JP6498582B2 - Fuel cell system - Google Patents

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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.

燃料電池を備える燃料電池のシステムでは、効率化を図る点から、燃料電池システムの排ガスに含まれる水蒸気を凝縮して回収し、回収された凝縮水を気化した水蒸気が原料ガスの水蒸気改質に用いられることがある。   In a fuel cell system equipped with a fuel cell, the steam contained in the exhaust gas of the fuel cell system is condensed and recovered, and the steam obtained by vaporizing the recovered condensed water is used for steam reforming of the raw material gas. Sometimes used.

さらに、燃料電池システムでは、廃熱利用の点から、発電時に発生した熱を回収することが好ましく、例えば、排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮する際、熱交換器を用いて排ガスの熱を温水として回収して貯湯タンクに貯留し、必要に応じて貯留する温水を給湯や暖房等に利用できることが好ましい。   Furthermore, in the fuel cell system, it is preferable to recover the heat generated during power generation from the viewpoint of waste heat utilization. For example, when condensing water vapor contained in the exhaust gas, the heat of the exhaust gas is heated using a heat exchanger. It is preferable that the hot water stored and stored in the hot water storage tank can be used for hot water supply, heating or the like.

ここで、貯湯タンクに貯留されている水の温度が上昇し、貯湯タンクにおいて、熱的に充満した状態(満蓄状態)になると、熱交換による排ガスの冷却ができなくなる。その結果、排ガスから凝縮水を回収できなくなってしまう。   Here, when the temperature of the water stored in the hot water storage tank rises and the hot water storage tank is thermally filled (full storage state), the exhaust gas cannot be cooled by heat exchange. As a result, condensed water cannot be recovered from the exhaust gas.

そこで、排ガス中の水蒸気を有効利用する点から、満蓄時は燃料電池システムでの発電を停止させ、満蓄を解消した後に発電を再開する必要がある。しかし、600℃以上の温度で作動する固体酸化物形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池などの高温作動形燃料電池では、起動停止及び起動再開において多大なエネルギー、動作時間等を必要とするため、長時間の連続運転が要請されており、満蓄になるたびに起動停止とすることは現実的ではない。   Therefore, from the viewpoint of effectively using the water vapor in the exhaust gas, it is necessary to stop the power generation in the fuel cell system at the time of full storage, and restart the power generation after the full storage is eliminated. However, high temperature operation fuel cells such as solid oxide fuel cells and molten carbonate fuel cells that operate at a temperature of 600 ° C. or higher require a large amount of energy, operation time, and the like for start / stop and restart. Therefore, continuous operation for a long time is required, and it is not realistic to start and stop each time the battery is full.

燃料電池システムの連続運転を長時間可能とするため、例えば、貯湯タンクの湯水を循環させる貯湯循環経路を放熱器(ラジエータ)により冷却し、排ガスの冷却に用いる熱交換器に供給される湯水の温度を下げることが提案されている(例えば、特許文献1参照)。   In order to enable continuous operation of the fuel cell system for a long time, for example, a hot water circulation path for circulating hot water in a hot water storage tank is cooled by a radiator, and hot water supplied to a heat exchanger used for cooling exhaust gas. It has been proposed to lower the temperature (see, for example, Patent Document 1).

また、ラジエータを設けることなく、満蓄時においてもシステムの連続運転が可能となる技術も提案されている。例えば、貯湯槽から熱回収用熱交換器に至る熱回収水回路に放熱管を配設して放熱することが提案されている(例えば、特許文献2参照)。   In addition, there has been proposed a technique that enables continuous operation of the system even at the time of full storage without providing a radiator. For example, it has been proposed to dissipate heat by disposing a heat radiating pipe in a heat recovery water circuit from a hot water tank to a heat exchanger for heat recovery (see, for example, Patent Document 2).

特開2015−2093号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2015-2093 特許第4497396号公報Japanese Patent No. 4497396

しかし、特許文献1の技術では、ラジエータを使用するため、システムが大型化する、騒音が発生するなどの問題が生じる。また、特許文献2の技術では、放熱管の設置スペースを確保する必要があり、また、気温の影響を受けるという問題がある。   However, in the technique of Patent Document 1, since a radiator is used, problems such as an increase in size of the system and generation of noise occur. Moreover, in the technique of patent document 2, it is necessary to ensure the installation space of a heat sink, and there exists a problem that it receives to the influence of temperature.

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、システムサイズを大型化することなく、満蓄時においても連続運転可能な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 view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of continuous operation even at full storage without increasing the system size.

上記課題は、例えば以下の手段により解決される。
<1> 燃料電池を備える燃料電池モジュールと、湯水を貯める貯湯槽と、前記貯湯槽内の湯水を循環させる貯湯循環経路と、前記燃料電池モジュールから排出される排ガスと前記貯湯循環経路を流通する湯水との間で熱交換を行ない、前記排ガスを冷却する熱交換器と、前記熱交換器にて冷却された前記排ガス中の水蒸気が凝縮されて得られる水を回収して貯留する水回収槽と、前記水回収槽に貯留されている水を前記燃料電池モジュールに供給する水供給経路と、前記貯湯循環経路と接続されており、前記貯湯循環経路を流通する湯水が供給される経路であって、逆浸透膜が設けられており、前記逆浸透膜を透過した水を前記水回収槽に供給する給水経路と、少なくとも前記給水経路における湯水の流量を調節する流量調節部と、前記水回収槽に貯留されている水の量が不足しているか否かを判定する判定手段と、を備え、前記判定手段が、前記水回収槽に貯留されている水の量が不足していると判定した際、前記給水経路に湯水が供給されるように前記流量調節部を調節し、前記逆浸透膜を透過した水を前記水回収槽に供給する燃料電池システム。
The above problem is solved by, for example, the following means.
<1> A fuel cell module having a fuel cell, a hot water storage tank for storing hot water, a hot water storage circulation path for circulating hot water in the hot water storage tank, an exhaust gas discharged from the fuel cell module, and a hot water storage circulation path A heat exchanger that performs heat exchange with hot water and cools the exhaust gas, and a water recovery tank that collects and stores water obtained by condensing water vapor in the exhaust gas cooled by the heat exchanger And a water supply path for supplying water stored in the water recovery tank to the fuel cell module and a path for supplying hot water flowing through the hot water circulation path. A reverse osmosis membrane, a water supply path for supplying water that has passed through the reverse osmosis membrane to the water recovery tank, a flow rate adjusting unit that adjusts at least the flow rate of hot water in the water supply path, and the water cycle Determination means for determining whether or not the amount of water stored in the collection tank is insufficient, and the determination means is insufficient in the amount of water stored in the water recovery tank A fuel cell system that, when determined, adjusts the flow rate adjusting unit so that hot water is supplied to the water supply path, and supplies water that has passed through the reverse osmosis membrane to the water recovery tank.

本形態に係る燃料電池システムは、燃料電池モジュールから排出される排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮させて回収し、回収した水を燃料電池モジュールに供給するシステムである。ここで、本形態に係る燃料電池システムは、熱交換器を用いることで、排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮させると共に、貯湯循環経路を循環する湯水に排ガスの熱を回収させており、熱を回収した湯水は貯湯槽に貯留される。   The fuel cell system according to the present embodiment is a system that condenses and collects water vapor contained in the exhaust gas discharged from the fuel cell module, and supplies the recovered water to the fuel cell module. Here, the fuel cell system according to the present embodiment uses a heat exchanger to condense the water vapor contained in the exhaust gas, and to recover the heat of the exhaust gas in the hot water circulating in the hot water storage circulation path. The collected hot water is stored in a hot water tank.

通常、燃料電池システムを連続運転させると、貯湯循環経路を循環する湯水が排ガスより継続的に熱を回収するため、貯湯槽に貯留されている湯水の温度が上昇し、出湯が一定量行われなければ、熱的に充満した状態(満蓄状態)になる。その結果、排ガスの冷却ができなくなることで、排ガスから凝縮水を回収できなくなってしまい、水蒸気改質に用いる水が不足するという問題が生じる。   Normally, when the fuel cell system is operated continuously, the hot water circulating in the hot water circulation path continuously recovers heat from the exhaust gas, so the temperature of the hot water stored in the hot water tank rises and a certain amount of hot water is discharged. If there is not, it will be in the state filled up thermally (full storage state). As a result, the exhaust gas cannot be cooled, so that the condensed water cannot be recovered from the exhaust gas, resulting in a problem that the water used for steam reforming is insufficient.

一方、本形態に係る燃料電池システムは、逆浸透膜が設けられており、逆浸透膜を透過した水を水回収槽に供給する給水経路と、水回収槽に貯留されている水の量が不足しているか否かを判定する判定手段と、を備えている。そして、判定手段が、水回収槽に貯留されている水の量が不足していると判定した際、給水経路に湯水が供給されるように流量調節部を調節し、逆浸透膜を透過した水を水回収槽に供給する。   On the other hand, the fuel cell system according to the present embodiment is provided with a reverse osmosis membrane, a water supply path for supplying water that has permeated the reverse osmosis membrane to the water recovery tank, and an amount of water stored in the water recovery tank. Determining means for determining whether or not it is insufficient. And when the determination means determines that the amount of water stored in the water recovery tank is insufficient, the flow rate adjustment unit is adjusted so that hot water is supplied to the water supply path, and the reverse osmosis membrane is permeated. Supply water to the water recovery tank.

以上により、満蓄となり、排ガスから凝縮水を回収できなくなった場合であっても、逆浸透膜を透過した水が水回収槽に供給されるため、水蒸気改質に用いる水が不足するという問題が解消され、システムの連続運転が可能となる。   As described above, even when the condensed water cannot be recovered from the exhaust gas, the water that has permeated the reverse osmosis membrane is supplied to the water recovery tank, so that the water used for steam reforming is insufficient. Is eliminated and the system can be operated continuously.

また、本形態に係る燃料電池システムでは、貯湯循環経路を冷却するラジエータや放熱管を設けることなく、満蓄時においても、燃料電池システムの連続運転が可能である。さらに、ラジエータや放熱管を設ける必要がないため、システムサイズの大型化も抑制することができる。   Further, in the fuel cell system according to the present embodiment, the fuel cell system can be continuously operated even at the time of full storage without providing a radiator or a heat radiating pipe for cooling the hot water storage circulation path. Furthermore, since it is not necessary to provide a radiator or a heat radiating pipe, an increase in system size can be suppressed.

<2> 前記逆浸透膜を透過せずに前記給水経路から排出された排水を前記貯湯循環経路に供給する排水供給経路をさらに備える<1>に記載の燃料電池システム。   <2> The fuel cell system according to <1>, further including a drainage supply path that supplies drainage discharged from the water supply path without passing through the reverse osmosis membrane to the hot water storage circulation path.

逆浸透膜に湯水を供給することで、逆浸透膜を透過した純度の高い水と、逆浸透膜を透過しなかった排水と、が得られる。本形態に係る燃料電池システムは、逆浸透膜を透過しなかった排水を排水供給経路を通じて貯湯循環経路に供給する。そのため、システム外に排水を排出せずに貯湯槽にて回収可能となっており、排水の有効活用及びシステムの設置コストの大幅な削減が可能である。   By supplying hot water to the reverse osmosis membrane, high-purity water that has passed through the reverse osmosis membrane and drainage that has not passed through the reverse osmosis membrane can be obtained. The fuel cell system according to this embodiment supplies wastewater that has not permeated through the reverse osmosis membrane to the hot water storage circulation path through the drainage supply path. Therefore, it can be recovered in a hot water storage tank without discharging the wastewater outside the system, and the wastewater can be effectively used and the installation cost of the system can be greatly reduced.

<3> 前記水回収槽の水位を検出する水位検出手段をさらに備え、前記判定手段は、前記水回収槽に貯留されている水の量が不足しているか否かを、前記水位検出手段により検出された前記水回収槽の水位により判定し、前記水位検出手段により検出された前記水回収槽の水位が閾値以下になった際、前記給水経路に湯水が供給されるように前記流量調節部を調節する<1>又は<2>に記載の燃料電池システム。   <3> A water level detection means for detecting the water level of the water recovery tank is further provided, and the determination means determines whether or not the amount of water stored in the water recovery tank is insufficient by the water level detection means. Judging by the detected water level of the water recovery tank, and when the water level of the water recovery tank detected by the water level detection means falls below a threshold value, the flow rate adjusting unit is configured to supply hot water to the water supply path. The fuel cell system according to <1> or <2>, wherein the fuel cell system is adjusted.

本形態に係る燃料電池システムでは、判定手段が、水位検出手段により検出された水回収槽の水位が閾値以下であると判定した際、給水経路に湯水が供給されるように流量調節部を調節する。そのため、水蒸気改質に用いる水が不足するという問題が抑制され、満蓄時においてもシステムの連続運転が可能となる。   In the fuel cell system according to the present embodiment, when the determination unit determines that the water level of the water recovery tank detected by the water level detection unit is equal to or less than the threshold value, the flow rate adjustment unit is adjusted so that hot water is supplied to the water supply path. To do. Therefore, the problem that the water used for steam reforming is insufficient is suppressed, and the continuous operation of the system is possible even at full storage.

<4> 前記貯湯循環経路における前記熱交換器よりも上流の所定の位置及び前記貯湯槽の所定の位置の少なくとも一方に温度検出手段をさらに備え、前記判定手段は、前記水回収槽に貯留されている水の量が不足しているか否かを、前記温度検出手段により検出された湯水の温度により判定し、前記温度検出手段により検出された湯水の温度が閾値以上になった際、前記給水経路に湯水が供給されるように前記流量調節部を調節する<1>〜<3>のいずれか1つに記載の燃料電池システム。   <4> At least one of a predetermined position upstream of the heat exchanger in the hot water circulation path and a predetermined position of the hot water storage tank is further provided with temperature detection means, and the determination means is stored in the water recovery tank. It is determined whether the amount of water is insufficient based on the temperature of the hot water detected by the temperature detection means, and when the temperature of the hot water detected by the temperature detection means exceeds a threshold value, the water supply The fuel cell system according to any one of <1> to <3>, wherein the flow rate adjusting unit is adjusted so that hot water is supplied to the path.

本形態に係る燃料電池システムでは、判定手段が、温度検出手段により検出された湯水の温度が閾値以上であると判定した際、給水経路に湯水が供給されるように流量調節部を調節するようにしている。そのため、検出された湯水の温度が閾値以上となることで、排ガスの冷却効率が低下し、排ガスから凝縮水を好適に回収できなくなった場合であっても、給水経路から湯水が供給されることで、十分な量の水を水回収槽に貯留することができる。よって、水蒸気改質に用いる水が不足するという問題が抑制され、満蓄時においてもシステムの連続運転が可能となる。   In the fuel cell system according to the present embodiment, when the determination unit determines that the temperature of the hot water detected by the temperature detection unit is equal to or higher than the threshold value, the flow rate adjustment unit is adjusted so that the hot water is supplied to the water supply path. I have to. Therefore, even if the detected temperature of the hot water is equal to or higher than the threshold value, the cooling efficiency of the exhaust gas is reduced and the condensed water cannot be suitably recovered from the exhaust gas, so that the hot water is supplied from the water supply path. Thus, a sufficient amount of water can be stored in the water recovery tank. Therefore, the problem that the water used for steam reforming is insufficient is suppressed, and the continuous operation of the system is possible even at the time of full storage.

<5> 前記逆浸透膜は、耐熱温度が60℃以上である<1>〜<4>のいずれか1つに記載の燃料電池システム。   <5> The fuel cell system according to any one of <1> to <4>, wherein the reverse osmosis membrane has a heat resistant temperature of 60 ° C. or higher.

逆浸透膜として、耐熱温度が60℃以上である耐熱性に優れたものを使用することで、高温の湯水を逆浸透膜に長時間供給した際の耐久性に優れる。   By using a reverse osmosis membrane having a heat resistant temperature of 60 ° C. or more and excellent heat resistance, the reverse osmosis membrane has excellent durability when hot hot water is supplied to the reverse osmosis membrane for a long time.

<6> 前記水回収槽の下流であり、かつ前記水回収槽と前記燃料電池モジュールとの間に配置されている水処理装置をさらに備える<1>〜<5>のいずれか1つに記載の燃料電池システム。   <6> The water treatment apparatus according to any one of <1> to <5>, further including a water treatment device disposed downstream of the water recovery tank and between the water recovery tank and the fuel cell module. Fuel cell system.

逆浸透膜を透過した水は純度が高められるが、その純度が水蒸気改質用の水として求められている水準に達していない場合や、当該水準を達成可能な逆浸透膜を採用することが合理的でない場合がある。このような場合に、例えば、水処理装置が、熱交換器と水回収槽との間に配置されていると、逆浸透膜を透過した水が、水処理されることなく、燃料電池モジュールに供給されることになり、モジュール内の各構成に悪影響を及ぼす。   Water that has permeated through the reverse osmosis membrane has increased purity, but if the purity does not reach the level required for water for steam reforming, a reverse osmosis membrane that can achieve the level may be adopted. It may not be reasonable. In such a case, for example, when the water treatment device is disposed between the heat exchanger and the water recovery tank, the water that has permeated the reverse osmosis membrane is not treated with water, and is supplied to the fuel cell module. Will be adversely affected on each component in the module.

一方、本形態に係る燃料電池システムでは、水回収槽と燃料電池モジュールとの間に水処理装置が設けられているため、逆浸透膜を透過した水が、水処理装置にて処理される。したがって、高純度の水が燃料電池モジュールに供給され、モジュール内の各構成に悪影響を及ぼすことが抑制される。   On the other hand, in the fuel cell system according to the present embodiment, since the water treatment device is provided between the water recovery tank and the fuel cell module, the water that has passed through the reverse osmosis membrane is treated by the water treatment device. Therefore, high-purity water is supplied to the fuel cell module, and adverse effects on each component in the module are suppressed.

<7> 前記逆浸透膜の上流に前記給水経路を流通する湯水中の塩素を除去する脱塩素部をさらに備える<1>〜<6>のいずれか1つに記載の燃料電池システム。
<8> 前記貯湯槽の上流に前記貯湯槽に供給される水中の塩素を除去する脱塩素部をさらに備える<1>〜<7>のいずれか1つに記載の燃料電池システム。
<7> The fuel cell system according to any one of <1> to <6>, further including a dechlorination unit that removes chlorine in the hot water flowing through the water supply path upstream of the reverse osmosis membrane.
<8> The fuel cell system according to any one of <1> to <7>, further including a dechlorination unit that removes chlorine in water supplied to the hot water tank upstream of the hot water tank.

前述のように脱塩素部を配置することで、給水経路を流通する湯水中の塩素又は貯湯槽に供給される水中の塩素が除去されるため、耐塩素性でない逆浸透膜も好適に用いることができる。   By arranging the dechlorination section as described above, chlorine in hot water flowing through the water supply path or chlorine in the water supplied to the hot water storage tank is removed, so that a reverse osmosis membrane that is not chlorine resistant should also be used suitably. Can do.

本発明によれば、システムサイズを大型化することなく、満蓄時においても連続運転可能な燃料電池システムを提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a fuel cell system capable of continuous operation even when fully stored without increasing the system size.

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram showing a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムにおける給水の制御処理1を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control process 1 of the water supply in the fuel cell system which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムにおける給水の制御処理2を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control process 2 of the water supply in the fuel cell system which concerns on one Embodiment of this invention.

本明細書において、「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。   In this specification, a numerical range expressed using “to” means a range including numerical values described before and after “to” as a lower limit value and an upper limit value.

〔燃料電池システム〕
以下、本発明の燃料電池システムの一実施形態について図1を用いて説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。本実施形態に係る燃料電池システム10は、燃料電池モジュール1と、熱交換器2と、水処理装置3と、水回収タンク4(水回収槽)と、逆浸透膜5と、貯湯タンク6と、を備える。本実施形態に係る燃料電池システム10は、水回収タンク4に貯留されている水を燃料電池モジュール1に供給する改質水供給経路14(水供給経路)と、貯湯タンク6に貯留される湯水を循環させる貯湯循環経路16と、貯湯循環経路16を流通する湯水が供給され、逆浸透膜5を透過した水を水回収タンク4に供給する給水経路15と、をさらに備える。
[Fuel cell system]
Hereinafter, an embodiment of a fuel cell system of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. The fuel cell system 10 according to the present embodiment includes a fuel cell module 1, a heat exchanger 2, a water treatment device 3, a water recovery tank 4 (water recovery tank), a reverse osmosis membrane 5, and a hot water storage tank 6. . The fuel cell system 10 according to the present embodiment includes a reformed water supply path 14 (water supply path) for supplying water stored in the water recovery tank 4 to the fuel cell module 1 and hot water stored in the hot water storage tank 6. Is further provided with a hot water circulation path 16 that circulates water and a water supply path 15 that is supplied with hot water flowing through the hot water circulation path 16 and that supplies water that has permeated through the reverse osmosis membrane 5 to the water recovery tank 4.

また、燃料電池システム10は、水回収タンク4に貯留されている水が不足しているか否かを判定する判定手段40を備え、判定手段40が、水回収タンク4に貯留されている水の量が不足していると判定した際、給水経路15に湯水が供給されるように開閉弁A、B(流量調節部)を調節し、逆浸透膜5を透過した水を水回収タンク4に供給するシステムである。   Further, the fuel cell system 10 includes a determination unit 40 that determines whether or not the water stored in the water recovery tank 4 is insufficient, and the determination unit 40 includes the water stored in the water recovery tank 4. When it is determined that the amount is insufficient, the on-off valves A and B (flow rate adjusting units) are adjusted so that hot water is supplied to the water supply path 15, and the water that has permeated the reverse osmosis membrane 5 is transferred to the water recovery tank 4. It is a supply system.

また、本実施形態に係る燃料電池システム10は、燃料電池モジュール1から排出される排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮させて回収し、回収した水を改質水として燃料電池モジュール1に供給することで、燃料電池にて必要な改質水を賄うシステムである。ここで、燃料電池システム10は、熱交換器2を用いることで、排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮させると共に、貯湯循環経路16を循環する湯水に排ガスの熱を回収させており、熱を回収した湯水は貯湯タンク6に貯留される。   Further, the fuel cell system 10 according to the present embodiment condenses and collects water vapor contained in the exhaust gas discharged from the fuel cell module 1, and supplies the recovered water to the fuel cell module 1 as reformed water. In this system, the reformed water necessary for the fuel cell is provided. Here, the fuel cell system 10 uses the heat exchanger 2 to condense the water vapor contained in the exhaust gas, and to recover the heat of the exhaust gas in the hot water circulating in the hot water storage circulation path 16 to recover the heat. The hot water is stored in the hot water storage tank 6.

前述のように、燃料電池システムを連続運転させると、貯湯循環経路を循環する湯水が排ガスより継続的に熱を回収するため、貯湯槽に貯留されている湯水の温度が上昇し、出湯が一定量行われなければ、熱的に充満した状態(満蓄状態)になる。その結果、排ガスの冷却ができなくなることで、排ガスから凝縮水を回収できなくなってしまい、水蒸気改質に用いる水が不足するという問題が生じる。   As described above, when the fuel cell system is operated continuously, the hot water circulating in the hot water circulation path continuously recovers heat from the exhaust gas, so the temperature of the hot water stored in the hot water tank rises and the hot water is kept constant. If it is not performed in an amount, it will be in a state of full heat (full storage state). As a result, the exhaust gas cannot be cooled, so that the condensed water cannot be recovered from the exhaust gas, resulting in a problem that the water used for steam reforming is insufficient.

一方、本実施形態に係る燃料電池システム10では、判定手段40が水回収タンク4に貯留されている水の量が不足していると判定した際、給水経路15に湯水を供給し、逆浸透膜5を透過した水を水回収タンク4に供給するシステムである。   On the other hand, in the fuel cell system 10 according to the present embodiment, when the determination unit 40 determines that the amount of water stored in the water recovery tank 4 is insufficient, hot water is supplied to the water supply path 15 to perform reverse osmosis. In this system, water that has permeated through the membrane 5 is supplied to the water recovery tank 4.

以上により、満蓄となり、排ガスから凝縮水を回収できなくなった場合であっても、逆浸透膜5を透過した水が水回収タンク4に供給されるため、水蒸気改質に用いる水が不足するという問題が解消され、システムの連続運転が可能となる。さらに、逆浸透膜5を透過した水は純度が高められているため、例えば、湯水や上水を水蒸気改質用として凝縮水に直接混合した場合よりも水処理の負担が軽減される。   As described above, even when the condensate cannot be recovered from the exhaust gas due to full storage, the water that has passed through the reverse osmosis membrane 5 is supplied to the water recovery tank 4, so that the water used for steam reforming is insufficient. This eliminates the problem and enables continuous operation of the system. Furthermore, since the purity of the water that has passed through the reverse osmosis membrane 5 is increased, the burden of water treatment is reduced as compared with the case where hot water or clean water is directly mixed with condensed water for steam reforming, for example.

また、本実施形態に係る燃料電池システム10では、貯湯循環経路16を冷却するラジエータや放熱管を設けることなく、燃料電池システム10の連続運転が可能である。さらに、燃料電池システム10では、ラジエータや放熱管を設ける必要がないため、システムサイズの大型化も抑制することができ、ラジエータを設けたことによる騒音も発生しないため、有用である。   Moreover, in the fuel cell system 10 according to the present embodiment, the fuel cell system 10 can be continuously operated without providing a radiator or a heat radiating pipe for cooling the hot water storage circulation path 16. Further, the fuel cell system 10 is useful because it is not necessary to provide a radiator or a heat radiating pipe, so that an increase in system size can be suppressed and noise due to the provision of the radiator does not occur.

さらに、本実施形態に係る燃料電池システム10のように、逆浸透膜5を透過せずに給水経路15から排出された排水を貯湯循環経路16に供給する排水供給経路19をさらに備えていることが好ましい。また、排水供給経路19には、排水供給経路19を流通する排水の流量を調節し、また、貯湯循環経路16を流通する湯水の流入を防止する開閉弁Cが設けられていてもよい。なお、本発明において、排水供給経路は設けられていなくてもよく、逆浸透膜を透過しなかった排水をシステム外に排出する構成であってもよい。   Further, as in the fuel cell system 10 according to the present embodiment, a drainage supply path 19 for supplying drainage discharged from the water supply path 15 without passing through the reverse osmosis membrane 5 to the hot water storage circulation path 16 is further provided. Is preferred. Further, the drainage supply path 19 may be provided with an on-off valve C that adjusts the flow rate of drainage flowing through the drainage supply path 19 and prevents the inflow of hot water flowing through the hot water storage circulation path 16. In the present invention, the drainage supply path may not be provided, and the drainage that has not permeated through the reverse osmosis membrane may be discharged out of the system.

逆浸透膜5に湯水を供給することで、逆浸透膜5を透過した純度の高い水と、逆浸透膜5を透過しなかった排水と、が得られる。燃料電池システム10は、逆浸透膜5を透過しなかった排水を排水供給経路19を通じて貯湯循環経路16に供給する。そのため、システム外に排水を排出せずに貯湯タンク6にて回収可能となっており、排水の有効活用及びシステムの設置コストの大幅な削減が可能である。   By supplying hot water to the reverse osmosis membrane 5, high-purity water that has permeated the reverse osmosis membrane 5 and waste water that has not permeated the reverse osmosis membrane 5 are obtained. The fuel cell system 10 supplies the wastewater that has not permeated the reverse osmosis membrane 5 to the hot water storage circulation path 16 through the drainage supply path 19. Therefore, it is possible to collect in the hot water storage tank 6 without discharging the wastewater outside the system, and it is possible to effectively use the wastewater and greatly reduce the installation cost of the system.

以下、本実施形態に係る燃料電池システム10の各構成について詳細に説明する。   Hereinafter, each component of the fuel cell system 10 according to the present embodiment will be described in detail.

本実施形態に係る燃料電池システム10は、燃料電池(図示せず)を備える燃料電池モジュール1を有する。燃料電池モジュール1は、燃料を供給することで発電する機能を有するものであり、燃料電池以外に、後述する気化器、改質器をさらに備えている。   A fuel cell system 10 according to the present embodiment includes a fuel cell module 1 including a fuel cell (not shown). The fuel cell module 1 has a function of generating power by supplying fuel, and further includes a vaporizer and a reformer described later in addition to the fuel cell.

燃料電池モジュール1は、原料ガス供給経路11、酸素供給経路12及び改質水供給経路14と接続されており、それぞれの経路から原料ガス、酸素及び改質水が燃料電池モジュール1に供給される。原料ガス供給経路11には、原料ガスを流通させるブロワ21が設置されており、酸素供給経路12には、酸素を流通させるブロワ22が設置されており、改質水供給経路14には、改質水を流通させるポンプ23が設置されている。   The fuel cell module 1 is connected to a source gas supply path 11, an oxygen supply path 12 and a reformed water supply path 14, and source gas, oxygen and reformed water are supplied to the fuel cell module 1 from the respective paths. . A blower 21 that circulates the source gas is installed in the source gas supply path 11, a blower 22 that circulates oxygen is installed in the oxygen supply path 12, and the reformed water supply path 14 is modified. A pump 23 for circulating quality water is installed.

原料ガス供給経路11を流通する原料ガスとしては、水蒸気改質が可能な炭化水素ガスを含むものであれば特に限定されず、例えば、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、特にメタンが好ましい。なお、炭化水素ガスとしては、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。   The raw material gas flowing through the raw material gas supply path 11 is not particularly limited as long as it contains a hydrocarbon gas that can be steam reformed. For example, natural gas, LP gas (liquefied petroleum gas), coal reformed gas And lower hydrocarbon gas. Examples of the lower hydrocarbon gas include lower hydrocarbons having 4 or less carbon atoms such as methane, ethane, ethylene, propane, butane, and methane is particularly preferable. In addition, as hydrocarbon gas, what mixed the lower hydrocarbon gas mentioned above may be used.

改質水供給経路14を流通する改質水は、燃料電池モジュール1に設けられた気化器(図示せず)によって気化され、気化されて生じた水蒸気は、水蒸気供給経路(図示せず)を通じて改質器(図示せず)に供給される。   The reformed water flowing through the reformed water supply path 14 is vaporized by a vaporizer (not shown) provided in the fuel cell module 1, and the vapor generated by the vaporization passes through the steam supply path (not shown). It is supplied to a reformer (not shown).

燃料電池システム10は、燃料電池の外部に原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質器を有している。改質器は、例えば、バーナ又は燃焼触媒を配置した燃焼部と、改質用触媒を備える改質部と、を備え、改質部の上流側にて原料ガス供給経路11及び水蒸気供給経路と接続されており、改質部の下流側にて改質ガス供給経路(図示せず)を介して燃料電池と接続している。   The fuel cell system 10 has a reformer that generates reformed gas by steam reforming a raw material gas outside the fuel cell. The reformer includes, for example, a combustion section in which a burner or a combustion catalyst is disposed, and a reforming section that includes a reforming catalyst, and a raw material gas supply path 11 and a steam supply path on the upstream side of the reforming section Connected to the fuel cell via a reformed gas supply path (not shown) downstream of the reforming unit.

原料ガス供給経路11を通じてメタンなどの炭化水素ガスを含む原料ガスが改質部に供給され、水蒸気供給経路を通じて水蒸気が改質部に供給される。そして、改質部にて炭化水素ガスを水蒸気改質した後に、生成された改質ガスが改質ガス供給経路を通じて燃料電池に供給される。   A source gas containing a hydrocarbon gas such as methane is supplied to the reforming section through the source gas supply path 11, and steam is supplied to the reforming section through the steam supply path. Then, after the hydrocarbon gas is steam reformed in the reforming section, the generated reformed gas is supplied to the fuel cell through the reformed gas supply path.

燃焼部は、燃焼熱により改質部を加熱するものであり、例えば、酸素と、炭化水素ガスを含む原料ガスと、を燃焼反応させたり、燃料電池から排出されるカソードオフガス中の未反応の酸素と、アノードオフガス中の未反応の水素と、を燃焼反応させたりして改質部を加熱する。燃焼反応により生じた排ガスは、排気経路13に供給され、燃料電池モジュール1の外部に排出される。   The combustion section heats the reforming section with combustion heat. For example, the combustion section causes a combustion reaction between oxygen and a raw material gas containing a hydrocarbon gas, or unreacted in the cathode offgas discharged from the fuel cell. The reforming part is heated by causing a combustion reaction of oxygen and unreacted hydrogen in the anode off gas. The exhaust gas generated by the combustion reaction is supplied to the exhaust path 13 and is discharged to the outside of the fuel cell module 1.

炭化水素ガスの一例であるメタンを水蒸気改質させた場合、改質部にて、以下の式(a)の反応により一酸化炭素および水素が生成される。
CH+HO→CO+3H・・・・(a)
When methane, which is an example of hydrocarbon gas, is steam reformed, carbon monoxide and hydrogen are generated by the reaction of the following formula (a) in the reforming section.
CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 ... (A)

改質部内に設置される改質用触媒としては、水蒸気改質反応の触媒となるものであれば特に限定されないが、Ni,Rh,Ru,Ir,Pd,Pt,Re,Co,Fe及びMoの少なくとも一つを触媒金属として含む水蒸気改質用触媒が好ましい。   The reforming catalyst installed in the reforming section is not particularly limited as long as it is a catalyst for the steam reforming reaction, but Ni, Rh, Ru, Ir, Pd, Pt, Re, Co, Fe and Mo. A steam reforming catalyst containing at least one of the above as a catalyst metal is preferred.

改質部に供給される単位時間当たりの水蒸気の分子数Sと、改質部に供給される単位時間当たりの炭化水素ガスの炭素原子数Cとの比であるスチームカーボン比S/Cは、1.5〜3.5であることが好ましく、2.0〜3.0であることがより好ましく、2.0〜2.5であることがさらに好ましい。スチームカーボン比S/Cがこの範囲にあることにより、炭化水素ガスが効率よく水蒸気改質され、水素および一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。さらに、燃料電池モジュール1内での炭素析出を抑制することができ、燃料電池モジュール1の信頼性を高めることができる。   The steam carbon ratio S / C, which is the ratio between the number S of water vapor molecules per unit time supplied to the reforming section and the number of carbon atoms C of hydrocarbon gas per unit time supplied to the reforming section, It is preferably 1.5 to 3.5, more preferably 2.0 to 3.0, and even more preferably 2.0 to 2.5. When the steam carbon ratio S / C is within this range, the hydrocarbon gas is efficiently steam reformed, and a reformed gas containing hydrogen and carbon monoxide is generated. Furthermore, carbon deposition in the fuel cell module 1 can be suppressed, and the reliability of the fuel cell module 1 can be improved.

また、燃焼部は、水蒸気改質を効率よく行なう観点から、改質部を、600℃〜800℃に加熱することが好ましく、600℃〜700℃に加熱することがより好ましい。   Moreover, it is preferable that a combustion part heats a reforming part to 600 to 800 degreeC from a viewpoint of performing steam reforming efficiently, and it is more preferable to heat to 600 to 700 degreeC.

本実施形態に係る燃料電池システム10は、改質ガス供給経路を通じて改質器から供給された改質ガスを用いて発電を行なう燃料電池を備えている。燃料電池としては、例えば、空気極(カソード)、電解質及び燃料極(アノード)を備える燃料電池セルであってもよく、燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックであってもよい。また、燃料電池としては、200℃以下の温度で作動する低温型の燃料電池、例えば、60℃〜100℃程度で作動する固体高分子形燃料電池、150℃〜200℃程度で作動するリン酸形燃料電池や、600℃〜800℃程度で作動する高温型の燃料電池、例えば、700℃〜800℃程度で作動する固体酸化物形燃料電池、600℃〜700℃程度で作動する溶融炭酸塩形燃料電池が挙げられる。   The fuel cell system 10 according to the present embodiment includes a fuel cell that generates power using the reformed gas supplied from the reformer through the reformed gas supply path. The fuel cell may be, for example, a fuel cell including an air electrode (cathode), an electrolyte, and a fuel electrode (anode), or a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are stacked. As the fuel cell, a low-temperature fuel cell that operates at a temperature of 200 ° C. or lower, for example, a polymer electrolyte fuel cell that operates at about 60 ° C. to 100 ° C., phosphoric acid that operates at about 150 ° C. to 200 ° C. Type fuel cells, high-temperature fuel cells operating at about 600 ° C. to 800 ° C., for example, solid oxide fuel cells operating at about 700 ° C. to 800 ° C., molten carbonates operating at about 600 ° C. to 700 ° C. Type fuel cell.

燃料電池のアノードには、改質ガス供給経路を通じて改質ガスが供給され、燃料電池のカソードには、酸素供給経路12を通じて酸素を含むガスが供給される。そして、改質ガスと酸素との電気化学的な反応により、主に水蒸気(溶融炭酸塩形燃料電池では主に水蒸気及び二酸化炭素)が生成される。また、アノードで生成された電子は、外部回路を通じてカソードに移動する。このようにして電子がアノードからカソードに移動することにより、燃料電池にて発電が行なわれる。   A reformed gas is supplied to the anode of the fuel cell through a reformed gas supply path, and a gas containing oxygen is supplied to the cathode of the fuel cell through an oxygen supply path 12. Then, mainly water vapor (mainly water vapor and carbon dioxide in the molten carbonate fuel cell) is generated by an electrochemical reaction between the reformed gas and oxygen. Further, the electrons generated at the anode move to the cathode through an external circuit. As the electrons move from the anode to the cathode in this way, power is generated in the fuel cell.

ここで、アノード及びカソードから排出されたオフガスは、前述のように改質器の燃焼部に供給され、未反応の水素及び酸素が燃焼反応に用いられた後、排気経路13を通じて燃料電池モジュール1から排出されてもよく、燃焼部に供給されずに排気経路13を通じて直接燃料電池モジュール1から排出されてもよい。   Here, the off-gas discharged from the anode and the cathode is supplied to the combustion part of the reformer as described above, and after unreacted hydrogen and oxygen are used for the combustion reaction, the fuel cell module 1 is passed through the exhaust path 13. May be discharged from the fuel cell module 1 through the exhaust path 13 without being supplied to the combustion section.

なお、高温型の燃料電池を備える燃料電池システムでは、改質器が燃料電池の外部に取り付けられている必要はなく、燃料電池に直接原料ガス及び水蒸気を供給し、燃料電池の内部で水蒸気改質(内部改質)を行なう構成であってもよい。燃料電池スタック内部での反応温度は600℃〜800℃と高温であるため、燃料電池スタック内で水蒸気改質を行なうことが可能である。   In a fuel cell system including a high-temperature fuel cell, the reformer does not need to be attached to the outside of the fuel cell, and the raw material gas and water vapor are supplied directly to the fuel cell, and the water vapor reforming is performed inside the fuel cell. The structure which performs quality (internal reforming) may be sufficient. Since the reaction temperature inside the fuel cell stack is as high as 600 ° C. to 800 ° C., it is possible to perform steam reforming in the fuel cell stack.

燃料電池モジュール1から排出され、排気経路13を流通する排ガスは、熱交換器2にて、貯湯循環経路16を流通する湯水と熱交換を行なう。これにより、排気経路13を流通する排ガスは冷却され、排ガス中に含まれる水蒸気が凝縮されると共に、貯湯循環経路16を循環する湯水が排ガスの熱を回収する。水蒸気が凝縮されて得られた凝縮水は、水回収タンク4に供給され、排ガスの熱を回収した湯水は、貯湯タンク6に供給される。また、排気経路13を流通する排ガスは、外部に排気される。   The exhaust gas discharged from the fuel cell module 1 and flowing through the exhaust path 13 exchanges heat with the hot water flowing through the hot water storage circulation path 16 in the heat exchanger 2. Thereby, the exhaust gas flowing through the exhaust path 13 is cooled, the water vapor contained in the exhaust gas is condensed, and the hot water circulating through the hot water storage circulation path 16 recovers the heat of the exhaust gas. The condensed water obtained by condensing the water vapor is supplied to the water recovery tank 4, and the hot water from which the heat of the exhaust gas has been recovered is supplied to the hot water storage tank 6. Moreover, the exhaust gas which distribute | circulates the exhaust path 13 is exhausted outside.

水回収タンク4は、排気経路13を流通する排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮して得られた水を回収して貯留する容器である。水回収タンク4では、所定量以上の水が貯留された際には、例えばオーバーフローによりドレン排水される。   The water recovery tank 4 is a container that recovers and stores water obtained by condensing water vapor contained in the exhaust gas flowing through the exhaust passage 13. In the water recovery tank 4, when a predetermined amount or more of water is stored, drainage is performed by overflow, for example.

水回収タンク4は、改質水供給経路14と接続されており、改質水供給経路14には、水処理装置3及びポンプ23が設けられている。ポンプ23を駆動させることで、水回収タンク4に貯留された水は、水処理装置3にて処理された後、改質水供給経路14を通じて燃料電池モジュール1に供給される。   The water recovery tank 4 is connected to the reforming water supply path 14, and the reforming water supply path 14 is provided with a water treatment device 3 and a pump 23. By driving the pump 23, the water stored in the water recovery tank 4 is processed by the water treatment device 3 and then supplied to the fuel cell module 1 through the reformed water supply path 14.

水処理装置3は、水回収タンク4の下流であり、かつ水回収タンク4と燃料電池モジュール1との間に配置されており、熱交換器2にて水蒸気が凝縮されて得られた凝縮水に含まれる不純物及び逆浸透膜5を透過した水に含まれている不純物を除去する装置である。水処理装置としては、例えば、交換や薬品による再生処理が必要なイオン交換樹脂を有する水処理装置、イオン交換樹脂を電気的に再生可能な電気脱イオン式の水処理装置などが挙げられる。   The water treatment device 3 is disposed downstream of the water recovery tank 4 and between the water recovery tank 4 and the fuel cell module 1, and condensed water obtained by condensing water vapor in the heat exchanger 2. Is an apparatus for removing impurities contained in water and impurities contained in water that has permeated through the reverse osmosis membrane 5. Examples of the water treatment apparatus include a water treatment apparatus having an ion exchange resin that needs to be replaced or regenerated with chemicals, and an electrodeionization type water treatment apparatus that can electrically regenerate the ion exchange resin.

また、水回収タンク4は、給水経路15と接続されており、給水経路15には、上流側から順に、開閉弁B及び逆浸透膜5が設けられている。給水経路15は、湯水を流通させる貯湯循環経路16と接続しているため、ポンプ25を駆動させつつ開閉弁Bを開くことによって、湯水が給水経路15を流通し、逆浸透膜5に湯水が供給される。なお、開閉弁Bとしては、例えば、電磁弁、電動弁などが挙げられる。   The water recovery tank 4 is connected to a water supply path 15, and the water supply path 15 is provided with an on-off valve B and a reverse osmosis membrane 5 in order from the upstream side. Since the water supply path 15 is connected to the hot water storage circulation path 16 for circulating hot water, hot water flows through the water supply path 15 by opening the on-off valve B while driving the pump 25, and hot water is supplied to the reverse osmosis membrane 5. Supplied. In addition, as the on-off valve B, an electromagnetic valve, a motor operated valve, etc. are mentioned, for example.

逆浸透膜5は、不純物を含む水に圧力をかけることで、水を選択的に透過させ、イオンや塩類など水以外の不純物を透過しない(不純物の透過を抑制する)膜である。そのため、ポンプ25を駆動させて逆浸透膜5に湯水を供給することで、逆浸透膜5を透過した純度の高い水が得られる。そして、純度の高い水は、給水経路15を通じて水回収タンク4に供給される。   The reverse osmosis membrane 5 is a membrane that selectively permeates water by applying pressure to water containing impurities and does not permeate impurities other than water such as ions and salts (suppresses permeation of impurities). Therefore, by driving the pump 25 and supplying hot water to the reverse osmosis membrane 5, high-purity water that has permeated the reverse osmosis membrane 5 can be obtained. The high-purity water is supplied to the water recovery tank 4 through the water supply path 15.

また、逆浸透膜5に湯水を供給することで、逆浸透膜5を透過した純度の高い水と共に、逆浸透膜5を透過しなかった排水(不純物の多い水)が得られる。排水は、給水経路15から排出され、排水供給経路19を通じて貯湯循環経路16に供給される。   Moreover, by supplying hot water to the reverse osmosis membrane 5, high-purity water that has permeated the reverse osmosis membrane 5 and waste water that has not permeated the reverse osmosis membrane 5 (water with many impurities) can be obtained. The drainage is discharged from the water supply path 15 and supplied to the hot water storage circulation path 16 through the drainage supply path 19.

逆浸透膜5としては、水を選択的に透過させ、イオンや塩類など水以外の不純物を透過しない膜であれば特に限定されず、市販のものを用いることができる。また、逆浸透膜の構造としては、例えば、中空糸膜、スパイラル膜、チューブラー膜が挙げられ、逆浸透膜の材質としては、例えば、酢酸セルロース、芳香族ポリアミド、ポリビニルアルコール、ポリスルホンが挙げられる。   The reverse osmosis membrane 5 is not particularly limited as long as it selectively permeates water and does not permeate impurities other than water such as ions and salts, and a commercially available one can be used. Moreover, examples of the structure of the reverse osmosis membrane include a hollow fiber membrane, a spiral membrane, and a tubular membrane. Examples of the material of the reverse osmosis membrane include cellulose acetate, aromatic polyamide, polyvinyl alcohol, and polysulfone. .

さらに、逆浸透膜5は、耐熱温度が60℃以上であることが好ましく、70℃以上であることがより好ましく、80℃以上であることがさらに好ましく、90℃以上であることが特に好ましい。逆浸透膜として、耐熱温度が60℃以上である耐熱性に優れたものを使用することで、高温の湯水を逆浸透膜に長時間供給した際の耐久性に優れる。   Furthermore, the reverse osmosis membrane 5 preferably has a heat resistant temperature of 60 ° C. or higher, more preferably 70 ° C. or higher, further preferably 80 ° C. or higher, and particularly preferably 90 ° C. or higher. By using a reverse osmosis membrane having a heat resistant temperature of 60 ° C. or more and excellent heat resistance, the reverse osmosis membrane has excellent durability when hot hot water is supplied to the reverse osmosis membrane for a long time.

耐熱温度が60℃以上である逆浸透膜としては、芳香族ポリアミド膜、ポリスルホン膜などが挙げられ、また、市販のものを用いてもよい。例えば、米国GEウォーター・テクノロジーズ社製のDuratherm STD、Duratherm PRO、Duratherm Excel、Duratherm EliteなどのDURATHERMシリーズの逆浸透膜、東レ株式会社製のSU−710T、SU−720TS、SUL−G10TS、SUL−G20TS、SUL−G20FTSなどのTSシリーズの逆浸透膜などを使用してもよい。   Examples of the reverse osmosis membrane having a heat resistant temperature of 60 ° C. or higher include aromatic polyamide membranes and polysulfone membranes, and commercially available membranes may be used. For example, Duratherm series reverse osmosis membranes such as Duratherm STD, Duratherm PRO, Duratherm Excel, Duratherm Elite, etc. manufactured by GE Water Technologies, Inc., SU-710T, SU-720TS, SUL-G20TS, SUL-G20TS manufactured by Toray Industries, Inc. TS series reverse osmosis membranes such as SUL-G20 FTS may be used.

ところで、逆浸透膜5を透過した水は純度が高められるが、その純度が水蒸気改質用の水として求められている水準に達していない場合や、当該水準を達成可能な逆浸透膜を採用することが合理的でない場合がある。このような場合に、例えば、水処理装置3が、熱交換器2と水回収タンク4との間に配置されていると、逆浸透膜5を透過した水が、水処理されることなく、燃料電池モジュール1に供給されることになり、モジュール内の各構成(例えば、改質部)に悪影響を及ぼすおそれがある。   By the way, although the purity of the water that has permeated through the reverse osmosis membrane 5 is increased, if the purity does not reach the level required for water for steam reforming, a reverse osmosis membrane that can achieve the level is adopted. Sometimes it is not reasonable to do. In such a case, for example, when the water treatment device 3 is disposed between the heat exchanger 2 and the water recovery tank 4, the water that has passed through the reverse osmosis membrane 5 is not treated with water. It will be supplied to the fuel cell module 1, which may adversely affect each component (for example, the reforming unit) in the module.

一方、本実施形態に係る燃料電池システム10では、水回収タンク4と燃料電池モジュール1との間の改質水供給経路14に水処理装置3が設けられているため、逆浸透膜5を透過した水が、水処理装置3にて処理される。したがって、高純度の水が燃料電池モジュール1に供給され、モジュール内の各構成に悪影響を及ぼすことが抑制される。   On the other hand, in the fuel cell system 10 according to the present embodiment, the water treatment device 3 is provided in the reformed water supply path 14 between the water recovery tank 4 and the fuel cell module 1, so that the reverse osmosis membrane 5 is permeated. The treated water is treated by the water treatment device 3. Therefore, high-purity water is supplied to the fuel cell module 1, and adverse effects on each component in the module are suppressed.

次に、貯湯タンク6は、燃料電池モジュール1から排出される排ガスの熱を熱交換器2にて回収した湯水を貯留する容器である。また、第1給水経路17を通じて貯湯タンク6に水が供給され、出湯経路31を通じて貯湯タンク6から湯水がシステム外に供給される。出湯経路31を通じてシステム外に供給される湯水は、第2給水経路18を通じて供給された水と混合弁26で適温に混合され、例えば、給湯や暖房に使用される。   Next, the hot water storage tank 6 is a container for storing hot water recovered from the heat of the exhaust gas discharged from the fuel cell module 1 by the heat exchanger 2. Further, water is supplied to the hot water storage tank 6 through the first water supply path 17, and hot water is supplied from the hot water storage tank 6 to the outside of the system through the hot water supply path 31. Hot water supplied to the outside of the system through the hot water supply path 31 is mixed with water supplied through the second water supply path 18 at an appropriate temperature by the mixing valve 26, and used for hot water supply or heating, for example.

貯湯タンク6は、貯湯循環経路16と接続されており、貯湯循環経路16には、上流側から順に、ポンプ25、開閉弁A及び熱交換器2が設けられている。開閉弁Aを開き、かつポンプ25を駆動させることで、貯湯タンク6に貯留された湯水は、貯湯循環経路16を流通する。また、開閉弁Bを開き、かつポンプ25を駆動させることで、貯湯タンク6に貯留された湯水は、給水経路15を流通し、逆浸透膜5に湯水が供給される。   The hot water storage tank 6 is connected to a hot water storage circulation path 16, and the hot water storage circulation path 16 is provided with a pump 25, an on-off valve A and a heat exchanger 2 in order from the upstream side. By opening the on-off valve A and driving the pump 25, the hot water stored in the hot water storage tank 6 flows through the hot water storage circulation path 16. Further, by opening the on-off valve B and driving the pump 25, the hot water stored in the hot water storage tank 6 flows through the water supply path 15, and hot water is supplied to the reverse osmosis membrane 5.

本実施形態に係る燃料電池システム10では、貯湯循環経路16と給水経路15との接続部分及び開閉弁Aよりも上流にポンプ25が配置されている。したがって、開閉弁A、Bの切り替えにより、貯湯循環経路16での湯水の循環、ならびに給水経路15及び逆浸透膜5への湯水の供給が一つのポンプで可能となり、給水経路15に別のポンプを設ける必要がない。   In the fuel cell system 10 according to the present embodiment, a pump 25 is disposed upstream of the connecting portion between the hot water storage circulation path 16 and the water supply path 15 and the on-off valve A. Therefore, by switching the on-off valves A and B, hot water circulation in the hot water storage circulation path 16 and hot water supply to the water supply path 15 and the reverse osmosis membrane 5 can be performed by one pump, and another pump is provided in the water supply path 15. There is no need to provide.

ここで、開閉弁Bを開き、かつポンプ25を駆動させることで、給水経路15に湯水が供給されていれば、逆浸透膜5を透過しなかった排水が給水経路15から排出される。このとき、開閉弁Cを開くことで、排水供給経路19を通じて排水が貯湯循環経路16に供給される。そのため、システム外に排水を排出せずに貯湯タンク6にて回収可能となっており、排水の有効活用及びシステムの設置コストの大幅な削減が可能である。   Here, if hot water is supplied to the water supply path 15 by opening the on-off valve B and driving the pump 25, the wastewater that has not permeated the reverse osmosis membrane 5 is discharged from the water supply path 15. At this time, by opening the on-off valve C, the wastewater is supplied to the hot water storage circulation path 16 through the drainage supply path 19. Therefore, it is possible to collect in the hot water storage tank 6 without discharging the wastewater outside the system, and it is possible to effectively use the wastewater and greatly reduce the installation cost of the system.

貯湯タンク6は、第1給水経路17と接続している供給口付近である下部から貯湯循環経路16に湯水を供給し、出湯経路31と接続している出湯口付近である上部にて貯湯循環経路16を流通した湯水を回収する。そのため、貯湯タンク6に貯留されている湯水では、温度勾配が生じており、下部から上部に向かって貯留されている湯水の温度が上昇する。   The hot water storage tank 6 supplies hot water to the hot water storage circulation path 16 from the lower part near the supply port connected to the first water supply path 17 and circulates hot water at the upper part near the hot water outlet connected to the hot water supply path 31. The hot water flowing through the path 16 is collected. Therefore, a temperature gradient is generated in the hot water stored in the hot water storage tank 6, and the temperature of the hot water stored from the lower part toward the upper part increases.

ここで、燃料電池システム10の起動中には、排気経路13を流通する排ガスを冷却して水蒸気を凝縮させるため、貯湯循環経路16に継続的に湯水を循環させる。そのため、燃料電池システム10を長時間連続運転させると、貯湯タンク6に貯留されている温水の温度が上昇し、その際出湯が一定量行われなければ、熱的に充満した状態(満蓄状態)になる。満蓄になると、貯湯タンク6に貯留されている温水に温度勾配はほとんどなくなり、貯湯タンク6に貯留されている湯水の上側と下側との温度差はほとんどなくなる。そのため、満蓄時には、排気経路13を流通する排ガスからの熱回収による排ガスの冷却ができなくなり、その結果、排ガスから凝縮水の回収ができなくなってしまい、水回収タンク4に貯留されている水が不足するおそれがある。   Here, during startup of the fuel cell system 10, hot water is continuously circulated through the hot water storage circulation path 16 in order to cool the exhaust gas flowing through the exhaust path 13 and condense the water vapor. Therefore, when the fuel cell system 10 is operated continuously for a long time, the temperature of the hot water stored in the hot water storage tank 6 rises, and if a certain amount of hot water is not discharged at that time, a state where it is thermally filled (full storage state) )become. When full storage is reached, there is almost no temperature gradient in the hot water stored in the hot water storage tank 6, and there is almost no temperature difference between the upper side and the lower side of the hot water stored in the hot water storage tank 6. Therefore, at the time of full storage, the exhaust gas cannot be cooled by heat recovery from the exhaust gas flowing through the exhaust path 13, and as a result, the condensed water cannot be recovered from the exhaust gas, and the water stored in the water recovery tank 4 May be insufficient.

しかし、本実施形態に係る燃料電池システム10では、判定手段40が、水回収タンク4に貯留されている水の量が不足していると判定した際、給水経路15に湯水を供給し、逆浸透膜5を透過した水を水回収タンク4に供給する。そのため、満蓄時であっても、水回収タンク4にて水が不足するという問題が解消され、システムの連続運転が可能となる。   However, in the fuel cell system 10 according to the present embodiment, when the determination unit 40 determines that the amount of water stored in the water recovery tank 4 is insufficient, hot water is supplied to the water supply path 15 and vice versa. The water that has passed through the osmotic membrane 5 is supplied to the water recovery tank 4. Therefore, the problem that water is insufficient in the water recovery tank 4 is solved even at the time of full storage, and the system can be continuously operated.

さらに、前述のように、給水経路15に水を供給することで、排水供給経路19を通じて排水が貯湯循環経路16に供給される。そのため、システム外に排水を排出せずに貯湯タンク6にて回収可能となっており、排水の有効活用及びシステムの設置コストの大幅な削減が可能である。   Furthermore, as described above, by supplying water to the water supply path 15, the drainage is supplied to the hot water storage circulation path 16 through the drainage supply path 19. Therefore, it is possible to collect in the hot water storage tank 6 without discharging the wastewater outside the system, and it is possible to effectively use the wastewater and greatly reduce the installation cost of the system.

以下、判定手段40が、水回収タンク4に貯留されている水の量が不足していると判定する場合の具体例1について説明する。まず、判定手段40は、水回収タンク4に貯留されている水の量が不足しているか否かを、水位検出手段により検出された水回収タンク4の水位により判定してもよい。   Hereinafter, specific example 1 in the case where the determination unit 40 determines that the amount of water stored in the water recovery tank 4 is insufficient will be described. First, the determination means 40 may determine whether or not the amount of water stored in the water recovery tank 4 is insufficient based on the water level of the water recovery tank 4 detected by the water level detection means.

このとき、本実施形態に係る燃料電池システム10は、水回収タンク4の水位を検出する水位検出手段である水位センサー41をさらに備えている。水位センサー41としては、フロートセンサーや電極センサー等の従来公知のものを適宜選択して使用することができる。   At this time, the fuel cell system 10 according to the present embodiment further includes a water level sensor 41 which is a water level detecting means for detecting the water level of the water recovery tank 4. As the water level sensor 41, a conventionally known sensor such as a float sensor or an electrode sensor can be appropriately selected and used.

本実施形態に係る燃料電池システム10では、システム起動後、開閉弁Aを開き、かつ開閉弁B、Cを閉じた状態でポンプ25を駆動させることで、貯湯循環経路16にて湯水を循環させている。システム起動から時間が経過し、判定手段40が、水位センサー41により検出された水回収タンク4の水位が閾値(第1の閾値)以下であると判定した際、開閉弁Aを閉じ、かつ開閉弁B、Cを開くことによって、給水経路15に湯水を供給する。これにより、逆浸透膜5を透過した水が水回収タンク4に供給されると共に、逆浸透膜5を透過しなかった排水が貯湯循環経路16に供給される。そのため、水蒸気改質に用いる水が不足するという問題が抑制され、満蓄時においてもシステムの連続運転が可能となる。なお、閾値(第1の閾値)となる水回収タンク4の水位としては、例えば、給水経路15から水が供給されるまでの間、燃料電池モジュール1への改質水の供給が可能な量以上であればよい。   In the fuel cell system 10 according to the present embodiment, after the system is started, the on-off valve A is opened and the on-off valves B and C are closed to drive the pump 25 to circulate hot water in the hot water storage circulation path 16. ing. When time elapses after the system is activated and the determination means 40 determines that the water level in the water recovery tank 4 detected by the water level sensor 41 is equal to or lower than the threshold (first threshold), the on-off valve A is closed and opened / closed. Hot water is supplied to the water supply path 15 by opening the valves B and C. Thereby, water that has passed through the reverse osmosis membrane 5 is supplied to the water recovery tank 4, and waste water that has not passed through the reverse osmosis membrane 5 is supplied to the hot water storage circulation path 16. Therefore, the problem that the water used for steam reforming is insufficient is suppressed, and the continuous operation of the system is possible even at full storage. In addition, as a water level of the water collection tank 4 used as a threshold value (first threshold value), for example, an amount of water that can be supplied to the fuel cell module 1 until water is supplied from the water supply path 15. That is all you need.

ここで、逆浸透膜5を透過し、水回収タンク4に供給された水の量(ml/分)が、水蒸気改質に必要な水の量(ml/分)よりも多い場合、水回収タンク4の水位が徐々に増加する。そのため、判定手段40が、水位センサー41により検出された水回収タンク4の水位が閾値(第2の閾値)以上であると判定した際、開閉弁Aを開き、かつ開閉弁B、Cを閉じることによって、給水経路15への湯水の供給を停止させてもよい。これにより、水回収タンク4からオーバーフローにより、水がドレン排水されないように調整でき、また、高温の湯水が逆浸透膜5に供給されなくなるため、逆浸透膜5の負担が軽減される。   Here, when the amount of water permeated through the reverse osmosis membrane 5 and supplied to the water recovery tank 4 (ml / min) is larger than the amount of water required for steam reforming (ml / min), water recovery The water level in the tank 4 gradually increases. Therefore, when the determination means 40 determines that the water level in the water recovery tank 4 detected by the water level sensor 41 is equal to or higher than the threshold (second threshold), the on-off valve A is opened and the on-off valves B and C are closed. Accordingly, the supply of hot water to the water supply path 15 may be stopped. Thereby, it can adjust so that water may not drain drain by overflow from the water collection tank 4, and since hot hot water is no longer supplied to the reverse osmosis membrane 5, the burden of the reverse osmosis membrane 5 is reduced.

以下、水回収タンク4の水位に応じて、給水経路15への湯水の供給を制御することについて、図2を用いて説明する。図2は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムにおける給水の制御処理1を示すフローチャートである。   Hereinafter, controlling the supply of hot water to the water supply path 15 in accordance with the water level of the water recovery tank 4 will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a flowchart showing the water supply control process 1 in the fuel cell system according to the embodiment of the present invention.

図2に示すように、ステップ200にて、燃料電池システム10を起動する。このとき、水回収タンク4には、燃料電池モジュール1に供給される水が貯留されており、この水が原料ガスの水蒸気改質に用いられる。   As shown in FIG. 2, in step 200, the fuel cell system 10 is activated. At this time, water supplied to the fuel cell module 1 is stored in the water recovery tank 4, and this water is used for steam reforming of the raw material gas.

燃料電池システム10を起動して連続運転させると、前述のように、貯湯タンク6に貯留されている温水の温度が上昇し、熱的に充満した状態(満蓄状態)になる。満蓄時には、排ガスから凝縮水の回収ができなくなってしまうため、水回収タンク4の水位が徐々に低下する。   When the fuel cell system 10 is started and continuously operated, as described above, the temperature of the hot water stored in the hot water storage tank 6 rises, and the fuel cell system 10 is in a thermally filled state (full storage state). At the time of full storage, the condensed water cannot be recovered from the exhaust gas, so that the water level in the water recovery tank 4 gradually decreases.

ステップ201にて、水位センサー41にて検出された水回収タンク4の水位が第1の閾値以下であるか否かを判定する。水位センサー41にて検出された水回収タンク4の水位が第1の閾値以下であれば、ステップ202にて、開閉弁Aを閉じ、かつ開閉弁B、Cを開くことによって、給水経路15に湯水を供給する。このとき、逆浸透膜5を透過し、水回収タンク4に供給された水の量(ml/分)が、水蒸気改質に必要な水の量(ml/分)よりも多い場合、水回収タンク4の水位が徐々に増加する。   In step 201, it is determined whether or not the water level in the water recovery tank 4 detected by the water level sensor 41 is equal to or less than a first threshold value. If the water level of the water recovery tank 4 detected by the water level sensor 41 is equal to or less than the first threshold value, the on-off valve A is closed and the on-off valves B and C are opened in step 202 to enter the water supply path 15. Supply hot water. At this time, if the amount of water permeated through the reverse osmosis membrane 5 and supplied to the water recovery tank 4 (ml / min) is larger than the amount of water required for steam reforming (ml / min), water recovery The water level in the tank 4 gradually increases.

次に、ステップ203にて、水位センサー41にて検出された水回収タンク4の水位が第2の閾値以上であるか判定する。水位センサー41にて検出された水回収タンク4の水位が第2の閾値以上でなければ、給水経路15への湯水の供給を継続し、水位センサー41にて検出された水回収タンク4の水位が第2の閾値以上であれば、ステップ204にて、開閉弁Aを開き、かつ開閉弁B、Cを閉じることによって、給水経路15への湯水の供給を停止する。   Next, in step 203, it is determined whether or not the water level in the water recovery tank 4 detected by the water level sensor 41 is equal to or greater than a second threshold value. If the water level of the water recovery tank 4 detected by the water level sensor 41 is not greater than or equal to the second threshold value, the supply of hot water to the water supply path 15 is continued, and the water level of the water recovery tank 4 detected by the water level sensor 41 Is greater than or equal to the second threshold value, the supply of hot water to the water supply path 15 is stopped by opening the on-off valve A and closing the on-off valves B and C at step 204.

そして、給水経路15への湯水の供給を停止した場合、満蓄状態が維持されたままである、あるいは、一度満蓄状態が解消したが再度満蓄になると、水位センサー41にて検出された水回収タンク4の水位が再び低下する。   When the supply of hot water to the water supply path 15 is stopped, the fully stored state is maintained, or the water level detected by the water level sensor 41 when the fully stored state is once cleared but becomes full again. The water level in the recovery tank 4 falls again.

そこで、ステップ205にてシステムの運転停止要求がなければ、ステップ201〜204を繰り返し行なってもよい。また、ステップ205にてシステムの運転停止要求があれば、燃料電池システム10の運転を停止する。なお、システムの運転停止は、ステップ200〜205の間の任意のタイミングで行なってもよい。   Therefore, if there is no system operation stop request in step 205, steps 201 to 204 may be repeated. If there is a system stop request in step 205, the operation of the fuel cell system 10 is stopped. The operation of the system may be stopped at any timing between steps 200 to 205.

以下、判定手段40が、水回収タンク4に貯留されている水の量が不足していると判定する場合の具体例2について説明する。判定手段40は、水回収タンク4に貯留されている水の量が不足しているか否かを、燃料電池システムの起動時間により判定してもよい。   Hereinafter, specific example 2 in the case where the determination unit 40 determines that the amount of water stored in the water recovery tank 4 is insufficient will be described. The determination means 40 may determine whether or not the amount of water stored in the water recovery tank 4 is insufficient based on the startup time of the fuel cell system.

燃料電池システム10を起動させてから時間が経過すると、貯湯タンク6に貯留されている温水が満蓄となり、排ガスから凝縮水の回収ができなくなってしまうため、システム起動から時間が経過するにつれて水回収タンク4に貯留されている水が不足することになる。そこで、判定手段40が、システム起動から所定の時間が経過したことを判定した際、開閉弁Aを閉じ、かつ開閉弁B、Cを開くことによって、給水経路15に湯水を供給する。これにより、逆浸透膜5を透過した水が水回収タンク4に供給されると共に、逆浸透膜5を透過しなかった排水が貯湯循環経路16に供給される。そのため、水蒸気改質に用いる水が不足するという問題が抑制され、満蓄時においてもシステムの連続運転が可能となる。   When the time elapses after the fuel cell system 10 is started, the hot water stored in the hot water storage tank 6 is fully stored, and it becomes impossible to collect condensed water from the exhaust gas. The water stored in the collection tank 4 will be insufficient. Therefore, when the determination unit 40 determines that a predetermined time has elapsed since the system start-up, hot water is supplied to the water supply path 15 by closing the on-off valve A and opening the on-off valves B and C. Thereby, water that has passed through the reverse osmosis membrane 5 is supplied to the water recovery tank 4, and waste water that has not passed through the reverse osmosis membrane 5 is supplied to the hot water storage circulation path 16. Therefore, the problem that the water used for steam reforming is insufficient is suppressed, and the continuous operation of the system is possible even at full storage.

また、前述のように、逆浸透膜5を透過し、水回収タンク4に供給された水の量(ml/分)が、水蒸気改質に必要な水の量(ml/分)よりも多い場合、水回収タンク4の水位が一定の割合で徐々に増加する。そのため、判定手段40が、給水経路15に湯水を供給してから所定の時間が経過したことを判定した際、開閉弁Aを開き、かつ開閉弁B、Cを閉じることによって、給水経路15への湯水の供給を停止してもよい。   Further, as described above, the amount of water (ml / min) that permeates the reverse osmosis membrane 5 and is supplied to the water recovery tank 4 is larger than the amount of water required for steam reforming (ml / min). In this case, the water level in the water recovery tank 4 gradually increases at a constant rate. Therefore, when the determination means 40 determines that a predetermined time has elapsed since the hot water was supplied to the water supply path 15, the open / close valve A is opened and the open / close valves B and C are closed, thereby entering the water supply path 15. The hot water supply may be stopped.

さらに、給水経路15への湯水の供給を停止させた場合、満蓄状態が維持されたままであると、水回収タンク4の水位が一定の割合で再び低下する。そのため、判定手段40が、給水経路15への湯水の供給を停止させてから所定の時間経過したことを判定した際、給水経路15へ再度湯水を供給してもよい。   Further, when the supply of hot water to the water supply path 15 is stopped, the water level of the water recovery tank 4 is lowered again at a constant rate if the full storage state is maintained. Therefore, when the determination unit 40 determines that a predetermined time has elapsed since the supply of hot water to the water supply path 15 is stopped, hot water may be supplied to the water supply path 15 again.

また、判定手段40が、給水経路15に湯水を供給してから所定の時間が経過したことを判定した際、給水経路15への湯水の供給を停止する手順と、判定手段40が、給水経路15への湯水の供給を停止してから所定の時間が経過したことを判定した際、給水経路15へ湯水を供給する手順と、を順番に繰り返してもよい。   Further, when the determination unit 40 determines that a predetermined time has elapsed since the hot water was supplied to the water supply path 15, the procedure for stopping the supply of hot water to the water supply path 15, and the determination unit 40 includes the water supply path When it is determined that a predetermined time has elapsed since the supply of hot water to 15 is stopped, the procedure of supplying hot water to the water supply path 15 may be repeated in order.

以下、燃料電池システムの起動時間、給水時間及び給水の停止時間に応じて、給水経路15への湯水の供給を制御することについて、図3を用いて説明する。図3は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムにおける給水の制御処理2を示すフローチャートである。   Hereinafter, control of hot water supply to the water supply path 15 according to the start-up time, the water supply time, and the water supply stop time of the fuel cell system will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a flowchart showing the water supply control process 2 in the fuel cell system according to the embodiment of the present invention.

図3に示すように、ステップ300にて、燃料電池システム10を起動する。このとき、水回収タンク4には、燃料電池モジュール1に供給される水が貯留されており、この水が原料ガスの水蒸気改質に用いられる。   As shown in FIG. 3, in step 300, the fuel cell system 10 is activated. At this time, water supplied to the fuel cell module 1 is stored in the water recovery tank 4, and this water is used for steam reforming of the raw material gas.

燃料電池システム10を起動して連続運転させて満蓄状態となると、排ガスから凝縮水の回収ができなくなってしまうため、水回収タンク4の水位が徐々に低下する。   When the fuel cell system 10 is started and continuously operated to reach a fully stored state, the condensed water cannot be recovered from the exhaust gas, so that the water level in the water recovery tank 4 gradually decreases.

ステップ301にて、燃料電池システム10の起動から所定時間が経過したか判定する。システムの起動から所定時間が経過していれば、ステップ302にて、開閉弁Aを閉じ、かつ開閉弁B、Cを開くことによって、給水経路15に湯水を供給する。このとき、逆浸透膜5を透過し、水回収タンク4に供給された水の量(ml/分)が、水蒸気改質に必要な水の量(ml/分)よりも多い場合、水回収タンク4の水位が徐々に増加する。   In step 301, it is determined whether a predetermined time has elapsed since the start of the fuel cell system 10. If a predetermined time has elapsed since the system was started, in step 302, hot water is supplied to the water supply path 15 by closing the on-off valve A and opening the on-off valves B, C. At this time, if the amount of water permeated through the reverse osmosis membrane 5 and supplied to the water recovery tank 4 (ml / min) is larger than the amount of water required for steam reforming (ml / min), water recovery The water level in the tank 4 gradually increases.

次に、ステップ303にて、給水から所定時間が経過したか判定する。給水から所定時間が経過してなければ、給水経路15への湯水の供給を継続し、給水から所定時間が経過していれば、ステップ304にて、開閉弁Aを開き、かつ開閉弁B、Cを閉じることによって、給水経路15への湯水の供給を停止する。   Next, in step 303, it is determined whether a predetermined time has passed since the water supply. If the predetermined time has not elapsed since the water supply, the hot water supply to the water supply path 15 is continued. If the predetermined time has elapsed since the water supply, the on-off valve A is opened and the on-off valve B, By closing C, the supply of hot water to the water supply path 15 is stopped.

そして、給水経路15への湯水の供給を停止した場合、満蓄状態が維持されたままであると、水回収タンク4の水位が一定の割合で再び低下する。   When the supply of hot water to the water supply path 15 is stopped, the water level of the water recovery tank 4 is lowered again at a constant rate if the full storage state is maintained.

次に、ステップ305にて、湯水の供給停止から所定時間が経過したか判定する。湯水の供給停止から所定時間が経過していれば、ステップ306にて、開閉弁Aを閉じ、かつ開閉弁B、Cを開くことによって、給水経路15に湯水を供給する。このとき、ステップ302と同様、満蓄時であっても、水回収タンク4の水位が一定の割合で徐々に増加する。   Next, in step 305, it is determined whether a predetermined time has passed since the hot water supply stop. If a predetermined time has elapsed since the stop of hot water supply, hot water is supplied to the water supply path 15 by closing the on-off valve A and opening the on-off valves B and C at step 306. At this time, as in step 302, the water level in the water recovery tank 4 gradually increases at a constant rate even at the time of full storage.

そして、ステップ307にて、湯水の供給から所定時間が経過したか判定する。湯水の供給から所定時間が経過してなければ、給水経路15への湯水の供給を継続し、湯水の供給から所定時間が経過していれば、ステップ308にて、開閉弁Aを開き、かつ開閉弁B、Cを閉じることによって、給水経路15への湯水の供給を停止する。   In step 307, it is determined whether a predetermined time has elapsed since the hot water was supplied. If the predetermined time has not elapsed since the hot water supply, the hot water supply to the water supply path 15 is continued. If the predetermined time has elapsed since the hot water supply, the on-off valve A is opened in step 308, and By closing the on-off valves B and C, the supply of hot water to the water supply path 15 is stopped.

ステップ309にてシステムの運転停止要求がなければ、ステップ305〜308を繰り返し行なってもよい。また、ステップ309にてシステムの運転停止要求があれば、燃料電池システム10の運転を停止する。なお、システムの運転停止は、ステップ300〜209の間の任意のタイミングで行なってもよい。   If there is no system stop request in step 309, steps 305 to 308 may be repeated. If there is a system operation stop request in step 309, the operation of the fuel cell system 10 is stopped. Note that the system operation may be stopped at any timing between steps 300 to 209.

以下、判定手段40が、水回収タンク4に貯留されている水の量が不足していると判定する場合の具体例3について説明する。判定手段40は、水回収タンク4に貯留されている水の量が不足しているか否かを、温度検出手段により検出された湯水の温度により判定してもよい。   Hereinafter, specific example 3 in the case where the determination unit 40 determines that the amount of water stored in the water recovery tank 4 is insufficient will be described. The determination means 40 may determine whether or not the amount of water stored in the water recovery tank 4 is insufficient based on the temperature of the hot water detected by the temperature detection means.

このとき、本実施形態に係る燃料電池システム10は、貯湯循環経路16における熱交換器2よりも上流の所定の位置及び貯湯タンク6の所定の位置の少なくとも一方に温度検出手段(図示せず)をさらに備えている。温度検出手段は、貯湯循環経路16における熱交換器2よりも上流の位置であれば、任意の場所に設けることができ、例えば、貯湯循環経路16において、貯湯タンク6の供給口付近などが挙げられる。また、温度検出手段は、貯湯タンク6の任意の場所に設けることができ、例えば、貯湯循環経路16と接続している供給口付近、貯湯循環経路16における任意の箇所などが挙げられる。   At this time, the fuel cell system 10 according to the present embodiment has temperature detection means (not shown) at at least one of a predetermined position upstream of the heat exchanger 2 and a predetermined position of the hot water storage tank 6 in the hot water storage circulation path 16. Is further provided. The temperature detection means can be provided at any location as long as it is upstream of the heat exchanger 2 in the hot water circulation path 16. For example, in the hot water circulation path 16, the vicinity of the supply port of the hot water storage tank 6 can be cited. It is done. Further, the temperature detection means can be provided at an arbitrary location of the hot water storage tank 6, and examples thereof include a vicinity of a supply port connected to the hot water storage circulation path 16, an arbitrary position in the hot water storage circulation path 16, and the like.

本実施形態に係る燃料電池システム10では、判定手段40が、温度検出手段により検出された湯水の温度が閾値以上であると判定した際、開閉弁Aを閉じ、かつ開閉弁B、Cを開くことによって、給水経路15に湯水を供給する。これにより、これにより、排ガスの冷却効率が低下し、排ガスから凝縮水を好適に回収できなくなった場合であっても、逆浸透膜5を透過した水が水回収タンク4に供給される。そのため、水蒸気改質に用いる水が不足するという問題が抑制され、満蓄時においてもシステムの連続運転が可能となる。   In the fuel cell system 10 according to the present embodiment, when the determination unit 40 determines that the temperature of the hot water detected by the temperature detection unit is equal to or higher than the threshold value, the on-off valve A is closed and the on-off valves B and C are opened. Thus, hot water is supplied to the water supply path 15. Thereby, even if it is a case where the cooling efficiency of waste gas falls and condensed water cannot be recovered suitably from waste gas, the water which permeate | transmitted the reverse osmosis membrane 5 is supplied to the water collection tank 4. Therefore, the problem that the water used for steam reforming is insufficient is suppressed, and the continuous operation of the system is possible even at full storage.

給水経路15に湯水を供給するか否かを判定する対象となる閾値としては、特に限定されないが、例えば、満蓄時の湯水の温度(例えば、90℃)、満蓄時の湯水の温度よりも低い温度(例えば、60℃以上90℃未満)が挙げられる。すなわち、所定の箇所における湯水の温度が満蓄時の湯水の温度又は満蓄時の湯水の温度よりも低い温度であることを示す場合に、給水経路15に湯水を供給してもよい。特に、満蓄時の湯水の温度よりも低い温度であることを示した場合に、給水経路15に湯水を供給する構成とすることで、より十分な量の水を水回収タンク4に貯留することができるため好ましい。   Although it does not specifically limit as a threshold value used as the object which determines whether hot water is supplied to the water supply path | route 15, For example, from the temperature (for example, 90 degreeC) of the hot water at the time of full storage, the temperature of the hot water at the time of full storage Lower temperature (for example, 60 ° C. or more and less than 90 ° C.). That is, hot water may be supplied to the water supply path 15 when the temperature of the hot water at a predetermined location indicates a temperature of hot water when fully stored or a temperature lower than the temperature of hot water when fully stored. In particular, when it is shown that the temperature is lower than the temperature of hot water at the time of full storage, a sufficient amount of water is stored in the water recovery tank 4 by supplying hot water to the water supply path 15. This is preferable.

また、温度検出手段は、貯湯タンク6の任意の場所に設けることができる。貯湯タンク6において、満蓄状態では貯湯タンク6に貯留されている湯水は全域でほぼ同じ温度であるが、満蓄状態でない場合、貯湯タンク6に貯留されている湯水は高さ方向に沿って温度が上昇するようになっている。そこで、温度検出手段を、貯湯循環経路16の下部であり、かつ貯湯循環経路16と接続している供給口付近よりも上部に設けることが好ましい。このとき、温度検出手段が満蓄時の湯水の温度を示したとすると、貯湯タンク6に貯留されている湯水は満蓄直前であることが分かる。そのため、満蓄となる直前で、給水経路15に水を供給することができ、より十分な量の水を水回収タンク4に貯留することができるため好ましい。   Further, the temperature detecting means can be provided at an arbitrary location of the hot water storage tank 6. In the hot water storage tank 6, the hot water stored in the hot water storage tank 6 has almost the same temperature in the entire region in the fully stored state, but when it is not in the fully stored state, the hot water stored in the hot water storage tank 6 is along the height direction. The temperature rises. Therefore, it is preferable to provide the temperature detection means at the lower part of the hot water storage circulation path 16 and at the upper part of the supply port connected to the hot water storage circulation path 16. At this time, if the temperature detection means indicates the temperature of the hot water at the time of full storage, it can be seen that the hot water stored in the hot water storage tank 6 is immediately before full storage. Therefore, it is preferable because water can be supplied to the water supply path 15 immediately before the water is fully stored, and a sufficient amount of water can be stored in the water recovery tank 4.

温度検出手段は、複数設けられていてもよく、例えば、貯湯循環経路16における熱交換器2よりも上流の所定の位置及び貯湯タンク6の所定の位置の両方に設けてもよく、貯湯タンク6の高さの異なる位置に温度検出手段をそれぞれ設けてもよい。   A plurality of temperature detection means may be provided. For example, the temperature detection means may be provided both at a predetermined position upstream of the heat exchanger 2 in the hot water circulation path 16 and at a predetermined position of the hot water storage tank 6. The temperature detection means may be provided at positions having different heights.

なお、温度検出手段を設ける具体例3の構成は、前述の具体例1、2の構成と組み合わせてもよい。   The configuration of specific example 3 in which the temperature detecting means is provided may be combined with the configuration of specific examples 1 and 2 described above.

本実施形態に係る燃料電池システム10は、逆浸透膜5の上流に給水経路15を流通する湯水中の塩素を除去する脱塩素部(図示せず)及び第1給水経路17に貯湯タンク6に供給される水中の塩素を除去する脱塩素部(図示せず)の少なくとも一方をさらに備えることが好ましい。   The fuel cell system 10 according to this embodiment includes a dechlorination unit (not shown) that removes chlorine in hot water flowing through the water supply path 15 upstream of the reverse osmosis membrane 5 and the first water supply path 17 in the hot water storage tank 6. It is preferable to further include at least one of a dechlorination section (not shown) for removing chlorine in the supplied water.

前述のように脱塩素部を配置することで、給水経路15を流通する湯水中の塩素又は貯湯タンク6に供給される水中の塩素が除去されるため、耐塩素性でない逆浸透膜5も好適に用いることができ、逆浸透膜5の選択肢を広げることができる。   By disposing the dechlorination unit as described above, chlorine in hot water flowing through the water supply path 15 or chlorine in the water supplied to the hot water storage tank 6 is removed, so the reverse osmosis membrane 5 that is not chlorine resistant is also suitable. The choice of the reverse osmosis membrane 5 can be expanded.

本実施形態では、開閉弁Aを開いているときは開閉弁Bを閉じる、あるいは、開閉弁Bを開いているときは開閉弁Aを閉じるように調整しているが、本発明はそれに限定されない。例えば、開閉弁A及び開閉弁Bを両方とも開き、開閉弁Aが設けられた箇所に湯水を流通させつつ、貯湯循環経路16を流通する湯水の一部を給水経路15に供給してもよい。これにより、排水供給経路19を設けなかった場合であっても、貯湯循環経路16にて湯水を循環させることができる。   In this embodiment, the on-off valve B is closed when the on-off valve A is open, or the on-off valve A is closed when the on-off valve B is open. However, the present invention is not limited thereto. . For example, both the on-off valve A and the on-off valve B may be opened, and a portion of hot water flowing through the hot water storage circulation path 16 may be supplied to the water supply path 15 while flowing hot water through a location where the on-off valve A is provided. . Thereby, even if the drainage supply path 19 is not provided, the hot water can be circulated in the hot water storage circulation path 16.

また、開閉弁A、Bを設けずに、貯湯循環経路16と給水経路15との接続部分に、例えば三方弁のような流量調整部を設け、開閉の程度によって給水経路15に供給される湯水の量を調節する構成としてもよい。これにより、逆浸透膜5を透過させて水回収タンク4に供給すべき水の量に応じて逆浸透膜5に供給される湯水の量を調節することができ、逆浸透膜5の負担が軽減される。   Further, without providing the on-off valves A and B, a flow rate adjusting unit such as a three-way valve is provided at the connecting portion between the hot water storage circulation path 16 and the water supply path 15, and hot water supplied to the water supply path 15 depending on the degree of opening and closing. It is good also as a structure which adjusts the quantity of. Thereby, the quantity of the hot water supplied to the reverse osmosis membrane 5 can be adjusted according to the quantity of the water which permeate | transmits the reverse osmosis membrane 5 and should be supplied to the water recovery tank 4, and the burden of the reverse osmosis membrane 5 is carried out. It is reduced.

実施形態を挙げて本発明の実施の形態を説明したが、これらの実施形態は一例であり、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。また、本発明の権利範囲がこれらの実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施し得ることは言うまでもない。   Although the embodiments of the present invention have been described with reference to the embodiments, these embodiments are merely examples, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Further, it goes without saying that the scope of rights of the present invention is not limited to these embodiments and can be implemented in various modes without departing from the gist of the present invention.

10…燃料電池システム、1…燃料電池モジュール、2…熱交換器、3…水処理装置、4…水回収タンク、5…逆浸透膜、6…貯湯タンク、11…原料ガス供給経路、12…酸素供給経路、13…排気経路、14…改質水供給経路、15…給水経路、16…貯湯循環経路、17…第1給水経路、18…第2給水経路、19…排水供給経路、21、22…ブロワ、23、25…ポンプ、26…混合弁、31…出湯経路、40…判定手段、41…水位センサー DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell system, 1 ... Fuel cell module, 2 ... Heat exchanger, 3 ... Water treatment apparatus, 4 ... Water recovery tank, 5 ... Reverse osmosis membrane, 6 ... Hot water storage tank, 11 ... Raw material gas supply path, 12 ... Oxygen supply path, 13 ... exhaust path, 14 ... reformed water supply path, 15 ... water supply path, 16 ... hot water storage circulation path, 17 ... first water supply path, 18 ... second water supply path, 19 ... drainage supply path, 21, 22 ... Blower, 23, 25 ... Pump, 26 ... Mixing valve, 31 ... Hot water path, 40 ... Determination means, 41 ... Water level sensor

Claims (7)

燃料電池を備える燃料電池モジュールと、
湯水を貯める貯湯槽と、
前記貯湯槽内の湯水を循環させる貯湯循環経路と、
前記燃料電池モジュールから排出される排ガスと前記貯湯循環経路を流通する湯水との間で熱交換を行ない、前記排ガスを冷却する熱交換器と、
前記熱交換器にて冷却された前記排ガス中の水蒸気が凝縮されて得られる水を回収して貯留する水回収槽と、
前記水回収槽に貯留されている水を前記燃料電池モジュールに供給する水供給経路と、
前記貯湯循環経路と接続されており、前記貯湯循環経路を流通する湯水が供給される経路であって、逆浸透膜が設けられており、前記逆浸透膜を透過した水を前記水回収槽に供給する給水経路と、
少なくとも前記給水経路における湯水の流量を調節する流量調節部と、
前記水回収槽に貯留されている水の量が不足しているか否かを判定する判定手段と、
前記貯湯循環経路における前記熱交換器よりも上流の所定の位置及び前記貯湯槽の所定の位置の少なくとも一方に設けられた温度検出手段と、
を備え、
前記判定手段は、前記水回収槽に貯留されている水の量が不足しているか否かを、前記温度検出手段により検出された湯水の温度により判定し、前記温度検出手段により検出された湯水の温度が閾値以上になった際、前記給水経路に湯水が供給されるように前記流量調節部を調節し、前記逆浸透膜を透過した水を前記水回収槽に供給する燃料電池システム。
A fuel cell module comprising a fuel cell;
A hot water storage tank for storing hot water,
A hot water circulation path for circulating hot water in the hot water tank;
A heat exchanger that performs heat exchange between the exhaust gas discharged from the fuel cell module and hot water flowing through the hot water storage circulation path, and cools the exhaust gas;
A water recovery tank for recovering and storing water obtained by condensing water vapor in the exhaust gas cooled by the heat exchanger;
A water supply path for supplying water stored in the water recovery tank to the fuel cell module;
The hot water circulation path is connected to the hot water circulation path, and is supplied with hot water flowing through the hot water circulation path, and is provided with a reverse osmosis membrane, and the water that has permeated the reverse osmosis membrane is supplied to the water recovery tank. A water supply route to supply,
A flow rate adjusting unit for adjusting the flow rate of hot water in at least the water supply path;
Determination means for determining whether or not the amount of water stored in the water recovery tank is insufficient;
Temperature detection means provided at at least one of a predetermined position upstream of the heat exchanger in the hot water circulation path and a predetermined position of the hot water storage tank;
With
The determination means determines whether or not the amount of water stored in the water recovery tank is insufficient based on the temperature of the hot water detected by the temperature detection means, and the hot water detected by the temperature detection means. A fuel cell system that adjusts the flow rate adjusting unit so that hot water is supplied to the water supply path and supplies water that has permeated the reverse osmosis membrane to the water recovery tank when the temperature of the water reaches a threshold value or more .
前記逆浸透膜を透過せずに前記給水経路から排出された排水を前記貯湯循環経路に供給する排水供給経路をさらに備える請求項1に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 1, further comprising a drainage supply path that supplies drainage discharged from the water supply path without passing through the reverse osmosis membrane to the hot water storage circulation path. 前記水回収槽の水位を検出する水位検出手段をさらに備え、
前記判定手段は、前記水回収槽に貯留されている水の量が不足しているか否かを、前記水位検出手段により検出された前記水回収槽の水位により判定し、前記水位検出手段により検出された前記水回収槽の水位が閾値以下になった際、前記給水経路に湯水が供給されるように前記流量調節部を調節する請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システム。
A water level detection means for detecting the water level of the water recovery tank;
The determination means determines whether or not the amount of water stored in the water recovery tank is insufficient based on the water level of the water recovery tank detected by the water level detection means, and is detected by the water level detection means. 3. The fuel cell system according to claim 1, wherein when the water level of the water recovery tank is equal to or lower than a threshold value, the flow rate adjusting unit is adjusted so that hot water is supplied to the water supply path.
前記逆浸透膜は、耐熱温度が60℃以上である請求項1〜請求項のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3 , wherein the reverse osmosis membrane has a heat resistant temperature of 60 ° C or higher. 前記水回収槽の下流であり、かつ前記水回収槽と前記燃料電池モジュールとの間に配置されている水処理装置をさらに備える請求項1〜請求項のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 4 , further comprising a water treatment device that is disposed downstream of the water recovery tank and between the water recovery tank and the fuel cell module. system. 前記逆浸透膜の上流に前記給水経路を流通する湯水中の塩素を除去する脱塩素部をさらに備える請求項1〜請求項のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5 , further comprising a dechlorination unit that removes chlorine in the hot water flowing through the water supply path upstream of the reverse osmosis membrane. 前記貯湯槽の上流に前記貯湯槽に供給される水中の塩素を除去する脱塩素部をさらに備える請求項1〜請求項のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6 , further comprising a dechlorination unit that removes chlorine in water supplied to the hot water tank upstream of the hot water tank.
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