熱交換器90内で温度勾配ができることにより、熱交換器全体で均等に熱交換が行なわれるようになる。このようなフィン96の材質としては、銅、アルミニウムなどが好ましいが、特にこれらに限定されるものではない。   Further, the fin 96 is not continuous with respect to the exhaust gas flow direction, and is divided into a plurality of pieces. Specifically, it is divided between the hot water pipe 92 and the pure water pipe 93 that are vertically adjacent to each other, or is connected between about two to three pipes. This divided shape may be a shape obtained by simply dividing a conventional fin shape that is continuous in the exhaust gas flow direction, and is a disk shape that can be attached around the hot water pipe 92 and the pure water pipe 93 as shown in FIG. Fins may be used. By being divided with respect to the exhaust gas flow direction in this way, heat conduction in the exhaust gas flow direction (direction perpendicular to the water flow) is deteriorated, and a temperature gradient can be generated in the heat exchanger 90 for exhaust heat. Thus, heat exchange is performed uniformly throughout the heat exchanger. The material of the fin 96 is preferably copper, aluminum or the like, but is not particularly limited thereto.
尚、この排熱用熱交換器90に流入する排ガス温度としては、250℃以下であるのが好ましい。この温度域では、ボイラーと定義されるものではないので、貯湯圧力を高く設定したとしても、危険性の少ないシステムとなる。   The exhaust gas temperature flowing into the exhaust heat exchanger 90 is preferably 250 ° C. or lower. In this temperature range, since it is not defined as a boiler, even if the hot water storage pressure is set high, the system is less dangerous.
排熱用熱交換器90の下部には、筐体内部で2段階構成の熱交換により、排ガス中の水蒸気が液化してなる凝縮水を回収するための回収水パイプ94が接続されている。液化した凝縮水が筐体内部の内壁を流れ落ち回収水パイプ94に流れ込み、回収水パイプ94の先端に接続された回収水タンク95に回収水として貯えられるようになっている。回収水は、後述するリザーブタンクに供給される。   A recovery water pipe 94 for recovering condensed water formed by liquefying water vapor in the exhaust gas is connected to the lower portion of the exhaust heat exchanger 90 by heat exchange in a two-stage configuration inside the housing. The liquefied condensed water flows down the inner wall inside the casing, flows into the recovered water pipe 94, and is stored as recovered water in a recovered water tank 95 connected to the tip of the recovered water pipe 94. The recovered water is supplied to a reserve tank described later.
また、固体酸化物形燃料電池の運転温度が800℃以下であるとともに、排熱用熱交換器90において熱交換により排ガス中の水蒸気が液化してなる凝縮水が後述するリザーブタンクを経て固体酸化物形燃料電池に供給されるのが好ましい。熱交換により潜熱の熱量が回収され、このとき排ガス中の水蒸気は液化されて水(凝縮水)となるが、運転温度が1000℃になった状態で排出される排ガス中の水蒸気が熱交換により水になると、その水はNOxやSOx等が含まれて酸性となっており、中和剤を入れてから廃棄しなければならない。これに対し、運転温度800℃以下であることにより、固体酸化物形燃料電池における電気化学反応によって発生する水にはNOxやSOx等が含まれていないため、純水に近く、廃棄の問題もない。更に、燃料ガスを改質して水素を取り出すために、従来、イオン交換水を蒸気にして供給する必要があったが、イオン交換水にかえて、上述のように発生した水が水蒸気となって含まれる燃料ガスが熱交換器を通過することにより得られる凝縮水を用いることができるようになり、イオン交換水を精製する装置が不要となり、燃料電池を小型化できる。 Further, the operating temperature of the solid oxide fuel cell is 800 ° C. or less, condensed water vapor in the exhaust gas is liquefied by heat exchange in the waste heat heat exchanger 90 via the reserve tank, which will be described later solid oxide It is preferably supplied to a physical fuel cell. The amount of latent heat is recovered by heat exchange. At this time, the water vapor in the exhaust gas is liquefied and becomes water (condensed water), but the water vapor in the exhaust gas discharged at an operating temperature of 1000 ° C. When it becomes water, the water contains NOx, SOx, etc. and becomes acidic, and it must be discarded after adding a neutralizing agent. On the other hand, since the operation temperature is 800 ° C. or less, the water generated by the electrochemical reaction in the solid oxide fuel cell does not contain NOx, SOx, etc., so it is close to pure water and has a problem of disposal. Absent. Further, in order to reform the fuel gas and take out hydrogen, conventionally, it has been necessary to supply ion-exchanged water as steam. Instead of ion-exchanged water, the water generated as described above becomes steam. The condensed water obtained by passing the contained fuel gas through the heat exchanger can be used, and an apparatus for purifying the ion exchange water is not required, and the fuel cell can be miniaturized.
また、排熱用熱交換器90内の温水パイプ92、純水パイプ93を流れる水の流量は、0.2リットル/分以下であるのが好ましい。1KW級の固体酸化物形燃料電池の排ガス熱量は、例えば排熱用熱交換器90に流入する排ガス温度が212℃の場合、66.1KJ/minと計算される。そこで、排熱用熱交換器90内の水の流量を0.2リットル/分以下とすることにより熱交換器出口水温を80℃〜90℃とすることができ、排ガスと循環水が熱交換器の中で対向流により十分な温度差が確保できるので高温水を得ることができる。
The flow rate of water flowing through the hot water pipe 92 and the pure water pipe 93 in the heat exchanger 90 for exhaust heat is preferably 0.2 liter / min or less. For example, when the exhaust gas temperature flowing into the heat exchanger for exhaust heat 90 is 212 ° C., the exhaust gas calorific value of the 1 KW class solid oxide fuel cell is calculated as 66.1 KJ / min. Therefore, by setting the flow rate of water in the heat exchanger for exhaust heat 90 to 0.2 liter / min or less, the water temperature at the outlet of the heat exchanger can be set to 80 ° C. to 90 ° C., and the exhaust gas and the circulating water exchange heat. Since a sufficient temperature difference can be secured by the counter flow in the vessel, high-temperature water can be obtained.
なお、温水パイプ92には、生活用水として使用する水道水を加熱した湯を貯えておくため、貯湯タンク内の水を排熱用熱交換器90に供給するための図示しないうず巻きポンプからなる循環ポンプが設けられており、貯湯タンク底部から水を取り出し、排熱用熱交換器90を通して貯湯タンクの上部に戻すようになっている。   Note that the hot water pipe 92 stores hot water obtained by heating tap water used as domestic water, and therefore a circulation composed of a spiral pump (not shown) for supplying water in the hot water storage tank to the heat exchanger 90 for exhaust heat. A pump is provided to take out water from the bottom of the hot water storage tank and return it to the upper part of the hot water storage tank through the heat exchanger 90 for exhaust heat.
続いて、以上のような構成を有する燃料電池発電システムの作用効果について、図7に示す説明図を用いて詳細に説明する。本実施の形態における燃料電池発電システムが運転を開始すると、一般家庭のガス配管等により外部から供給される都市ガスなどの被改質ガスと、水道水を水処理装置で精製してリザーブタンク200に貯えた純水とが改質器10の往路ケース12に供給される。   Then, the effect of the fuel cell power generation system having the above configuration will be described in detail with reference to an explanatory diagram shown in FIG. When the fuel cell power generation system in the present embodiment starts operation, the reserve tank 200 is obtained by purifying the gas to be reformed such as city gas supplied from the outside through a general household gas pipe or the like and the tap water with a water treatment device. The pure water stored in is supplied to the forward case 12 of the reformer 10.
往路ケース12内に供給された純水および被改質ガスは、気化部12bで純水が水蒸気とされ、気化部12b内の球体の間隙をガスが流通して水蒸気が被改質ガスと混合される。続いて、連結ケース13内のガス室13aを通り、復路ケース14へと流入し、復路ケース14内において水素リッチな燃料ガスへと改質される。そして、復路ケース14から送出された燃料ガスは、燃料ガス移送管15、燃料ガス導入ケース16、燃料ガス室62aと62bを介して、発電・燃焼室8内へと流入し、発電・燃焼室8内部で燃料ガスを燃焼させ、その燃焼熱で発電・燃焼室8内部を発電可能な温度まで加熱する。所定の温度になると発電が始まり、発電により発生する熱により発電・燃焼室8内部の温度を維持する。さらに、発電により発生する熱が余り、外部に排ガスとして放出されるようになる。また、発電・燃焼室8内部の排ガスを用いて、流入用筒体54から取り込んだ酸素含有ガスとしての空気が熱交換器70aと70b内において熱交換されて予熱されこの際に排熱される。   The pure water and the reformed gas supplied into the forward case 12 are converted into pure water vapor in the vaporization unit 12b, and the gas flows through the gaps between the spheres in the vaporization unit 12b to mix the vapor with the reformed gas. Is done. Subsequently, the gas passes through the gas chamber 13 a in the connection case 13 and flows into the return case 14 and is reformed into hydrogen-rich fuel gas in the return case 14. The fuel gas delivered from the return case 14 flows into the power generation / combustion chamber 8 through the fuel gas transfer pipe 15, the fuel gas introduction case 16, and the fuel gas chambers 62a and 62b, and the power generation / combustion chamber 8 The fuel gas is combusted in the interior 8 and the heat of combustion is used to heat the interior of the power generation / combustion chamber 8 to a temperature capable of generating power. Power generation starts when the temperature reaches a predetermined temperature, and the temperature inside the power generation / combustion chamber 8 is maintained by heat generated by the power generation. Further, the heat generated by the power generation is excessive, and is released to the outside as exhaust gas. Further, using the exhaust gas inside the power generation / combustion chamber 8, the air as the oxygen-containing gas taken in from the inflow cylinder 54 is heat-exchanged in the heat exchangers 70a and 70b and preheated and exhausted at this time.
流出用筒体52から外部に放出された排ガスは、ガスパイプ91内を通って排熱用熱交換器90内部に供給され、その筐体内部の供給経路を流れて、貯湯タンクから循環された温水パイプ92内の水、および、水供給管19に接続される純水パイプ93内の純水と熱交換され、温水パイプ92および純水パイプ93内の水又は純水に熱を移動させる。排ガスは排熱用熱交換器90の筐体内部の供給経路を下方に向かって流れ、水または純水は温水パイプ92および純水パイプ93内を下から上方に向かって対向流で流れ、温水パイプ92および純水パイプ93に付設されたフィン96で熱を吸収してこれらの内部へ伝達する。この時、フィン96が排ガスの流れ方向に対して分割されているため、温水パイプ92および純水パイプ93内の循環流量が0.2リットル/分以下でもフィン96を通して排熱用熱交換器90低温側への熱伝導がなくなり、熱交換器全体で均等に熱交換が行われるようになり、排ガスを有効に利用できるようになる。 Released from the outflow tube body 52 to the outside exhaust gas is supplied into the waste heat heat exchanger 90 through the gas pipe 91, it flows through the supply path of the housing part, which is circulated from the savings water tank Heat is exchanged with the water in the hot water pipe 92 and the pure water in the pure water pipe 93 connected to the water supply pipe 19, and the heat is transferred to the water in the hot water pipe 92 and the pure water pipe 93 or to the pure water. The exhaust gas flows downward in the supply path inside the housing of the heat exchanger 90 for exhaust heat, and the water or pure water flows in the counter flow from the bottom to the top in the hot water pipe 92 and the pure water pipe 93. Heat is absorbed by the fins 96 attached to the pipe 92 and the pure water pipe 93 and transferred to these. At this time, since the fins 96 are divided with respect to the flow direction of the exhaust gas, the heat exchanger 90 for exhaust heat passes through the fins 96 even if the circulation flow rate in the hot water pipe 92 and the pure water pipe 93 is 0.2 liter / min or less. Heat conduction to the low temperature side is eliminated, heat exchange is performed uniformly throughout the heat exchanger, and exhaust gas can be used effectively.
純水パイプ93内で熱交換され、加熱された純水は、改質器10の往路ケース12に供給され、水蒸気となって被改質ガスと混合される。そして、被改質ガスの燃料ガスへの改質に用いられる。また、温水パイプ92内で熱交換され、加熱された水は、循環ポンプにより循環されて貯湯タンクの上部に戻される。この温水パイプ92の循環による熱交換は、繰り返し実行され貯湯タンク内の水温が上昇して湯が貯えられる。   The pure water heated and exchanged in the pure water pipe 93 is supplied to the forward case 12 of the reformer 10 and becomes steam and mixed with the reformed gas. Then, it is used for reforming the gas to be reformed into fuel gas. Further, heat exchanged in the hot water pipe 92 is heated and circulated by a circulation pump and returned to the upper part of the hot water storage tank. This heat exchange by circulation of the hot water pipe 92 is repeatedly executed, and the water temperature in the hot water storage tank rises to store hot water.
排熱用熱交換器90の筐体内部で排ガス中の水蒸気が熱交換後に液化した凝縮水は、回収水利用手段により有効利用される。回収水利用手段は、筐体内部の内壁を流れ落ちる凝縮水が流れ込む回収水パイプ94と、回収水パイプ94に接続され凝縮水を回収水として貯める回収水タンク95と、回収水をリザーブタンク200またはその前段の水処理装置へ供給可能な適宜のポンプとを少なくとも備える。このようにして回収水は、リザーブタンク200に貯えられる純水の一部として利用することができる。   The condensed water in which the water vapor in the exhaust gas is liquefied after heat exchange inside the casing of the heat exchanger for exhaust heat 90 is effectively utilized by the recovered water utilization means. The recovered water utilization means includes a recovered water pipe 94 into which condensed water flowing down the inner wall inside the housing flows, a recovered water tank 95 connected to the recovered water pipe 94 and storing condensed water as recovered water, and a recovered tank 200 or At least an appropriate pump that can be supplied to the preceding water treatment apparatus is provided. In this way, the recovered water can be used as a part of pure water stored in the reserve tank 200.
また、回収水利用手段が、リザーブタンクへの回収水の追加の可否を判断する水量判断手段を具備することにより、回収水タンク95内の回収水を必要に応じてリザーブタンク内に加えるようにし、必要でない場合には回収水を廃棄するようにしてもよい。リザーブタンクにおいて、図8に示すように、リザーブタンク200内の水量を検出する水量センサ等のリザーブ水量検出部201と、リザーブ水量検出部201が検出した水量に基づいて、リザーブタンク200内の水量が改質器10に純水を供給する際に十分な所定量の水量に達しているか否かを判断するリザーブ水量判断部202と、回収水タンク95内からリザーブタンク200内に接続されたパイプを純水が通過可能に開放して回収水タンク95内の水をリザーブタンク200内に供給するようにするリザーブ弁203とを備える。   Further, the recovered water utilization means includes a water amount determining means for determining whether or not the recovered water can be added to the reserve tank, so that the recovered water in the recovered water tank 95 is added to the reserve tank as necessary. If not necessary, the recovered water may be discarded. In the reserve tank, as shown in FIG. 8, based on the reserve water amount detection unit 201 such as a water amount sensor that detects the amount of water in the reserve tank 200 and the water amount detected by the reserve water amount detection unit 201, the water amount in the reserve tank 200. Reserve water amount determination unit 202 for determining whether or not a predetermined amount of water sufficient for supplying pure water to the reformer 10 is reached, and a pipe connected from the recovered water tank 95 to the reserve tank 200 And a reserve valve 203 that opens the water so that pure water can pass therethrough and supplies the water in the recovered water tank 95 into the reserve tank 200.
そして、リザーブ水量判断部202が純水の量が所定量に達しておらず必要であると判断した場合には、リザーブ弁203が開放され回収水タンク95内の水がリザーブタンク200内に供給される。また、純水の量が所定量に達しており必要でないと判断した場合には、リザーブ弁203が閉じられてリザーブタンク200への回収水タンク95内の水の供給を停止すると共に、回収水タンク95内に水が貯水されていき、回収水タンク95内が貯水可能な限界量まで貯水され、水道水や貯湯タンク内の水が使用できない等の非常時における非常用供給水として使用される。また、回収水タンク95内が貯水可能な限界量まで満たされた際に水が外部に廃棄される。   When the reserve water amount determination unit 202 determines that the amount of pure water does not reach the predetermined amount and is necessary, the reserve valve 203 is opened and the water in the recovered water tank 95 is supplied into the reserve tank 200. Is done. If it is determined that the amount of pure water has reached the predetermined amount and is not necessary, the reserve valve 203 is closed to stop the supply of water in the recovered water tank 95 to the reserve tank 200 and the recovered water. Water is stored in the tank 95, the recovered water tank 95 is stored up to the limit that can be stored, and is used as emergency supply water in an emergency such as when the water in the tap water or hot water storage tank cannot be used. . Further, when the inside of the recovered water tank 95 is filled up to the limit amount that can be stored, the water is discarded to the outside.
以上説明したように、本実施の形態における燃料電池発電システムでは、改質器10により改質された燃料ガスが発電・燃焼室8内へと流入し、発電・燃焼室8内部で燃料ガスを燃焼させて発電が始まり、発電により発生する熱が余って排ガスとして流入用筒体54から取り込んだ空気と熱交換されて排熱される。また流出用筒体52から外部に放出された排ガスは、排熱用熱交換器90内部に供給され、その筐体内部の供給経路を流れて、貯湯タンクから循環された温水パイプ92内の水、および、純水パイプ93内の純水と熱交換を行い、温水パイプ92および純水パイプ93内の水又は純水に熱を移動させ、排ガスを有効に利用できるようになる。純水パイプ93内で熱交換され、加熱された純水は、改質器10の往路ケース12に供給される。温水パイプ92内で熱交換され、加熱された水は、貯湯タンクに循環され貯湯タンク内に湯が貯えられる。 As described above, in the fuel cell power generation system according to the present embodiment, the fuel gas reformed by the reformer 10 flows into the power generation / combustion chamber 8, and the fuel gas is generated inside the power generation / combustion chamber 8. Power generation is started by combustion, and the heat generated by the power generation is exhausted by exchanging heat with the air taken in from the inflow cylinder 54 as exhaust gas. Exhaust gas emitted from the outlet accommodating cylinder 52 to the outside is also supplied into the waste heat heat exchanger 90, flows through the supply path of the housing part, in the hot water pipe 92 is circulated from the savings water tank Heat exchange is performed with water and pure water in the pure water pipe 93, heat is transferred to the water in the hot water pipe 92 and the pure water pipe 93 or pure water, and the exhaust gas can be used effectively. The pure water heated and exchanged in the pure water pipe 93 is supplied to the forward case 12 of the reformer 10. Heat exchanged and heated in the hot water pipe 92 is circulated to the hot water storage tank, and hot water is stored in the hot water storage tank.
また、排熱用熱交換器90の筐体内部で排ガス中の水蒸気が熱交換後に液化した凝縮水は、回収水タンク95に回収される。回収された水は、不純物を含まない高純度の純水と同様にしてリザーブタンクに貯えられ、改質器10の往路ケース12に供給される。   Further, the condensed water in which the water vapor in the exhaust gas is liquefied after heat exchange inside the casing of the heat exchanger for exhaust heat 90 is recovered in the recovered water tank 95. The recovered water is stored in a reserve tank in the same manner as high-purity pure water not containing impurities, and supplied to the forward case 12 of the reformer 10.
このため、この燃料電池からの排ガスの排気中に含まれる水蒸気を、廃棄せずに効率的に回収し純水として有効に利用することができると共に、排ガスの排熱を貯湯タンクに貯水するための水およびリザーブタンクの純水の加熱に用いて有効に利用して高い総合効率と安全性を両立させた燃料電池発電システムを実現できる。 Therefore, the water vapor contained in the exhaust gas exhaust gas from the fuel cell can be efficiently recovered without being discarded and effectively used as pure water, and the exhaust heat of the exhaust gas can be stored in the hot water storage tank. It is possible to realize a fuel cell power generation system that achieves both high overall efficiency and safety by effectively using it for heating pure water and reserve water in the reserve tank.
また、流出用筒体52の排気温度は150〜280℃程度であり排熱としては非常に温度が高いため、排熱の有効利用が重要であるが、改質反応を行うための水蒸気生成に必要となる熱量は非常に大きく、この必要熱量をどのように得るかは構造設計、システム設計上重要なポイントであり、この高温の排熱を利用して純水を事前に予熱し改質器10へ供給することで、スムーズな純水の加湿/気化を実現することができ、熱利用効率を向上させることが可能である。   Moreover, since the exhaust temperature of the outflow cylinder 52 is about 150 to 280 ° C. and the temperature is very high as exhaust heat, effective use of exhaust heat is important. The amount of heat required is very large, and how to obtain this required amount of heat is an important point in structural design and system design. Using this high-temperature waste heat, pure water is preheated in advance and a reformer is used. By supplying to 10, smooth humidification / vaporization of pure water can be realized, and heat utilization efficiency can be improved.
本実施の形態における燃料電池発電システムでは、一般的な従来のコジェネレーションシステムにおいて、高温排気と貯湯タンク内の水を循環させながら熱交換して生成したお湯を貯湯することで給湯を行うが、出湯要求量が少ない夏場などにおいては貯湯温度の上昇に伴い熱交換効率が低下してしまい、排ガスの排気温度が上昇して、水蒸気の液化が行われなくなり排ガスからの回収水量が減少するという課題が発生していたが、改質器10へ供給する予熱すべき純水も熱交換での排熱回収に利用することで熱効率の向上を図るとともに回収水量の増加を同時に実現することができる。   In the fuel cell power generation system in the present embodiment, in a general conventional cogeneration system, hot water is supplied by storing hot water generated by heat exchange while circulating the water in the hot exhaust gas and the hot water storage tank, In summer when there is little demand for hot water, the heat exchange efficiency decreases as the hot water storage temperature rises, the exhaust gas temperature rises, and steam liquefaction stops, reducing the amount of water recovered from the exhaust gas However, by using the pure water to be preheated to be supplied to the reformer 10 for exhaust heat recovery in heat exchange, it is possible to improve the thermal efficiency and simultaneously increase the amount of recovered water.
さらに、回収水量の増加に伴い排ガスの排気中の水蒸気量が減少するため、排熱用熱交換器90の外装部への結露水付着を防止できるため、外装の錆など腐食を防ぐことができると共に、結露水がシステム内部に侵入することによって発生する補機類の破損、漏電などを防ぐことができる。   Furthermore, since the amount of water vapor in the exhaust gas exhaust gas decreases with an increase in the amount of recovered water, it is possible to prevent condensation from adhering to the exterior part of the heat exchanger 90 for exhaust heat, thus preventing corrosion such as rust on the exterior. At the same time, it is possible to prevent damage to auxiliary equipment, electric leakage, and the like that occur when condensed water enters the system.
貯湯タンクから供給される水は常温〜90℃であり常温以上であることに加え、水量が多いため高温部での効率的な熱交換が必要となる。これに対して純水パイプ93を流れる高純度水は常時常温であることから、第1段階目としての温水パイプ92の水の熱交換後での排ガスの40〜80℃程度の排気温度をさらに低減させるために、第2段階目として純水パイプ93の純水で熱交換し、水蒸気の液化が更に行われて水回収量増加が図られる。   The water supplied from the hot water storage tank is from room temperature to 90 ° C. and above the room temperature. In addition, since the amount of water is large, efficient heat exchange at the high temperature part is required. On the other hand, since the high-purity water flowing through the pure water pipe 93 is always at room temperature, the exhaust temperature of the exhaust gas after the heat exchange of the water in the hot water pipe 92 as the first stage is further increased to about 40 to 80 ° C. In order to reduce it, heat exchange is performed with pure water in the pure water pipe 93 as a second stage, and water vapor is further liquefied to increase the amount of recovered water.
また、単一の排熱用熱交換器90に2つの温水パイプ92と純水パイプ93を一体化することにより設備の小型化を図ると共に、各パイプを個別化することにより排ガスの振り分け等の際の放熱を減少させ熱効率を高めることが可能となる。   In addition, the two hot water pipes 92 and the pure water pipe 93 are integrated into a single heat exchanger for exhaust heat 90 to reduce the size of the facility, and the individual pipes can be used to distribute the exhaust gas. It is possible to reduce heat dissipation and increase thermal efficiency.
回収水は電池反応で生成された純水が主体であるため、純度が高い高品位の供給水となりえることから、回収水を改質器10での供給水として再利用することで、水処理装置の負荷を低減すると共に、水道使用量を削減することができ経済性が向上する。   Since the recovered water is mainly pure water generated by the battery reaction, it can be a high-quality supply water with high purity. Therefore, the recovered water can be reused as the supply water in the reformer 10 to treat the water. In addition to reducing the load on the device, the amount of water used can be reduced and the economy is improved.
排ガスの排気中に含まれる水蒸気量は、改質器10で必要とされる水蒸気量よりも多いことが知られており、高い熱効率によって回収された回収水は改質器10用の供給水必要量よりも多くなり余剰となる場合があることから、この余剰な回収水を貯湯タンクへの供給水に混合使用することで、水の廃棄といった無駄を省き経済性を高めることができる。   It is known that the amount of water vapor contained in the exhaust gas exhaust gas is larger than the amount of water vapor required by the reformer 10, and the recovered water recovered with high thermal efficiency requires supply water for the reformer 10. Since the amount may exceed the amount and become surplus, by using this surplus recovered water in the supply water to the hot water storage tank, waste such as waste of water can be eliminated and the economic efficiency can be improved.
回収水を利用するには一旦回収水タンク95に収容して一定量貯めた後で、ポンプなどを使用してごく短時間で所望するリザーブタンク等の供給場所に供給することが補機損失増加による発電効率低下の対策として効果的である。   In order to use the recovered water, once it is stored in the recovered water tank 95 and stored in a certain amount, it can be supplied to the supply area of the desired reserve tank in a very short time using a pump or the like. It is effective as a countermeasure against power generation efficiency reduction by
(他の実施の形態)
上述の実施の形態において、水回収タンク95で回収した回収水は、リザーブタンクに供給されることとなっていたが、これに限られず、改質器10に供給する純水を精製する水処理装置に供給することとしてもよい。回収水は不純物を溶かし込んでいる可能性があるため理想的には再度水処理を施したほうが高純度確保のためには確実であり、また、通常の水道水を水処理装置で精製するより回収水を精製する方が水処理装置への負荷が低いことから、回収水を水処理装置で処理することで装置の寿命を延長しメンテナンスなどに必要となる費用や手間が削減できる。この際に、図8と同様の構成により、水量判断手段が、水処理装置内の純水の量が所定量に達しておらず必要であると判断した場合には、回収水が水処理装置に供給されるようにすることも可能である。
(Other embodiments)
In the above-described embodiment, the recovered water recovered in the water recovery tank 95 is to be supplied to the reserve tank. However, the present invention is not limited to this, and water treatment for purifying pure water supplied to the reformer 10 It is good also as supplying to an apparatus. Since the recovered water may dissolve impurities, ideally water treatment is more reliable to ensure high purity, and it is more reliable than normal tap water purification with a water treatment device. Since the load on the water treatment device is lower when the recovered water is purified, treating the recovered water with the water treatment device can extend the life of the device and reduce costs and labor required for maintenance. At this time, with the same configuration as in FIG. 8, when the water amount determination means determines that the amount of pure water in the water treatment device does not reach the predetermined amount and is necessary, the recovered water is used as the water treatment device. It is also possible to be supplied to.
上述の実施の形態において、排熱用熱交換器90の筐体内部の上部側に温水パイプ92が設けられ、下部側に純水パイプ93が設けられていたが、これに限られず、上部側に純水パイプ93が設けられ、下部側に温水パイプ92が設けられていてもよい。   In the above-described embodiment, the hot water pipe 92 is provided on the upper side inside the casing of the heat exchanger 90 for exhaust heat, and the pure water pipe 93 is provided on the lower side. A pure water pipe 93 may be provided, and a hot water pipe 92 may be provided on the lower side.
また、フィン96は、円盤状に限られず、排熱用熱交換器90の筐体内部の縦方向または厚さ方向の大きさに応じて長方形状や長円形状等であってもよい。   Further, the fin 96 is not limited to a disk shape, and may have a rectangular shape, an oval shape, or the like according to the size in the vertical direction or the thickness direction inside the housing of the heat exchanger 90 for exhaust heat.
上述の実施の形態において、排熱用熱交換器90の筐体内部の空間の形状は、排ガスの水蒸気が液化した凝縮水を効率的に回収可能なように、筐体内部の下部が漏斗状または回収水パイプ94へ底面が収束するように斜面により構成されていてもよい。   In the above-described embodiment, the shape of the space inside the casing of the heat exchanger for exhaust heat 90 has a funnel-shaped lower part inside the casing so that condensed water obtained by liquefying the water vapor of the exhaust gas can be efficiently recovered. Or you may be comprised by the slope so that a bottom face may converge to the recovery water pipe 94. FIG.
上述の実施の形態において、ガスパイプ91が排熱用熱交換器90の筐体内部に対して、筐体の上部に接続されていてもよい。このような構成により、ガスパイプ91から筐体内部に供給された排ガスが、そのまま上部から下部に向かって形成された供給経路に効率的に流れていき、熱交換を行うことができる。   In the above-described embodiment, the gas pipe 91 may be connected to the upper portion of the housing with respect to the inside of the housing of the heat exchanger 90 for exhaust heat. With such a configuration, the exhaust gas supplied from the gas pipe 91 to the inside of the housing can efficiently flow through the supply path formed from the upper part toward the lower part, and heat exchange can be performed.
本実施の形態における燃料電池発電システムの概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of the fuel cell power generation system in this Embodiment. 本実施の形態における燃料電池発電システムの発電・燃焼室内を概略的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows roughly the electric power generation and combustion chamber of the fuel cell power generation system in this Embodiment. 本実施の形態における燃料電池発電システムの改質器の横断面を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the cross section of the reformer of the fuel cell power generation system in this Embodiment. 本実施の形態における燃料電池発電システムの排熱用熱交換器の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the heat exchanger for waste heat of the fuel cell power generation system in this Embodiment. 本実施の形態における燃料電池発電システムの排熱用熱交換器の内部構成を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the internal structure of the heat exchanger for waste heat of the fuel cell power generation system in this Embodiment. 本実施の形態における燃料電池発電システムの温水パイプおよび純水パイプの断面を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the cross section of the hot water pipe and pure water pipe of the fuel cell power generation system in this Embodiment. 本実施の形態における燃料電池発電システムの動作を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows operation | movement of the fuel cell power generation system in this Embodiment. 本実施の形態における燃料電池発電システムのリザーブタンクの構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structure of the reserve tank of the fuel cell power generation system in this Embodiment.
符号の説明Explanation of symbols
1 燃料電池
2 ハウジング
8 発電・燃焼室
10 改質器
11 被改質ガス供給管
12 往路ケース
14 復路ケース
19 水供給管
90 排熱用熱交換器
91 ガスパイプ
92 温水パイプ
93 純水パイプ
94 回収水パイプ
95 回収水タンク
96 フィン
200 リザーブタンク
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell 2 Housing 8 Power generation / combustion chamber 10 Reformer 11 Reformed gas supply pipe 12 Outbound case 14 Return path 19 Water supply pipe 90 Waste heat exchanger 91 Gas pipe 92 Hot water pipe 93 Pure water pipe 94 Recovered water Pipe 95 Recovery water tank 96 Fin 200 Reserve tank

Claims (4)

  1. 収納容器内に、外部から供給される被改質ガスおよび純水を用いて燃料ガスを生成する気化部および改質部を備える改質器と、前記燃料ガスと酸素含有ガスによる電極反応で発電を行う固体酸化物形燃料電池セルとを備え、前記燃料電池セルの発電で使用されなかった前記燃料ガスを前記収納容器内で燃焼させて生じる燃焼熱により前記改質器の温度を上昇させる構成を有する固体酸化物形燃料電池と、
    前記固体酸化物形燃料電池から排出された燃焼排ガスにおける上流側に位置しかつ該燃焼排ガスを用いて貯湯タンクに貯水するための水を加熱する第1の加熱手段と、
    前記燃焼排ガスにおける下流側に位置しかつ該燃焼排ガスを用いて前記改質器に供給する純水を加熱する第2の加熱手段とを備えるとともに、
    前記第1の加熱手段および前記第2の加熱手段は一体的に構成されて前記収納容器の外部に配置されていることを特徴とする燃料電池発電システム。
    A reformer having a gasification unit and a reforming unit for generating fuel gas using a reformed gas and pure water supplied from the outside in a storage container, and an electric power generation by an electrode reaction by the fuel gas and oxygen-containing gas and a fuel cell of the solid oxide for performing, raising the temperature of the reformer by combustion heat of the fuel gas which has not been used in power generation caused by burning in the storage container of the fuel cell A solid oxide fuel cell having a configuration;
    A first heating means that is located upstream of the combustion exhaust gas discharged from the solid oxide fuel cell and heats water for storing water in a hot water storage tank using the combustion exhaust gas ;
    Rutotomoni and a second heating means for heating the pure water supplied to the reformer by using the position and and the flue gas downstream of the flue gas,
    The fuel cell power generation system according to claim 1, wherein the first heating means and the second heating means are integrally formed and disposed outside the storage container .
  2. 水を処理して前記改質器に供給する純水とする水処理装置および該水処理装置による処理後の純水を貯えるリザーブタンクを備えるとともに、
    記第2の加熱手段が加熱を行った後、前記燃焼排ガス中の水蒸気から液化した回収水を、前記水処理装置または前記リザーブタンクに供給す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。
    A water treatment device that treats water and supplies pure water to be supplied to the reformer, and a reserve tank that stores pure water after treatment by the water treatment device,
    After pre-Symbol second heating means and heating was carried out, the fuel according to claim 1 recovered water liquefied from vapor of the combustion exhaust gas, characterized in that to be supplied to the water treatment device or the reserve tank Battery power generation system.
  3. 前記リザーブタンク内の水量に基づいて前記回収水を前記リザーブタンクに供給するか否かを判断する水量判断手段を備え、
    前記水量判断手段が水を供給すると判断した場合には、前記回収水を前記リザーブタンクに供給し、かつ、前記水量判断手段が水を供給しないと判断した場合には、前記回収水を廃棄することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池発電システム。
    Comprising a water amount determining means for determining whether to supply the recovered water to the reserve tank on the basis of the amount of water in the re Zabutanku,
    When the water amount determining means determines that water is supplied , the recovered water is supplied to the reserve tank, and when the water amount determining means determines that water is not supplied , the recovered water is discarded. The fuel cell power generation system according to claim 2 .
  4. 前記リザーブタンク内の水量に基づいて前記回収水を前記水処理装置に供給するか否かを判断する水量判断手段を備え、
    前記水量判断手段が水を供給すると判断した場合には、前記回収水を前記水処理装置に供給し、かつ、前記水量判断手段が水を供給しないと判断した場合には、前記回収水を廃棄することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池発電システム。
    Comprising a water amount judgment means for judging whether or not supplied to the water treatment system the recovered water based on the amount of water in the re Zabutanku,
    When the water amount determining means determines to supply water, the recovered water is supplied to the water treatment device, and when the water amount determining means determines not to supply water, the recovered water is The fuel cell power generation system according to claim 2, wherein the fuel cell power generation system is discarded.
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