JP6050036B2 - Fuel cell device - Google Patents
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Description
本発明は、発電効率の向上した燃料電池装置に関する。 The present invention relates to a fuel cell device with improved power generation efficiency.
近年、次世代エネルギーとして、燃料ガス(水素含有ガス)と酸素含有ガス(空気)とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールや、燃料電池モジュールを外装ケース内に収納してなる燃料電池装置が種々提案されている(例えば、特許文献1参照。)。 In recent years, as a next-generation energy, a fuel cell module in which a fuel cell capable of obtaining electric power using a fuel gas (hydrogen-containing gas) and an oxygen-containing gas (air) is stored in a storage container, or a fuel cell Various fuel cell devices in which a module is housed in an outer case have been proposed (see, for example, Patent Document 1).
このような燃料電池装置においては、燃料電池の発電に使用されなかった排ガスを燃焼させて、この燃焼熱により燃料電池に供給する酸素含有ガスの温度を上昇させて、温度の高い酸素含有ガスを燃料電池に供給することが提案されている(例えば、特許文献2参照)。 In such a fuel cell device, exhaust gas that has not been used for power generation of the fuel cell is combusted, and the temperature of the oxygen-containing gas supplied to the fuel cell is increased by this combustion heat, so that a high-temperature oxygen-containing gas is produced. It has been proposed to supply the fuel cell (see, for example, Patent Document 2).
ところで次世代エネルギーとして期待される燃料電池においては、省エネルギーの観点から、更なる発電効率の向上が求められている。 By the way, in the fuel cell expected as the next generation energy, further improvement in power generation efficiency is required from the viewpoint of energy saving.
それゆえ、本発明は、発電効率の向上した燃料電池装置を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell device with improved power generation efficiency.
本発明の燃料電池装置は、酸素含有ガスと燃料とで発電を行なう燃料電池と、該燃料電池より排出される排ガスを浄化するための浄化装置と、該浄化装置より排出される浄化済み排ガスと前記燃料電池に供給する酸素含有ガスまたは燃料を熱交換するための第1の熱交換器と、該第1の熱交換器にて熱交換された酸素含有ガスまたは燃料をさらに加熱するための加熱装置と、前記第1の熱交換器に向けて前記酸素含有ガスまたは燃料を供給するための第1熱交換器供給ラインと、前記第1の熱交換器にて熱交換された前記酸素含有ガスまたは燃料を前記加熱装置に向けて供給するための加熱装置供給ラインと、前記燃料電池に供給する燃料を水蒸気改質にて生成するための改質器と、前記浄化済み排ガスと水とで熱交換してお湯を生成するための第2の熱交換器と、該第2の熱交換器で生成されたお湯を貯湯するための貯湯タンクとを有し、前記第2の熱交換器にて生成された凝縮水を前記改質器に供給するとともに、前記第1熱交換器供給ラインと前記加熱装置供給ラインとをつなぐバイパスラインを備え、該バイパスラインは、前記第1熱交換器供給ラインとの接続部に三方弁を備えており、前記浄化装置より排出される浄化済み排ガスの温度を測定するための第2の温度センサを備えるとともに、前記第2の温度センサにより測定された温度が所定の温度以下の場合に、前記第1熱交換器供給ラインを流れる酸素含有ガスまたは燃料を、前記バイパスラインを介して前記加熱装置供給ラインに流すように前記三方弁を制御する制御装置を備えることを特徴とする。
The fuel cell device of the present invention includes a fuel cell that generates electricity with an oxygen-containing gas and fuel, a purification device for purifying exhaust gas discharged from the fuel cell, and a purified exhaust gas discharged from the purification device. A first heat exchanger for exchanging heat of the oxygen-containing gas or fuel supplied to the fuel cell, and heating for further heating the oxygen-containing gas or fuel heat-exchanged in the first heat exchanger A device, a first heat exchanger supply line for supplying the oxygen-containing gas or fuel toward the first heat exchanger, and the oxygen-containing gas heat-exchanged by the first heat exchanger Alternatively, a heating device supply line for supplying fuel to the heating device, a reformer for generating the fuel supplied to the fuel cell by steam reforming, and the purified exhaust gas and water heat Replace it to produce hot water The second heat exchanger and a hot water storage tank for storing hot water generated in the second heat exchanger, and the condensed water generated in the second heat exchanger is converted into the modified water. And a bypass line that connects the first heat exchanger supply line and the heating device supply line, and the bypass line has a three-way valve at a connection with the first heat exchanger supply line. A second temperature sensor for measuring the temperature of the purified exhaust gas discharged from the purification device, and when the temperature measured by the second temperature sensor is equal to or lower than a predetermined temperature, The apparatus includes a control device that controls the three-way valve so that the oxygen-containing gas or fuel flowing through the first heat exchanger supply line flows to the heating device supply line via the bypass line .
本発明の燃料電池装置は、燃料電池に対し温度の高い酸素含有ガスまたは燃料を供給することができることから、発電効率の向上した燃料電池装置とすることができる。 The fuel cell device of the present invention, since it is possible to provide a high oxygen-containing gas or the fuel temperature to fuel cells, can be improved fuel cell system of the power generation efficiency.
図1は、本実施形態の燃料電池装置を備える燃料電池システムの構成の一例を示す構成図である。図1に示す燃料電池システムは、本実施形態の燃料電池装置の一例である発電ユニットと、熱交換後の湯水を貯湯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とから構成されている。 FIG. 1 is a configuration diagram illustrating an example of a configuration of a fuel cell system including the fuel cell device of the present embodiment. The fuel cell system shown in FIG. 1 includes a power generation unit that is an example of the fuel cell device of the present embodiment, a hot water storage unit that stores hot water after heat exchange, and a circulation pipe that circulates water between these units. It is composed of
図1に示す発電ユニットは、燃料極層、固体電解質層、空気極層を有する固体酸化物形の燃料電池セルを複数個組み合わせてなるセルスタック5、都市ガス等の原燃料を供給する燃料供給手段1、セルスタック5を構成する燃料電池セルに酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給手段2、酸素含有ガス供給手段2より供給される酸素含有ガスを加熱するための加熱装置20、原燃料と水蒸気により原燃料を水蒸気改質する改質器3、セルスタックから排出される発電に使用されなかった排ガスを浄化するための浄化装置18を備えている。なお、図1に示す発電ユニットでは、セルスタック5と改質器3とを収納容器に収納することで燃料電池モジュール4(以下、モジュールという場合がある。)が構成され、図1においては、二点鎖線により囲って示している。なお、図には示していないが、モジュール4内には、発電で使用されなかった燃料ガスを燃焼させるための着火装置が設けられている。また、図1に示す燃料電池システムでは浄化装置18をモジュール4の外部に設けた例を示しているが、モジュール4内に設けることもできる。また、酸素含有ガス供給手段2により供給される酸素含有ガスの供給ラインである酸素含有ガス供給ラインを破線で示している。
The power generation unit shown in FIG. 1 includes a
また、図1に示す発電ユニットにおいては、セルスタック5を構成する燃料電池セル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第2の熱交換器である熱交換器8に水を循環させる循環配管15、熱交換器8で生成された凝縮水を純水に処理するための凝縮水処理装置9、凝縮水処理装置9にて処理された水(純水)を貯水するための水タンク11とが設けられており、水タンク11と熱交換器8との間が凝縮水供給管10により接続されている。なお、熱交換器8での熱交換により生成される凝縮水の水質によっては、凝縮水処理装置9を設けない構成とすることもできる。また、凝縮水処理装置9が水を貯水する機能を有する場合には、水タンク11を設けない構成とすることもできる。
Further, in the power generation unit shown in FIG. 1, a
水タンク11に貯水された水は、水タンク11と改質器3とを接続する水供給管13に備えられた水ポンプ12により改質器3に供給される。
The water stored in the
さらに図1に示す発電ユニットは、モジュール4にて発電された直流電力を交流電力に変換し、変換された電気の外部負荷への供給量を調整するための供給電力調整部(パワーコンディショナ)6、熱交換器8の出口に設けられ熱交換器8の出口を流れる水(循環水流)の水温を測定するための出口水温センサ14のほか、各種機器の動作を制御する制御装置7が設けられており、循環配管15内で水を循環させる循環ポンプ17とあわせて発電ユニットが構成されている。そして、これら発電ユニットを構成する各装置を、後述する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とすることができる。なお、貯湯ユニットは、熱交換後の湯水を貯湯するための貯湯タンク16を具備して
構成されている。
Further, the power generation unit shown in FIG. 1 converts the DC power generated by the
ここで、図1に示した燃料電池システムの通常状態の運転方法について説明する。 Here, a normal operation method of the fuel cell system shown in FIG. 1 will be described.
セルスタック5の発電に必要な燃料ガスを生成するにあたり、制御装置7は原燃料供給手段1、水ポンプ12を作動させる。それにより、改質器3に原燃料(天然ガス、灯油等)と水とが供給され、改質器3で水蒸気改質を行なうことにより、水素を含む燃料ガスが生成されて燃料電池セルの燃料極側に供給される。
In generating fuel gas necessary for power generation of the
一方、制御装置7は酸素含有ガス供給手段2を動作させることにより、燃料電池セルの空気極側に酸素含有ガス(空気)を供給する。なお、酸素含有ガスの供給に関しては後述する。
On the other hand, the
なお、制御装置7はモジュール4において着火装置(図示せず)を作動させることにより、セルスタック5の発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させる。それにより、モジュール内の温度(セルスタック5や改質器3の温度)が上昇し、効率よい発電を行なうことができる。
The
セルスタック5の発電に伴って生じた排ガスには、未燃焼の燃料ガスや一酸化炭素が含まれる場合があるため、これらの排ガスを浄化装置18にて浄化する。なお、浄化装置18としては、例えば容器内に燃焼触媒を備えた構成とすることができる。
Since the exhaust gas generated by the power generation of the
そして、浄化装置18で浄化された排ガスは、後述する第1の熱交換器19を介して熱交換器8に供給され、循環配管15を流れる水とで熱交換される。熱交換器8での熱交換により生じたお湯は、循環配管15を流れて貯湯タンク16に貯水される。一方、熱交換器8での熱交換によりセルスタック5より排出される排ガスに含まれる水が凝縮水となり、凝縮水供給管10を通じて、凝縮水処理装置9に供給される。凝縮水は、凝縮水処理装置9にて純水とされて、水タンク11に供給される。水タンク11に貯水された水は、水ポンプ12により水供給管13を介して改質器3に供給される。このように、凝縮水を有効利用することにより、水自立運転を行なうことができる。
The exhaust gas purified by the
続いて、本実施形態のモジュール4について説明する。図2、図3は、本実施形態の燃料電池装置を構成するモジュール4の一例を示し、図2はモジュール4を示す外観斜視図であり、図3は図2に示すモジュール4の断面図である。
Subsequently, the
図2に示すモジュール4においては、収納容器22の内部に、内部を燃料ガスが流通するガス流路(図示せず)を有する柱状の燃料電池セル23を立設させた状態で一列に配列し、隣接する燃料電池セル23間が集電部材(図示せず)を介して電気的に直列に接続されているとともに、燃料電池セル23の下端をガラスシール材等の絶縁性接合材(図示せず)でガスタンク24に固定してなるセルスタック5を2つ備えるセルスタック装置21を収納して構成されている。なお、セルスタック5の両端部には、セルスタック5(燃料電池セル23)の発電により生じた電気を集電して外部に引き出すための、電気引き出し部を有する導電部材が配置されている(図示せず)。上述の各部材を備えることで、セルスタック装置21が構成される。なお、図2においては、セルスタック装置21が2つのセルスタック5を備えている場合を示しているが、適宜その個数は変更することができ、例えばセルスタック5を1つだけ備えていてもよい。また、収納容器22には、後述する燃料電池セル23を通過した燃料ガスを燃焼させるための着火装置30、モジュール4の温度を測定するための熱電対31が設けられている。
In the
また、図2においては、燃料電池セル23として、内部を燃料ガスが長手方向に流通す
るガス流路を有する中空平板型で、ガス流路を有する支持体の表面に、燃料極層、固体電解質層および酸素極層を順に積層してなる固体酸化物形の燃料電池セル23を例示している。なお、燃料電池セル23においては、内部を酸素含有ガスが長手方向に流通するガス流路を有する形状とすることもでき、この場合、内側より酸素極層、固体電解質層、燃料極層を順に設け、モジュール4の構成は適宜変更すればよい。さらには、燃料電池セルは中空平板型に限られるものではなく、例えば平板型や円筒型とすることもでき、あわせて収納容器22の形状を適宜変更することが好ましい。
In FIG. 2, the
また、図2に示すモジュール4においては、燃料電池セル23の発電で使用する燃料ガスを得るために、原燃料供給管28を介して供給される都市ガス等の原燃料を改質して燃料ガスを生成するための改質器3をセルスタック5の上方に配置している。なお、原燃料供給管28は、図1に示す燃料供給手段1にあわせて、適宜配置することができる。また、改質器3は、効率のよい改質反応である水蒸気改質を行なうことができる構造とすることができ、水を気化させるための気化部26と、原燃料を燃料ガスに改質するための改質触媒(図示せず)が配置された改質部25とを備えている。なお、改質器3においては、水蒸気改質のほか部分酸化改質を行なってもよく、改質触媒としては、水蒸気改質のほか、部分酸化改質も可能な燃焼触媒を用いることができる。そして、改質器3で生成された燃料ガス(水素含有ガス)は、燃料ガス流通管27を介してガスタンク24に供給され、ガスタンク24より燃料電池セル23の内部に設けられたガス流路に供給される。なお、セルスタック装置21の構成は、燃料電池セル23の種類や形状により、適宜変更することができ、例えばセルスタック装置21に改質器3を含むこともできる。
Further, in the
また図2においては、収納容器22の一部(前後面)を取り外し、内部に収納されるセルスタック装置21を後方に取り出した状態を示している。ここで、図2に示したモジュール4においては、セルスタック装置21を、収納容器22内にスライドして収納することが可能である。
FIG. 2 shows a state where a part (front and rear surfaces) of the
なお、収納容器22の内部には、ガスタンク24に並置されたセルスタック5の間に配置され、酸素含有ガスが燃料電池セル23の側方を下端部から上端部に向けて流れるように、反応ガス導入部材29が配置されている。
The
図3に示すように、モジュール4を構成する収納容器22は、内壁33と外壁34とを有する二重構造で、外壁34により収納容器22の外枠が形成されるとともに、内壁33によりセルスタック装置21を収納する発電室35が形成されている。さらに収納容器22においては、内壁33と外壁34との間を、燃料電池セル23に導入する酸素含有ガスが流通する反応ガス流路40としている。
As shown in FIG. 3, the
ここで、収納容器22内には、収納容器22の上部より、上端側に酸素含有ガスが流入するための酸素含有ガス流入口(図示せず)とフランジ部37とを備え、下端部に燃料電池セル23の下端部に酸素含有ガスを導入するための反応ガス流出口36が設けられてなる反応ガス導入部材29が、内壁33を貫通して挿入されて固定されている。なお、フランジ部37と内壁33との間には断熱部材37が配置されている。
Here, the
なお、図3においては、反応ガス導入部材29が、収納容器22の内部に並置された2つのセルスタック5間に位置するように配置されているが、セルスタック5の数により、適宜配置することができる。例えば、収納容器22内にセルスタック5を1つだけ収納する場合には、反応ガス導入部材29を2つ設け、セルスタック5を両側面側から挟み込むように配置することができる。
In FIG. 3, the reaction
また発電室35内には、モジュール4内の熱が極端に放散され、燃料電池セル23(セ
ルスタック5)の温度が低下して発電量が低減しないよう、モジュール4内の温度を高温に維持するための断熱部材37が適宜設けられている。
Further, in the
断熱部材37は、セルスタック5の近傍に配置することが好ましく、特には、燃料電池セル23の配列方向に沿ってセルスタック5の側面側に配置するとともに、セルスタック5の側面における燃料電池セル23の配列方向に沿った幅と同等またはそれ以上の幅を有する断熱部材37を配置することが好ましい。なお、セルスタック5の両側面側に断熱部材37を配置することが好ましい。それにより、セルスタック5の温度が低下することを効果的に抑制できる。さらには、反応ガス導入部材29より導入される酸素含有ガスが、セルスタック5の側面側より排出されることを抑制でき、セルスタック5を構成する燃料電池セル23間の酸素含有ガスの流れを促進することができる。なお、セルスタック5の両側面側に配置された断熱部材37においては、燃料電池セル23に供給される酸素含有ガスの流れを調整し、セルスタック5の長手方向および燃料電池セル23の積層方向における温度分布を低減するための開口部38が設けられている。なお、複数の断熱部材37を組み合わせて開口部38を形成するようにしてもよい。
The
また、燃料電池セル23の配列方向に沿った内壁33の内側には、排ガス用内壁39が設けられており、内壁33と排ガス用内壁39との間が、発電室35内の排ガスが上方から下方に向けて流れる排ガス流路41とされている。なお、排ガス流路41は、収納容器22の底部に設けられた排気孔45と通じている。また、排ガス用内壁39のセルスタック5側にも断熱部材37が設けられている。
Further, an exhaust gas
それにより、モジュール4の運転に伴って生じる排ガスは、排ガス流路41を流れた後、排気孔45より排気される構成となっている。なお、排気孔45は収納容器22の底部の一部を切り欠くようにして形成してもよく、また管状の部材を設けることにより形成してもよい。
Thereby, the exhaust gas generated by the operation of the
なお、モジュール4においては、燃料電池セル23を通過した燃料ガスを着火させるための着火装置30が、燃料電池セル23と改質器3との間に位置するように、収納容器2の側面より挿入されている。なお、着火装置30により燃料電池セル23を通過した燃料ガスを着火させることにより、モジュール4内の温度を高温とすることができるほか、燃料電池セル23、改質器3の温度を高温に維持することができる。
In the
ところで、燃料電池セル23にて発電を行なうにあたり、酸素含有ガス供給手段2よりモジュール4に酸素含有ガスを供給するが、温度の低い酸素含有ガスをモジュール4に供給すると、モジュール4内の温度が低下し、それに伴い燃料電池セル23や改質器3の温度が低下し、発電効率が低下するおそれがある。
By the way, when power generation is performed in the
それゆえ、図1に示す本実施形態の燃料電池装置においては、浄化装置18と第2の熱交換器である熱交換器8との間に、酸素含有ガス供給手段2より供給される酸素含有ガスと浄化装置18より排出される浄化済みの排ガスとで熱交換するための第1の熱交換器19を備えるとともに、第1の熱交換器19とモジュール4との間に加熱装置20を設けている。
Therefore, in the fuel cell device of the present embodiment shown in FIG. 1, the oxygen-containing gas supplied from the oxygen-containing gas supply means 2 between the
図4は、上記モジュール4、浄化装置18、第1の熱交換器19および第2の熱交換器8の接続状態を示す概念図である。なお、モジュール1の外周には、モジュール1の温度を高温に維持するための断熱部材37が設けられている。
FIG. 4 is a conceptual diagram showing a connection state of the
モジュール4内に配置される燃料電池セル3が固体酸化物形の燃料電池セル3である場合においては、モジュール4内の温度が500〜800℃程度と高温となり、あわせてモ
ジュール4より排出される排ガスの温度も高温となり、さらには浄化装置18より排出される浄化済みの排ガスの温度も高温となる。
When the
ここで、図4においては、モジュール4の底部の排気ガスを排出するための排気孔(図示せず)に、モジュール4より排出される排ガスを浄化するための浄化装置18、浄化装置18にて浄化された浄化済み排ガスとモジュール4に供給する酸素含有ガスとで熱交換するための第1の熱交換器19、第1の熱交換器19を通過した排ガスと水とで熱交換を行なってお湯を生成するための第2の熱交換器8とがこの順に接続されている。なお、第2の熱交換器8は、下方側に温度の低い水が供給される入口46が設けられており、上方側に第2の熱交換器8内で生成された水を送水するための出口47が設けられている。
Here, in FIG. 4, a
一方、酸素含有ガス供給手段2より供給される酸素含有ガスは、第1の熱交換器8の外面を通った後、加熱装置20を通って、モジュール4の底部に設けられた酸素含有ガス導入部48よりモジュール4内に供給される。
On the other hand, the oxygen-containing gas supplied from the oxygen-containing gas supply means 2 passes through the outer surface of the
浄化装置18より排出される浄化済みの排ガスの温度は、発電時は250〜280℃程度の高温であることから、この熱を用いてモジュール4に供給する酸素含有ガスの温度を上昇させるとともに、さらに加熱装置20で酸素含有ガスをさらに加熱することで、モジュール4の温度が低下することを抑制でき、発電効率を向上することができる。
Since the temperature of the purified exhaust gas discharged from the
なお、加熱装置20としては例えばヒータを用いることができる。さらに、第1の熱交換器18での熱交換を向上するため、酸素含有ガス供給ラインを第1の熱交換器18の周囲を周回してから加熱装置20に供給するようにしてもよい。
For example, a heater can be used as the
図5は、本実施形態の燃料電池装置を備える燃料電池システムの構成の他の一例を示す構成図である。 FIG. 5 is a configuration diagram illustrating another example of the configuration of the fuel cell system including the fuel cell device of the present embodiment.
図5に示す燃料電池システムにおいては、図1に示す燃料電池システムの構成に加えて、加熱装置20を流れた酸素含有ガスの温度を測定するための第1の温度センサ49を備えている。
The fuel cell system shown in FIG. 5 includes a
モジュール4に供給する酸素含有ガスの温度が十分に高温となっている場合に加熱装置20を動作させると、余分な電力消費につながり、発電効率の向上度合いが低下する場合がある。
If the
それゆえ、加熱装置20を通った酸素含有ガスの温度を第1の温度センサ49にて測定し、その温度に基づいて加熱装置20の動作を制御することにより、より発電効率の向上した燃料電池装置とすることができる。
Therefore, the temperature of the oxygen-containing gas that has passed through the
具体的には、第1の温度センサ49により測定された温度情報が制御装置7に伝送される。ここで、制御装置7は第1の温度センサ49により測定された温度が、予め設定された下限温度以下の場合には、加熱装置20を動作させる制御を行なう。それにより、モジュール4に供給する酸素含有ガスの温度を上昇することができる。
Specifically, the temperature information measured by the
一方、制御装置7は、第1の温度センサ49により測定された温度が、予め設定された上限温度以上の場合には、加熱装置20の動作を停止する制御を行なう。それにより、効率のよい運転を行なうことができる。
On the other hand, when the temperature measured by the
なお、第1の温度センサ49における予め設定された下限温度は例えば200〜300℃の間で適宜設定することができ、また上限温度は例えば250〜350℃の範囲で適宜
設定することができる。
The preset lower limit temperature in the
図6は、本実施形態の燃料電池装置を備える燃料電池システムの構成のさらに他の一例を示す構成図である。 FIG. 6 is a configuration diagram illustrating still another example of the configuration of the fuel cell system including the fuel cell device according to the present embodiment.
図6に示す燃料電池システムにおいては、酸素含有ガス供給手段2と第1の熱交換器19とを接続する第1熱交換器供給ラインと、第1の熱交換器19と加熱装置20とを接続する加熱装置供給ラインとを接続するバイパスライン52を備えており、バイパスライン52と第1熱交換器供給ラインとの接続部に三方弁50が設けられている。また、浄化装置20より排出される浄化済み排ガスの温度を測定するための第2の温度センサ53が設けられている。なお、図6に示す燃料電池システムにおいては、バイパスライン52と加熱装置供給ラインとの接続部にも三方弁51を設けており、バイパスライン52を流れた酸素含有ガスが、第1の熱交換器19側に流れない構成としている。
In the fuel cell system shown in FIG. 6, the first heat exchanger supply line connecting the oxygen-containing gas supply means 2 and the
燃料電池システムの起動時や、セルスタック5での発電量が少ない場合などにおいて、モジュール4より排出される排ガスの温度が低く、この場合に第1の熱交換器19にて温度の低い酸素含有ガスと熱交換を行なうと、第2の熱交換器8に供給される排ガスの温度が低下し、改質器3での水蒸気改質に必要な量の凝縮水を得ることができないおそれがあるほか、循環配管15を流れる水との熱交換を十分に行なうことができず、十分量のお湯を生成できないおそれがある。
At the time of starting the fuel cell system or when the amount of power generated in the
それゆえ、酸素含有ガス供給手段2より供給される酸素含有ガスを、バイパスラインを介して加熱装置20に供給することにより、第2の熱交換器8に供給される排ガスの温度が下がることを抑制でき、凝縮水の生成量やお湯の生成量が減少することを抑制することができる。
Therefore, by supplying the oxygen-containing gas supplied from the oxygen-containing gas supply means 2 to the
具体的には、第2の温度センサ53により測定された浄化済み排ガスの温度情報が制御装置7に伝送される。ここで、制御装置7は第2の温度センサ53により測定された温度が、予め設定された所定の温度以下の場合には、酸素含有ガス供給手段2より供給される酸素含有ガスを、バイパスライン52に供給するように三方弁50、51を制御する。
Specifically, the temperature information of the purified exhaust gas measured by the
なお、第1の温度センサ53における予め設定された所定の温度は例えば150〜200℃の間で適宜設定することができる。
In addition, the predetermined temperature preset in the
また、図6に示した燃料電池システムにおいて、バイパスライン52を流れた酸素含有ガスが、第1の熱交換器19側に流れないように、バイパスライン52と加熱装置供給ラインとの接続部にも三方弁51を設けたが、例えば、三方弁51の代わりに、バイパスライン52と加熱装置供給ラインとの接続部よりも第1の熱交換器19側に逆止弁を設ける構成とすることもできる。
In the fuel cell system shown in FIG. 6, the oxygen-containing gas that has flowed through the
図7は、本実施形態の燃料電池装置を備える燃料電池システムの構成のさらに他の一例を示す構成図である。 FIG. 7 is a configuration diagram showing still another example of the configuration of the fuel cell system including the fuel cell device of the present embodiment.
図7に示す燃料電池システムにおいては、図6に示す燃料電池システムに加えて、貯湯タンク16に貯水されたお湯の温度を測定するための貯湯タンク温度センサ54を備えている。なお、図7において貯湯タンク温度センサ54は、貯湯タンク16における中央部の温度を測定するように1つだけ設けている例を示しているが、例えば貯湯タンク16の温度を計測するにあたり、貯湯タンク温度センサ54を複数個設けて、平均の値を採用するようにしてもよい。
The fuel cell system shown in FIG. 7 includes a hot water
通常、貯湯タンク16の貯湯量は一定の量となるように、お湯の使用量が増えた場合には、水道水が貯湯タンク16に貯水されるように設定されている。しかしながら、この場合、貯湯タンク16に貯水された水の量は十分量となるものの、その温度が低下することとなる。従って、貯湯タンク16に貯水されたお湯の温度が低下した場合には、第2の熱交換器である熱交換器8での熱交換率が低下しないよう、酸素含有ガス供給手段2より供給される酸素含有ガスを、バイパスラインを介して加熱装置20に供給することが好ましい。それにより、熱交換器8に供給される浄化済み排ガスの温度が低下することを抑制でき、熱交換器8でのお湯の生成が低下することを抑制できる。
Normally, the hot
具体的には、貯湯タンク温度センサ54により測定された温度情報が制御装置7に伝送される。ここで、制御装置7は貯湯タンク温度センサ54により測定された温度が、予め設定された所定の温度以下の場合には、酸素含有ガス供給手段2より供給される酸素含有ガスを、バイパスライン53に供給するように三方弁50、51を制御する。
Specifically, the temperature information measured by the hot water
なお、図7に示す貯湯タンク温度センサ54を貯湯タンク16の中央部に設けた例においては、貯湯タンク温度センサ54における予め設定された所定の温度は例えば4〜30℃の間で適宜設定することができる。
In the example in which the hot water storage
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、上記制御装置7での制御において、第2の温度センサ52と貯湯タンク温度センサ54との制御を別々に説明したが、同時に制御することも可能である。この場合、制御装置7は、少なくとも一方の温度センサにより測定された温度が、設定された温度以下となった場合に、酸素含有ガス供給手段2より供給される酸素含有ガスを、バイパスライン53に供給するように三方弁50、51を制御すればよい。
For example, in the control by the
また、燃料電池装置の停止処理時においては、制御装置7は、酸素含有ガス供給手段2より供給される酸素含有ガスを、バイパスライン53に供給するように三方弁50、51を制御するとともに、加熱装置20を動作しないように制御することで、モジュール4内の温度を早く低下することができ、停止処理時間を短くすることができる。
Further, during the stop process of the fuel cell device, the
また、浄化装置18にヒータ等の加熱装置を設けることで、浄化済み排ガスの温度を向上させることができる。それにより、第1の熱交換器19における熱交換効率を向上させることができ、モジュール4内の温度が低下することを抑制できることで、発電効率を向上させることができる。
Further, by providing a heating device such as a heater in the
具体的には、例えば第2の温度センサ53により測定された温度が、予め設定された下限温度よりも低い場合には、制御装置7が浄化装置18に設けた加熱装置を作動させる制御を行なう。それにより、浄化済み排ガスの温度が上昇することとなる。一方、第2の温度センサ53により測定された温度が、予め設定された上限温度よりも高い場合には、制御装置7は浄化装置18に設けた加熱装置を停止する制御を行なう。それにより、発電効率が低下することを抑制できる。なお、なお、浄化装置18に設けた加熱装置の作動を制御するにあたり、第2の温度センサ53における予め設定された下限温度は例えば20〜100℃の間で適宜設定することができ、また上限温度は例えば200〜280℃の範囲で適宜設定することができる。
Specifically, for example, when the temperature measured by the
なお、上記の説明においては、酸素含有ガスを用いて説明したが、燃料の場合にも同様である。 In the above description, the oxygen-containing gas is used, but the same applies to the case of fuel.
2:酸素含有ガス供給手段
4:燃料電池モジュール
7:制御装置
8:第2の熱交換器
18:浄化装置
19:第1の熱交換器
20:加熱装置
49:第1の温度センサ
50、51:三方弁
52:バイパスライン
53:第2の温度センサ
54:貯湯タンク温度センサ
2: oxygen-containing gas supply means 4: fuel cell module 7: control device 8: second heat exchanger 18: purification device 19: first heat exchanger 20: heating device 49:
Claims (4)
前記第1熱交換器供給ラインと前記加熱装置供給ラインとをつなぐバイパスラインを備え、該バイパスラインは、前記第1熱交換器供給ラインとの接続部に三方弁を備えており、前記浄化装置より排出される浄化済み排ガスの温度を測定するための第2の温度センサを備えるとともに、
前記第2の温度センサにより測定された温度が所定の温度以下の場合に、前記第1熱交換器供給ラインを流れる酸素含有ガスまたは燃料を、前記バイパスラインを介して前記加熱装置供給ラインに流すように前記三方弁を制御する制御装置を備える
ことを特徴とする燃料電池装置。 A fuel cell that generates power with an oxygen-containing gas and fuel, a purification device for purifying exhaust gas discharged from the fuel cell, a purified exhaust gas discharged from the purification device, and an oxygen-containing gas supplied to the fuel cell A first heat exchanger for exchanging heat of the gas or fuel, a heating device for further heating the oxygen-containing gas or fuel heat-exchanged in the first heat exchanger, and the first heat A first heat exchanger supply line for supplying the oxygen-containing gas or fuel toward the exchanger, and the oxygen-containing gas or fuel heat-exchanged in the first heat exchanger toward the heating device A heating device supply line for supplying the fuel cell, a reformer for generating the fuel supplied to the fuel cell by steam reforming, and generating heat by exchanging heat between the purified exhaust gas and water A second heat exchanger of Hot water generated in the second heat exchanger and a hot water storage tank for hot water storage, supplies the condensed water generated in the second heat exchanger to said reformer,
With a bypass line connecting the said first heat exchanger supply line the heater supply line, the bypass line is provided with a three-way valve to the connection portion between the first heat exchanger supply lines, the purifier A second temperature sensor for measuring the temperature of the purified exhaust gas discharged further,
When the temperature measured by the second temperature sensor is equal to or lower than a predetermined temperature, the oxygen-containing gas or fuel flowing through the first heat exchanger supply line is caused to flow to the heating device supply line via the bypass line. Thus, a fuel cell device comprising a control device for controlling the three-way valve .
えることを特徴とする請求項1乃至請求項3のうちいずれかに記載の燃料電池装置。 Provided with a hot water storage tank temperature sensor for measuring the temperature of the pre-Symbol hot water storage tank, when the temperature of the hot water in the hot water storage tank as measured by the hot water storage tank temperature sensor is below a predetermined temperature, the first heat exchanger an oxygen-containing gas or the fuel flowing through the vessel feed line of claim 1 to claim 3, characterized in that it comprises a control unit for controlling the three-way valve to flow to the heating device feed line via the bypass line The fuel cell device according to any one of the above.
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