JP6134833B1 - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池システムにおける発電効率を向上させつつ、外部へ安全な温度でガスを排出する燃料電池システムを提供する。【解決手段】気化器12では、燃焼排ガスG10と、常温の水及びメタンとの間で熱交換が行われる。気化器12の燃焼排ガスG10の出口には第1温度センサS1が設けられている。第1温度センサS1により温度T1が検知される。温度T1が設定温度T0よりも大きい場合には、ポンプPへ水量調整指示を出し、ポンプPでの水吐出量を増加させる。【選択図】図1A fuel cell system that discharges gas at a safe temperature to the outside while improving power generation efficiency in the fuel cell system. In the vaporizer 12, heat exchange is performed between the combustion exhaust gas G10, water at normal temperature, and methane. A first temperature sensor S1 is provided at the outlet of the combustion exhaust gas G10 of the vaporizer 12. The temperature T1 is detected by the first temperature sensor S1. When the temperature T1 is higher than the set temperature T0, a water amount adjustment instruction is issued to the pump P, and the water discharge amount at the pump P is increased. [Selection] Figure 1
Description
本発明は燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
燃料電池システムの中でも、燃料電池セルスタックが高温で稼働するものについては、燃料電池システム内で発生した熱を、水蒸気改質反応の熱、供給ガス、水などで回収し、排出されるガスなどの熱を、ある程度の温度まで低下させ、燃料電池システムの系外へ排出する必要がある。 Among fuel cell systems, fuel cell stacks that operate at high temperatures recover the heat generated in the fuel cell system using the heat of steam reforming reaction, supply gas, water, etc. It is necessary to reduce the heat to a certain temperature and discharge it outside the fuel cell system.
例えば、特許文献1では、コジェネレーションシステムにおいて、燃料電池装置で発生した熱を給湯用の水と熱交換することにより回収し、熱交換後の湯を貯湯槽に貯留し、需要に応じて湯を供給する技術が開示されている。また、特許文献1では、貯湯槽の水が高温の場合に、系外の上水を用いて貯湯槽を介さずに高温ガスとの間で熱交換を行う技術も開示されている。
For example, in
特許文献1の燃料電池システムにおいては、湯として燃料電池システムの系外に回収後の熱が排出されている。しかしながら、燃料電池システムの用途や種類によっては、発電効率を高めることが求められている。湯などに利用され系外に排出される熱エネルギーを系外へ排出せず、燃料電池システムの発電に使うための熱として優先的に利用し、投入燃料に対する発電出力の割合(以下、発電効率)を向上させつつ、外部へ安全な温度でガスを排出することが求められる。
In the fuel cell system of
本発明は上記事実を考慮して成されたもので、燃料電池システムにおける発電効率を向上させつつ、外部へ安全な温度でガスを排出する燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above-described facts, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system that discharges gas at a safe temperature to the outside while improving power generation efficiency in the fuel cell system.
請求項1記載の発明に係る燃料電池システムは、原料を改質して燃料ガスを生成する改質器と、前記燃料ガスと空気とを反応させて発電する燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルスタックから排出されたアノードオフガスを燃焼させ燃焼熱で前記改質器を加熱する燃焼器と、前記改質器を加熱後に前記燃焼器から排出される、前記改質器との熱交換後の燃焼排ガスと前記燃料電池セルスタックへ供給される供給流体との間で熱交換する熱交換部と、前記熱交換部における前記供給流体との間での熱交換後の前記燃焼排ガスの温度が設定温度を超える場合に、前記熱交換部へ供給している前記供給流体の量を増加させる供給量調整部と、を備えている。 A fuel cell system according to a first aspect of the present invention includes a reformer that reforms a raw material to generate a fuel gas, a fuel cell stack that generates power by reacting the fuel gas and air, and the fuel cell. a combustor you heat the reformer is burned anode off-gas discharged from the cell stack combustion heat is discharged from the combustor after heating the reformer, after heat exchange with the reformer The temperature of the flue gas after heat exchange between the heat exchange between the flue gas and the supply fluid supplied to the fuel cell stack and the supply fluid in the heat exchange unit is A supply amount adjusting unit that increases the amount of the supply fluid supplied to the heat exchange unit when the temperature exceeds a set temperature.
請求項1に係る燃料電池システムは、燃料電池セルスタック、及び燃焼器を備えている。燃焼器は、燃料電池セルスタックから排出されたアノードオフガスを燃焼させて、熱を発生させる。燃焼器から排出される燃焼排ガスは、熱交換部において、燃料電池セルスタックへ供給される供給流体との間で熱交換される。熱交換後の燃焼排ガスの温度が設定温度を超える場合には、供給量調整部が、熱交換部へ供給する供給流体の量を増加させて燃焼排ガスの温度を低下させる。これにより、燃焼排ガスの外部への排出温度を低下させることができると共に、燃焼排ガスの熱を回収して、水蒸気反応熱や供給ガス加熱用に用いることにより、余分な燃料投入を抑え、燃料電池システムにおける発電効率を向上させることができる。 A fuel cell system according to a first aspect includes a fuel cell stack and a combustor. The combustor burns the anode off-gas discharged from the fuel cell stack to generate heat. The combustion exhaust gas discharged from the combustor is heat-exchanged with the supply fluid supplied to the fuel cell stack in the heat exchange unit. When the temperature of the combustion exhaust gas after the heat exchange exceeds the set temperature, the supply amount adjusting unit increases the amount of the supply fluid supplied to the heat exchange unit and decreases the temperature of the combustion exhaust gas. As a result, the exhaust temperature to the outside of the combustion exhaust gas can be lowered, and the heat of the combustion exhaust gas is recovered and used for steam reaction heat and heating of the supply gas, thereby suppressing excess fuel input and fuel cell. The power generation efficiency in the system can be improved.
なお、燃料電池セルスタックへ供給される供給流体は、熱交換後に直接燃料電池セルスタックへ供給されるものであってもよいし、他の処理部、例えば、気化器や改質器を経た後のものであってもよい。 The supply fluid supplied to the fuel cell stack may be supplied directly to the fuel cell stack after heat exchange, or after passing through another processing unit, for example, a vaporizer or a reformer. It may be.
請求項2記載の発明に係る燃料電池システムは、原料を改質して前記燃料ガスを生成する改質器をさらに備え、前記熱交換部は、前記改質器へ水蒸気を供給する気化器を含んで構成され、前記供給流体は前記気化器で気化される水を供給する、ことを特徴とする。 The fuel cell system according to a second aspect of the present invention further includes a reformer that reforms a raw material to generate the fuel gas, and the heat exchange unit includes a vaporizer that supplies water vapor to the reformer. And the supply fluid supplies water to be vaporized by the vaporizer.
請求項2に係る燃料電池システムによれば、気化器へ供給する水と燃焼排ガスとで熱交換を行うので、水の供給量を増加させることにより、熱交換による燃焼排ガスの温度を容易に調整することができる。また、気化器が高温になるときに水の供給量が増加するので、水の突沸が抑制され、燃料電池セルスタックの燃料極にかかる圧力の急変を抑制することができる。
According to the fuel cell system according to
請求項4記載の発明に係る燃料電池システムは、前記燃料電池セルスタックは、第1燃料電池セルスタックと、前記第1燃料電池セルスタックの燃料極から排出されたアノードオフガスが供給される第2燃料電池セルスタックと、を有し、前記第1燃料電池セルスタックと前記第2燃料電池セルスタックの間には、前記アノードオフガスから少なくとも水を除去する燃料再生器が配設されている。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a fuel cell system in which the fuel cell stack is supplied with a first fuel cell stack and an anode off gas discharged from a fuel electrode of the first fuel cell stack. A fuel regenerator that removes at least water from the anode off-gas is disposed between the first fuel cell stack and the second fuel cell stack.
請求項4に係る燃料電池システムでは、燃料再生器によってアノードオフガスから水が除去されるので、第2燃料電池セルスタックにおける発電効率を向上させることができる。また、供給流体として水を用いた場合に、気化器へ供給される水の量が増加しても、第2燃料電池セルスタックでの発電効率の低下を抑制することができ、高い発電効率を得ることができる。 In the fuel cell system according to claim 4 , since water is removed from the anode off gas by the fuel regenerator, the power generation efficiency in the second fuel cell stack can be improved. Further, when water is used as the supply fluid, even if the amount of water supplied to the vaporizer increases, it is possible to suppress a decrease in power generation efficiency in the second fuel cell stack, and high power generation efficiency can be achieved. Can be obtained.
請求項3記載の発明に係る燃料電池システムは、空気を加熱する空気予熱器をさらに備え、前記供給量調整部は、前記供給流体として前記空気予熱器で加熱される空気を供給する、ことを特徴とする。 The fuel cell system according to a third aspect of the present invention further includes an air preheater for heating air, and the supply amount adjusting unit supplies air heated by the air preheater as the supply fluid. Features .
請求項3に係る燃料電池システムによれば、空気極へ供給する空気と燃焼排ガスとで熱交換を行うので、空気の供給量を調整することにより、熱交換による燃焼排ガスの温度を容易に調整することができる。 According to the fuel cell system of the third aspect , heat exchange is performed between the air supplied to the air electrode and the combustion exhaust gas. Therefore, the temperature of the combustion exhaust gas by the heat exchange can be easily adjusted by adjusting the air supply amount. can do.
請求項5記載の発明に係る燃料電池システムは、前記熱交換部は、前記燃料電池システムの外部に排出される直前の前記燃焼排ガスと前記燃料電池システムの外部から導入された直後の前記供給流体との間で熱交換を行う、ことを特徴とする。 6. The fuel cell system according to claim 5, wherein the heat exchanging portion is the combustion exhaust gas immediately before being discharged to the outside of the fuel cell system and the supply fluid immediately after being introduced from the outside of the fuel cell system. The heat exchange is performed between the two.
請求項5に係る燃料電池システムでは、燃料電池システムの外部に排出される直前の燃焼排ガスと前記供給流体との間で熱交換が行われる。したがって、供給流体による温度調整が行われた結果が、外部への排出温度に直接反映され、温度調整を行いやすい。 In the fuel cell system according to claim 5, heat exchange is performed between the combustion exhaust gas immediately before being discharged to the outside of the fuel cell system and the supply fluid. Therefore, the result of the temperature adjustment by the supply fluid is directly reflected on the discharge temperature to the outside, and the temperature adjustment is easy.
請求項6記載の発明に係る燃料電池システムは、前記設定温度が、20℃〜200℃の範囲に設定されている。 In the fuel cell system according to claim 6, the set temperature is set in a range of 20 ° C. to 200 ° C.
請求項6記載の発明に係る燃料電池システムによれば、設定温度が20℃〜200℃の範囲に設定されているので、燃料電池システムの外部に排出されるガスの温度を比較的安全な温度にすることができる。なお、前述の設定温度は、20℃〜150℃の範囲に設定することが好ましく、40℃〜100℃の範囲に設定されることがより好ましい。
請求項7記載の発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと空気とを反応させて発電する燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルスタックから排出されたアノードオフガスを燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器から排出される燃焼排ガスと前記燃料電池セルスタックへ供給される供給流体との間で熱交換する熱交換部と、前記熱交換部における前記供給流体との間での熱交換後の前記燃焼排ガスの温度が設定温度を超える場合に、前記熱交換部へ供給している前記供給流体の量を増加させる供給量調整部と、を備え、前記熱交換部は、燃料電池システムの外部に排出される直前の前記燃焼排ガスと前記供給流体との間で熱交換を行う。
According to the fuel cell system of the sixth aspect of the invention, since the set temperature is set in the range of 20 ° C. to 200 ° C., the temperature of the gas discharged to the outside of the fuel cell system is set to a relatively safe temperature. Can be. In addition, it is preferable to set the above-mentioned preset temperature in the range of 20 degreeC-150 degreeC, and it is more preferable to set in the range of 40 degreeC-100 degreeC.
A fuel cell system according to a seventh aspect of the present invention includes a fuel cell stack that generates electric power by reacting fuel gas and air, a combustor that burns anode off-gas discharged from the fuel cell stack, and the combustion A heat exchanging unit for exchanging heat between the flue gas discharged from the vessel and a supply fluid supplied to the fuel cell stack, and the combustion after heat exchange between the supply fluid in the heat exchanging unit A supply amount adjusting unit for increasing the amount of the supply fluid supplied to the heat exchange unit when the temperature of the exhaust gas exceeds a set temperature, and the heat exchange unit is discharged to the outside of the fuel cell system Heat exchange is performed between the combustion exhaust gas just before being performed and the supply fluid.
本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池システムにおける発電効率を向上させつつ、外部へ安全な温度でガスを排出することができる。 According to the fuel cell system of the present invention, gas can be discharged to the outside at a safe temperature while improving the power generation efficiency in the fuel cell system.
[第1実施形態]
以下、図面を参照して本発明の第1実施形態を詳細に説明する。
[First Embodiment]
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1には、本実施形態に係る燃料電池システム10Aの概略構成が示されている。本実施形態に係る燃料電池システム10Aは、モノジェネレーションシステムであり、コジェネレーションシステム(熱併給発電)と区別される。燃料電池システム10Aは、主要な構成として、気化器12、改質器14、燃料電池セルスタック16、空気予熱器30、燃焼器40、及び供給量調整部50を備えている。
FIG. 1 shows a schematic configuration of a
気化器12には、原料ガス管P1の一端が接続されており、原料ガス管P1の他端は図示しないガス源に接続されている。ガス源からは、ブロアB1によりメタンが気化器12へ送出される。また、気化器12には、水供給管P2が接続されている。水供給管P2からは、ポンプPにより、水(液相)が気化器12へ送出される。ポンプPは、後述する供給量調整部50と接続されている。気化器12では、水が気化される。気化には、後述する燃焼器40から排出された燃焼排ガスG10の熱が用いられる。なお、本実施形態では、原料ガスとしてメタンを用いるが、改質が可能なガスであれば特に限定されず、炭化水素燃料を用いることができる。炭化水素燃料としては、天然ガス、LPガス(液化石油ガス)、石炭改質ガス、低級炭化水素ガスなどが例示される。低級炭化水素ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭素数4以下の低級炭化水素が挙げられ、本実施形態で用いるメタンが好ましい。なお、炭化水素燃料としては、上述した低級炭化水素ガスを混合したものであってもよい。
One end of the source gas pipe P1 is connected to the
メタン及び水蒸気は、気化器12から配管P3を介して改質器14へ送出される。改質器14では、メタンを改質し、水素を含む600℃程度の温度の燃料ガスG1を生成する。改質器14には、燃料ガス管P4の一端が接続されている。燃料ガス管P4の他端は、燃料電池セルスタック16のアノード(燃料極)16Aと接続されている。改質器14で生成された燃料ガスG1は、燃料ガス管P4を介してアノード16Aに供給される。
Methane and water vapor are sent from the
燃料電池セルスタック16は、固体酸化物形の燃料電池セルスタックであり(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)、積層された複数の燃料電池セルを有している。燃料電池セルスタック16は、作動温度が650℃程度に設定されている。
The
燃料電池セルスタック16の個々の燃料電池セルは、電解質膜と、当該電解質膜の表裏面にそれぞれ積層されたアノード(燃料極)16A、及びカソード(空気極)16Bと、を有している。
Each fuel cell of the
燃料電池セルスタック16のカソード16Bには、空気管P5の一端が接続され、空気管P5の他端には、ブロアB2が接続されている。ブロアB2から送出された空気G5は、空気管P5によって、空気予熱器30を経由し、カソード16Bへ供給される。
One end of an air pipe P5 is connected to the
カソード16Bでは、下記(1)式に示すように、空気中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。生成された酸素イオンは電解質膜を通って燃料電池セルスタック16のアノード16Aに到達する。
In the
(空気極反応)
1/2O2+2e− →O2− …(1)
(Air electrode reaction)
1 / 2O 2 + 2e − → O 2− (1)
カソード16Bからは、カソードオフガスが排出される。
Cathode off-gas is discharged from the
一方、燃料電池セルスタック16のアノード16Aでは、下記(2)式及び(3)式に示すように、電解質膜を通ってきた酸素イオンが燃料ガス中の水素及び一酸化炭素と反応し、水(水蒸気)及び二酸化炭素と電子が生成される。アノード16Aで生成された電子がアノード16Aから外部回路を通ってカソード16Bに移動することで、各燃料電池セルスタックにおいて発電される。また、各燃料電池セルスタックは、発電時に発熱する。
On the other hand, in the
(燃料極反応)
H2 +O2− →H2O+2e− …(2)
CO+O2− →CO2+2e− …(3)
(Fuel electrode reaction)
H 2 + O 2− → H 2 O + 2e − (2)
CO + O 2− → CO 2 + 2e − (3)
アノード16Aには、アノードオフガス管P7の一端が接続されている。アノード16Aからアノードオフガス管P7へ、アノードオフガスG3が排出される。アノードオフガスG3には、未反応の水素、未反応の一酸化炭素、二酸化炭素及び水蒸気等が含まれている。
One end of an anode offgas pipe P7 is connected to the
アノードオフガス管P7の他端は、燃焼器40と接続されており、アノードオフガスG3は燃焼器40へ送出される。
The other end of the anode off-gas pipe P7 is connected to the
カソード16Bには、カソードオフガス管P9の一端が接続されている。カソードオフガス管P9の他端は、燃焼器40と接続されており、カソードオフガスG9は燃焼器40へ送出される。
One end of a cathode offgas pipe P9 is connected to the
燃焼器40では、燃料電池セルスタック16のアノード16Aから排出されたアノードオフガスG3が燃焼される。燃焼器40の出口側には、燃焼排ガス管P10の一端が接続されている。燃焼排ガスG10は、空気予熱器30を経由して熱交換部としても機能する気化器12に導入され、熱交換後に外部に排出されている。
In the
燃焼排ガスG10は、空気予熱器30において、常温の空気G5と熱交換が行われる。その後、気化器12へ送出され、気化器12において、常温の水及びメタンと熱交換が行われる。熱交換が行われた後の燃焼排ガスG10の温度をT1とする。気化器12の燃焼排ガスG10の出口には第1温度センサS1が設けられている。第1温度センサS1により温度T1が検知される。燃焼排ガスG10は、気化器12において熱交換が行われた後、外部に排出される。
The combustion exhaust gas G10 is subjected to heat exchange with air G5 at room temperature in the
供給量調整部50は、第1温度センサS1、及びポンプPと接続されている。第1温度センサS1は、検知した温度T1を供給量調整部50へ出力する。供給量調整部50は、CPU、ROM、RAM、メモリ等を含んで構成されており、メモリには設定温度T0と、図2に示す調整用テーブル52が記憶されている。設定温度T0は、燃料電池システム10Aの外に排出されるガスの高温限界値であり、燃料電池システムの設置場所等を考慮して設定される。燃料電池システム10Aでは、特に、起動時、低負荷時、停止時等で、燃焼排ガスG10の温度が上昇しやすい。設定温度T0としては、安全性と発電効率を考慮して、40℃〜100℃の範囲内で設定される。調整用テーブル52には、設定温度T0を超えた後の温度T1とポンプPで気化器12へ供給する水の吐出量との関係グラフデータが記憶されている。供給量調整部50は、設定温度T0を超えた場合に、調整用テーブル52に基づいて、後述する排出ガス温度調整処理により、ポンプPの水吐出量を制御する。
The supply
次に、本実施形態の燃料電池システム10Aの動作について説明する。
Next, the operation of the
ブロアB2により所定の空気吐出量で送出された空気G5は、空気予熱器30を経てカソード16Bへ供給され、発電に供された後、カソードオフガス管P9を経て燃焼器40へ送出される。一方、ブロアB1により所定の吐出量で送出されたメタンは、気化器12へ供給される。また、気化器12には、ポンプPにより所定の水吐出量で水(液相)が供給され、燃焼排ガスにより加熱される。これにより水は気化され、加熱されたメタンと水蒸気は改質器14へ送出される。そして、改質器14で燃料ガスG1へ改質され、アノード16Aへ供給されて、発電に供される。アノード16Aからは、未反応の水素等の燃料を含むアノードオフガスG3が排出され、アノードオフガス管P7を経て燃焼器40へ送出される。
The air G5 sent out by the blower B2 with a predetermined air discharge amount is supplied to the
燃焼器40では、アノードオフガスG3が燃焼に供され、燃焼による熱で改質器14が加熱される。燃焼器40からは、燃焼排ガスG10が燃焼排ガス管P10へ送出され、空気予熱器30において、空気G5との間で熱交換が行われる。燃焼排ガスG10は、さらに、気化器12へ送出され、メタン及び水との間で熱交換が行われる。
In the
第1温度センサS1で検知された温度T1は、供給量調整部50へ出力されている。供給量調整部50では、燃料電池システム10Aの動作中、図3に示す、排出ガス温度調整処理が行われる。ステップS10で、温度T1が設定温度T0よりも大きいかどうかを判断する。温度T1が設定温度T0よりも大きい場合には、ステップS12で調整用テーブル52を参照し、温度T1に対応する水吐出量データを取得する。そして、取得した水吐出量データに基づいて、ステップS14でポンプPへ水量調整指示を出力する。これにより、ポンプPでの水吐出量が、温度T1に応じて増加し、気化器12へ供給される水の量が増加するので、外部へ排出される燃焼排ガスG10の温度が低下する。その後、ステップS10へ戻り、温度T1が設定温度T0よりも大きい場合には、上記の処理を繰り返す。温度T1が設定温度T0よりも大きくない場合には、ステップS10を繰り返し、待機する。
The temperature T1 detected by the first temperature sensor S1 is output to the supply
本実施形態では、上記のように、気化器12で熱交換が行われた後の燃焼排ガスG10の温度T1が、設定温度T0よりも高い場合に、気化器12へ供給する水の量を増加させるので、燃料電池システム10Aから外部へ排出されるガスの温度を低下させる。これにより、外部への排出口などにおける安全性を向上させることができる。また、気化器12において、燃焼排ガスG10の熱により、改質前のメタン及び水を加熱するので、メタンの昇温と水の気化、昇温に必要な熱を外部から別途供給する必要がなくなる。また、燃料電池セルスタックの発電に伴う発熱は、燃料電池セルスタックの温度上昇に供することができるので、燃料電池セルスタックの高温化により発電性能が向上する。その結果、燃料電池システム10Aにおける発電効率を向上させることができる。
In the present embodiment, as described above, the amount of water supplied to the
また、本実施形態では、温度T1が高くなる場合に、気化器12へ供給する水の量を増加させて温度T1を下げているので、気化器12における水の突沸を抑制することができる。これにより、アノード16Aへ供給する燃料ガスG1のガス圧の急変が抑制され、燃料電池セルスタック16において、安定した発電をすることができる。
Moreover, in this embodiment, when temperature T1 becomes high, since the quantity of the water supplied to the
また、気化器12は、燃料電池システム10Aにおいて、燃焼排ガスG10が外部へ排出される直前に配置されているので、温度調整の結果が外部へ排出される燃焼排ガスG10の温度へ直接反映され、外部へ排出されるガスの温度調整を行いやすい。
Further, since the
なお、本実施形態では、気化器12に供給する水を増加させることで、温度T1を低下させたが、空気予熱器30へ供給する空気G5の量を増加させることにより、燃焼排ガスG10の温度を低下させてもよいし、気化器12に供給する水の量及び空気予熱器30へ供給する空気G5の量の両方を増加させて、燃焼排ガスG10の温度を低下させてもよい。
In this embodiment, the temperature T1 is decreased by increasing the water supplied to the
また、本実施形態では、調整用テーブル52を記憶し、温度T1に応じて増加させる水の量を調整したが、温度T1が設定温度T0を超えた場合に、気化器12へ供給する水の量を一定量増加させるフィードバック制御を行ってもよい。
In the present embodiment, the adjustment table 52 is stored and the amount of water to be increased is adjusted according to the temperature T1, but the water supplied to the
また、本実施形態では、温度T1が設定温度T0を超えた場合に、常に排出ガス温度調整処理を行ったが、燃焼排ガスG10の温度が上昇しやすい時、例えば、燃料電池システム10Aの起動時、低負荷時、停止時に限定して、排出ガス温度調整処理を行うようにしてもよい。
In the present embodiment, the exhaust gas temperature adjustment process is always performed when the temperature T1 exceeds the set temperature T0. However, when the temperature of the combustion exhaust gas G10 is likely to rise, for example, when the
[第2実施形態]
次に、本実施形態の第2実施形態について説明する。本実施形態では、第1実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present embodiment will be described. In the present embodiment, the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図4に示されるように、本実施形態の燃料電池システム10Bは、空気予熱器32を備えている。空気予熱器32は、空気管P5の空気予熱器30よりも上流側に配置され、燃焼排ガス管P10の気化器12よりも下流側に配置されている。空気予熱器32へは、ブロアB2から吐出された、燃料電池システム10Bへ導入された直後の常温の空気G5が送出されると共に、気化器12から燃焼排ガスG10が送出されている。空気予熱器32では、気化器12で熱交換された後の燃焼排ガスG10と常温の空気G5との間で熱交換が行われる。空気予熱器32において空気G5と熱交換した後の燃焼排ガスG10の温度をT2とする。空気予熱器30へは、空気予熱器32で加熱された後の空気G5が送出される。
As shown in FIG. 4, the fuel cell system 10 </ b> B of this embodiment includes an
空気予熱器32の燃焼排ガスG10の出口には第2温度センサS2が設けられている。第2温度センサS2により温度T2が検知される。燃焼排ガスG10は、空気予熱器32で熱交換が行われた後、外部に排出される。
A second temperature sensor S2 is provided at the outlet of the combustion exhaust gas G10 of the
供給量調整部50は、第2温度センサS2、及びブロアB2と接続されている。第2温度センサS2は、検知した温度T2を供給量調整部50へ出力する。供給量調整部50のメモリには設定温度T0と、図5に示す調整用テーブル54が記憶されている。調整用テーブル54には、設定温度T0を超えた後の温度T2とブロアB2で空気予熱器32へ供給する空気の吐出量との関係データが記憶されている。供給量調整部50は、設定温度T0を超えた場合に、調整用テーブル54に基づいて、後述する排出ガス温度調整処理により、ブロアB2の空気吐出量を制御する。
The supply
次に、本実施形態の燃料電池システム10Bの動作について説明する。
Next, the operation of the
ブロアB2により所定の空気吐出量で送出された空気G5は、空気予熱器32、30を経てカソード16Bへ供給され、発電に供された後、カソードオフガス管P9を経て燃焼器40へ送出される。一方、アノード16Aへは、第1実施形態と同様に、燃料ガスG1が供給される。
The air G5 sent out by the blower B2 with a predetermined air discharge amount is supplied to the
燃焼器40では、第1実施形態と同様にアノードオフガスG3が燃焼に供され、燃焼器40から、燃焼排ガスG10が送出され、空気予熱器30において、空気G5との間で熱交換が行われる。燃焼排ガスG10は、次に、気化器12へ送出され、メタン及び水との間で熱交換が行われ、空気予熱器32へ送出されて更に熱交換が行われる。
In the
第2温度センサS2で検知された温度T2は、供給量調整部50へ出力されている。供給量調整部50では、燃料電池システム10Bの動作中、図6に示す、排出ガス温度調整処理が行われる。ステップS20で、温度T2が設定温度T0よりも大きいかどうかを判断する。温度T2が設定温度T0よりも大きい場合には、ステップS22で調整用テーブル54を参照し、温度T2に対応する空気吐出量データを取得する。そして、取得した水吐出量データに基づいて、ステップS24でブロアB2へ空気量調整指示を出力する。
The temperature T2 detected by the second temperature sensor S2 is output to the supply
これにより、ブロアB2での空気吐出量が、温度T2に応じて増加し、空気予熱器32へ供給される空気の量が増加するので、外部へ排出される燃焼排ガスG10の温度が低下する。その後、ステップS20へ戻り、温度T2が設定温度T0よりも大きい場合には、上記の処理を繰り返す。温度T2が設定温度T0よりも大きくない場合には、ステップS20を繰り返し、待機する。
As a result, the amount of air discharged from the blower B2 increases according to the temperature T2, and the amount of air supplied to the
本実施形態では、空気予熱器32で熱交換が行われた後の燃焼排ガスG10の温度T2が、設定温度T0よりも高い場合に、空気予熱器32へ供給する空気の量を増加させるので、燃料電池システム10Bから外部へ排出されるガスの温度を低下させることができる。また、空気予熱器32において、燃焼排ガスG10の熱により、カソード16Bへ供給する空気を加熱するので、空気の昇温に必要な熱を外部から別途供給する必要がなくなる。また、燃料電池セルスタックの発電に伴う発熱は、燃料電池セルスタックの温度上昇に供することができるので、燃料電池セルスタックの高温化により発電性能が向上する。その結果、燃料電池システム10Bにおける発電効率を向上させることができる。
In the present embodiment, when the temperature T2 of the combustion exhaust gas G10 after heat exchange is performed in the
また、空気予熱器32は、燃料電池システム10Bにおいて、燃焼排ガスG10が外部へ排出される直前に配置されているので、温度調整の結果が外部へ排出される燃焼排ガスG10の温度へ直接反映され、外部へ排出されるガスの温度調整を行いやすい。また、空気予熱器32へ導入される空気G5は、外部から導入された直後の常温であるので、燃焼排ガスG10との温度差が大きくなり、熱交換効率を高めることができる。
Further, since the
なお、本実施形態では、空気予熱器32に供給する空気を増加させることで、温度T2を低下させたが、空気予熱器30へ供給する空気G5の量を増加させることにより、燃焼排ガスG10の温度を低下させてもよいし、気化器12に供給する水の量を増加させることにより、燃焼排ガスG10の温度を低下させてもよいし、空気予熱器32、30へ供給する空気量、及び気化器12へ供給する水量のすべて又は一部を増加させて、燃焼排ガスG10の温度を低下させてもよい。
In this embodiment, the temperature T2 is decreased by increasing the air supplied to the
また、本実施形態では、調整用テーブル54を記憶し、温度T2に応じて増加させる空気の量を調整したが、温度T2が設定温度T0を超えた場合に、空気予熱器32へ供給する空気量を一定量増加させてフィードバック制御を行ってもよい。
In the present embodiment, the adjustment table 54 is stored and the amount of air to be increased is adjusted according to the temperature T2. However, the air supplied to the
また、本実施形態では、メタンを原料ガスとし、改質器14で水素や一酸化炭素へ改質したが、気化器や改質器を設置することなく、水素を直接アノード16Aへ供給して発電を行ってもよい。この場合には、図7に示されるように、ブロアB1とアノード16Aの間に水素予熱器34を設け、空気予熱器30で空気と熱交換を行った後の燃焼排ガスG10で水素を加熱することができる。
In this embodiment, methane is used as a raw material gas and reformed to hydrogen or carbon monoxide by the
また、本実施形態では、カソードオフガスG9を燃焼器40へ供給したが、カソード16Bを経由させずに別ルートの空気供給管で空気を燃焼器40へ供給してもよい。この場合には、当該別ルートの空気供給管に空気予熱器を設け、当該空気予熱器において燃焼排ガスG10と空気の間で熱交換を行う。そして、熱交換後の燃焼排ガスG10の温度を温度センサで検出し、当該温度が設定温度T0を超えた場合に、上記と同様に供給する空気量を制御すればよい。
In the present embodiment, the cathode off-gas G9 is supplied to the
[第3実施形態]
次に、本実施形態の第3実施形態について説明する。本実施形態では、第1、2実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment of the present embodiment will be described. In the present embodiment, the same parts as those in the first and second embodiments are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図8に示されるように、本実施形態の燃料電池システム10Cは、燃料電池セルスタック16に加えて、燃料電池セルスタック18を有する、多段式の燃料電池システムで構成されている。本実施形態では、燃料電池セルスタック16を第1燃料電池セルスタック16と称し、燃料電池セルスタック18を第2燃料電池セルスタック18と称する。第2燃料電池セルスタック18は、第1燃料電池セルスタック16と同様の構成とされ、アノード18A及びカソード18Bを有している。
As shown in FIG. 8, the fuel cell system 10 </ b> C of the present embodiment is configured by a multistage fuel cell system having a
アノード16Aから排出されたアノードオフガスG3は、アノードオフガス管P7−1を通って燃料再生器44へ送出される。燃料再生器44では、アノードオフガスG3から、二酸化炭素及び水の少なくとも一方が除去される。燃料再生器44では、例えば、分離膜、吸着剤、凝縮器などを用いて二酸化炭素及び水の少なくとも一方を除去することができる。燃料再生器44で二酸化炭素及び水の少なくとも一方が除去されたアノードオフガスG3−2は、アノードオフガス管P7−2を通って第2燃料電池セルスタック18のアノード18Aへ送出され、発電に供される。
The anode off gas G3 discharged from the
一方、カソード16Bから排出されたカソードオフガスG9−1は、カソードオフガス管P9−1を通って第2燃料電池セルスタック18のカソード18Bへ送出され、発電に供される。
On the other hand, the cathode offgas G9-1 discharged from the
アノード18Aからは、アノードオフガスG3−3がアノードオフガス管P7−3を通って燃焼器40へ送出される。カソード18Bからは、カソードオフガスG9−2がカソードオフガス管P9−2を通って燃焼器40へ送出される。
From the
燃焼器40では、アノードオフガスG3−3が燃焼され、燃焼排ガスG10が、第1実施形態と同様に、空気予熱器30を経由して気化器12に導入され、熱交換の後に外部に排出されている。
In the
本実施形態では、第2燃料電池セルスタック18で、アノードオフガスG3内の未反応水素や一酸化炭素を再利用して発電を行うので、燃焼器40で燃焼させる燃料ガスの量が減少する。したがって、燃焼器40から排出される燃焼排ガスG10自体の温度を低下させることができる。
In the present embodiment, in the second
また、本実施形態でも、供給量調整部50は、第1実施形態と同様の構成を有し、同様の排出ガス温度調整処理(図3参照)が行われており、気化器12で熱交換が行われた後の燃焼排ガスG10の温度T1が、設定温度T0よりも高い場合に、気化器12へ供給する水の量を増加させている。これにより、燃料電池システム10Cから外部へ排出されるガスの温度を低下させることができる。
Also in this embodiment, the supply
また、気化器12において、燃焼排ガスG10の熱により、改質前のメタン及び水を加熱するので、メタンの昇温と水の気化、昇温に必要な熱を外部から別途供給する必要がなくなる。また、燃料電池セルスタックの発電に伴う発熱は、燃料電池セルスタックの温度上昇に供することができるので、燃料電池セルスタックの高温化により発電性能が向上する。その結果、燃料電池システム10Cにおける発電効率を向上させることができる。
Further, since the methane and water before reforming are heated by the heat of the combustion exhaust gas G10 in the
さらに、本実施形態では、燃焼排ガスG10の温度を下げるために気化器12へ供給する水の量を増加させても、燃料再生器44でアノードオフガスG3−1から水を除去することにより、第2燃料電池セルスタック18のアノード18Aへ供給するアノードオフガスG3−3に含まれる水(水蒸気)は減少している。したがって、燃料電池システム10Cの発電効率を高く維持することができる。
Furthermore, in this embodiment, even if the amount of water supplied to the
さらに、本実施形態で示されるような多段式の燃料電池システムは、可能な限り供給燃料を発電に回すことを想定したシステムであり、燃料電池セルスタックの発電に伴う発熱や燃焼排ガスの熱を余すことなく系内に留める必要がある。本発明は、高い発電温度を保ちつつ、外部からの熱の供給を減らすことができるので、本実施形態のような多段式の燃料電池システムに好適に用いることができる。 Furthermore, the multistage fuel cell system as shown in the present embodiment is a system that assumes that the supplied fuel is sent to power generation as much as possible, and generates heat generated by the power generation of the fuel cell stack and heat of combustion exhaust gas. It is necessary to stay in the system without leaving anything. Since the present invention can reduce the supply of heat from the outside while maintaining a high power generation temperature, it can be suitably used for a multistage fuel cell system as in this embodiment.
なお、本発明の燃料電池としては、固体酸化物形の燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)に限られるものではなく、他の燃料電池、例えば、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)であってもよい。 The fuel cell of the present invention is not limited to a solid oxide fuel cell (SOFC), but may be another fuel cell such as a molten carbonate fuel cell (MCFC). May be.
また、本発明は、燃料電池セルスタック16からのアノードオフガスを再利用する、循環式の燃料電池システムに適用することもできる。
The present invention can also be applied to a circulating fuel cell system that reuses anode off-gas from the
また、本実施形態では、本発明をモノジェネレーションシステムの燃料電池システムに適用した例で説明したが、コジェネレーションシステムであっても、排熱を熱需要に利用しない運転時において、本発明を適用することができる。 Further, in the present embodiment, the present invention has been described with an example in which the present invention is applied to a fuel cell system of a monogeneration system. However, even in a cogeneration system, the present invention is applied during operation that does not use exhaust heat for heat demand. can do.
さらに、本発明は、前述の第1、2実施形態に限定されず、本発明の技術的思想内で、当業者によって、既知の装置を組み合わせて実施することができる。例えば、熱交換器の設置、組み合わせなどを、種々に設定することができる。 Furthermore, the present invention is not limited to the first and second embodiments described above, and can be implemented by a person skilled in the art in combination with known devices within the technical idea of the present invention. For example, the installation and combination of heat exchangers can be set in various ways.
10A、10B、10C 燃料電池システム
12 気化器、 14 改質器、 16 燃料電池セルスタック
16A、18A アノード 16B、18B カソード
18 第2燃料電池セルスタック
30、32 空気予熱器
40 燃焼器 44 燃料再生器 50 供給量調整部
G1 燃料ガス G3 アノードオフガス G5 空気
G9 カソードオフガス G10 燃焼排ガス
S1、S2 温度センサ(供給量調整部)
T0 設定温度
10A, 10B, 10C
T0 set temperature
Claims (7)
前記燃料ガスと空気とを反応させて発電する燃料電池セルスタックと、
前記燃料電池セルスタックから排出されたアノードオフガスを燃焼させ燃焼熱で前記改質器を加熱する燃焼器と、
前記改質器を加熱後に前記燃焼器から排出される燃焼排ガスと前記燃料電池セルスタックへ供給される供給流体との間で熱交換する熱交換部と、
前記熱交換部における前記供給流体との間での熱交換後の前記燃焼排ガスの温度が設定温度を超える場合に、前記熱交換部へ供給している前記供給流体の量を増加させる供給量調整部と、
を備えた燃料電池システム。 A reformer that reforms the raw material to produce fuel gas;
A fuel cell stack for generating power by reacting the fuel gas and air,
A combustor you heat the reformer with the combustion heat by combusting an anode off-gas discharged from the fuel cell stack,
A heat exchanging section for exchanging heat between the flue gas discharged from the combustor after heating the reformer and the supply fluid supplied to the fuel cell stack;
Supply amount adjustment for increasing the amount of the supply fluid supplied to the heat exchange unit when the temperature of the combustion exhaust gas after heat exchange with the supply fluid in the heat exchange unit exceeds a set temperature And
A fuel cell system comprising:
前記供給量調整部は、前記供給流体として前記気化器で気化される水を供給する、ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 The heat exchange unit includes a vaporizer that supplies water vapor to the reformer,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the supply amount adjusting unit supplies water that is vaporized by the vaporizer as the supply fluid.
前記供給量調整部は、前記供給流体として前記空気予熱器で加熱される空気を供給する、ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 An air preheater for heating the air;
The fuel cell system according to claim 1 , wherein the supply amount adjustment unit supplies air heated by the air preheater as the supply fluid.
前記第1燃料電池セルスタックと前記第2燃料電池セルスタックの間には、前記アノードオフガスから少なくとも水を除去する燃料再生器が配設されている、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 The fuel cell stack includes a first fuel cell stack and a second fuel cell stack to which an anode off gas discharged from a fuel electrode of the first fuel cell stack is supplied.
4. The fuel regenerator for removing at least water from the anode off gas is disposed between the first fuel cell stack and the second fuel cell stack . 5. The fuel cell system according to item .
前記燃料電池セルスタックから排出されたアノードオフガスを燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器から排出される燃焼排ガスと前記燃料電池セルスタックへ供給される供給流体との間で熱交換する熱交換部と、
前記熱交換部における前記供給流体との間での熱交換後の前記燃焼排ガスの温度が設定温度を超える場合に、前記熱交換部へ供給している前記供給流体の量を増加させる供給量調整部と、
を備え、
前記熱交換部は、燃料電池システムの外部に排出される直前の前記燃焼排ガスと前記供給流体との間で熱交換を行う、燃料電池システム。 A fuel cell stack that generates electricity by reacting fuel gas and air; and
A combustor for combusting anode off-gas discharged from the fuel cell stack;
A heat exchanging section for exchanging heat between the flue gas discharged from the combustor and the supply fluid supplied to the fuel cell stack;
Supply amount adjustment for increasing the amount of the supply fluid supplied to the heat exchange unit when the temperature of the combustion exhaust gas after heat exchange with the supply fluid in the heat exchange unit exceeds a set temperature And
With
The heat exchange unit is a fuel cell system that exchanges heat between the combustion exhaust gas immediately before being discharged to the outside of the fuel cell system and the supply fluid .
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