JP5212895B2 - Fuel cell system - Google Patents

Fuel cell system Download PDF

Info

Publication number
JP5212895B2
JP5212895B2 JP2008157661A JP2008157661A JP5212895B2 JP 5212895 B2 JP5212895 B2 JP 5212895B2 JP 2008157661 A JP2008157661 A JP 2008157661A JP 2008157661 A JP2008157661 A JP 2008157661A JP 5212895 B2 JP5212895 B2 JP 5212895B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
pipeline
hot water
pipe
fuel cell
water
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2008157661A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2009301986A (en
Inventor
陽祐 赤木
俊春 大江
昌之 川村
清隆 中野
司 重住
勝久 土屋
直樹 渡邉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toto Ltd
Original Assignee
Toto Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toto Ltd filed Critical Toto Ltd
Priority to JP2008157661A priority Critical patent/JP5212895B2/en
Publication of JP2009301986A publication Critical patent/JP2009301986A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5212895B2 publication Critical patent/JP5212895B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池セル(SOFC)を含む燃料電池モジュールで発生する熱を利用する燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system that uses heat generated in a fuel cell module including a solid oxide fuel cell (SOFC).

従来、燃料電池からの排出ガスを利用する燃料電池システムとして、例えば下記特許文献1に記載されているような燃料電池システムが提案されている。下記特許文献1に記載されている燃料電池システムは、固体電解質形の燃料電池を用いるものであって、燃料電池モジュールにおける排出ガスを有効利用するためのものである。具体的には、固体電解質形燃料電池モジュールと、この固体電解質形燃料電池モジュールからの排ガスと水とを熱交換する熱交換器と、水を貯える貯湯タンクと、この貯湯タンクの底部と熱交換器との間、及び貯湯タンクの上部と熱交換器との間をそれぞれ連結し、貯湯タンクと熱交換器との間で水を循環させる循環配管と、この循環配管に設けられ、水を強制的に循環させる循環ポンプと、熱交換器の入口水温及び出口水温を検出する温度検出器と、熱交換器の出口水温が入口水温よりも所定温度以上となるように循環ポンプの出力を制御する制御装置とによって構成されている。   Conventionally, as a fuel cell system using exhaust gas from a fuel cell, for example, a fuel cell system as described in Patent Document 1 has been proposed. The fuel cell system described in Patent Document 1 below uses a solid electrolyte type fuel cell, and is for effectively using exhaust gas in the fuel cell module. Specifically, a solid oxide fuel cell module, a heat exchanger that exchanges heat between exhaust gas and water from the solid oxide fuel cell module, a hot water storage tank that stores water, and a heat exchange with the bottom of the hot water storage tank And a circulation pipe that circulates water between the hot water tank and the heat exchanger, and a circulation pipe that circulates water between the hot water tank and the heat exchanger. The circulation pump to be circulated, a temperature detector for detecting the inlet water temperature and the outlet water temperature of the heat exchanger, and the output of the circulation pump to control the outlet water temperature of the heat exchanger to be equal to or higher than the inlet water temperature. And a control device.

下記特許文献1に記載の燃料電池システムではこのような構成とすることにより、熱交換器の出口水温が入口水温よりも所定温度以上となるように循環ポンプの出力を制御することができ、その結果、水と排ガスの熱交換を有効に行って高温の湯水を安定して供給できるものとしている。より具体的には、固体電解質形燃料電池による発電が少ない場合、排ガスも少なくなるが、この場合には、循環ポンプをゆっくり回転させて一定時間あたりの循環量を少なくし、熱交換器での熱交換を充分に行うことにより、貯湯タンク内に供給される水の温度を高くできるように構成している。   In the fuel cell system described in Patent Document 1 described below, the output of the circulation pump can be controlled so that the outlet water temperature of the heat exchanger is equal to or higher than the inlet water temperature. As a result, heat exchange between water and exhaust gas can be effectively performed to stably supply hot hot water. More specifically, when the amount of power generated by the solid oxide fuel cell is small, the amount of exhaust gas also decreases. In this case, the circulation pump is slowly rotated to reduce the circulation amount per fixed time, and the heat exchanger By sufficiently performing heat exchange, the temperature of the water supplied into the hot water storage tank can be increased.

更に、下記特許文献2に記載されているような燃料電池と給湯装置のコンバインシステムも提案されている。下記特許文献2に記載されているシステムは、燃料電池からの排ガスと貯湯槽の水とを熱交換器により熱交換して、排ガスの冷却に伴って生じる凝縮水を凝縮水タンクに回収すると共に貯湯槽に湯を貯蔵している。循環流路には、凝縮水タンクの水位が低いほど、貯湯槽の湯温が低いほど、給湯量が大きいほど大きな循環流量となるよう貯湯槽の水(湯)を循環させている。そして、熱交換器での熱交換が十分に行なうことができない状態のときには、循環流路にラジエータを取り込んで貯湯槽の水を冷却して用いている。この結果、燃料電池や給湯装置をより適正に運転できると共に熱効率や資源の利用効率を高くすることができるものとしている。   Furthermore, a combine system of a fuel cell and a hot water supply device as described in Patent Document 2 below has also been proposed. The system described in Patent Document 2 below performs heat exchange between the exhaust gas from the fuel cell and the water in the hot water storage tank using a heat exchanger, and collects the condensed water that accompanies the cooling of the exhaust gas in the condensed water tank. Hot water is stored in a hot water tank. Water (hot water) in the hot water storage tank is circulated through the circulation channel so that the circulating flow rate becomes larger as the water level of the condensed water tank is lower, the hot water temperature of the hot water storage tank is lower, and the hot water supply amount is larger. And when the heat exchange with a heat exchanger cannot fully be performed, the radiator is taken in into the circulation flow path and the water in the hot water storage tank is cooled and used. As a result, the fuel cell and the hot water supply apparatus can be operated more appropriately, and the thermal efficiency and resource utilization efficiency can be increased.

また、燃料電池からの排出ガスを利用する燃料電池システムとしては、下記特許文献3に記載されているようなものも提案されている。
特開2006−24430号公報 特開2001−325982号公報 特開2002−81743号公報
Further, as a fuel cell system that uses exhaust gas from a fuel cell, a fuel cell system described in Patent Document 3 below has been proposed.
JP 2006-24430 A JP 2001-325882 A JP 2002-81743 A

ところで、上述した特許文献1に記載されている燃料電池システムでは、貯湯タンク内の水を熱交換器との間で循環させることで加温している。しかしながら、固体電解質形の燃料電池は、発電効率が良く燃料消費が少ないため、排出ガス温度は高いがその排出量が少なく、排出ガスが含有する熱量は少ないものである。従って、上述した特許文献1に記載されているような循環経路を備える燃料電池システムでは、水を何度も循環させるか、熱交換器に対してかなりの低速で水を循環させる必要がある。このように何度も循環させないようにするためには、湯を沸かす際には流速を低下させる必要がある。しかしながら、上記特許文献2に記載されているように、湯を沸かし上げた後においても熱交換器において排出ガスを放熱させるために水又は湯を循環させる必要がある。この場合には、冷却効率を高めるために流速を上げる必要がある。このように燃料電池の排出ガスを用いて湯を沸かす燃料電池システムでは、管路の流速を上昇させたり低下させたりする必要があるが、特に固体酸化物形の燃料電池の場合には、排出される熱量が少ないため管路の流速の下限が極めて低くなり、流速の制御が極めて難しくなる。   By the way, in the fuel cell system described in Patent Document 1 described above, the water in the hot water storage tank is heated by circulating between it and the heat exchanger. However, since the solid electrolyte fuel cell has high power generation efficiency and low fuel consumption, the exhaust gas temperature is high but the exhaust amount is small, and the exhaust gas contains a small amount of heat. Therefore, in a fuel cell system having a circulation path as described in Patent Document 1 described above, it is necessary to circulate water many times or to circulate water at a considerably low speed with respect to the heat exchanger. In order to prevent the hot water from being circulated many times, it is necessary to reduce the flow rate when boiling the hot water. However, as described in Patent Document 2, it is necessary to circulate water or hot water in order to dissipate the exhaust gas in the heat exchanger even after boiling the hot water. In this case, it is necessary to increase the flow rate in order to increase the cooling efficiency. In this way, in the fuel cell system that boils hot water using the exhaust gas of the fuel cell, it is necessary to increase or decrease the flow velocity of the pipe line, but in particular in the case of a solid oxide fuel cell Since the amount of heat generated is small, the lower limit of the flow rate of the pipe line becomes extremely low, and the control of the flow rate becomes extremely difficult.

そこで本発明では、主に湯を沸かし上げる場合と、主に熱交換器において排出ガスを放熱させる場合との双方の場合おいて適切に管路の流速を制御することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。   Therefore, in the present invention, there is provided a fuel cell system capable of appropriately controlling the flow velocity of a pipe line in both cases of boiling water and mainly radiating exhaust gas in a heat exchanger. The purpose is to provide.

上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとにより作動する複数の固体酸化物形燃料電池セルを含む燃料電池モジュールと、前記固体酸化物形燃料電池セルにおいて発電反応に寄与しなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガスとが燃焼することで発生するガスを含む排出ガスを用いて熱交換を行い、水を加熱して湯とする熱交換器と、水及びその水を加熱した湯を溜めるタンクと、前記熱交換器へと送り込まれた水が再び前記熱交換器へと至るように構成された第1管路と、前記タンクから送り出された水を前記熱交換器へ送り込み、前記熱交換器において熱交換された湯を前記タンクへと還流させるように構成された第2管路と、前記第1管路及び前記第2管路における水流を生じさせるポンプと、を備える燃料電池システムであって、前記第1管路と前記第2管路とはそれぞれの一部を共有する共有管路部を有し、前記第2管路は、前記共有管路部と共に、前記タンクから送り出された水を前記共有管路部へと供給する供給管路部と、前記共有管路部から前記タンクへと湯を還流させる還流管路部と、を有し、前記第1管路は、前記共有管路部と共に、前記共有管路部に前記供給管路部が接続される合流点と前記共有管路部から前記還流管路部が分岐する分岐点とを繋ぐ循環管路部を有しており、前記分岐点には、前記還流管路部と前記循環管路部との管路切り替えを行う切替部が設けられており、前記供給管路部及び前記還流管路部の少なくとも一方には、前記第1管路よりも管路の圧力損失が高まるように圧力損失部が設けられ、前記切替部が前記循環管路部側に切り替えられ、前記ポンプが生じさせる水流によって前記第1管路を流れる流量よりも、前記切替部が前記還流管路部側に切り替えられ、前記ポンプが生じさせる水流によって前記第2管路を流れる流量が少なくなるように構成されていることを特徴とする。   In order to solve the above-described problems, a fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell module including a plurality of solid oxide fuel cells operated by a fuel gas and an oxidant gas, and the solid oxide fuel cell. Heat exchanger that performs heat exchange using exhaust gas containing gas generated by combustion of residual fuel gas and residual oxidant gas that did not contribute to power generation reaction in the process, and heats the water into hot water A tank for storing water and hot water for heating the water, a first pipe configured to re-feed the water fed to the heat exchanger to the heat exchanger, and a tank fed from the tank. A second pipe configured to feed the hot water to the heat exchanger and return the hot water heat-exchanged in the heat exchanger to the tank; and the first pipe and the second pipe Pump that generates water flow , Wherein the first pipeline and the second pipeline have a shared pipeline portion that shares a part of each, and the second pipeline is the shared pipeline portion And a supply line part for supplying water fed from the tank to the shared line part, and a reflux line part for refluxing hot water from the shared line part to the tank, The first pipe connects, together with the shared pipe section, a junction where the supply pipe section is connected to the shared pipe section and a branch point where the reflux pipe section branches from the shared pipe section. And a switching section for switching the pipeline between the reflux pipeline section and the circulation pipeline section is provided at the branch point, and the supply pipeline section and the reflux pipeline are provided. At least one of the pipe parts is provided with a pressure loss part so that the pressure loss of the pipe line is higher than that of the first pipe line. The switching unit is switched to the circulation pipeline unit side, the switching unit is switched to the reflux pipeline unit side rather than the flow rate flowing through the first pipeline by the water flow generated by the pump, and the pump is generated. It is configured such that the flow rate flowing through the second pipeline is reduced by the water flow to be performed.

本発明によれば、主に湯を沸かし上げる場合と、主に熱交換器において排出ガスを放熱させる場合との双方の場合おいて適切に管路の流速を制御することが可能な燃料電池システムを提供することができる。   According to the present invention, a fuel cell system capable of appropriately controlling the flow rate of a pipe line in both cases of boiling water and mainly radiating exhaust gas in a heat exchanger. Can be provided.

本発明を実施するための最良の形態を説明するのに先立って、本発明の作用効果について説明する。   Prior to describing the best mode for carrying out the present invention, the function and effect of the present invention will be described.

本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとにより作動する複数の固体酸化物形燃料電池セルを含む燃料電池モジュールと、前記固体酸化物形燃料電池セルにおいて発電反応に寄与しなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガスとが燃焼することで発生するガスを含む排出ガスを用いて熱交換を行い、水を加熱して湯とする熱交換器と、水及びその水を加熱した湯を溜めるタンクと、前記熱交換器へと送り込まれた水が再び前記熱交換器へと至るように構成された第1管路と、前記タンクから送り出された水を前記熱交換器へ送り込み、前記熱交換器において熱交換された湯を前記タンクへと還流させるように構成された第2管路と、前記第1管路及び前記第2管路における水流を生じさせるポンプと、を備える燃料電池システムであって、前記第1管路と前記第2管路とはそれぞれの一部を共有する共有管路部を有し、前記第2管路は、前記共有管路部と共に、前記タンクから送り出された水を前記共有管路部へと供給する供給管路部と、前記共有管路部から前記タンクへと湯を還流させる還流管路部と、を有し、前記第1管路は、前記共有管路部と共に、前記共有管路部に前記供給管路部が接続される合流点と前記共有管路部から前記還流管路部が分岐する分岐点とを繋ぐ循環管路部を有しており、前記分岐点には、前記還流管路部と前記循環管路部との管路切り替えを行う切替部が設けられており、前記供給管路部及び前記還流管路部の少なくとも一方には、前記第1管路よりも管路の圧力損失が高まるように圧力損失部が設けられ、前記切替部が前記循環管路部側に切り替えられ、前記ポンプが生じさせる水流によって前記第1管路を流れる流量よりも、前記切替部が前記還流管路部側に切り替えられ、前記ポンプが生じさせる水流によって前記第2管路を流れる流量が少なくなるように構成されていることを特徴とする。   A fuel cell system according to the present invention does not contribute to a power generation reaction in a fuel cell module including a plurality of solid oxide fuel cells operated by a fuel gas and an oxidant gas, and the solid oxide fuel cells. Heat exchange using exhaust gas containing gas generated by combustion of the remaining fuel gas and the remaining oxidant gas, heat the water into hot water, water and the water A tank for storing heated hot water, a first conduit configured to allow water sent to the heat exchanger to reach the heat exchanger again, and water sent from the tank to the heat exchanger A second pipe configured to recirculate hot water exchanged in the heat exchanger to the tank, and a pump for generating a water flow in the first pipe and the second pipe, Fuel cell system with The first pipeline and the second pipeline have a shared pipeline portion that shares a part of each of the first pipeline and the second pipeline, together with the shared pipeline portion, from the tank. A supply line part that supplies the fed water to the shared line part, and a reflux line part that recirculates hot water from the shared line part to the tank, wherein the first line is And a circulation pipe section that connects, together with the common pipe section, a junction where the supply pipe section is connected to the common pipe section and a branch point where the reflux pipe section branches from the common pipe section. The branching point is provided with a switching unit for switching the pipeline between the reflux pipeline and the circulation pipeline, and at least of the supply pipeline and the reflux pipeline On one side, a pressure loss part is provided so that the pressure loss of the pipe line is higher than that of the first pipe line, and the switching part is connected to the circulation pipe. The switching portion is switched to the return conduit portion side rather than the flow rate flowing through the first conduit by the water flow generated by the pump, and the second conduit is generated by the water flow generated by the pump. It is comprised so that the flow volume which flows through may become small.

本発明に係る燃料電池システムによれば、第1管路は、熱交換器へと送り込まれた水が再び熱交換器へと至るように構成されており、第2管路は、タンクから送り出された水を熱交換器へ送り込み、熱交換器において熱交換された湯をタンクへと還流させるように構成されている。また、第1管路と第2管路とはそれぞれの一部の管路を共有しており、タンクから送り出された水は、第2管路の供給管路部、第1管路及び第2管路の共有管路部を経由して熱交換器に至る。熱交換器において熱交換され湯となった後には、その湯は、第1管路及び第2管路の共有管路部を経由して分岐点に至る。その分岐点には切替部が配置されており、切替部によって第2管路の還流管路部を経由してタンクに還流するのか、第1管路の循環管路部を経由して合流点に至り、再度第1管路及び第2管路の共有管路部に戻るのかが制御される。このような管路構成において本発明では、供給管路部及び還流管路部の少なくとも一方に圧力損失部を設け、その圧力損失部が設けられている部分において管路の圧力損失が立つように構成されている。換言すれば、第2管路の第1管路とは独立して形成されている部分に圧力損失部が形成されているのである。従って、切替部を第1管路の循環管路部側に切り替えた状態でポンプを駆動すると、必要以上に圧力損失が高まることがなく、ポンプの駆動速度に応じた水流が発生し、燃料電池モジュールからの排出ガスの熱を適切に奪うことができる。一方、切替部を第2管路の還流管路部側に切り替えた状態でポンプを駆動すると、圧力損失部によって第1管路よりも第2管路の圧力損失が高められるため、圧力損失部が設けられていない場合よりも水流の流速が低下する。従って、熱交換器において排出ガスの熱を効果的に受け取って湯を沸かし上げることができる。   According to the fuel cell system of the present invention, the first pipe is configured such that the water sent to the heat exchanger reaches the heat exchanger again, and the second pipe is sent from the tank. The heated water is sent to the heat exchanger, and the hot water heat-exchanged in the heat exchanger is returned to the tank. In addition, the first pipeline and the second pipeline share a part of each pipeline, and the water sent out from the tank is supplied from the supply pipeline of the second pipeline, the first pipeline and the second pipeline. It reaches the heat exchanger via the shared pipe section of two pipes. After the heat is exchanged in the heat exchanger to become hot water, the hot water reaches the branch point via the shared pipeline portion of the first pipeline and the second pipeline. A switching part is arranged at the branch point, and the switching part returns to the tank via the reflux pipe part of the second pipe or the junction point via the circulation pipe part of the first pipe. Thus, it is controlled whether to return to the shared pipeline section of the first pipeline and the second pipeline again. In such a pipeline configuration, in the present invention, a pressure loss portion is provided in at least one of the supply pipeline portion and the reflux pipeline portion, and the pressure loss of the pipeline stands in the portion where the pressure loss portion is provided. It is configured. In other words, the pressure loss portion is formed in a portion of the second pipeline that is formed independently of the first pipeline. Therefore, when the pump is driven in a state where the switching portion is switched to the circulation pipeline portion side of the first pipeline, the pressure loss does not increase more than necessary, and a water flow corresponding to the pump driving speed is generated, and the fuel cell The heat of exhaust gas from the module can be taken away appropriately. On the other hand, when the pump is driven in a state in which the switching unit is switched to the reflux pipeline side of the second pipeline, the pressure loss of the second pipeline is higher than the first pipeline by the pressure loss unit. The flow velocity of the water flow is lower than when no is provided. Therefore, the heat of the exhaust gas can be effectively received in the heat exchanger to boil the hot water.

以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。   DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described with reference to the accompanying drawings. In order to facilitate the understanding of the description, the same constituent elements in the drawings will be denoted by the same reference numerals as much as possible, and redundant description will be omitted.

図1を参照しながら本実施形態に係る燃料電池システムFCSについて説明する。図1は、燃料電池システムFCSの構成を概略的に示すブロック構成図である。図1に示すように、燃料電池システムFCSは、燃料電池ユニットFCUと、貯湯ユニットWPUとによって構成されている。   The fuel cell system FCS according to this embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a block diagram schematically showing the configuration of the fuel cell system FCS. As shown in FIG. 1, the fuel cell system FCS includes a fuel cell unit FCU and a hot water storage unit WPU.

続いて、燃料電池ユニットFCUについて説明する。燃料電池ユニットFCUは、燃料電池モジュールFCMと、空気供給部APと、燃料供給部FPと、水供給部WPと、電力取出部EPと、燃料電池ユニット制御部FSと、を備えている。   Next, the fuel cell unit FCU will be described. The fuel cell unit FCU includes a fuel cell module FCM, an air supply unit AP, a fuel supply unit FP, a water supply unit WP, a power extraction unit EP, and a fuel cell unit control unit FS.

燃料電池モジュールFCMは、燃料電池セルスタック10と、予熱・蒸発器11と、改質器12と、空気用熱交換器13と、を備えている。燃料電池モジュールFCMは、燃料電池セルスタック10を構成する複数の電気的に繋がれた燃料電池セル(図示しない)に、水素又は炭化水素燃料等を改質した改質ガス等の燃料ガスと酸化剤ガスとを供給することで発電反応を起こして発電するものである。燃料電池モジュールFCMの各構成要素について更に説明する。   The fuel cell module FCM includes a fuel cell stack 10, a preheater / evaporator 11, a reformer 12, and an air heat exchanger 13. The fuel cell module FCM oxidizes a fuel gas such as a reformed gas obtained by reforming hydrogen or a hydrocarbon fuel into a plurality of electrically connected fuel cells (not shown) constituting the fuel cell stack 10. Electric power is generated by supplying the agent gas to generate electricity. Each component of the fuel cell module FCM will be further described.

空気供給部APは、フィルタ、流量センサ、バッファータンク、空気ブロアといった要素によって構成されている。空気供給部APから供給された酸化剤ガスとしての空気は、予熱・蒸発器11を通って空気用熱交換器13に導入される。空気用熱交換器13は、燃料電池セルスタック10において発電反応に寄与しなかった残余の燃料ガス及び空気が燃焼したガスを含む排出ガスと、予熱・蒸発器11を通って導入される空気との間で熱交換されるように構成されている。空気用熱交換器13において予熱された空気は、燃料電池セルスタック10に供給される。また、空気用熱交換器13を通過した排出ガスの温度を測定するためのサーミスタ14が、空気用熱交換器13から排出経路の出口までの間であって、空気用熱交換器13の近傍に配置されている。   The air supply unit AP includes elements such as a filter, a flow sensor, a buffer tank, and an air blower. The air as the oxidant gas supplied from the air supply unit AP is introduced into the air heat exchanger 13 through the preheater / evaporator 11. The air heat exchanger 13 includes an exhaust gas including a residual fuel gas that has not contributed to the power generation reaction in the fuel cell stack 10 and a gas obtained by burning the air, and air introduced through the preheater / evaporator 11. It is comprised so that heat may be exchanged between. The air preheated in the air heat exchanger 13 is supplied to the fuel cell stack 10. Further, a thermistor 14 for measuring the temperature of the exhaust gas that has passed through the air heat exchanger 13 is between the air heat exchanger 13 and the outlet of the discharge path, and in the vicinity of the air heat exchanger 13. Is arranged.

燃料供給部FPは、炭化水素燃料である都市ガスが流入する経路と、大気が流入する経路とからなる。都市ガスが流入する経路は、電磁弁、ガバナ、燃料ポンプ、バッファータンク、流量センサ、脱硫器、逆止弁といた要素によって構成されている。大気が流入する経路は、フィルタ、空気ブロア、バッファータンク、流量センサ、逆止弁、電磁弁といった要素によって構成されている。これら2つの経路から流入する都市ガスと大気とが混合されて予熱・蒸発器11に導入される。予熱・蒸発器11に導入された混合気は、改質器12に導入され、改質器12内において炭化水素系のガスが水蒸気改質されて水素リッチな燃料ガスとなる。改質された燃料ガスは、燃料電池セルスタック10に供給される。   The fuel supply unit FP includes a path through which city gas as hydrocarbon fuel flows and a path through which air flows. The city gas inflow path is composed of elements such as a solenoid valve, governor, fuel pump, buffer tank, flow sensor, desulfurizer, and check valve. A path through which the air flows is configured by elements such as a filter, an air blower, a buffer tank, a flow rate sensor, a check valve, and a solenoid valve. The city gas flowing in from these two paths and the atmosphere are mixed and introduced into the preheater / evaporator 11. The air-fuel mixture introduced into the preheater / evaporator 11 is introduced into the reformer 12, and the hydrocarbon gas is steam-reformed in the reformer 12 to become a hydrogen-rich fuel gas. The reformed fuel gas is supplied to the fuel cell stack 10.

水供給部WPは、都市ガスを水蒸気改質する際に用いられる水蒸気となる水を供給する部分であって、浄化器、水ポンプ、逆止弁、流量センサ、電磁弁といった要素によって構成されている。水供給部WPによって供給される水は、予熱・蒸発器11に導入されて水蒸気とされた後に改質器12に導入される。   The water supply unit WP is a part that supplies water to be steam used when steam reforming city gas, and is configured by elements such as a purifier, a water pump, a check valve, a flow sensor, and an electromagnetic valve. Yes. The water supplied by the water supply unit WP is introduced into the preheater / evaporator 11 to form steam, and then introduced into the reformer 12.

燃料電池セルスタック10に供給された燃料ガスと空気とによって、燃料電池セルスタック10を構成する各燃料電池セルにおいて発電反応が起こり、発電することができる。燃料電池セルの形態は特に限定されないけれども、例えば、円筒状の燃料電池セルが好適に用いられる。円筒状の燃料電池セルは、電解質層と、その電解質層を挟む内側の電極層及び外側の電極層とによって構成される。内側の電極層は、例えば、Niと、CaやY、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Niと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Niと、Sr、Mg、Co、Fe、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレートとの混合体、の少なくとも一種から形成される。電解質層は、例えば、Y、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Sr、Mgから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。外側の電極層は、例えば、Sr、Caから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Sr、Co、Ni、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Sr、Fe、Ni、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたサマリウムコバルト、銀、などの少なくとも一種から形成される。   The fuel gas and air supplied to the fuel cell stack 10 cause a power generation reaction in each fuel cell constituting the fuel cell stack 10 and can generate power. Although the form of the fuel cell is not particularly limited, for example, a cylindrical fuel cell is preferably used. A cylindrical fuel cell includes an electrolyte layer, and an inner electrode layer and an outer electrode layer that sandwich the electrolyte layer. The inner electrode layer is, for example, a mixture of Ni and zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Ca, Y, and Sc, and Ni and ceria doped with at least one selected from rare earth elements. It is formed from at least one of a mixture, a mixture of Ni, and a lanthanum gallate doped with at least one selected from Sr, Mg, Co, Fe, and Cu. The electrolyte layer includes, for example, zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Y and Sc, ceria doped with at least one selected from rare earth elements, and lanthanum gallate doped with at least one selected from Sr and Mg. It is formed from at least one kind. The outer electrode layer is, for example, selected from lanthanum manganite doped with at least one selected from Sr and Ca, lanthanum ferrite doped with at least one selected from Sr, Co, Ni and Cu, Sr, Fe, Ni and Cu And at least one kind of samarium cobalt doped with at least one kind, silver, and the like.

燃料電池セルスタック10において発電された電気は、電力取出部EPから外部へと取り出される。電力取出部EPは、インバータ等の電力変換装置を有しており、燃料電池セルスタック10において発電された電気を、交流出力として外部に出力する。   The electricity generated in the fuel cell stack 10 is taken out from the power take-out part EP. The power extraction unit EP includes a power conversion device such as an inverter, and outputs the electricity generated in the fuel cell stack 10 to the outside as an AC output.

ここで、燃料電池ユニット制御部FSと、燃料電池モジュールFCM、空気供給部AP、燃料供給部FP、水供給部WP、及び電力取出部EPとの関係について図2を参照しながら説明する。図2は、燃料電池ユニット制御部FSと、燃料電池モジュールFCM、空気供給部AP、燃料供給部FP、水供給部WP、及び電力取出部EPとの関係を説明するためのブロック構成図である。   Here, the relationship among the fuel cell unit control unit FS, the fuel cell module FCM, the air supply unit AP, the fuel supply unit FP, the water supply unit WP, and the power extraction unit EP will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a block configuration diagram for explaining the relationship among the fuel cell unit control unit FS, the fuel cell module FCM, the air supply unit AP, the fuel supply unit FP, the water supply unit WP, and the power extraction unit EP. .

図2に示すように、燃料供給部FP、空気供給部AP、水供給部WP、及び電力取出部EPは、燃料電池ユニットFCUの補器ADを構成している。燃料電池ユニット制御部FSは、燃料供給部FP、空気供給部AP、補器AD、及び電力取出部EPのそれぞれを制御するための部分であって、CPUやROMを有している。燃料電池モジュールFCMの動作は、燃料電池ユニット制御部FSからの指示信号に基づいて実行される。   As shown in FIG. 2, the fuel supply unit FP, the air supply unit AP, the water supply unit WP, and the power extraction unit EP constitute an auxiliary device AD of the fuel cell unit FCU. The fuel cell unit control unit FS is a part for controlling each of the fuel supply unit FP, the air supply unit AP, the auxiliary device AD, and the power extraction unit EP, and includes a CPU and a ROM. The operation of the fuel cell module FCM is executed based on an instruction signal from the fuel cell unit controller FS.

図1に戻り、燃料電池セルスタック10に供給された燃料ガス及び空気のうち発電反応に寄与しなかった残余の燃料ガス及び残余の空気は燃焼され、排出ガスが発生する。この燃焼や排出ガスによって改質器12及び空気用熱交換器13に熱が与えられる。排出ガスは、改質器12及び空気用熱交換器13に熱を与えた後、排出ガス熱回収用熱交換器72を通って十分に安全な温度まで温度が下げられた後に外部に排出される。排出ガス熱回収用熱交換器72は、貯湯ユニットWPUにおいて溜められる湯を沸かすための熱交換器である。従って、この排出ガス熱回収用熱交換器72が、本願発明の熱交換器に相当する。   Returning to FIG. 1, of the fuel gas and air supplied to the fuel cell stack 10, the remaining fuel gas and the remaining air that did not contribute to the power generation reaction are burned, and exhaust gas is generated. Heat is given to the reformer 12 and the air heat exchanger 13 by the combustion and exhaust gas. The exhaust gas is heated to the reformer 12 and the air heat exchanger 13, and is then discharged to the outside after the temperature is lowered to a sufficiently safe temperature through the exhaust gas heat recovery heat exchanger 72. The The exhaust gas heat recovery heat exchanger 72 is a heat exchanger for boiling hot water stored in the hot water storage unit WPU. Therefore, the exhaust gas heat recovery heat exchanger 72 corresponds to the heat exchanger of the present invention.

続いて、貯湯ユニットWPUについて説明する。貯湯ユニットWPUは、貯湯タンクWTと、補助熱源としての給湯器HUと、貯湯ユニット制御部WSと、を備えている。貯湯ユニットWPUは、貯湯タンクWTに溜めた水を沸かして貯湯し、その貯湯した湯を給湯器HUを通して給湯栓CLや浴槽BTに供給するものである。より具体的には、貯湯タンクWTに湯が十分に溜められている場合は、給湯器HUによっては加温せずに、給湯器HU内をそのまま通過させて給湯栓CLや浴槽BTに供給する。貯湯タンクWTに湯が十分に溜められていない場合等には、給湯器HUによって加温して給湯栓CLや浴槽BTに供給する。   Next, the hot water storage unit WPU will be described. The hot water storage unit WPU includes a hot water storage tank WT, a hot water heater HU as an auxiliary heat source, and a hot water storage unit control unit WS. The hot water storage unit WPU boils water stored in the hot water storage tank WT to store hot water, and supplies the stored hot water to the hot water tap CL and the bathtub BT through the water heater HU. More specifically, when hot water is sufficiently stored in the hot water storage tank WT, it is not heated by the hot water heater HU but is passed through the hot water heater HU as it is and supplied to the hot water tap CL or the bathtub BT. . When hot water is not sufficiently stored in the hot water storage tank WT, it is heated by the hot water heater HU and supplied to the hot water tap CL and the bathtub BT.

続いて、貯湯ユニットWPUの配管構成について説明する。貯湯タンクWTには、管路61と、管路51と、管路52と、管路56と、管路57とが繋がれている。貯湯タンクWTに対して、管路61、管路51及び管路52は下側に、管路56及び管路57は上側に、それぞれ繋がれている。   Next, the piping configuration of the hot water storage unit WPU will be described. A pipe 61, a pipe 51, a pipe 52, a pipe 56, and a pipe 57 are connected to the hot water storage tank WT. With respect to the hot water storage tank WT, the pipeline 61, the pipeline 51, and the pipeline 52 are connected to the lower side, and the pipeline 56 and the pipeline 57 are connected to the upper side, respectively.

管路61は、貯湯タンクWTに対して外部から給水するための管路である。貯湯タンクWTからみて管路61の上流側には、逆止弁80と、減圧弁81と、逆止弁82と、バキュームブレーカー83と、止水栓84とが設けられている。このような構成により、貯湯タンクWT内の湯が使われると、貯湯タンクWTの下側から水が供給される。   The pipe 61 is a pipe for supplying water from the outside to the hot water storage tank WT. A check valve 80, a pressure reducing valve 81, a check valve 82, a vacuum breaker 83, and a stop cock 84 are provided on the upstream side of the conduit 61 when viewed from the hot water storage tank WT. With such a configuration, when hot water in the hot water storage tank WT is used, water is supplied from the lower side of the hot water storage tank WT.

管路51は、貯湯タンクWT内の水を排出ガス熱回収用熱交換器72へと送り出すための管路である。管路52は、貯湯タンクWT内の水を排水するための管路である。管路52には排水弁70が設けられている。管路51は、後述する管路55と合流して管路53に繋がれている。管路53は、貯湯ユニットWPU内の管路53aと、燃料電池ユニットFCU内の管路53bとによって構成されている。管路53aには、貯湯タンクWT内の水を排出ガス熱回収用熱交換器72へと送り込むポンプ71が設けられている。管路53bは、排出ガス熱回収用熱交換器72へと繋げられている。   The pipe 51 is a pipe for sending the water in the hot water storage tank WT to the exhaust gas heat recovery heat exchanger 72. The pipe line 52 is a pipe line for draining water in the hot water storage tank WT. A drain valve 70 is provided in the pipe line 52. The pipeline 51 joins a pipeline 55 to be described later and is connected to the pipeline 53. The pipe line 53 includes a pipe line 53a in the hot water storage unit WPU and a pipe line 53b in the fuel cell unit FCU. The pipe 53a is provided with a pump 71 that feeds the water in the hot water storage tank WT to the exhaust gas heat recovery heat exchanger 72. The pipe line 53b is connected to a heat exchanger 72 for exhaust gas heat recovery.

排出ガス熱回収用熱交換器72からは、出口側の管路として管路54bが繋げられている。管路54bは、燃料電池ユニットFCU内の管路であって、その先には貯湯ユニットWPU内の管路54aが繋げられている。この管路54aと管路54bとによって管路54が構成されている。管路54(管路54a)は、三方弁73に繋げられている。   From the exhaust gas heat recovery heat exchanger 72, a conduit 54b is connected as a conduit on the outlet side. The pipe 54b is a pipe in the fuel cell unit FCU, and a pipe 54a in the hot water storage unit WPU is connected to the pipe 54b. The pipeline 54a and the pipeline 54b constitute a pipeline 54. The pipe line 54 (pipe line 54 a) is connected to the three-way valve 73.

三方弁73には、管路54(管路54a)の他に、管路55と管路56とが繋げられている。管路55は上述したように管路51と合流して管路53に繋げられている。従って、管路53、管路54、及び管路55によって排出ガス熱回収用熱交換器72を通る循環管路が形成されている。管路55にはラジエータ74が設けられていて、管路55を通る湯を放熱させることが可能なように構成されている。   In addition to the pipe line 54 (pipe line 54a), a pipe line 55 and a pipe line 56 are connected to the three-way valve 73. The pipe 55 joins the pipe 51 and is connected to the pipe 53 as described above. Therefore, the conduit 53, the conduit 54, and the conduit 55 form a circulation conduit that passes through the heat exchanger 72 for exhaust gas heat recovery. The pipe 55 is provided with a radiator 74 so that the hot water passing through the pipe 55 can be dissipated.

管路56は、貯湯タンクWTに湯を供給するための管路であり、貯湯タンクWTの上方に繋げられている。管路56には、圧力損失部56aが設けられている。圧力損失部56aは、それが設けられている部分における管路の圧力損失が管路53、管路54、管路55よりも高くなるように構成されている部分である。圧力損失部56aとしては、管路が狭められているような絞り状のものとしてもよく、逆止弁や流量調整弁といった弁体を設ける構成としてもよい。また、本実施形態の場合は圧力損失部56aを管路56に設けたけれども、管路51に設けることも好ましい。またさらに管路56及び管路51それぞれに1つずつ設けることも好ましい。管路57は、貯湯タンクWTから湯を供給するための管路であり、貯湯タンクWTの上方に繋げられている。管路57は、ミキシングバルブ76に繋げられていると共に、逆止弁79、貯湯水量センサ75が設けられている。ミキシングバルブ76には、管路61から分岐した管路59が繋げられている。ミキシングバルブ76は、管路57から供給される湯と、管路59から供給される水とを混合して管路58に送り出している。管路58は、給湯器HUに繋げられている。管路59には、給水水量センサ77が設けられている。   The pipe 56 is a pipe for supplying hot water to the hot water storage tank WT, and is connected above the hot water storage tank WT. The pipe 56 is provided with a pressure loss portion 56a. The pressure loss part 56 a is a part configured such that the pressure loss of the pipe line in the part where the pressure loss part 56 a is provided is higher than the pipe line 53, the pipe line 54, and the pipe line 55. The pressure loss portion 56a may be a throttle-like one whose pipe is narrowed, or may be provided with a valve body such as a check valve or a flow rate adjustment valve. Further, in the present embodiment, the pressure loss portion 56 a is provided in the pipeline 56, but it is also preferable to provide the pressure loss portion 56 a in the pipeline 51. It is also preferable to provide one for each of the pipeline 56 and the pipeline 51. The pipe 57 is a pipe for supplying hot water from the hot water storage tank WT, and is connected above the hot water storage tank WT. The pipe 57 is connected to a mixing valve 76, and is provided with a check valve 79 and a hot water storage amount sensor 75. A pipe 59 branched from the pipe 61 is connected to the mixing valve 76. The mixing valve 76 mixes the hot water supplied from the pipe 57 and the water supplied from the pipe 59 and sends them to the pipe 58. The pipe line 58 is connected to the water heater HU. A water supply amount sensor 77 is provided in the pipeline 59.

続いて、各管路や貯湯タンクWTに設けられている温度測定部としてのサーミスタの配置について説明する。貯湯タンクWTには、上方から順に、サーミスタ31、サーミスタ32、サーミスタ33が設けられている。また、管路57にはサーミスタ40が設けられている。これらの、サーミスタ31,32,33,40は、貯湯タンクWT内の貯湯量を測定するためのサーミスタである。本実施形態の場合、貯湯タンクWTには上方に湯が下方に水が溜まる構成となっている。従って、サーミスタの温度によって貯湯量を把握することができる。   Next, the arrangement of the thermistor as a temperature measuring unit provided in each pipe line and hot water storage tank WT will be described. The hot water storage tank WT is provided with a thermistor 31, a thermistor 32, and a thermistor 33 in order from above. The thermistor 40 is provided in the pipe line 57. These thermistors 31, 32, 33, and 40 are thermistors for measuring the amount of hot water stored in the hot water storage tank WT. In the case of the present embodiment, the hot water storage tank WT has a configuration in which hot water is accumulated upward and water is accumulated downward. Therefore, the hot water storage amount can be grasped by the temperature of the thermistor.

管路53の管路53aには、サーミスタ36が設けられている。このサーミスタ36によって、管路53を流れているのが、十分に加温された湯なのか、貯湯タンクWTから出た水なのかを判断することができるし、排出ガス熱回収用熱交換器72に送られる水の温度を測定することもできる。管路54の燃料電池ユニットFCU内の管路54bにはサーミスタ37が、管路54aにはサーミスタ34及びサーミスタ38が、それぞれ設けられている。すわなち、管路54の排出ガス熱回収用熱交換器72側にはサーミスタ37が、管路54の三方弁73側にはサーミスタ34及びサーミスタ38が、それぞれ設けられている。サーミスタ37によって、排出ガス熱回収用熱交換器72によって加温された直後の湯の温度が測定でき、サーミスタ34及びサーミスタ38によって、三方弁73に入る直前の湯の温度が測定できる。   A thermistor 36 is provided in the pipe line 53 a of the pipe line 53. With this thermistor 36, it can be determined whether the hot water that is sufficiently heated or the water that has flowed out of the hot water storage tank WT is flowing through the pipe line 53, and a heat exchanger for exhaust gas heat recovery. The temperature of the water sent to 72 can also be measured. The thermistor 37 is provided in the pipeline 54b of the pipeline 54 in the fuel cell unit FCU, and the thermistor 34 and the thermistor 38 are provided in the pipeline 54a. That is, the thermistor 37 is provided on the side of the heat exchanger 72 for exhaust gas heat recovery of the pipe line 54, and the thermistor 34 and the thermistor 38 are provided on the three-way valve 73 side of the pipe line 54. The thermistor 37 can measure the temperature of hot water immediately after being heated by the exhaust gas heat recovery heat exchanger 72, and the thermistor 34 and the thermistor 38 can measure the temperature of hot water immediately before entering the three-way valve 73.

管路56にはサーミスタ39が設けられている。サーミスタ39は、貯湯タンクWTに繋がる部分の近傍に設けられており、貯湯タンクWTに導入される湯の温度を測定することができる。   A thermistor 39 is provided in the pipeline 56. The thermistor 39 is provided in the vicinity of the portion connected to the hot water storage tank WT, and can measure the temperature of the hot water introduced into the hot water storage tank WT.

続いて、貯湯ユニット制御部WSについて図3を参照しながら説明する。図3は、貯湯ユニット制御部WSの機能を説明するためのブロック構成図である。図3に示すように、貯湯ユニット制御部WSには、サーミスタ31,32,33,34,36,37,38,39,40から出力される温度測定値を示す信号が入力され、貯湯水量センサ75及び給水水量センサ77からはそれぞれの部分を通過した水量を示す信号が入力される。貯湯ユニット制御部WSは、それらの入力信号に基づいた情報処理や、予め定められたルーチンに基づく情報処理に基づいて、ポンプ71、三方弁73、ミキシングバルブ76を駆動するための制御信号を出力する。このように、貯湯ユニット制御部WSは、ポンプ71、三方弁73、及びミキシングバルブ76のそれぞれを制御するための部分であって、CPUやROMを有している。貯湯ユニットWPUの動作は、貯湯ユニット制御部WSからの指示信号に基づいて実行される。   Next, the hot water storage unit control unit WS will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a block configuration diagram for explaining functions of the hot water storage unit control unit WS. As shown in FIG. 3, the hot water storage unit control unit WS receives a signal indicating the temperature measurement value output from the thermistors 31, 32, 33, 34, 36, 37, 38, 39, 40, and stores the hot water storage amount sensor. 75 and the feed water amount sensor 77 receive signals indicating the amount of water that has passed through the respective portions. The hot water storage unit control unit WS outputs a control signal for driving the pump 71, the three-way valve 73, and the mixing valve 76 based on information processing based on those input signals or information processing based on a predetermined routine. To do. As described above, the hot water storage unit control unit WS is a part for controlling each of the pump 71, the three-way valve 73, and the mixing valve 76, and includes a CPU and a ROM. The operation of the hot water storage unit WPU is executed based on an instruction signal from the hot water storage unit control unit WS.

この燃料電池システムFCSは構成要素として、燃料ガスと酸化剤ガスとにより作動する複数の固体酸化物形燃料電池セルを含む燃料電池モジュールFCMと、燃料ガスと酸化剤ガスとが燃焼することで燃料電池モジュールFCMから排出される排出ガスを用いて熱交換を行い、水を加熱して湯とする熱交換器である排出ガス熱回収用熱交換器72と、水及びその水を加熱した湯を溜めるタンクである貯湯タンクWTと、を備えている。   This fuel cell system FCS includes, as constituent elements, a fuel cell module FCM including a plurality of solid oxide fuel cells that are operated by fuel gas and oxidant gas, and a fuel gas and oxidant gas that are burned by burning the fuel gas and oxidant gas. Heat exchange is performed using the exhaust gas discharged from the battery module FCM, and the heat exchanger 72 for exhaust gas heat recovery, which is a heat exchanger that heats water to make hot water, water and hot water that heats the water A hot water storage tank WT which is a tank to be stored.

更にこの燃料電池システムFCSは、水及び湯が通る管路として次のような管路を備えている。まず、排出ガス熱回収用熱交換器72へと送り込まれた水が再び排出ガス熱回収用熱交換器72へと至るように構成された第1管路である管路53(管路53a及び管路53b)、管路54(管路54a及び管路54b)、及び管路55を備えている。更に、貯湯タンクWTから送り出された水を排出ガス熱回収用熱交換器72へと送り込み、排出ガス熱回収用熱交換器72において熱交換された湯を貯湯タンクWTへと還流させるように構成された第2管路である管路51、管路53(管路53a及び管路53b)、管路54(管路54a及び管路54b)、及び管路56を備えている。   Further, this fuel cell system FCS includes the following pipe lines as pipes through which water and hot water pass. First, the pipe 53 (the pipes 53a and 53a) is a first pipe configured such that the water sent to the exhaust gas heat recovery heat exchanger 72 reaches the exhaust gas heat recovery heat exchanger 72 again. A pipe line 53b), a pipe line 54 (the pipe line 54a and the pipe line 54b), and a pipe line 55. Further, the water sent from the hot water storage tank WT is sent to the exhaust gas heat recovery heat exchanger 72, and the hot water exchanged in the exhaust gas heat recovery heat exchanger 72 is returned to the hot water storage tank WT. The pipe 51, the pipe 53 (the pipe 53a and the pipe 53b), the pipe 54 (the pipe 54a and the pipe 54b), and the pipe 56 are provided as the second pipe.

従って、管路53(管路53a及び管路53b)及び管路54(管路54a及び管路54b)は、第1管路及び第2管路の共有管路部として構成されている。また、管路51は供給管路部として、管路56は還流管路部として、それぞれ構成されている。また、管路55は循環管路部として構成されている。   Accordingly, the pipeline 53 (the pipeline 53a and the pipeline 53b) and the pipeline 54 (the pipeline 54a and the pipeline 54b) are configured as a shared pipeline section of the first pipeline and the second pipeline. Further, the pipeline 51 is configured as a supply pipeline section, and the pipeline 56 is configured as a reflux pipeline section. Further, the pipe line 55 is configured as a circulation pipe part.

更にこの燃料電池システムFCSは、循環管路部である管路55と還流管路部である管路56との管路切り替えを行う切替部としての三方弁73を備えている。更にこの燃料電池システムFCSは、上述した第1管路及び第2管路の水流を生じさせるように管路53に配置されたポンプ71を備えている。更にこの燃料電池システムFCSは、切替部としての三方弁73及びポンプ71を制御する制御部としての貯湯ユニット制御部WSを備えている。   Further, the fuel cell system FCS includes a three-way valve 73 as a switching unit that switches a pipeline between a pipeline 55 that is a circulation pipeline and a pipeline 56 that is a reflux pipeline. The fuel cell system FCS further includes a pump 71 disposed in the pipe line 53 so as to generate the water flow of the first pipe line and the second pipe line described above. The fuel cell system FCS further includes a three-way valve 73 as a switching unit and a hot water storage unit control unit WS as a control unit that controls the pump 71.

このような構成とすれば、燃料電池ユニットFCUの運転開始時等には、排出ガス熱回収用熱交換器72へと送り込まれた水が再びその排出ガス熱回収用熱交換器72へと至るように構成されてなる第1管路である管路53(管路53a及び管路53b)、管路54(管路54a及び管路54b)、及び管路55と、その第1管路である管路53(管路53a及び管路53b)、管路54(管路54a及び管路54b)、及び管路55を流れる湯を貯湯タンクWTへと還流させる還流管路部である管路56、供給管路部である管路51とからなる第2管路を備えるように構成できる。従って、第1管路である管路53(管路53a及び管路53b)、管路54(管路54a及び管路54b)、及び管路55を循環させることで排出ガス熱回収用熱交換器72から十分な熱量を得ることができ、水を所望の温度の湯とすることができる。   With such a configuration, when the operation of the fuel cell unit FCU is started, the water sent to the exhaust gas heat recovery heat exchanger 72 reaches the exhaust gas heat recovery heat exchanger 72 again. In the first pipeline, the pipeline 53 (the pipeline 53a and the pipeline 53b), the pipeline 54 (the pipeline 54a and the pipeline 54b), the pipeline 55, and the first pipeline A certain pipe line 53 (pipe line 53a and pipe line 53b), a pipe line 54 (pipe line 54a and pipe line 54b), and a pipe line which is a reflux pipe line part for refluxing hot water flowing through the pipe line 55 to the hot water storage tank WT. 56, it can comprise so that the 2nd pipe line which consists of the pipe line 51 which is a supply pipe line part may be provided. Therefore, heat exchange for exhaust gas heat recovery is performed by circulating the pipes 53 (the pipes 53a and 53b), the pipes 54 (the pipes 54a and 54b), and the pipes 55, which are the first pipes. A sufficient amount of heat can be obtained from the vessel 72, and the water can be heated to a desired temperature.

特に本実施形態のように固体酸化物形燃料電池を用いている場合は、このような構成とすることがより有効である。固体酸化物形燃料電池は発電効率が良いため、燃料消費が少なく、排出ガス温度は200〜400℃と高いものの、排出ガスの量が少ないため、排出ガスの熱量自体は少ない。従って、排出ガスとの熱交換によって即座に大量に湯を沸かして溜めることができず、少量沸かした湯を少しずつ溜めていくことが必要となる。そこで本実施形態のように、燃料電池ユニットFCUの運転開始時に湯を沸かしている間は第1管路である管路53(管路53a及び管路53b)、管路54(管路54a及び管路54b)、及び管路55を流し、湧き上がったら管路を還流管路部である管路56へと切り替えて、湯を貯湯タンクWTへと送り込むことができる。   In particular, when a solid oxide fuel cell is used as in the present embodiment, such a configuration is more effective. A solid oxide fuel cell has good power generation efficiency, and therefore consumes less fuel and has a high exhaust gas temperature of 200 to 400 ° C. However, since the amount of exhaust gas is small, the amount of heat of the exhaust gas itself is small. Therefore, a large amount of hot water cannot be immediately boiled and stored by heat exchange with exhaust gas, and it is necessary to store a small amount of hot water little by little. Therefore, as in the present embodiment, while boiling water at the start of operation of the fuel cell unit FCU, the pipes 53 (the pipes 53a and 53b) and the pipes 54 (the pipes 54a and 54a) are the first pipes. When the pipe 54b) and the pipe 55 are flown, and the water is springed up, the pipe is switched to the pipe 56 which is a reflux pipe section, and hot water can be fed into the hot water storage tank WT.

また、管路56には圧力損失部56aが設けられているので、第1管路を構成する部分には圧力損失を生じさせる部分がなく、第2管路を構成する部分にのみ圧力損失を生じさせる部分が存在するように構成されている。従って、切替部である三方弁73を第1管路の循環管路部である管路55側に切り替えた状態でポンプを駆動すると、必要以上に圧力損失が高まることがなく、ポンプ71の駆動速度に応じた水流が発生し、燃料電池モジュールFCMからの排出ガスの熱を適切に奪うことができる。一方、切替部である三方弁73を第2管路の還流管路部である管路56側に切り替えた状態でポンプ71を駆動すると、圧力損失部56aによって第1管路よりも圧力損失が高められるため、圧力損失部56aが設けられていない場合よりも水流の流速が低下する。従って、排出ガス熱回収用熱交換器72において排出ガスの熱を効果的に受け取って湯を沸かし上げることができる。   Moreover, since the pressure loss part 56a is provided in the pipe line 56, there is no part which produces pressure loss in the part which comprises a 1st pipe line, and pressure loss is only given to the part which comprises a 2nd pipe line. It is comprised so that the part to produce may exist. Therefore, if the pump is driven in a state where the three-way valve 73 serving as the switching unit is switched to the pipeline 55 serving as the circulation pipeline of the first pipeline, the pressure loss does not increase more than necessary, and the pump 71 is driven. A water flow corresponding to the speed is generated, and the heat of the exhaust gas from the fuel cell module FCM can be appropriately taken. On the other hand, when the pump 71 is driven in a state where the three-way valve 73 serving as the switching unit is switched to the pipeline 56 serving as the reflux pipeline of the second pipeline, the pressure loss due to the pressure loss 56a is greater than that of the first pipeline. Since it is raised, the flow velocity of the water flow is lower than when the pressure loss portion 56a is not provided. Therefore, the exhaust gas heat recovery heat exchanger 72 can effectively receive the heat of the exhaust gas to boil the hot water.

上述したような燃料電池システムFCSによれば、次のような好適な運転制御を行うことが可能となる。この制御ルーチンを説明するためのフローチャートを図4に示す。図4に示す例では、貯湯ユニット制御部WSに、サーミスタ36から水温が入力される(ステップS01)。   According to the fuel cell system FCS as described above, the following suitable operation control can be performed. FIG. 4 shows a flowchart for explaining this control routine. In the example shown in FIG. 4, the water temperature is input from the thermistor 36 to the hot water storage unit controller WS (step S01).

続いて貯湯ユニット制御部WSは、サーミスタ36から入力される水温が高温となっているか否か判断する(ステップS02)。サーミスタ36から入力される水温が高温となっていれば、貯湯タンクWT内は沸かし上げられた湯によって満たされており、高温となっていなければ、貯湯タンクWT内の少なくとも下方には水が入っているものと判断される。従って、貯湯ユニット制御部WSは、サーミスタ36から入力される水温が高温となっていなければ、ステップS01の処理に戻る。一方、サーミスタ36から入力される水温が高温となっていれば、ステップS03の処理に進む。   Subsequently, the hot water storage unit control unit WS determines whether or not the water temperature input from the thermistor 36 is high (step S02). If the temperature of the water input from the thermistor 36 is high, the hot water storage tank WT is filled with boiled hot water, and if it is not high, water enters at least below the hot water storage tank WT. It is judged that Therefore, if the water temperature input from the thermistor 36 is not high, the hot water storage unit control unit WS returns to the process of step S01. On the other hand, if the water temperature input from the thermistor 36 is high, the process proceeds to step S03.

サーミスタ36から入力される水温が高温となっていれば、貯湯ユニット制御部WSは、切替部である三方弁73に対して、第2管路である管路56側から第1管路である管路55側へと管路切り替えを行うように指示信号を出力する(ステップS03)。この場合、貯湯ユニット制御部WSは、ポンプ71の駆動速度を上げることも好ましい。   If the water temperature input from the thermistor 36 is high, the hot water storage unit control unit WS is the first pipeline from the side of the pipeline 56 that is the second pipeline to the three-way valve 73 that is the switching unit. An instruction signal is output so that the pipeline is switched to the pipeline 55 side (step S03). In this case, the hot water storage unit control unit WS also preferably increases the drive speed of the pump 71.

このような制御を行えば、水を循環させて第1管路内である管路53(管路53a及び管路53b)、管路54(管路54a及び管路54b)、及び管路55を循環させるか、還流管路部である管路56へと切り替えて貯湯タンクWTへと還流させるかを適切に切り替えることができる。この切り替えは、温度測定部であるサーミスタ36が測定した水温に基づいてなされているので、貯湯タンクWT内に沸かし上げられた湯が満たされていなければ、管路56側に切り替えられており、ポンプ71の回転に応じて水流が生じ、湯が貯湯タンクWTへと送られる。管路56には圧力損失部56aが設けられているので、管路55側へ切り替えられている場合に比較して流速が低下し、排出ガス熱回収用熱交換器72における熱交換が十分に行え、湯が効率的に昇温される。一方、貯湯タンクWT内に沸かし上げられた湯が満たされていれば、管路55側に切り替えられており、ポンプ71の回転に応じて湯がラジエータ74を経由して温度が下げられて排出ガス熱回収用熱交換器72へと送り込まれる。管路56側に切り替えられている場合に比較して流速が上昇するので、ラジエータ74における放熱が効果的に行われ、結果として排出ガス熱回収用熱交換器72において排出ガスの熱を効果的に奪うことができる。   If such control is performed, the water is circulated to form the pipe 53 (the pipe 53a and the pipe 53b), the pipe 54 (the pipe 54a and the pipe 54b), and the pipe 55 which are in the first pipe. Can be appropriately switched between circulating the water and switching to the pipeline 56, which is the reflux pipeline section, to reflux the hot water storage tank WT. Since this switching is made based on the water temperature measured by the thermistor 36 which is a temperature measuring unit, if the hot water boiled up in the hot water storage tank WT is not filled, it is switched to the pipeline 56 side. A water flow is generated according to the rotation of the pump 71, and hot water is sent to the hot water storage tank WT. Since the pressure loss portion 56a is provided in the pipe 56, the flow velocity is lower than that when the pipe 56 is switched to the pipe 55, and the heat exchange in the exhaust gas heat recovery heat exchanger 72 is sufficiently performed. Yes, hot water is heated efficiently. On the other hand, if the hot water boiled in the hot water storage tank WT is filled, the hot water is switched to the pipe 55 side, and the hot water is discharged via the radiator 74 as the temperature of the pump 71 is reduced. It is sent to the heat exchanger 72 for gas heat recovery. Since the flow velocity increases compared with the case where the pipe 56 is switched, the radiator 74 effectively dissipates heat, and as a result, the exhaust gas heat recovery heat exchanger 72 effectively reduces the heat of the exhaust gas. Can be taken away.

本実施形態のように、第1管路と第2管路とでそれぞれの管路構成の差(圧力損失部の有無)によって流速が異なるように構成することで、ポンプ71が一つのみであっても流量可変範囲を管路ごとに変更することができ、ポンプ選定においても有効となる。   As in this embodiment, the first pipe and the second pipe are configured such that the flow velocity differs depending on the difference in the pipe configuration (the presence or absence of a pressure loss part), so that only one pump 71 is provided. Even if it exists, the flow rate variable range can be changed for each pipe line, which is also effective in pump selection.

本実施形態に係る燃料電池システムを示す図である。It is a figure which shows the fuel cell system which concerns on this embodiment. 図1に示す燃料電池ユニットの制御的な構成を示すブロック構成図である。It is a block block diagram which shows the control structure of the fuel cell unit shown in FIG. 図1に示す貯湯ユニットの制御的な構成を示すブロック構成図である。It is a block block diagram which shows the control structure of the hot water storage unit shown in FIG. 本実施形態に係る燃料電池システムの制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the control routine of the fuel cell system which concerns on this embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

10:燃料電池セルスタック
11:予熱・蒸発器
12:改質器
13:空気用熱交換器
14,31,32,33,34,36,37,38,39,40:サーミスタ
51,52,53,53a,53b,54,54a,54b,55,56,57,58,59,61:管路
70:排水弁
71:ポンプ
72:排出ガス熱回収用熱交換器
73:三方弁
74:ラジエータ
75:貯湯水量センサ
76:ミキシングバルブ
77:給水水量センサ
79:逆止弁
80:逆止弁
81:減圧弁
82:逆止弁
83:バキュームブレーカー
84:止水栓
AD:補器
AP:空気供給部
BT:浴槽
CL:給湯栓
EP:電力取出部
FCM:燃料電池モジュール
FCS:燃料電池システム
FCU:燃料電池ユニット
FP:燃料供給部
FS:燃料電池ユニット制御部
HU:給湯器
WP:水供給部
WPU:貯湯ユニット
WS:貯湯ユニット制御部
WT:貯湯タンク
10: Fuel cell stack 11: Preheating / evaporator 12: Reformer 13: Air heat exchangers 14, 31, 32, 33, 34, 36, 37, 38, 39, 40: Thermistors 51, 52, 53 53a, 53b, 54, 54a, 54b, 55, 56, 57, 58, 59, 61: Pipe 70: Drain valve 71: Pump 72: Heat exchanger 73 for exhaust gas heat recovery 73: Three-way valve 74: Radiator 75 : Hot water storage amount sensor 76: Mixing valve 77: Water supply amount sensor 79: Check valve 80: Check valve 81: Pressure reducing valve 82: Check valve 83: Vacuum breaker 84: Stopcock AD: Auxiliary device AP: Air supply section BT: Bathtub CL: Hot water tap EP: Electric power take-out unit FCM: Fuel cell module FCS: Fuel cell system FCU: Fuel cell unit FP: Fuel supply unit FS: Fuel cell unit control unit HU: Water heater P: Water supply unit WPU: hot-water storage unit WS: hot water storage unit controller WT: hot water tank

Claims (1)

燃料ガスと酸化剤ガスとにより作動する複数の固体酸化物形燃料電池セルを含む燃料電池モジュールと、
前記固体酸化物形燃料電池セルにおいて発電反応に寄与しなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガスとが燃焼することで発生するガスを含む排出ガスを用いて熱交換を行い、水を加熱して湯とする熱交換器と、
水及びその水を加熱した湯を溜めるタンクと、
前記熱交換器へと送り込まれた水が再び前記熱交換器へと至るように構成された第1管路と、
前記タンクから送り出された水を前記熱交換器へ送り込み、前記熱交換器において熱交換された湯を前記タンクへと還流させるように構成された第2管路と、
前記第1管路及び前記第2管路における水流を生じさせるポンプと、を備える燃料電池システムであって、
前記第1管路と前記第2管路とはそれぞれの一部を共有する共有管路部を有し、
前記第2管路は、前記共有管路部と共に、前記タンクから送り出された水を前記共有管路部へと供給する供給管路部と、前記共有管路部から前記タンクへと湯を還流させる還流管路部と、を有し、
前記第1管路は、前記共有管路部と共に、前記共有管路部に前記供給管路部が接続される合流点と前記共有管路部から前記還流管路部が分岐する分岐点とを繋ぐ循環管路部を有しており、
前記分岐点には、前記還流管路部と前記循環管路部との管路切り替えを行う切替部が設けられており、
前記供給管路部及び前記還流管路部の少なくとも一方には、前記第1管路よりも管路の圧力損失が高まるように圧力損失部が設けられ、
前記切替部が前記循環管路部側に切り替えられ、前記ポンプが生じさせる水流によって前記第1管路を流れる流量よりも、
前記切替部が前記還流管路部側に切り替えられ、前記ポンプが生じさせる水流によって前記第2管路を流れる流量が少なくなるように構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell module including a plurality of solid oxide fuel cells operated by a fuel gas and an oxidant gas;
In the solid oxide fuel cell, heat is exchanged using the exhaust gas including the gas generated by the combustion of the remaining fuel gas that did not contribute to the power generation reaction and the remaining oxidant gas, and heats the water Heat exchanger to make hot water,
A tank for storing water and hot water for heating the water;
A first conduit configured such that water sent to the heat exchanger reaches the heat exchanger again;
A second pipe configured to send water sent from the tank to the heat exchanger, and to return the hot water heat-exchanged in the heat exchanger to the tank;
A fuel cell system comprising: a pump for generating a water flow in the first pipeline and the second pipeline,
The first pipeline and the second pipeline have a shared pipeline section that shares a part of each,
The second pipe, together with the shared pipe section, supplies a water pipe fed from the tank to the shared pipe section, and returns hot water from the shared pipe section to the tank. A reflux conduit section to be
The first pipe line includes, together with the shared pipe line part, a merging point where the supply pipe line part is connected to the shared pipe line part and a branch point where the reflux pipe line part branches from the shared pipe line part. It has a circulation line part that connects,
The branching point is provided with a switching unit for switching the pipeline between the reflux pipeline and the circulation pipeline,
At least one of the supply line part and the reflux line part is provided with a pressure loss part so that the pressure loss of the line is higher than that of the first line,
The switching unit is switched to the circulation pipeline unit side, and the flow rate flowing through the first pipeline by the water flow generated by the pump is more than
The fuel cell system is characterized in that the switching unit is switched to the reflux pipeline unit side, and the flow rate flowing through the second pipeline is reduced by the water flow generated by the pump.
JP2008157661A 2008-06-17 2008-06-17 Fuel cell system Expired - Fee Related JP5212895B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008157661A JP5212895B2 (en) 2008-06-17 2008-06-17 Fuel cell system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008157661A JP5212895B2 (en) 2008-06-17 2008-06-17 Fuel cell system

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2009301986A JP2009301986A (en) 2009-12-24
JP5212895B2 true JP5212895B2 (en) 2013-06-19

Family

ID=41548666

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2008157661A Expired - Fee Related JP5212895B2 (en) 2008-06-17 2008-06-17 Fuel cell system

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5212895B2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5813469B2 (en) * 2011-11-09 2015-11-17 Jx日鉱日石エネルギー株式会社 Fuel cell system

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3879480B2 (en) * 2001-10-26 2007-02-14 ダイキン工業株式会社 Fuel cell system
JP5173111B2 (en) * 2004-07-07 2013-03-27 京セラ株式会社 Fuel cell system
JP4087840B2 (en) * 2004-12-16 2008-05-21 アイシン精機株式会社 Fuel cell system
JP4223499B2 (en) * 2005-06-13 2009-02-12 リンナイ株式会社 Cogeneration system

Also Published As

Publication number Publication date
JP2009301986A (en) 2009-12-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4644704B2 (en) Fuel cell system
JP5418529B2 (en) Fuel cell system
JP5295257B2 (en) Heat recovery device for fuel cell system
JP2013012381A (en) Fuel cell cogeneration system
WO2011052233A1 (en) Fuel cell cogeneration system
JP4845899B2 (en) Fuel cell system
JP5212895B2 (en) Fuel cell system
JP2018006016A (en) Fuel cell system
JP4106356B2 (en) Fuel cell system
JP2005116256A (en) Fuel cell cogeneration system
CN116130709A (en) Fuel cell system and control method thereof
JP2006172948A (en) Fuel cell system
JP2007242493A (en) Fuel cell system and its operation stopping method
JP2004059352A (en) Fuel reforming system
JP2009301977A (en) Fuel cell system
JP5371842B2 (en) Fuel cell system
JP2006179346A (en) Fuel cell power generation system and its operation method
JP2009301985A (en) Fuel cell system
JP5387881B2 (en) Fuel cell system
JP2009301978A (en) Fuel cell system
JP2009301976A (en) Fuel cell system
JP5102511B2 (en) Fuel cell system
JP2009301984A (en) Fuel cell system
JP2010027222A (en) Fuel cell system
JP2010015706A (en) Fuel cell system

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20110608

RD03 Notification of appointment of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423

Effective date: 20111021

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20130204

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20130206

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Ref document number: 5212895

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20130217

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20160308

Year of fee payment: 3

S111 Request for change of ownership or part of ownership

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313111

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees