JP5331596B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池等の排熱を利用して給湯することができる燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system capable of supplying hot water using exhaust heat from a fuel cell or the like.
燃料電池の排熱を利用して給湯することが知られており、給湯のために用いる貯湯槽と燃料電池とを備える燃料電池システムが知られている。 It is known to supply hot water using exhaust heat of a fuel cell, and a fuel cell system including a hot water storage tank and a fuel cell used for hot water supply is known.
特許文献1には、燃料電池と貯湯槽とが同一の筐体内に設置された貯湯槽一体型燃料電池が記載されている。特許文献2には燃料電池と貯湯槽とを並べて一体化させた燃料電池システムが記載されている。特許文献3には燃料電池と貯湯水タンクとが外装ケースに格納された燃料電池コージェネレーションシステムが記載されている。特許文献4には貯湯タンクと燃料電池とを備える燃料電池コージェネレーションシステムが記載されている。
しかしながら、従来の燃料電池システムにおいては、燃料電池等の高温部分から環境への放熱を回収する点で、ひいては総合効率の点で、更に改善の余地があった。 However, in the conventional fuel cell system, there is room for further improvement in terms of recovering heat radiation from the high temperature portion of the fuel cell or the like to the environment, and in terms of overall efficiency.
本発明の目的は、燃料電池等の高温部分からの熱ロスを抑え、総合効率を高めることのできる燃料電池システムを提供することである。 An object of the present invention is to provide a fuel cell system that can suppress heat loss from a high-temperature portion such as a fuel cell and increase the overall efficiency.
本発明により、以下の燃料電池システムが提供される。 According to the present invention, the following fuel cell system is provided.
1)
少なくとも燃料電池と、燃料電池の発電に伴う発熱により加温される温水を収容する貯湯槽と、を含む燃料電池システムであって、
前記貯湯槽が、前記温水を収容する領域である温水収容領域を有し、
燃料電池システムの、運転時に貯湯最高温度より高い温度になりうる部分の少なくとも一部が、前記温水収容領域に少なくとも二方向から囲まれる領域に配され、かつ、
燃料電池が、前記温水収容領域に少なくとも二方向から囲まれる領域に配され、かつ、
燃料電池システムが、炭化水素系燃料を改質して水素含有ガスを製造する水素製造装置を含み、
前記水素製造装置の少なくとも一部が、前記温水収容領域に少なくとも二方向から囲まれる領域に配され、かつ、
燃料電池から排出される排ガスが流通する流路である燃料電池排ガス流路が、前記温水収容領域に少なくとも二方向から囲まれる領域に配され、かつ、
前記温水収容領域とは区画された前記温水が流通する流路と前記燃料電池排ガス流路とを含む、前記温水と前記燃料電池排ガスとの間で熱交換を行う熱交換器が、前記温水収容領域に少なくとも二方向から囲まれる領域に配され、かつ、
前記温水収容領域とは区画された水が流通する流路である水流路と前記燃料電池排ガス流路とを含む、前記水流路を流れる水を気化させる水気化器が、前記温水収容領域に少なくとも二方向から囲まれる領域に配され、かつ、
前記熱交換器および水気化器が、一つの熱交換器の低温流体側流路が仕切り板によって二つに仕切られることで形成された
燃料電池システム。
1)
A fuel cell system comprising at least a fuel cell and a hot water storage tank for storing hot water heated by heat generated by power generation of the fuel cell,
The hot water storage tank has a hot water storage area that is an area for storing the hot water,
The fuel cell system, at least some of the portions can be a higher temperature than the hot water storage maximum temperature during operation, it is arranged in a region surrounded by at least two directions to the hot water receiving region, and,
A fuel cell is disposed in a region surrounded by the hot water storage region from at least two directions; and
The fuel cell system includes a hydrogen production apparatus that reforms a hydrocarbon fuel to produce a hydrogen-containing gas,
At least a part of the hydrogen production device is disposed in a region surrounded by the hot water storage region from at least two directions, and
A fuel cell exhaust gas channel, which is a channel through which exhaust gas discharged from the fuel cell circulates, is disposed in a region surrounded by the hot water storage region from at least two directions; and
A heat exchanger for exchanging heat between the hot water and the fuel cell exhaust gas, comprising the partitioned hot water flow path and the fuel cell exhaust gas flow path, wherein the hot water storage area is the hot water storage Arranged in an area surrounded by the area from at least two directions, and
A water vaporizer that vaporizes water flowing through the water flow path, including a water flow path that is a flow path through which partitioned water flows and the fuel cell exhaust gas flow path, is provided in the hot water storage area. Arranged in the area surrounded from two directions, and
The fuel cell system, wherein the heat exchanger and the water vaporizer are formed by dividing a low-temperature fluid side flow path of one heat exchanger into two by a partition plate .
2)
前記熱交換器および水気化器が、一つのシェルアンドチューブ型熱交換器のシェル側が仕切り板によって二つに区切られることで形成された、
1)記載の燃料電池システム。
2)
The heat exchanger and the water vaporizer were formed by dividing the shell side of one shell and tube type heat exchanger into two by a partition plate,
1) The fuel cell system according to the above.
3)
前記水気化器および温水を加熱するための発熱手段が、前記温水収容領域に少なくとも二方向から囲まれる領域に配された、1)または2)記載の燃料電池システム。
4)
前記発熱手段で発生する熱との熱交換によって、温水収容領域から供給される温水を加熱可能な熱交換構造を有し、かつ、
前記熱交換構造で加熱された温水を、燃料電池システム外に排出する配管を有する
3)記載の燃料電池システム。
3 )
The fuel cell system according to 1) or 2) , wherein the water vaporizer and heat generating means for heating the hot water are arranged in a region surrounded by the hot water storage region from at least two directions.
4)
A heat exchange structure capable of heating the hot water supplied from the hot water storage area by heat exchange with the heat generated by the heat generating means; and
A pipe for discharging the hot water heated by the heat exchange structure to the outside of the fuel cell system;
3) The fuel cell system according to the description.
5)
前記温水収容領域に少なくとも二方向から囲まれる領域が、温水収容領域の内部に埋没する領域を含む、
1)〜4)の何れか一項記載の燃料電池システム。
5 )
The region surrounded by at least two directions in the hot water storage region includes a region buried in the hot water storage region,
The fuel cell system according to any one of 1) to 4 ).
6)
前記燃料電池が、固体酸化物形燃料電池である1)〜5)のいずれか一項記載の燃料電池システム。
6 )
The fuel cell system according to any one of 1) to 5 ), wherein the fuel cell is a solid oxide fuel cell.
本発明により、燃料電池等の高温部分からの熱ロスを抑え、総合効率を高めることのできる燃料電池システムが提供される。 The present invention provides a fuel cell system that can suppress heat loss from a high-temperature portion such as a fuel cell and increase the overall efficiency.
以下、適宜図面を用いて本発明の形態について説明するが、本発明はこれによって限定されるものではない。ただし、図6〜8に示す形態は参考用である。 Hereinafter, although the form of this invention is demonstrated suitably using drawing, this invention is not limited by this. However, the forms shown in FIGS. 6 to 8 are for reference.
〔燃料電池システム〕
燃料電池システムは、燃料電池を有し、燃料電池によって発電を行う装置である。本発明の燃料電池システムは、燃料電池の発電に伴う発熱により加温される温水を収容する貯湯槽も有する。
[Fuel cell system]
The fuel cell system is a device that includes a fuel cell and generates power using the fuel cell. The fuel cell system of the present invention also has a hot water storage tank for storing hot water heated by heat generated by power generation of the fuel cell.
燃料電池は、例えば、水素と酸素とを電気化学的に反応させて発電を行うが、この発電に伴って熱が発生する。例えば、燃料電池の内部に水流路を設けたり、燃料電池から排出される流体が持つ熱エネルギーを利用したり、燃料電池からの輻射熱を利用したりすることにより、水を加温して温水を得ることができる。貯湯槽は、このようにして得られた温水を貯めておくための槽である。したがって、貯湯槽は、温水を収容する領域である温水収容領域を有する。温水収容領域は、貯湯槽の内部の全部であることもあるし、貯湯槽の内部の一部であることもある。 For example, a fuel cell generates electricity by electrochemically reacting hydrogen and oxygen, and heat is generated along with this electricity generation. For example, by providing a water flow path inside the fuel cell, using the thermal energy of the fluid discharged from the fuel cell, or using radiant heat from the fuel cell, the water is heated to Can be obtained. The hot water storage tank is a tank for storing the hot water thus obtained. Therefore, the hot water storage tank has a hot water storage area that is an area for storing hot water. The hot water storage area may be the entire interior of the hot water tank or may be a part of the hot water tank.
燃料電池としては、固体高分子形燃料電池(PEFC)、リン酸形燃料電池(PAFC)、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)、固体酸化物形燃料電池(SOFC)など、発電に伴う発熱により水を加熱して温水を得ることのできる公知の燃料電池を適宜用いることができる。 Fuel cells include polymer electrolyte fuel cells (PEFC), phosphoric acid fuel cells (PAFC), molten carbonate fuel cells (MCFC), solid oxide fuel cells (SOFC), etc. A known fuel cell capable of obtaining warm water by heating water can be used as appropriate.
本発明は、特に、燃料電池からの熱ロスが大きくなりがちな、MCFCやSOFCなどの高温型燃料電池を用いる場合に効果的であり、さらにはSOFCを用いる場合に効果が大きい。 The present invention is particularly effective when using a high-temperature fuel cell such as MCFC or SOFC, which tends to have a large heat loss from the fuel cell, and further effective when using SOFC.
燃料電池システムの公知の構成要素は、必要に応じて適宜設けることができる。具体例を挙げれば、都市ガスや灯油などの炭化水素系燃料に含まれる硫黄分を低減する脱硫器;炭化水素系燃料から改質反応によって水素含有ガス(改質ガス)を製造する改質器;改質ガス中の一酸化炭素濃度をシフト反応によって低減するシフト反応器;改質ガス中の一酸化炭素濃度を選択的に酸化することによってさらに低減する選択酸化反応器;液体を気化させる気化器;各種流体を加圧するためのポンプ、圧縮機、ブロワなどの昇圧手段;流体の流量を調節するため、あるいは流体の流れを遮断/切り替えるためのバルブ等の流量調節手段や流路遮断/切り替え手段;熱交換・熱回収を行うための熱交換器;気体を凝縮する凝縮器;スチームなどで各種機器を外熱する加熱/保温手段;炭化水素系燃料や可燃物の貯蔵手段;計装用の空気や電気系統;制御用の信号系統;制御装置;出力用や動力用の電気系統;および断熱材などである。 Known components of the fuel cell system can be appropriately provided as necessary. For example, a desulfurizer that reduces sulfur content in hydrocarbon fuels such as city gas and kerosene; a reformer that produces hydrogen-containing gas (reformed gas) from hydrocarbon fuels through a reforming reaction A shift reactor that reduces the carbon monoxide concentration in the reformed gas by a shift reaction; a selective oxidation reactor that further reduces the carbon monoxide concentration in the reformed gas by selectively oxidizing; vaporization that vaporizes the liquid; Pressure increasing means such as pumps, compressors, blowers, etc. for pressurizing various fluids; flow rate adjusting means such as valves for adjusting the flow rate of the fluid or shutting off / switching the flow of the fluid, and the flow path blocking / switching Means; Heat exchanger for heat exchange and heat recovery; Condenser for condensing gas; Heating / warming means for externally heating various equipment with steam, etc .; Storage means for hydrocarbon fuels and combustibles; Instrumentation Air or electrical system; signal system for control; the control device; electrical system for output and power; and insulation material and the like.
燃料電池システムの、運転時に貯湯最高温度より高い温度になりうる部分の少なくとも一部が、温水収容領域に少なくとも二方向から囲まれる領域に配される。以下場合により、温水収容領域に少なくとも二方向から囲まれる領域を、包囲領域という。 At least a part of the portion of the fuel cell system that can reach a temperature higher than the maximum hot water storage temperature during operation is disposed in a region surrounded by the hot water storage region from at least two directions. Hereinafter, a region surrounded by the hot water storage region from at least two directions will be referred to as a surrounding region.
貯湯最高温度とは、予め設定され、燃料電池システムの運転時に制御される貯湯槽内温水の最高温度である。 The hot water storage maximum temperature is the maximum temperature of hot water in the hot water tank that is set in advance and is controlled during operation of the fuel cell system.
なお、本発明において、「燃料電池の発電に伴う発熱」は、必ずしも燃料電池における発熱のみを意味するものではなく、燃料電池システム内に、燃料電池以外に、燃料電池で発電を行う際に熱が発生する部分があれば、その発熱をも含む概念である。例えば、改質器にバーナが備わる場合はそのバーナによる発熱、また、シフト反応器や選択酸化反応器で発生する発熱、をも含みうる。燃料電池における発熱および他の部分における発熱の少なくとも一つを利用して水を加温することができ、貯湯槽はこのように加温された温水を収容することができる。 In the present invention, “heat generation due to power generation of the fuel cell” does not necessarily mean only heat generation in the fuel cell, but heat generated when power generation is performed in the fuel cell in addition to the fuel cell in the fuel cell system. This is a concept that includes heat generation if there is a part where the above occurs. For example, when the reformer is equipped with a burner, the heat generated by the burner and the heat generated in the shift reactor or the selective oxidation reactor can be included. Water can be heated by utilizing at least one of heat generation in the fuel cell and heat generation in other portions, and the hot water storage tank can store the warm water thus heated.
〔高温部分〕
燃料電池の発電に伴う発熱を利用して温水を得る燃料電池システムは、その運転時に、貯湯最高温度より高い温度になりうる部分(以下場合により、高温部分という)を有する。
(High temperature part)
A fuel cell system that obtains hot water using heat generated by power generation of a fuel cell has a portion (hereinafter, sometimes referred to as a high-temperature portion) that can reach a temperature higher than the maximum hot water storage temperature during operation.
高温部分として、例えば、燃料電池システムの運転時に、貯湯最高温度より高い温度の流体が流れる配管(以下場合により、高温配管という)や貯湯最高温度より高い温度になる機器もしくは貯湯最高温度より高い温度を発生する機器(以下場合により、高温機器という)を挙げることができる。 For example, when the fuel cell system is operated, the high temperature part is a pipe through which a fluid having a temperature higher than the hot water storage maximum temperature flows (hereinafter, referred to as a high temperature pipe), a device that is higher than the hot water maximum temperature, or a temperature higher than the hot water maximum temperature. Can be cited as an example of a device (hereinafter, referred to as a high temperature device).
高温配管の例としては、燃料電池から排出される排ガス(以下場合により、燃料電池排ガスという)が流通する流路である燃料電池排ガス流路;改質器に水蒸気を供給するために用いられる水蒸気配管;セルスタック(燃料電池)に改質ガスを供給するために用いられる改質ガス配管;および、改質器や気化器等を加熱するために用いられるバーナ等の燃焼器から排出される燃焼ガス配管を挙げることができる。 Examples of the high-temperature pipe include a fuel cell exhaust gas channel that is a channel through which exhaust gas discharged from the fuel cell (hereinafter referred to as fuel cell exhaust gas) flows; steam used to supply steam to the reformer Piping; reformed gas piping used to supply reformed gas to the cell stack (fuel cell); and combustion discharged from a combustor such as a burner used to heat the reformer or vaporizer Gas piping can be mentioned.
高温機器の例として、燃料電池が挙げられる。ただし、PEFCの運転温度は80℃程度とされることが多く、貯湯最高温度によっては、燃料電池が高温機器に該当しない場合もありうる。PAFC、MCFC、SOFCは通常高温機器に該当する。 An example of a high temperature device is a fuel cell. However, the operating temperature of PEFC is often about 80 ° C., and the fuel cell may not correspond to a high temperature device depending on the maximum hot water storage temperature. PAFC, MCFC and SOFC usually correspond to high temperature equipment.
高温機器の例として、炭化水素系燃料を改質して水素含有ガスを製造する水素製造装置を挙げることができる。水素製造装置には、例えば、脱硫器、改質器、シフト反応器、選択酸化反応器が含まれる。 As an example of the high-temperature equipment, a hydrogen production apparatus that reforms a hydrocarbon-based fuel to produce a hydrogen-containing gas can be mentioned. Examples of the hydrogen production apparatus include a desulfurizer, a reformer, a shift reactor, and a selective oxidation reactor.
高温機器の例として、温水と燃料電池排ガスとの間で熱交換を行う熱交換器を挙げることができる。この熱交換器は、例えば、温水収容領域とは区画された、温水が流通する流路と、燃料電池排ガス流路とを含むことができる。 As an example of high temperature equipment, a heat exchanger that performs heat exchange between hot water and fuel cell exhaust gas can be cited. The heat exchanger can include, for example, a flow path through which hot water flows and a fuel cell exhaust gas flow path, which are partitioned from the hot water storage area.
高温機器の例として、燃料電池排ガスの熱を利用して水を気化させる水気化器を挙げることができる。この水気化器は、例えば、温水収容領域とは区画された水が流通する流路である水流路と、燃料電池排ガス流路とを含むことができる。 As an example of the high-temperature equipment, a water vaporizer that vaporizes water by using heat of the fuel cell exhaust gas can be mentioned. This water vaporizer can include, for example, a water channel that is a channel through which water partitioned from the hot water storage region flows, and a fuel cell exhaust gas channel.
高温機器の例として、温水を追い炊きするためなどに用いられる、熱を発生する手段である発熱手段を挙げることができる。発熱手段の例として、バーナ等の燃焼器、および電気ヒータを挙げることができる。 As an example of the high-temperature equipment, there can be mentioned a heat generating means which is a means for generating heat, which is used for additionally cooking hot water. Examples of the heat generating means include a combustor such as a burner and an electric heater.
〔包囲領域〕
燃料電池システムの高温部分の少なくとも一部が、包囲領域(少なくとも二方向から温水収容領域に囲まれる領域)に配される。
[Siege area]
At least a part of the high temperature portion of the fuel cell system is disposed in the surrounding region (region surrounded by the hot water storage region from at least two directions).
したがって、例えば前述した燃料電池、水素製造装置の少なくとも一部(例えば改質器)、温水と燃料電池排ガスとの間の熱交換を行う熱交換器、燃料電池排ガスの熱を利用して水を気化させる気化器などを、包囲領域に配することができる。 Therefore, for example, at least a part of the above-described fuel cell, hydrogen production apparatus (for example, a reformer), a heat exchanger that performs heat exchange between hot water and the fuel cell exhaust gas, and water using the heat of the fuel cell exhaust gas. A vaporizer or the like for vaporization can be arranged in the surrounding area.
以下、包囲領域の形態について説明する。 Hereinafter, the form of the surrounding area will be described.
図1に示す形態では、包囲領域1は、貯湯槽2の内部の温水収容領域2aに埋没する領域である。包囲領域1は、全方向から温水収容領域2aに囲まれる。この包囲領域に、例えば燃料電池モジュール(高温機器として燃料電池を含む)を配することができる。
In the form shown in FIG. 1, the surrounding
図2に示す形態では、包囲領域1は直方体状であり、4方向から温水収容領域2aに囲まれる。残りの2方向からは温水収容領域に囲まれない。例えば、貯湯槽に開口が四角である貫通孔を設け、ここに燃料電池モジュールを配することができる。
In the form shown in FIG. 2, the surrounding
なお、本明細書において「直方体」は「立方体」を含む概念である。 In this specification, “cuboid” is a concept including “cube”.
図3に示す形態では、包囲領域1は直方体状であり、5方向から温水収容領域2aに囲まれる。残りの1方向からは温水収容領域に囲まれない。例えば、貯湯槽に直方体状の窪みを設け、ここに燃料電池モジュールを配することができる。
In the form shown in FIG. 3, the
図4に示す形態では、包囲領域1は直方体状であり、2方向から温水収容領域2aに囲まれる。残りの4方向からは温水収容領域に囲まれない。
In the form shown in FIG. 4, the surrounding
図1〜4では、包囲領域1を直方体状としたが、その限りではない。例えば円柱状もしくは円柱の一部の形状など、特に包囲領域の形状は問わない。
1-4, although the surrounding area |
図5に示す形態では、包囲領域1が扇柱(横断面が1/4円)であり、その曲面(円柱面)が多方向から温水収容領域2aに囲まれる。
In the form shown in FIG. 5, the surrounding
包囲領域と温水収容領域との間を、適宜隔壁によって区画し、温水が包囲領域に浸入しないようにすることができる。 A space between the surrounding area and the hot water storage area can be appropriately partitioned so that the hot water does not enter the surrounding area.
貯湯槽は、燃料電池、各種流体が流れる流路、電力線、信号線、断熱材などの燃料電池システムを構成する要素の形状や配置に応じて、適宜の形状とすることができる。 The hot water storage tank can have an appropriate shape according to the shape and arrangement of elements constituting the fuel cell system, such as a fuel cell, a flow path through which various fluids flow, a power line, a signal line, and a heat insulating material.
放熱抑制の観点から、燃料電池システムの高温部分を配する包囲領域は、貯湯槽の上部の比較的温度の高い位置に配するのが好ましい。例えば、包囲領域が、高温で作動する固体酸化物形燃料電池モジュールを含む場合、このような配置にすることで、比較的コストが高いモジュール周囲の断熱材の低減を図ることができる。また、モジュールの温度維持のために供給する燃料流量の低減とそれによる発電効率向上を図ることができる。 From the viewpoint of suppressing heat dissipation, it is preferable that the surrounding region in which the high-temperature part of the fuel cell system is disposed is disposed at a relatively high temperature position above the hot water tank. For example, when the surrounding region includes a solid oxide fuel cell module that operates at a high temperature, such an arrangement can reduce heat insulation around the module, which is relatively expensive. In addition, it is possible to reduce the flow rate of fuel supplied to maintain the temperature of the module and thereby improve the power generation efficiency.
図6に、本発明の燃料電池システムの一形態の断面を模式的に示す。ここでは、燃料電池は燃料電池モジュール3に含まれている。燃料電池システムは、燃料電池の発電に伴う発熱により加温される温水を収容する貯湯槽2も有する。
FIG. 6 schematically shows a cross section of one embodiment of the fuel cell system of the present invention. Here, the fuel cell is included in the
燃料電池モジュールは、少なくとも燃料電池を筐体(モジュール容器)に収納したものであり、筐体内に燃料電池システムの公知の構成要素および必要な配管、配線を、必要に応じて、また、作動温度等の条件に応じて、適宜収納することができる。 The fuel cell module is a module in which at least a fuel cell is housed in a housing (module container). Known components of the fuel cell system and necessary piping and wiring are placed in the housing as needed, and the operating temperature. Depending on the conditions, etc., it can be stored appropriately.
貯湯槽は、前記温水を収容する領域である温水収容領域2aを有する。温水収容領域2aには水が供給される。燃料電池の発電に伴う発熱によりこの水が加温され温水となる。温水は、温水収容領域から排出され、需要先に供給される。
The hot water storage tank has a hot
温水収容領域内の温水が包囲領域の内部に浸入しないよう、包囲領域は、温水収容領域とは区画されている。 The surrounding area is partitioned from the warm water accommodation area so that the warm water in the warm water accommodation area does not enter the inside of the enclosure area.
包囲領域は、温水収容領域2aの内部に埋没する領域とされる。つまり包囲領域は温水収容領域によって全方位から取り囲まれる。燃料電池モジュール3は、この包囲領域1に配されている。
The surrounding area is an area buried in the hot
このような貯湯槽の構造として、貯湯槽の外壁2cより内側に、包囲領域1を形成するための内壁2bを形成した、いわゆる二重構造を採用することができる。適宜支柱を用いて内壁2bを外壁2cに固定することができる。貯湯槽を、複数の部分に分割した構成を採用することもできる(この形態については図7を用いて後述する)。
As such a hot water tank structure, a so-called double structure in which an
包囲領域に、燃料電池システムの高温部分の少なくとも一部が配される。 At least a portion of the high temperature portion of the fuel cell system is disposed in the enclosed region.
燃料電池から排出される排ガスが流通する流路、すなわち燃料電池排ガス流路4が、温水収容領域を貫通して設けられる。これにより、燃料電池排ガスが持つ熱を温水の形で回収することができる。図6に示した形態では、燃料電池排ガス流路4を一つの配管で形成するのではなく、複数の配管(図6では3本)によって形成している。燃料電池排ガスを分岐して複数の配管に流すことで、伝熱面積を大きくとることができる。
A flow path through which the exhaust gas discharged from the fuel cell circulates, that is, a fuel cell exhaust
燃料電池排ガス流路4には、燃料電池のアノードもしくはカソードから排出されるガス、すなわちアノードオフガスもしくはカソードオフガスが、反応や熱回収を経ることなく流されてもよいし、何らかの反応や熱回収を経た後に流されてもよい。例えば、アノードオフガス中の可燃成分を、カソードオフガスを用いて燃焼させた燃焼ガスを、場合によってはこの燃焼ガスから熱回収を行った後に、燃料電池排ガス流路4に流すことができる。
Gas discharged from the anode or cathode of the fuel cell, that is, anode off-gas or cathode off-gas, may flow through the fuel cell exhaust
なお図示は省略してあるが、燃料電池排ガス流路4以外にも、包囲領域に配された機器に流体を供給するための配管や、包囲領域に配された機器から流体を排出する配管、電気配線や信号配線など、包囲領域に配された機器を運転するために必要な配管や配線は、適宜設けられる。
Although illustration is omitted, in addition to the fuel cell exhaust
図7を用いて本発明の別の形態について説明する。この図に示すように、貯湯槽2を第一の部分2−1と第二の部分2−1に分けて製作することができる。貯湯槽の第一の部分2−1が第一の温水収容領域2−1aを有し、貯湯槽の第二の部分2−2が温水収容領域2−2aを有する。二つの部分のうちの少なくとも一方(図2では第一の部分2−1)には、包囲領域1として利用される窪みを設ける。この一方の部分と、他方の部分(図2では、第二の部分2−2)とを、窪みを内側にして重ねることにより、温水収容領域2−1aおよび2−2aによって包囲領域1が囲まれた構造を得ることができる。これら二つの温水収容領域の間を適宜連通させ、温水を流通させることができる。
Another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. As shown in this figure, the
図8を用いて本発明のさらに別の形態について説明する。一般に、熱交換器を用いて燃料電池排ガスと給湯用水を熱交換させることが行われている。この図に示したように、この熱交換器と貯湯槽を一体にすることができる。あるいは、この熱交換器を貯湯槽と別体として貯湯槽の間隙に配することができる。つまり、温水収容領域内の、貯湯槽の壁とは離間した位置に、熱交換器を配することができる。これらいずれの場合においても、スペースの制約が少なく熱交換器の伝熱面積の確保が容易なため、熱交換器構造の簡素化および低コスト化を図ることができる。 Still another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Generally, heat exchange is performed between fuel cell exhaust gas and hot water supply water using a heat exchanger. As shown in this figure, the heat exchanger and the hot water tank can be integrated. Alternatively, this heat exchanger can be arranged separately from the hot water tank in the gap between the hot water tanks. That is, the heat exchanger can be arranged at a position in the hot water storage area that is separated from the wall of the hot water tank. In any of these cases, there is little space restriction and it is easy to secure the heat transfer area of the heat exchanger, so that the heat exchanger structure can be simplified and the cost can be reduced.
具体的には、燃料電池排ガス流路4とは別に、温水収容領域2aとは区画された、温水が流通する流路6(以下場合により、温水流通流路という)を設ける。温水流通流路6と燃料電池排ガス流路4とは隣接しており、温水流通流路6を流れる温水と燃料電池排ガス流路4を流れる燃料電池排ガスとの間で熱交換が行われ、燃料電池排ガスからの熱回収が行われる。例えば燃料電池排ガス流路4を形成する配管を、より大きな径の配管5で囲み、シェルアンドチューブ型の熱交換器7を構成することができる。配管5はシェルアンドチューブ型熱交換器のシェルを形成する。温水流通流路6には、温水収容領域2a内の水をポンプ8によって昇圧して供給する。温水流通流路6は包囲領域1の内部と連通することなく、燃料電池排ガスの熱回収を行った後の温水が温水流通流路6から温水収容領域2aに戻される。温水流通流路6はその入り口および出口において温水収容領域2aと連通する。入り口および出口以外においては、温水流通流路6は、温水収容領域2aと連通しない。なお、流路6の入り口は、ポンプ8を介して温水収容領域2aと連通する。
Specifically, separately from the fuel cell exhaust
熱交換器7は、温水収容領域の内側に位置する。この熱交換器の周面、つまり配管5の周囲は温水収容領域によって取り囲まれる。一方、この熱交換器の底面は温水収容領域によって取り囲まれていない。つまり、この熱交換器は温水収容領域の内部に埋没して設けられる必要はない。
The
上記形態では、シェルアンドチューブ型の熱交換器を用いたが、その限りでなく、プレートフィン型など、適宜の種類の熱交換器を用いることができる。また、上記形態では、シェル側に温水、チューブ側に燃料電池排ガスが流れるが、その逆でも良い。また、温水収容領域内の、貯湯槽の壁とは離間した位置に、熱交換器を配する場合、必要に応じ、貯湯槽の壁と熱交換器との間に断熱材を配することができる。 In the above embodiment, the shell and tube type heat exchanger is used, but not limited thereto, an appropriate type of heat exchanger such as a plate fin type can be used. In the above embodiment, warm water flows on the shell side and fuel cell exhaust gas flows on the tube side. In addition, when the heat exchanger is disposed in the hot water storage area at a position separated from the wall of the hot water tank, a heat insulating material may be disposed between the wall of the hot water tank and the heat exchanger as necessary. it can.
図9を用いて、本発明のさらに別の形態について説明する。この形態は、燃料電池排ガスと水とを熱交換させて水蒸気を発生させる水気化器を用いる場合に利用できる。この形態によれば、スペースの制約が少なく伝熱面積の確保が容易なため、水気化器構造の簡素化および低コスト化を図ることができる。 Still another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. This configuration can be used when a water vaporizer that generates heat vapor by exchanging heat between the fuel cell exhaust gas and water is used. According to this embodiment, since there is little space restriction and it is easy to secure the heat transfer area, the structure of the water vaporizer can be simplified and the cost can be reduced.
具体的には、図9に示した形態においては、図8に示した形態の熱交換器7のシェル側が仕切り板9によって二つに区切られた構造を有する。仕切り板9の下側の部分、つまり燃料電池排ガス流れ方向について下流側の部分は、燃料電池排ガスと温水とを熱交換させる熱交換器7として利用される。仕切り板9の上側の部分、つまり燃料電池排ガス流れ方向について上流側の部分は、水気化器10として利用される。水気化器10のシェル側には、温水とは別に供給される水が供給され、この水が燃料電池排ガスによって加熱されて水蒸気が発生する。ここでは、燃料電池モジュール3が、炭化水素系燃料から水素含有ガスを製造する改質器(不図示)を含み、改質器に供給する水蒸気を、水気化器10にて発生させている。つまり、温水とは別に改質用水をポンプ11にて昇圧して水気化器10のシェル側に供給し、水気化器で発生した水蒸気を適宜の配管によって燃料電池モジュール3に供給する。
Specifically, the form shown in FIG. 9 has a structure in which the shell side of the
上記形態では、熱交換器を仕切り板により区切ることで、水気化器を構成するが、その限りでなく、この水気化器を熱交換器と離間して配することができる。 In the said form, although a water vaporizer is comprised by partitioning a heat exchanger with a partition plate, it is not restricted to this, This water vaporizer can be distribute | arranged and spaced apart from a heat exchanger.
図10、図11を用いて、本発明のさらに別の形態について説明する。この形態は、図9の形態に加え、水気化器および貯湯(温水)を加熱するために用いられる発熱手段を用いている。この形態によれば、1つの発熱手段で水気化器の加熱と貯湯の追炊とを行うことができ、コンパクト化、低コスト化を図ることができる。また、発熱手段の環境への放熱が低減されるため、熱効率の向上を図ることができる。発熱手段としては、バーナや電気ヒータなど、適宜ものが用いられる。 Still another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. This form uses heating means used for heating the water vaporizer and hot water (hot water) in addition to the form of FIG. According to this embodiment, the water vaporizer can be heated and the hot water can be reheated with a single heat generating means, so that compactness and cost reduction can be achieved. Moreover, since heat radiation to the environment of the heat generating means is reduced, it is possible to improve the thermal efficiency. As the heat generating means, a suitable one such as a burner or an electric heater is used.
具体的には、図10に示した形態においては、図9に示した形態の水気化器10より上に発熱手段としてバーナ12が配され、バーナ用の燃料および空気がそれぞれ燃料ポンプ13および空気ブロワ14を経て供給される。バーナ排ガスと燃料電池排ガスとは混合され、水気化器10および熱交換器7に供給される。図10では、バーナ排ガスと燃料電池排ガスは混合され、水気化器10および熱交換器7に供給されるが、別々に水気化器10および熱交換器7に供給することができる。温水収容領域2a内の水は、配管17を経て、バーナ12の近傍に配されたコイル状配管16を流通し、ここで加熱され、配管18を経て需要先に供給される。追炊を行う際は、バーナ12の熱出力が増加され、水がコイル状配管を流通する際に加熱される。図10では、水気化器より上にバーナが配されるが、その限りでなく、水気化器の内部または周囲(水気化器の上下を含む)など、適宜の場所に配することができる。また、図10では、コイル状配管を用いているが、その限りでなく、発熱手段で発生する熱との熱交換によって、温水収容領域から供給される温水を加熱することのできる、シェルアンドチューブ型、プレートフィン型など、適宜の種類の熱交換構造を用いることができる。
Specifically, in the form shown in FIG. 10, a
図11に示した形態においては、図10と異なり、水気化器10の側面に発熱手段として電気ヒータ15が配され、電気ヒータ15の近傍にコイル状配管が配される。図11では、電気ヒータが水気化器の側面に配されるが、その限りでなく、水気化器の内部または周囲(水気化器の側面、上下面を含む)など、適宜の場所に配することができる。
In the form shown in FIG. 11, unlike FIG. 10, an
図10、図11いずれの場合においても、発熱手段の上流および下流の水流路(コイル状配管に水を供給する配管17およびコイル状配管から水を排出する配管18)は、貯湯槽の上部の比較的温度の高い位置に配し、なるべく表面積を小さくするのが熱効率の観点から望ましい。
10 and FIG. 11, the water flow paths upstream and downstream of the heat generating means (the
包囲領域に燃料電池システムの高温部分の少なくとも一部を配することにより、特に好ましくは包囲領域を温水収容領域の中に埋没させて配置することにより、比較的高温の機器や配管からの放熱を水によって回収することができ、これら機器や配管から外界への熱ロスを大幅に抑制することができる。 By disposing at least a part of the high temperature part of the fuel cell system in the surrounding area, particularly preferably by disposing the surrounding area in the hot water storage area, heat dissipation from relatively hot equipment and piping It can be recovered by water, and heat loss from these devices and pipes to the outside can be greatly suppressed.
〔炭化水素系燃料〕
炭化水素系燃料としては、改質ガスの原料として燃料電池システムの分野で公知の、分子中に炭素と水素を含む(酸素など他の元素を含んでもよい)化合物もしくはその混合物から適宜選んで用いることができ、炭化水素類、アルコール類など分子中に炭素と水素を有する化合物を用いることができる。例えばメタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、LPG(液化石油ガス)、都市ガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油等の炭化水素燃料、また、メタノール、エタノール等のアルコール、ジメチルエーテル等のエーテル等である。
[Hydrocarbon fuel]
As the hydrocarbon-based fuel, it is used by appropriately selecting from a compound or mixture thereof containing carbon and hydrogen (may contain other elements such as oxygen) known in the field of fuel cell systems as a raw material for reformed gas. In addition, compounds having carbon and hydrogen in the molecule such as hydrocarbons and alcohols can be used. For example, hydrocarbon fuels such as methane, ethane, propane, butane, natural gas, LPG (liquefied petroleum gas), city gas, gasoline, naphtha, kerosene, light oil, etc., alcohols such as methanol and ethanol, ethers such as dimethyl ether, etc. is there.
なかでも灯油やLPGは、入手容易であり好ましい。また独立して貯蔵可能であるため、都市ガスのラインが普及していない地域において有用である。さらに、灯油やLPGを利用した燃料電池システムは、非常用電源として有用である。特には、取り扱いも容易である点で、灯油が好ましい。 Of these, kerosene and LPG are preferred because they are readily available. Moreover, since it can be stored independently, it is useful in areas where city gas lines are not widespread. Furthermore, a fuel cell system using kerosene or LPG is useful as an emergency power source. In particular, kerosene is preferable because it is easy to handle.
本発明の燃料電池システムは、例えば家庭用の、コージェネレーションシステムとして利用できる。 The fuel cell system of the present invention can be used as, for example, a household cogeneration system.
1 包囲領域
2 貯湯槽
2a 温水収容領域
2b 貯湯槽内壁
2c 貯湯槽外壁
3 燃料電池モジュール
4 燃料電池排ガス流路
5 熱交換器外壁
6 温水流路
7 熱交換器
8 ポンプ
9 仕切り板
10 水気化器
11 ポンプ
12 バーナ
13 バーナ用燃料ポンプ
14 バーナ用空気ブロワ
15 電気ヒータ
16 コイル状配管
17 コイル状配管に水を供給する配管
18 コイル状配管から水を排出する配管
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記貯湯槽が、前記温水を収容する領域である温水収容領域を有し、
燃料電池システムの、運転時に貯湯最高温度より高い温度になりうる部分の少なくとも一部が、前記温水収容領域に少なくとも二方向から囲まれる領域に配され、かつ、
燃料電池が、前記温水収容領域に少なくとも二方向から囲まれる領域に配され、かつ、
燃料電池システムが、炭化水素系燃料を改質して水素含有ガスを製造する水素製造装置を含み、
前記水素製造装置の少なくとも一部が、前記温水収容領域に少なくとも二方向から囲まれる領域に配され、かつ、
燃料電池から排出される排ガスが流通する流路である燃料電池排ガス流路が、前記温水収容領域に少なくとも二方向から囲まれる領域に配され、かつ、
前記温水収容領域とは区画された前記温水が流通する流路と前記燃料電池排ガス流路とを含む、前記温水と前記燃料電池排ガスとの間で熱交換を行う熱交換器が、前記温水収容領域に少なくとも二方向から囲まれる領域に配され、かつ、
前記温水収容領域とは区画された水が流通する流路である水流路と前記燃料電池排ガス流路とを含む、前記水流路を流れる水を気化させる水気化器が、前記温水収容領域に少なくとも二方向から囲まれる領域に配され、かつ、
前記熱交換器および水気化器が、一つの熱交換器の低温流体側流路が仕切り板によって二つに仕切られることで形成された
燃料電池システム。 A fuel cell system comprising at least a fuel cell and a hot water storage tank for storing hot water heated by heat generated by power generation of the fuel cell,
The hot water storage tank has a hot water storage area that is an area for storing the hot water,
The fuel cell system, at least some of the portions can be a higher temperature than the hot water storage maximum temperature during operation, it is arranged in a region surrounded by at least two directions to the hot water receiving region, and,
A fuel cell is disposed in a region surrounded by the hot water storage region from at least two directions; and
The fuel cell system includes a hydrogen production apparatus that reforms a hydrocarbon fuel to produce a hydrogen-containing gas,
At least a part of the hydrogen production device is disposed in a region surrounded by the hot water storage region from at least two directions, and
A fuel cell exhaust gas channel, which is a channel through which exhaust gas discharged from the fuel cell circulates, is disposed in a region surrounded by the hot water storage region from at least two directions; and
A heat exchanger for exchanging heat between the hot water and the fuel cell exhaust gas, comprising the partitioned hot water flow path and the fuel cell exhaust gas flow path, wherein the hot water storage area is the hot water storage Arranged in an area surrounded by the area from at least two directions, and
A water vaporizer that vaporizes water flowing through the water flow path, including a water flow path that is a flow path through which partitioned water flows and the fuel cell exhaust gas flow path, is provided in the hot water storage area. Arranged in the area surrounded from two directions, and
The fuel cell system, wherein the heat exchanger and the water vaporizer are formed by dividing a low-temperature fluid side flow path of one heat exchanger into two by a partition plate .
請求項1記載の燃料電池システム。The fuel cell system according to claim 1.
前記熱交換構造で加熱された温水を、燃料電池システム外に排出する配管を有する A pipe for discharging the hot water heated by the heat exchange structure to the outside of the fuel cell system;
請求項3記載の燃料電池システム。The fuel cell system according to claim 3.
請求項1〜4の何れか一項記載の燃料電池システム。 The region surrounded by at least two directions in the hot water storage region includes a region buried in the hot water storage region,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4 .
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