JP5383111B2

JP5383111B2 - Fuel cell

Info

Publication number: JP5383111B2
Application number: JP2008194582A
Authority: JP
Inventors: 栄造松井
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2008-07-29
Filing date: 2008-07-29
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2028-07-29
Also published as: JP2010033880A

Description

本発明は、燃料電池の発電により生じる排ガスと水とで熱交換を行なう燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell that performs heat exchange between exhaust gas generated by power generation of a fuel cell and water.

近年、次世代エネルギーとして、水素含有ガスと酸素含有ガス（通常、空気である）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルと、この燃料電池セルを稼動するための補機類とを外装ケース内に収納してなる燃料電池装置と、給湯システムとを組み合わせてなる燃料電池およびその運転方法が種々提案されている。 In recent years, as a next-generation energy, a fuel battery cell capable of obtaining electric power using a hydrogen-containing gas and an oxygen-containing gas (usually air), and auxiliary equipment for operating the fuel battery cell Various fuel cells that combine a fuel cell device housed in an outer case and a hot water supply system and their operating methods have been proposed.

このような燃料電池においては、燃料電池装置内に収納された熱交換器と、貯湯タンクとを循環配管にて接続することにより、燃料電池セルの発電等により生じた排ガスの熱と循環配管を流れる水とで熱交換することでお湯を生成することができ、発電効率のよい燃料電池とすることができる。 In such a fuel cell, the heat exchanger accommodated in the fuel cell device and the hot water storage tank are connected by a circulation pipe, so that the heat of the exhaust gas generated by the power generation of the fuel cell and the circulation pipe are reduced. By exchanging heat with flowing water, hot water can be generated, and a fuel cell with high power generation efficiency can be obtained.

また、このような燃料電池においては、熱交換器入口や出口の近傍に位置する循環配管に設けられた温度センサが測定する循環配管を流れる水の温度に基づいて、循環ポンプの動作を制御することが知られている（たとえば、特許文献１参照。）。
特開２００６−２４４３０号公報 In such a fuel cell, the operation of the circulation pump is controlled based on the temperature of water flowing through the circulation pipe measured by a temperature sensor provided in the circulation pipe located near the heat exchanger inlet and outlet. It is known (for example, refer to Patent Document 1).
JP 2006-24430 A

ところで、上述したような燃料電池においては、燃料電池セルの発電等により生じる排ガスの熱量が急激に増大した場合において、熱交換器内を流れる水の温度と、熱交換器の出口に接続された循環配管を流れる水の温度（出口水温）とが差を生じる場合や、熱交換器内を流れる水の温度が上昇してから温度センサがその温度上昇を検知するまでの間に大きなタイムラグが生じる場合がある。 By the way, in the fuel cell as described above, when the amount of heat of the exhaust gas generated by the power generation of the fuel cell rapidly increases, the temperature of the water flowing in the heat exchanger and the outlet of the heat exchanger are connected. A large time lag occurs between the temperature of the water flowing through the circulation pipe (outlet water temperature) or when the temperature of the water flowing in the heat exchanger rises until the temperature sensor detects the temperature rise. There is a case.

この場合に、特に熱交換器内を流れる水の温度が上昇すると、熱交換器内にて熱交換器内を流れる水が蒸発して水に含まれる成分（カルシウム等）が析出し、その析出物（スケール）が熱交換器に付着することで、熱交換器が腐食するおそれがある。 In this case, especially when the temperature of the water flowing in the heat exchanger rises, the water flowing in the heat exchanger evaporates in the heat exchanger and the components (calcium, etc.) contained in the water precipitate, and the precipitation If the object (scale) adheres to the heat exchanger, the heat exchanger may corrode.

それゆえ、本発明においては、熱交換器を流れる水の温度を適切に検知できるとともに、熱交換器内を流れる水に含まれる成分が析出し、熱交換器が腐食することを抑制するこを可能とする燃料電池を提供することを目的とする。 Therefore, in the present invention, it is possible to appropriately detect the temperature of the water flowing through the heat exchanger and to prevent the components contained in the water flowing through the heat exchanger from depositing and corroding the heat exchanger. An object of the present invention is to provide a fuel cell that can be made possible.

本発明の燃料電池は、燃料電池セルと、該燃料電池セルの発電により生じる排ガスと水とで熱交換を行なう熱交換器と、該熱交換器で熱交換された水を貯水するための貯湯タンクと、前記熱交換器と前記貯湯タンクとの間で水を循環させるための循環配管と、該循環配管に設けられた循環ポンプと、該循環ポンプの動作を制御する制御装置と、前記循環配管のうち前記熱交換器の出口側に設けられた出口水温センサと、前記熱交換器内に設けられ、該熱交換器内を流れる水の温度を測定するための水温測定用センサとを具備し、前記
前記制御装置は、通常運転時は、前記貯湯タンクに貯水される水が所定の温度範囲となるように、前記出口水温センサにより測定される温度に基づいて、前記循環ポンプの動作を制御するとともに、前記水温測定用センサにより測定される前記熱交換器内を流れる水の温度が、前記貯湯タンクに貯水する水の貯湯設定温度から水に含まれる成分が析出する温度の範囲で設定される第１の設定温度以上となった場合に、前記循環配管を流れる水の流量を増大させるように、前記循環ポンプの動作を制御することを特徴とする。
A fuel cell according to the present invention includes a fuel cell, a heat exchanger that performs heat exchange between exhaust gas generated by power generation of the fuel cell and water, and hot water storage for storing water that has been heat-exchanged by the heat exchanger. A tank, a circulation pipe for circulating water between the heat exchanger and the hot water storage tank, a circulation pump provided in the circulation pipe, a control device for controlling the operation of the circulation pump, and the circulation It comprises an outlet water temperature sensor provided on the outlet side of the heat exchanger of the pipe, provided in the heat exchanger, and a coolant temperature measurement sensor for measuring the temperature of the water flowing through the heat exchanger And said
In the normal operation, the control device controls the operation of the circulation pump based on the temperature measured by the outlet water temperature sensor so that the water stored in the hot water storage tank is in a predetermined temperature range. The temperature of the water flowing through the heat exchanger measured by the water temperature measuring sensor is set within a range of the temperature at which the components contained in the water precipitate from the set temperature of the hot water stored in the hot water storage tank. The operation of the circulation pump is controlled so as to increase the flow rate of water flowing through the circulation pipe when the temperature becomes equal to or higher than a preset temperature of 1 .

このような燃料電池においては、水温測定用センサが測定する熱交換器内を流れる水の温度が貯湯タンクに貯水する水の貯湯設定温度から水に含まれる成分が析出する温度の範囲内で設定される第１の設定温度以上となった場合に、循環配管を流れる水の流量を増大させるように、循環ポンプの動作を制御することにより、熱交換器内を流れる水の温度を下げることができ、それにより、熱交換器内を流れる水の蒸発を抑制し、水に含まれる成分の析出を抑制して、熱交換器の腐食を抑制することができる。また、第１の設定温度が、貯湯タンクに貯水する水の貯湯設定温度から水に含まれる成分が析出する温度の範囲内で設定されることから、貯湯タンクに供給する水の温度を下げることなく、熱交換器の腐食を抑制することができる。
In such a fuel cell, the temperature of the water flowing in the heat exchanger measured by the water temperature measuring sensor is set within the range of the temperature at which the components contained in the water precipitate from the set temperature of the hot water stored in the hot water storage tank. The temperature of the water flowing in the heat exchanger can be lowered by controlling the operation of the circulation pump so as to increase the flow rate of the water flowing through the circulation pipe when the temperature becomes equal to or higher than the first set temperature. Thus, evaporation of water flowing in the heat exchanger can be suppressed, precipitation of components contained in water can be suppressed, and corrosion of the heat exchanger can be suppressed. In addition, since the first set temperature is set within the range of the temperature at which the components contained in the water precipitate from the stored hot water temperature of the water stored in the hot water storage tank, the temperature of the water supplied to the hot water storage tank is lowered. And corrosion of the heat exchanger can be suppressed.

また、本発明の燃料電池は、前記制御装置は、前記水温測定用センサが測定する温度が第１の設定温度未満となった場合には、前記出口水温センサにより測定される温度に基づいて、前記循環ポンプの動作を制御することが好ましい。
Further, in the fuel cell of the present invention, when the temperature measured by the water temperature measuring sensor is lower than the first set temperature, the control device, based on the temperature measured by the outlet water temperature sensor, Rukoto to control the operation of the circulation pump is preferred.

このような燃料電池においては、制御装置が、水温測定用センサが測定する温度が第１の設定温度未満となった場合には、出口水温センサにより測定される温度に基づいて、循環ポンプの動作を制御することから、安定して所定の温度の水を貯湯タンクに供給することができる。
In such a fuel cell, when the temperature measured by the sensor for measuring the water temperature is lower than the first set temperature, the operation of the circulation pump is performed based on the temperature measured by the outlet water temperature sensor. Therefore, water having a predetermined temperature can be stably supplied to the hot water storage tank.

また、本発明の燃料電池は、前記制御装置は、前記水温測定用センサが測定する前記熱交換器内を流れる水の温度が前記第１の設定温度以上を所定時間継続した場合に、前記燃料電池の発電量を低下させるかもしくは停止するように制御することが好ましい。 In the fuel cell of the present invention, the control device may be configured such that when the temperature of the water flowing through the heat exchanger measured by the water temperature measurement sensor continues above the first set temperature for a predetermined time, It is preferable to control the power generation amount of the battery to be reduced or stopped.

このような燃料電池においては、水温測定用センサが測定する熱交換器内を流れる水の温度が第１の設定温度以上を所定時間継続した場合に、燃料電池の発電量を低下させるかもしくは停止することにより、熱交換器内を流れる水の温度を低下することができる。それゆえ、熱交換器内を流れる水の蒸発を抑制し、水に含まれる成分の析出を抑制して、熱交換器の腐食を抑制することができる。またあわせて、燃料電池の寿命を長くすることができる。 In such a fuel cell, when the temperature of the water flowing through the heat exchanger measured by the water temperature measurement sensor continues above the first set temperature for a predetermined time, the power generation amount of the fuel cell is reduced or stopped. By doing so, the temperature of the water flowing in the heat exchanger can be lowered. Therefore, evaporation of water flowing in the heat exchanger can be suppressed, precipitation of components contained in water can be suppressed, and corrosion of the heat exchanger can be suppressed. In addition, the life of the fuel cell can be extended.

本発明の燃料電池は、燃料電池セルと、該燃料電池セルの発電により生じる排ガスと水とで熱交換を行なう熱交換器と、該熱交換器で熱交換された水を貯水するための貯湯タンクと、前記熱交換器と前記貯湯タンクとの間で水を循環させるための循環配管と、該循環配管に設けられた循環ポンプと、該循環ポンプの動作を制御する制御装置と、前記循環配管のうち前記熱交換器の出口側に設けられた出口水温センサと、前記熱交換器内に設けられ、該熱交換器内を流れる水の温度を測定するための水温測定用センサとを具備し、前記制御装置は、通常運転時は、前記貯湯タンクに貯水される水が所定の温度範囲となるように、前記出口水温センサにより測定される温度に基づいて、前記循環ポンプの動作を制御するとともに、前記水温測定用センサにより測定される前記熱交換器内を流れる水の温度が、前記貯湯タンクに貯水する水の貯湯設定温度から水に含まれる成分が析出する温度の範囲で設定される第１の設定温度以上となった場合に、前記循環配管を流れる水の流量を増大させるように、前記循環ポンプの動作を制御することから、熱交換器の腐食を抑制することができる。

A fuel cell according to the present invention includes a fuel cell, a heat exchanger that performs heat exchange between exhaust gas generated by power generation of the fuel cell and water, and hot water storage for storing water that has been heat-exchanged by the heat exchanger. A tank, a circulation pipe for circulating water between the heat exchanger and the hot water storage tank, a circulation pump provided in the circulation pipe, a control device for controlling the operation of the circulation pump, and the circulation It comprises an outlet water temperature sensor provided on the outlet side of the heat exchanger of the pipe, provided in the heat exchanger, and a coolant temperature measurement sensor for measuring the temperature of the water flowing through the heat exchanger In the normal operation, the control device controls the operation of the circulation pump based on the temperature measured by the outlet water temperature sensor so that the water stored in the hot water storage tank is in a predetermined temperature range. And for measuring the water temperature The temperature of the water flowing in the heat exchanger measured by the sensor is equal to or higher than a first set temperature set in a range of a temperature at which a component contained in the water precipitates from a stored hot water temperature stored in the hot water storage tank. In this case, since the operation of the circulation pump is controlled so as to increase the flow rate of water flowing through the circulation pipe , corrosion of the heat exchanger can be suppressed.

図１は、本発明の燃料電池の構成の一例を示した構成図であり、図２は本発明の燃料電池を構成する熱交換器の一例を示す外観斜視図である。まず、図１および図２を用いて本発明の燃料電池の構成の一例について説明し、その後燃料電池の運転について説明する
図１においては、燃料電池セル１や燃料電池セル１の発電に必要な補機類を収納してなる発電ユニットと、貯湯タンク１８を具備する貯湯ユニットと、これらのユニット間を水が循環するための循環配管１７とあわせて、本発明の燃料電池が構成されている。 FIG. 1 is a configuration diagram showing an example of the configuration of the fuel cell of the present invention, and FIG. 2 is an external perspective view showing an example of a heat exchanger constituting the fuel cell of the present invention. First, an example of the configuration of the fuel cell according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2, and then the operation of the fuel cell will be described. In FIG. 1, the fuel cell 1 and the fuel cell 1 necessary for power generation are described. The fuel cell of the present invention is configured by combining a power generation unit containing auxiliary equipment, a hot water storage unit having a hot water storage tank 18 and a circulation pipe 17 for circulating water between these units. .

図１に示す発電ユニットは、燃料電池セル１、天然ガスや灯油等の被改質ガスを供給する被改質ガス供給手段２、酸素含有ガスを燃料電池セル１に供給するための酸素含有ガス供給手段３、被改質ガスと水蒸気により水蒸気改質する改質器４を具備している。なお、燃料電池セル１は、収納容器内に収納することで燃料電池モジュール１とすることができ、また改質器４を燃料電池セル１とあわせて収納容器内に収納することもできる。 The power generation unit shown in FIG. 1 includes a fuel cell 1, a reformed gas supply means 2 that supplies a gas to be reformed such as natural gas and kerosene, and an oxygen-containing gas for supplying an oxygen-containing gas to the fuel cell 1. A supply means 3 and a reformer 4 for steam reforming with a gas to be reformed and steam are provided. The fuel battery cell 1 can be made into the fuel battery module 1 by being housed in the housing container, and the reformer 4 can be housed in the housing container together with the fuel battery cell 1.

また、図１に示す発電ユニットにおいては、燃料電池セル１の発電により生じた排ガス（排熱）と水とで熱交換を行なう熱交換器１３、熱交換により生成された凝縮水を処理する凝縮水処理装置１９、熱交換器１３で生成された凝縮水を凝縮水処理装置１９に供給するための凝縮水供給管２１が設けられており、凝縮水処理装置１９にて処理された凝縮水は、水タンク１０に貯水された後、水ポンプ１１により改質器４に供給される。なお、凝縮水を処理するための凝縮水処理手段（例えば、イオン交換樹脂等。図示せず。）は、凝縮水処理装置１９のほか、凝縮水供給管２１等にも設けることができる。 Further, in the power generation unit shown in FIG. 1, a heat exchanger 13 that performs heat exchange between exhaust gas (exhaust heat) generated by power generation of the fuel cell 1 and water, and a condensation that processes condensed water generated by the heat exchange. The condensed water supply pipe 21 for supplying the condensed water produced | generated by the water treatment apparatus 19 and the heat exchanger 13 to the condensed water treatment apparatus 19 is provided, and the condensed water processed in the condensed water treatment apparatus 19 is The water is stored in the water tank 10 and then supplied to the reformer 4 by the water pump 11. In addition, the condensed water processing means (for example, ion exchange resin etc., not shown) for processing condensed water can be provided not only in the condensed water processing apparatus 19 but also in the condensed water supply pipe 21 and the like.

一方、凝縮水処理装置１９に供給される凝縮水の量が少ない場合や凝縮水処理手段で処理された後の凝縮水の純度が低い場合においては、外部より供給される水（水道水等）を純水に処理して改質器４に供給することもでき、図１においては外部から供給される水を純水に処理する手段として各水処理装置を具備している。 On the other hand, when the amount of condensed water supplied to the condensed water treatment device 19 is small or when the purity of condensed water after being treated by the condensed water treatment means is low, water supplied from the outside (such as tap water) Can be treated with pure water and supplied to the reformer 4. In FIG. 1, each water treatment device is provided as means for treating the water supplied from the outside into pure water.

ここで、外部より供給される水を改質器４に供給するための各水処理装置としては、水を浄化するための活性炭フィルタ装置７、逆浸透膜装置８および浄化された水を純水にするためのイオン交換樹脂装置９の各装置のうち、少なくともイオン交換樹脂装置９（好ましくは全ての装置）を具備する。そして、イオン交換樹脂装置９にて生成された純水は水タンク１０に貯水される。なお、図１においては、水処理装置として、上記各装置全てを備えるとともに、外部より供給される水の量を調整するための給水弁６が設けられている。また、凝縮水処理装置１９と水タンク１０とがタンク連結管２０にて連結されている。なお、凝縮水のみを改質器４に供給する場合には、凝縮水処理装置１９と改質器４とを水ポンプ１１を介して接続することも可能である。 Here, as each water treatment device for supplying the water supplied from the outside to the reformer 4, the activated carbon filter device 7 for purifying the water, the reverse osmosis membrane device 8, and the purified water is purified water. At least the ion exchange resin device 9 (preferably all devices) is included among the devices of the ion exchange resin device 9 for achieving the above. The pure water generated by the ion exchange resin device 9 is stored in the water tank 10. In addition, in FIG. 1, while providing all the said apparatuses as a water treatment apparatus, the water supply valve 6 for adjusting the quantity of the water supplied from the outside is provided. Further, the condensed water treatment device 19 and the water tank 10 are connected by a tank connecting pipe 20. In the case where only condensed water is supplied to the reformer 4, the condensed water treatment device 19 and the reformer 4 can be connected via the water pump 11.

また、改質器４に水を供給するための各水処理装置および凝縮水処理装置をあわせて、水供給装置Ｘとして表し、図１においては一点鎖線により囲って示している（なお、改質器４と水ポンプ１１を接続する給水管５、タンク連結管２０、凝縮水供給管２１も水供給装置Ｘに含まれるものとする。）。 In addition, each water treatment device and condensate treatment device for supplying water to the reformer 4 are collectively represented as a water supply device X, which is shown by being surrounded by a one-dot chain line in FIG. The water supply pipe 5, the tank connection pipe 20, and the condensed water supply pipe 21 that connect the container 4 and the water pump 11 are also included in the water supply apparatus X).

さらに図１に示す発電ユニットは、燃料電池セル１にて発電された直流電力を交流電力に切り替え外部負荷に供給するためのパワーコンディショナ１２、熱交換器１３の出口に設けられ熱交換器１３の出口を流れる水（循環水流）の温度を測定するための出口水温センサ１５のほか、制御装置１４が設けられており、循環ポンプ１６とあわせて発電ユニットが構成されている。なお、制御装置１４については後に詳述する。そして、これら発電ユニットを構成する各装置を、外装ケース内に収納することで、設置や持ち運び等が容易な燃料電池装置とすることができる。また図示していないが、被改質ガス供給手段２と改質器４との間に、被改質ガスを加湿するための被改質ガス加湿器を設けることも可能である。 Further, the power generation unit shown in FIG. 1 is provided at the outlet of the power conditioner 12 and the heat exchanger 13 for switching the DC power generated in the fuel cell 1 to AC power and supplying it to an external load. In addition to an outlet water temperature sensor 15 for measuring the temperature of the water flowing through the outlet (circulated water stream), a control device 14 is provided, and a power generation unit is configured together with the circulation pump 16. The control device 14 will be described in detail later. And each apparatus which comprises these electric power generation units can be set as a fuel cell apparatus with easy installation, carrying, etc. by accommodating in an exterior case. Although not shown, a to-be-reformed gas humidifier for humidifying the to-be-reformed gas may be provided between the to-be-reformed gas supply means 2 and the reformer 4.

また、貯湯ユニットは、熱交換後の湯水を貯湯するための貯湯タンク１８を具備して構成されている。なお、貯湯タンク１８の下部側に貯湯タンクに水を供給するための水供給管が接続されており、貯湯タンク１８に貯湯されたお湯は上部側より、給湯ラインに供給される。 The hot water storage unit includes a hot water storage tank 18 for storing hot water after heat exchange. A water supply pipe for supplying water to the hot water storage tank is connected to the lower side of the hot water storage tank 18, and hot water stored in the hot water storage tank 18 is supplied to the hot water supply line from the upper side.

なお、図中の矢印は、被改質ガス、酸素含有ガス、水の流れ方向を示したものであり、また破線は制御装置１４に伝送される主な信号経路、または制御装置１４より伝送される主な信号経路を示している。また、同一の構成については同一の番号を付するものとし、以下同様である。 In addition, the arrow in a figure shows the flow direction of to-be-reformed gas, oxygen-containing gas, and water, and a broken line is transmitted from the main signal path | route transmitted to the control apparatus 14, or the control apparatus 14. Main signal paths are shown. The same components are denoted by the same reference numerals, and so on.

続いて図２を用いて本発明の燃料電池における熱交換器１３の一例について説明する。なお熱交換器１３としては、一般に市販されている熱交換器を用いることができ、プレートフィン型のほか、配管の外壁に接して複数のフィンが接続されているチューブフィンタイプ等、適宜選択して使用することができる。以下の説明においてはプレートフィン型熱交換器について説明する。なお、図２において太い矢印は、燃料電池セル１の発電等により生じる排ガスの流れを示している。 Next, an example of the heat exchanger 13 in the fuel cell of the present invention will be described with reference to FIG. As the heat exchanger 13, a commercially available heat exchanger can be used. In addition to the plate fin type, a tube fin type in which a plurality of fins are connected in contact with the outer wall of the pipe is appropriately selected. Can be used. In the following description, a plate fin heat exchanger will be described. In FIG. 2, thick arrows indicate the flow of exhaust gas generated by the power generation of the fuel cell 1 or the like.

図２で示す熱交換器１３は、いわゆるプレートフィン型熱交換器１３であり、プレート２３を複数積層して形成されている。そして、このプレート２３を複数積層することにより、熱交換器１３の内部に、水が流れる水流路２４と排ガスが流れるガス流路２５とが互いに隣接して、排ガスがガス流路２５を上から下に流通し、循環配管１７を流れる水が水流路２４を下から上に流通するように形成されている。それにより、排ガスと水との流れが対向流となり、効率よく熱交換することができる。 The heat exchanger 13 shown in FIG. 2 is a so-called plate fin type heat exchanger 13 and is formed by laminating a plurality of plates 23. Then, by stacking a plurality of the plates 23, the water flow path 24 through which water flows and the gas flow path 25 through which exhaust gas flows are adjacent to each other inside the heat exchanger 13, so that the exhaust gas passes through the gas flow path 25 from above. The water flowing downward and flowing through the circulation pipe 17 is formed to flow through the water flow path 24 from below to above. Thereby, the flow of exhaust gas and water becomes a counter flow, and heat can be exchanged efficiently.

そして、図２においては、熱交換器１３内を流れる水の温度を測定するための水温測定用センサ２２が設けられており、熱交換器１３内を流れる水の温度を適切に検知することができる。 In FIG. 2, a water temperature measurement sensor 22 for measuring the temperature of the water flowing in the heat exchanger 13 is provided, and the temperature of the water flowing in the heat exchanger 13 can be appropriately detected. it can.

なお、熱交換器１３の上面および下面には、ガス流路２５に連結する空間２６が設けられ、それにより、排ガスの管路圧損が低減し、燃料電池セル１の発電により生じる排ガスをスムーズに熱交換器１３内に流通することが可能となる。 In addition, the space 26 connected to the gas flow path 25 is provided on the upper surface and the lower surface of the heat exchanger 13, thereby reducing the pipe pressure loss of the exhaust gas and smoothing the exhaust gas generated by the power generation of the fuel cell 1. It becomes possible to distribute | circulate in the heat exchanger 13. FIG.

また熱交換器１３の下方には、燃料電池セル１の発電により生じる排ガスと循環配管１７を流れる水とで熱交換する際に生じる凝縮水とを分離するための分離部材２９が設けられており、分離された凝縮水は、分離部材２９の底面に接続された凝縮水供給管２１（図示せず）に流れ、分離された熱交換後の排ガスは、分離部材２９の側面に設けられた排気口３０より排気される。 A separation member 29 is provided below the heat exchanger 13 to separate the exhaust gas generated by the power generation of the fuel cell 1 and the condensed water generated when heat is exchanged between the water flowing through the circulation pipe 17. The separated condensed water flows into a condensed water supply pipe 21 (not shown) connected to the bottom surface of the separation member 29, and the separated exhaust gas after heat exchange is exhaust gas provided on the side surface of the separation member 29. The air is exhausted from the port 30.

なお熱交換器１３には、側面部に循環配管１７を流れる水を熱交換器１３内に供給するための水流入部（入口）と、熱交換後の水（湯水）を貯湯タンク１８側へ流すための水流出部（出口）が設けられており、図２を用いて説明する場合においては、それぞれに接続された循環配管１７を、入水管２７、出水管２８として説明する。ここで、出水管２８は各プレート２３間を流れる水を熱交換器１３より出水するために、各プレート２３を貫通するように接続されている。 The heat exchanger 13 has a water inlet (inlet) for supplying water flowing through the circulation pipe 17 to the side of the heat exchanger 13 and water (hot water) after the heat exchange to the hot water storage tank 18 side. A water outflow part (exit) for flowing is provided, and in the case of description with reference to FIG. 2, the circulation pipes 17 connected to each will be described as a water inlet pipe 27 and a water outlet pipe 28. Here, the water discharge pipe 28 is connected so as to penetrate each plate 23 in order to discharge water flowing between the plates 23 from the heat exchanger 13.

以上のような構成により本発明の燃料電池が構成されるが、必要に応じて適宜その構成を変更することができる。 Although the fuel cell of the present invention is configured as described above, the configuration can be appropriately changed as necessary.

続いて、図１に示した燃料電池の運転方法について説明する。燃料電池セル１の発電に用いられる改質ガス（燃料ガス）を生成するために水蒸気改質を行なうにあたり、改質器４で使用される水（純水）は、熱交換器１３において燃料電池セル１の発電により生じた排ガスと循環配管１７を流れる水との熱交換により生成される凝縮水が用いられる。熱交換器１３にて生成された凝縮水は、凝縮水供給管２１を流れて凝縮水処理装置１９に供給される。凝縮水処理装置１９に備える凝縮水処理手段（イオン交換樹脂等）にて処理された凝縮水（純水）は、タンク連結管２０を介して水タンク１０に供給される。水タンク１０に貯水された水は、水ポンプ１１により改質器４に供給され、被改質ガス供給手段２より供給される被改質ガスとで水蒸気改質が行われ、生成された改質ガス（燃料ガス）が燃料電池セル１に供給される。燃料電池セル１においては、改質ガスと酸素含有ガス供給手段３より供給される酸素含有ガスとを用いて発電が行われる。以上の方法により、凝縮水を有効に利用することにより、水自立運転を行うことができる。 Next, a method for operating the fuel cell shown in FIG. 1 will be described. In performing steam reforming to generate reformed gas (fuel gas) used for power generation of the fuel battery cell 1, water (pure water) used in the reformer 4 is converted into a fuel cell in the heat exchanger 13. Condensed water generated by heat exchange between the exhaust gas generated by the power generation of the cell 1 and the water flowing through the circulation pipe 17 is used. The condensed water generated in the heat exchanger 13 flows through the condensed water supply pipe 21 and is supplied to the condensed water treatment device 19. Condensed water (pure water) processed by the condensed water processing means (ion exchange resin or the like) provided in the condensed water processing device 19 is supplied to the water tank 10 via the tank connecting pipe 20. The water stored in the water tank 10 is supplied to the reformer 4 by the water pump 11, subjected to steam reforming with the reformed gas supplied from the reformed gas supply means 2, and generated reformed. A quality gas (fuel gas) is supplied to the fuel cell 1. In the fuel cell 1, power generation is performed using the reformed gas and the oxygen-containing gas supplied from the oxygen-containing gas supply means 3. By the above method, the water self-sustained operation can be performed by effectively using the condensed water.

一方で、凝縮水の生成量が少ない場合や、凝縮水処理装置１９にて処理された凝縮水の純度が低い場合においては、外部より供給される水（水道水等）を用いることもできる。 On the other hand, when the amount of condensed water produced is small, or when the purity of the condensed water treated by the condensed water treatment device 19 is low, water (such as tap water) supplied from the outside can be used.

この場合においては、まず給水弁６（例えば、電磁弁やエア駆動バルブ等）が開放され、水道水等の外部から供給される水が、給水管５を通して活性炭フィルタ７に供給される。活性炭フィルタ７にて処理された水は、続いて逆浸透膜装置８に供給される。逆浸透膜装置８にて処理された水は、引き続きイオン交換樹脂装置９に供給され、イオン交換樹脂装置９で処理されることにより生成された純水が、水タンク１０に貯水される。水タンク１０に貯水された純水は、上述した方法により、燃料電池セル１の発電に利用される。 In this case, first, the water supply valve 6 (for example, an electromagnetic valve or an air drive valve) is opened, and water supplied from the outside such as tap water is supplied to the activated carbon filter 7 through the water supply pipe 5. The water treated with the activated carbon filter 7 is then supplied to the reverse osmosis membrane device 8. The water treated in the reverse osmosis membrane device 8 is continuously supplied to the ion exchange resin device 9, and pure water generated by being treated in the ion exchange resin device 9 is stored in the water tank 10. The pure water stored in the water tank 10 is used for power generation of the fuel cell 1 by the method described above.

そして、図１に示す燃料電池の構成においては、熱交換器１３と貯湯タンク１８とを接続する循環配管１７（出水管２８）の熱交換器１３の出口側に、出口水温センサ１５を配置し、出口水温センサ１５により測定された温度が、貯湯タンク１８に貯水する水の貯湯設定温度となるように、制御装置１４が循環ポンプ１６の動作を制御する。 In the configuration of the fuel cell shown in FIG. 1, the outlet water temperature sensor 15 is arranged on the outlet side of the heat exchanger 13 of the circulation pipe 17 (drain pipe 28) connecting the heat exchanger 13 and the hot water storage tank 18. The control device 14 controls the operation of the circulation pump 16 so that the temperature measured by the outlet water temperature sensor 15 becomes the hot water storage set temperature of the water stored in the hot water storage tank 18.

具体的には、出口水温センサ１５が測定する温度が貯湯設定温度以下の場合には、制御装置１４は循環ポンプ１６の動作を、循環配管１７を流れる水の流量を減少させるもしくは停止するように制御する。それにより、熱交換器１３の出口を流れる水の温度を上昇させることができる。 Specifically, when the temperature measured by the outlet water temperature sensor 15 is equal to or lower than the hot water storage set temperature, the control device 14 causes the operation of the circulation pump 16 to reduce or stop the flow rate of the water flowing through the circulation pipe 17. Control. Thereby, the temperature of the water flowing through the outlet of the heat exchanger 13 can be increased.

一方、出口水温センサ１５が測定する温度が、貯湯設定温度より高い場合には、制御装置１４は、熱交換器１３の出口を流れる水の温度を低下させるべく、循環配管１７を流れる水の流量を増大させるように循環ポンプ１６の動作を制御する。それにより、熱交換器１３の出口を流れる水の温度を低下させることができる。 On the other hand, when the temperature measured by the outlet water temperature sensor 15 is higher than the hot water storage set temperature, the control device 14 causes the flow rate of the water flowing through the circulation pipe 17 to reduce the temperature of the water flowing through the outlet of the heat exchanger 13. The operation of the circulation pump 16 is controlled so as to increase. Thereby, the temperature of the water flowing through the outlet of the heat exchanger 13 can be lowered.

なお、貯湯設定温度とは、貯湯タンク１８の構造等に基づいて適宜設定することができ、例えば６５℃〜７５℃範囲で適宜設定することができる。 The hot water storage set temperature can be set as appropriate based on the structure of the hot water storage tank 18 and the like, and can be set as appropriate in the range of 65 ° C to 75 ° C, for example.

ところで、上述したような燃料電池において、燃料電池セル１の発電等により生じる排ガスの熱量が急激に増大した場合に、熱交換器１３内を流れる水の温度と、熱交換器１３の出口に接続された循環配管１７（出水管２８）を流れる水の温度（出口水温）との間に大きな温度差を生じる場合や、熱交換器１３内を流れる水の温度が上昇してから出口水温センサ１５がその温度上昇を検知までの間に大きなタイムラグが生じる場合がある。 By the way, in the fuel cell as described above, when the amount of heat of exhaust gas generated by the power generation of the fuel cell 1 or the like rapidly increases, the temperature of the water flowing in the heat exchanger 13 and the outlet of the heat exchanger 13 are connected. When there is a large temperature difference with the temperature of the water flowing through the circulation pipe 17 (outlet pipe 28) (outlet water temperature) or when the temperature of the water flowing through the heat exchanger 13 rises, the outlet water temperature sensor 15 However, there may be a large time lag before the temperature rise is detected.

この場合に、熱交換器１３内を流れる水の温度が水の蒸発温度まで上昇すると、熱交換器１３内を流れる水が蒸発することにより、熱交換器１３内を流れる水に含まれる成分（カルシウム等）が析出する場合がある。そしてその析出物（スケール）が熱交換器１３内に付着することで、熱交換器１３が腐食するおそれがある。 In this case, when the temperature of the water flowing in the heat exchanger 13 rises to the evaporation temperature of the water, the water flowing in the heat exchanger 13 evaporates, so that the component ( Calcium etc.) may be deposited. And the deposit (scale) adheres in the heat exchanger 13, and there exists a possibility that the heat exchanger 13 may corrode.

そこで、本発明においては、熱交換器１３内に、熱交換器１３内を流れる水の温度を測定するための水温測定用センサ２２を設けている。なお、水温測定用センサ２２は、熱交換器１３内の温度のうち特に高温となる部位を測定することが好ましく、特には熱交換器１３の出口近傍に設けることが好ましい。それゆえ、図２においては、各プレートフィン２３を貫通して出水管２８に接続される部位（出口近傍）に設けた例を示している。またチューブフィン型の熱交換器の場合には、チューブフィン型熱交換器を構成する配管の出口部位に設けることができる。それにより、熱交換器１３内を流れる水の温度を適切に検知することができる。 Therefore, in the present invention, a water temperature measuring sensor 22 for measuring the temperature of water flowing in the heat exchanger 13 is provided in the heat exchanger 13. The water temperature measurement sensor 22 preferably measures a particularly high temperature portion of the temperature in the heat exchanger 13, and is particularly preferably provided near the outlet of the heat exchanger 13. Therefore, in FIG. 2, the example provided in the site | part (near exit) which penetrates each plate fin 23 and is connected to the drain pipe 28 is shown. Further, in the case of a tube fin type heat exchanger, it can be provided at an outlet portion of a pipe constituting the tube fin type heat exchanger. Thereby, the temperature of the water flowing through the heat exchanger 13 can be detected appropriately.

そして、制御装置１４が、水温測定用センサ２２により測定された温度に基づいて、熱交換器１３内を流れる流量を増大させるように循環ポンプ１６の動作を制御することで、熱交換器１３内を流れる水の温度が低下する。それにより、熱交換器１３内を流れる水に含まれる成分（カルシウム等）の析出を抑制でき、その析出物（スケール）により熱交換器１３が腐食することを抑制することができる。 Then, the control device 14 controls the operation of the circulation pump 16 so as to increase the flow rate flowing in the heat exchanger 13 based on the temperature measured by the water temperature measuring sensor 22, so that the inside of the heat exchanger 13. The temperature of the water flowing through will decrease. Thereby, precipitation of components (calcium or the like) contained in the water flowing in the heat exchanger 13 can be suppressed, and corrosion of the heat exchanger 13 by the precipitate (scale) can be suppressed.

具体的には、水温測定用センサ２２が測定する熱交換器１３内を流れる水の温度が第１の設定温度以上となった場合に、制御装置１４は循環配管１７を流れる水の流量を増大させるように循環ポンプ１６を制御する。ここで、第１の設定温度は、貯湯タンク１８に貯水する水の貯湯設定温度から水に含まれる成分が析出する温度の範囲内で設定され、例えば８０℃〜９０℃の範囲で適宜設定することができる。それにより、熱交換器１３内を流れる水の温度を低下させることができ、それに伴い熱交換器１３内を流れる水に含まれる成分（カルシウム等）の析出を抑制でき、その析出物（スケール）により熱交換器１３が腐食することを抑制できる。 Specifically, when the temperature of the water flowing through the heat exchanger 13 measured by the water temperature measuring sensor 22 becomes equal to or higher than the first set temperature, the control device 14 increases the flow rate of the water flowing through the circulation pipe 17. The circulation pump 16 is controlled so that Here, the first set temperature is set within the range of the temperature at which the components contained in the water are deposited from the set temperature of the hot water stored in the hot water storage tank 18, and is appropriately set within a range of 80 ° C. to 90 ° C., for example. be able to. Thereby, the temperature of the water flowing in the heat exchanger 13 can be lowered, and accordingly, precipitation of components (calcium etc.) contained in the water flowing in the heat exchanger 13 can be suppressed, and the precipitate (scale) Thus, the corrosion of the heat exchanger 13 can be suppressed.

また、水温測定用センサ２２を配置するにあたり、熱交換器１３内を流れる水が、水温測定用センサ２２が配置された場所から熱交換器１３の出口までの間を流れる間に、熱交換されることでさらに温度が上昇する場合がある。その際、燃料電池セル１より供給される排ガスの熱量により、熱交換器内を流れる水の温度上昇に幅が生じる場合があるため、熱交換器１３の出口水温を制御することが難しくなるおそれがある。 Further, when the water temperature measurement sensor 22 is arranged, the water flowing in the heat exchanger 13 is heat-exchanged while flowing between the place where the water temperature measurement sensor 22 is arranged and the outlet of the heat exchanger 13. As a result, the temperature may further increase. At that time, since the temperature rise of the water flowing in the heat exchanger may vary depending on the amount of heat of the exhaust gas supplied from the fuel battery cell 1, it may be difficult to control the outlet water temperature of the heat exchanger 13. There is.

したがって、循環配管１７の熱交換器１３の出口近傍に出口水温センサ１５を設け、出口水温センサ１５により測定される温度が貯湯設定温度となるように、循環ポンプ１６の動作を制御することが好ましい。それにより、安定して所定の温度の水を貯湯タンク１８に供給することができる。 Therefore, it is preferable to provide an outlet water temperature sensor 15 in the vicinity of the outlet of the heat exchanger 13 in the circulation pipe 17 and control the operation of the circulation pump 16 so that the temperature measured by the outlet water temperature sensor 15 becomes the hot water storage set temperature. . Thereby, water having a predetermined temperature can be stably supplied to the hot water storage tank 18.

なお、水温測定用センサ２２により測定された熱交換器１３内を流れる水の温度が第１の設定温度以上となった場合においては、制御装置１４は、出口水温センサ１５により測定された温度に基づく循環ポンプ１６の制御よりも優先して、水温測定用センサ２２により測定された温度に基づいて循環ポンプ１６を制御することが好ましい。 When the temperature of the water flowing in the heat exchanger 13 measured by the water temperature measurement sensor 22 is equal to or higher than the first set temperature, the control device 14 sets the temperature measured by the outlet water temperature sensor 15. It is preferable to control the circulation pump 16 based on the temperature measured by the water temperature measurement sensor 22 in preference to the control of the circulation pump 16 based on it.

また、水温測定用センサ２２により測定された熱交換器１３内を流れる水の温度が第１の設定温度未満となった場合には、制御装置１４は、水温測定用センサ２２により測定された温度に基づく循環ポンプ１６の制御を、出口水温センサ１５により測定された温度に基づく循環ポンプ１６の制御に切り替えることが好ましい。それにより、安定して所定の温度の水を貯湯タンク１８に供給することができる。 Further, when the temperature of the water flowing through the heat exchanger 13 measured by the water temperature measuring sensor 22 becomes lower than the first set temperature, the control device 14 measures the temperature measured by the water temperature measuring sensor 22. It is preferable to switch the control of the circulation pump 16 based on the control to the control of the circulation pump 16 based on the temperature measured by the outlet water temperature sensor 15. Thereby, water having a predetermined temperature can be stably supplied to the hot water storage tank 18.

なお、水温測定用センサ２２により測定される熱交換器１３内を流れる水の温度が第１の設定温度以上となった場合に、制御装置１４は、循環配管１７を流れる水の流量を増大させるように循環ポンプ１６の動作を制御するが、水温測定用センサ２２が測定する熱交換器１３内を流れる水の温度が第１の設定温度以上を所定時間継続する場合には、燃料電池（セル）の発電量を低下させるか停止するように制御することが好ましい。 In addition, when the temperature of the water flowing through the heat exchanger 13 measured by the water temperature measuring sensor 22 becomes equal to or higher than the first set temperature, the control device 14 increases the flow rate of the water flowing through the circulation pipe 17. If the temperature of the water flowing in the heat exchanger 13 measured by the water temperature measuring sensor 22 continues above the first set temperature for a predetermined time, the fuel cell (cell It is preferable to control so as to reduce or stop the amount of power generation.

水温測定用センサ２２が測定する熱交換器１３内を流れる水の温度が、第１の設定温度以上を所定時間継続する場合に、燃料電池の発電量を低下させるかもしくは停止させることにより、熱交換器１３内を流れる水の温度を低下させることができ、それに伴い熱交換器１３内を流れる水に含まれる成分（カルシウム等）の析出を抑制でき、その析出物（スケール）により熱交換器１３が腐食することを抑制できる。また、それに伴い燃料電池の寿命を長くすることができる。なお、所定時間とは熱交換器１３内を流れる水の流量や、熱交換器１３の大きさ等により適宜設定することができ、例えば３〜１０分の間で適宜設定することができる。 When the temperature of the water flowing through the heat exchanger 13 measured by the water temperature measuring sensor 22 continues above the first set temperature for a predetermined time, the power generation amount of the fuel cell is reduced or stopped to The temperature of the water flowing in the exchanger 13 can be lowered, and accordingly, precipitation of components (calcium and the like) contained in the water flowing in the heat exchanger 13 can be suppressed, and the precipitate (scale) makes the heat exchanger It can suppress that 13 corrodes. Accordingly, the life of the fuel cell can be extended. The predetermined time can be appropriately set according to the flow rate of water flowing in the heat exchanger 13, the size of the heat exchanger 13, and the like, and can be set as appropriate, for example, between 3 and 10 minutes.

以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。 Although the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and improvements can be made without departing from the scope of the present invention.

例えば、水温測定用センサ２２を設けるにあたり、水温測定用センサ２２を熱交換器１３内の出口に設けることができる場合においては、出口水温センサ１５を設けることなく、制御装置１４は水温測定用センサ２２が測定する温度に基づいて、循環ポンプ１６の動作を制御することもできる。 For example, when the water temperature measuring sensor 22 can be provided at the outlet in the heat exchanger 13 when the water temperature measuring sensor 22 is provided, the controller 14 does not provide the outlet water temperature sensor 15 and the controller 14 uses the water temperature measuring sensor. It is also possible to control the operation of the circulation pump 16 based on the temperature measured by 22.

この場合において、制御装置１４は、通常時においては水温測定用センサ２２が測定する水温が貯湯設定温度となるように循環ポンプ１６の動作を制御する。そして、水温測定用センサ２２が測定する水温が、第１の設定温度以上となった場合には、循環ポンプ１６により循環配管１７を流れる水の流量が増大するように、循環ポンプ１６の動作を制御する。そして、水温測定用センサ２２が測定する水温が、第１の設定温度未満となった場合には、水温測定用センサ２２が測定する水温が貯湯設定温度となるように循環ポンプ１６の動作を制御する。 In this case, the control device 14 controls the operation of the circulation pump 16 so that the water temperature measured by the water temperature measuring sensor 22 becomes the hot water storage set temperature in normal times. Then, when the water temperature measured by the water temperature measuring sensor 22 is equal to or higher than the first set temperature, the operation of the circulation pump 16 is performed so that the flow rate of the water flowing through the circulation pipe 17 is increased by the circulation pump 16. Control. Then, when the water temperature measured by the water temperature measurement sensor 22 is lower than the first set temperature, the operation of the circulation pump 16 is controlled so that the water temperature measured by the water temperature measurement sensor 22 becomes the hot water storage set temperature. To do.

本発明の燃料電池の構成を示す構成図である。It is a block diagram which shows the structure of the fuel cell of this invention. 本発明の燃料電池を構成する熱交換器を示す外観斜視図である。It is an external appearance perspective view which shows the heat exchanger which comprises the fuel cell of this invention.

Explanation of symbols

１：燃料電池（セル）
１３：熱交換器
１４：制御装置
１５：出口水温センサ
１６：循環ポンプ
１７：循環配管
１８：貯湯タンク
２２：水温測定用センサ 1: Fuel cell (cell)
13: Heat exchanger 14: Control device 15: Outlet water temperature sensor 16: Circulation pump 17: Circulation pipe 18: Hot water storage tank 22: Sensor for water temperature measurement

Claims

Fuel cell, heat exchanger for exchanging heat with exhaust gas generated by power generation of the fuel cell and water, hot water storage tank for storing water heat-exchanged by the heat exchanger, and the heat exchanger A circulation pipe for circulating water between the hot water storage tank, a circulation pump provided in the circulation pipe, a control device for controlling the operation of the circulation pump, and the heat exchanger of the circulation pipe An outlet water temperature sensor provided on the outlet side of the heat exchanger, and a water temperature measuring sensor provided in the heat exchanger for measuring the temperature of water flowing in the heat exchanger ,
In the normal operation, the control device controls the operation of the circulation pump based on the temperature measured by the outlet water temperature sensor so that the water stored in the hot water storage tank is in a predetermined temperature range. The temperature of the water flowing through the heat exchanger measured by the water temperature measuring sensor is set within a range of the temperature at which the components contained in the water precipitate from the set temperature of the hot water stored in the hot water storage tank. A fuel cell , wherein the operation of the circulation pump is controlled so as to increase the flow rate of water flowing through the circulation pipe when the temperature becomes equal to or higher than a preset temperature of 1 .

Wherein the control device, when the temperature of the water temperature measurement sensor measures is less than the first predetermined temperature, based on the temperature measured by the outlet water temperature sensor, that controls the operation of the circulation pump The fuel cell according to claim 1.

The control device reduces the power generation amount of the fuel cell when the temperature of the water flowing through the heat exchanger measured by the water temperature measuring sensor continues above the first set temperature for a predetermined time, or The fuel cell according to claim 1 , wherein the fuel cell is controlled to stop.