JP6851261B2 - Cogeneration system - Google Patents

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Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池を備えるコジェネレーションシステムに関する。 The present invention relates to a cogeneration system including a solid oxide fuel cell.

固体酸化物形燃料電池(SOFC)は、約700℃〜約1000℃の高温で燃料ガス中の水素、一酸化炭素、炭化水素と酸化剤ガス中の酸素とを電気化学反応させて発電を行うため、発電による電力と発電時に発生する熱とを利用するコジェネレーションシステムを構築できる。燃料電池には、上述した固体酸化物形の燃料電池のほかに、固体高分子形の燃料電池もある。固体高分子形の燃料電池は家庭の熱需要に対する燃料電池からの供給熱のバランスを監視して、燃料電池を停止したり、発電出力を絞るといった動作が行われる。一方、固体酸化物形の燃料電池は発電効率が高く、熱と電気出力の比が小さいため、熱需要の多寡にかかわらず電気需要に追従させた運用が行われることが一般的である。また、固体酸化物形の燃料電池を停止させずに運用するのは、発電温度が高いため、頻繁な起動停止に向いていないことも理由の一つである。 A solid oxide fuel cell (SOFC) generates electricity by electrochemically reacting hydrogen, carbon monoxide, and hydrocarbons in a fuel gas with oxygen in an oxidizing agent gas at a high temperature of about 700 ° C to about 1000 ° C. Therefore, it is possible to construct a cogeneration system that utilizes the power generated by power generation and the heat generated during power generation. In addition to the solid oxide fuel cell described above, the fuel cell also includes a solid polymer fuel cell. The polymer electrolyte fuel cell monitors the balance of heat supplied from the fuel cell to the heat demand of the household, and performs operations such as stopping the fuel cell and reducing the power generation output. On the other hand, solid oxide fuel cells have high power generation efficiency and a small ratio of heat to electricity output, so they are generally operated in accordance with electricity demand regardless of the amount of heat demand. Another reason for operating the solid oxide fuel cell without stopping it is that it is not suitable for frequent start-up and stop due to the high power generation temperature.

特許文献1(特開2005−285340号公報)には、原燃料を水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質部と、改質部で生成された燃料ガスが供給されるアノード及び酸素ガスが供給されるカソードを有する固体酸化物形の燃料電池部(セルスタック)と、燃料電池部での発電反応で用いられた後にアノードから排出される排出燃料ガス中の燃料成分を燃焼させる燃焼部とを備え、燃焼部で発生した燃焼熱が改質部での水蒸気改質に利用される装置が記載されている。この特許文献1に記載した装置では、燃料電池部(セルスタック)のセル出口を出た排出燃料ガスはその場で燃焼されるが、特許文献2(特開2008−021596号公報)の図9に記載されているように、排出燃料ガスを一旦集めた後で燃焼部で燃焼させてもよい。 Patent Document 1 (Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-285340) describes a reforming section for steam reforming raw fuel to generate fuel gas, and an anode and oxygen gas to which the fuel gas generated by the reforming section is supplied. A solid oxide fuel cell unit (cell stack) having a cathode to which is supplied, and a combustion unit that burns the fuel components in the exhaust fuel gas discharged from the anode after being used in the power generation reaction in the fuel cell unit. A device is described in which the combustion heat generated in the combustion section is used for steam reforming in the reforming section. In the apparatus described in Patent Document 1, the discharged fuel gas exiting the cell outlet of the fuel cell unit (cell stack) is burned on the spot, but FIG. 9 of Patent Document 2 (Japanese Unexamined Patent Publication No. 2008-021596). As described in the above, the exhaust fuel gas may be collected once and then burned in the combustion section.

また、特許文献3(特許第5433277号公報)には、アノードから排出される排出燃料ガスを燃焼部で燃焼させ、その燃焼排ガスと蓄熱タンク(貯湯タンク70)に貯えている熱媒体とを熱交換させることで、燃焼排ガスから熱を回収する熱回収部(熱交換器74)と、その熱回収部で熱が回収された後の燃焼排ガスに含まれる凝縮水を回収する水回収部とを備えるシステムが記載されている。このシステムでは、蓄熱タンクの下部から取り出した相対的に低温の熱媒体を熱回収部に供給し、熱回収部で昇温された相対的に高温の熱媒体を蓄熱タンクの上部に戻すような構成になっている。 Further, in Patent Document 3 (Japanese Patent No. 5433277), the exhaust fuel gas discharged from the anode is burned in the combustion section, and the combustion exhaust gas and the heat medium stored in the heat storage tank (hot water storage tank 70) are heated. A heat recovery unit (heat exchanger 74) that recovers heat from the combustion exhaust gas by exchanging the heat, and a water recovery unit that recovers the condensed water contained in the combustion exhaust gas after the heat is recovered by the heat recovery unit. The system to be equipped is described. In this system, a relatively low temperature heat medium taken out from the lower part of the heat storage tank is supplied to the heat recovery unit, and the relatively high temperature heat medium heated by the heat recovery unit is returned to the upper part of the heat storage tank. It is configured.

特開2005−285340号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-285340 特開2008−021596号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2008-021596 特許第5433277号公報Japanese Patent No. 5433277

図3は、従来のシステムに基づいて想定した比較例のコジェネレーションシステムの構成を示す図である。このコジェネレーションシステムは、原燃料を水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質部4と、改質部4で生成された燃料ガスが供給されるアノード(図示せず)及び酸素ガスが供給されるカソード(図示せず)を有する固体酸化物形の燃料電池部(セルスタック)1と、燃料電池部1での発電反応で用いられた後にアノードから排出される排出燃料ガス中の燃料成分を燃焼させる燃焼部5とを備え、燃焼部5で発生した燃焼熱が改質部4での水蒸気改質に利用されるように構成されている。 FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a cogeneration system of a comparative example assumed based on a conventional system. In this cogeneration system, a reforming unit 4 that steam reforms raw fuel to generate fuel gas, an anode (not shown) to which the fuel gas produced by the reforming unit 4 is supplied, and oxygen gas are supplied. A solid oxide fuel cell unit (cell stack) 1 having a cathode (not shown) and a fuel component in the exhaust fuel gas discharged from the anode after being used in the power generation reaction in the fuel cell unit 1. The combustion unit 5 is provided, and the combustion heat generated in the combustion unit 5 is used for steam reforming in the reforming unit 4.

更に具体的に説明すると、改質部4には、燃料流量センサ26及び燃料ポンプ25及び脱硫部11及び気化部6を経由して供給される例えば都市ガスなどの原燃料が供給される。また、改質部4には、改質用水ポンプ29から供給される改質用水が気化部6で気化された状態で供給される。このように、図3に示す例では、気化部6には原燃料も供給され、気化部6において原燃料と水蒸気との混合が行われた状態で、その混合ガスが改質部4に供給される。 More specifically, the reforming unit 4 is supplied with raw fuel such as city gas, which is supplied via the fuel flow rate sensor 26, the fuel pump 25, the desulfurization unit 11, and the vaporization unit 6. Further, the reforming water supplied from the reforming water pump 29 is supplied to the reforming section 4 in a vaporized state by the vaporizing section 6. As described above, in the example shown in FIG. 3, the raw material fuel is also supplied to the vaporization unit 6, and the mixed gas is supplied to the reforming unit 4 in a state where the raw material fuel and steam are mixed in the vaporization unit 6. Will be done.

改質部4で生じた水素を主成分とする燃料ガスは、入口側燃料マニフォールド2を経て複数の燃料電池セルが積層された燃料電池部(セルスタック)1に供給される。また、燃料電池部1には、空気フィルタ22及びカソード空気ブロワ21及び空気/排ガス熱交換器(空気予熱器)10を経由して酸素ガス(空気)も供給される。そして、燃料電池部1では、水素を主成分とする燃料ガスと酸素とを電気化学反応させて発電が行われる。 The hydrogen-based fuel gas generated in the reforming section 4 is supplied to the fuel cell section (cell stack) 1 in which a plurality of fuel cell cells are stacked via the inlet side fuel manifold 2. Further, oxygen gas (air) is also supplied to the fuel cell unit 1 via the air filter 22, the cathode air blower 21, and the air / exhaust gas heat exchanger (air preheater) 10. Then, in the fuel cell unit 1, power is generated by electrochemically reacting fuel gas containing hydrogen as a main component with oxygen.

燃料電池部1での発電反応で用いられた後に燃料電池部1のアノードから排出される排出燃料ガスは、出口側燃料マニフォールド3を経由して燃焼部5に供給される。また、カソードから供給される排出酸素ガスも燃焼部5に供給される。そして、燃焼部5で、排出燃料ガス中の燃料成分が燃焼される。尚、燃料電池部1のカソードには空気が供給されているため、排出酸素ガスには、酸素だけではなく元々の空気に含まれていた窒素も残存している。 The discharged fuel gas discharged from the anode of the fuel cell unit 1 after being used in the power generation reaction in the fuel cell unit 1 is supplied to the combustion unit 5 via the outlet side fuel manifold 3. Further, the exhaust oxygen gas supplied from the cathode is also supplied to the combustion unit 5. Then, the combustion unit 5 burns the fuel component in the discharged fuel gas. Since air is supplied to the cathode of the fuel cell unit 1, not only oxygen but also nitrogen originally contained in the air remains in the discharged oxygen gas.

燃焼部5で発生した燃焼排ガスが保有する熱は、上述のように改質部4で利用され、気化部6で改質用水を気化するために利用され、空気/排ガス熱交換器(空気予熱器)10でカソードに供給される空気を加熱するために利用される。 The heat possessed by the combustion exhaust gas generated in the combustion unit 5 is used in the reforming unit 4 as described above, and is used in the vaporization unit 6 to vaporize the reforming water, and is used in the air / exhaust gas heat exchanger (air preheating). (Vessel) 10 is used to heat the air supplied to the cathode.

図3に示す例では、燃料電池部1及び改質部4及び燃焼部5及び気化部6及び空気/排ガス熱交換器(空気予熱器)10などが、断熱材などを用いて内部の熱が外部に逃げないように構成した容器Mの内部に設置されている。 In the example shown in FIG. 3, the fuel cell unit 1, the reforming unit 4, the combustion unit 5, the vaporization unit 6, the air / exhaust gas heat exchanger (air preheater) 10, and the like have internal heat generated by using a heat insulating material or the like. It is installed inside a container M configured so as not to escape to the outside.

容器Mから出た燃焼排ガスは、排熱回収熱交換器12に供給される。排熱回収熱交換器12では、燃焼排ガスと、蓄熱タンク13に貯えている熱媒体とを熱交換させることで、燃焼排ガスからの熱回収が行われる。このとき、排熱回収熱交換器12では、燃焼排ガス(CO、N、O、HO)の冷却が行われるため、凝縮水が発生する。 The combustion exhaust gas emitted from the container M is supplied to the exhaust heat recovery heat exchanger 12. In the exhaust heat recovery heat exchanger 12, heat is recovered from the combustion exhaust gas by exchanging heat between the combustion exhaust gas and the heat medium stored in the heat storage tank 13. At this time, the exhaust heat recovery heat exchanger 12 cools the combustion exhaust gas (CO 2 , N 2 , O 2 , H 2 O), so that condensed water is generated.

排熱回収熱交換器12で冷却された後の燃焼排ガスに含まれる凝縮水は水回収部(気液分離器)14で回収され、水精製器71及び水タンク72を経て、上述したような経路で改質部4での水蒸気改質に再利用される。また、水回収部14で凝縮水が除去された後の燃焼排ガスは排気路34から排気される。 The condensed water contained in the combustion exhaust gas after being cooled by the exhaust heat recovery heat exchanger 12 is recovered by the water recovery unit (gas-liquid separator) 14, passes through the water purifier 71 and the water tank 72, and is as described above. It is reused for steam reforming in the reforming section 4 in the route. Further, the combustion exhaust gas after the condensed water is removed by the water recovery unit 14 is exhausted from the exhaust passage 34.

図3に示した例では、蓄熱タンク13の内部では、上部に相対的に高温の熱媒体が存在し、下部に相対的に低温の熱媒体が存在するというような温度成層が形成されており、排熱回収用ポンプ28によって、蓄熱タンク13の下部から取り出した相対的に低温の熱媒体を排熱回収熱交換器12に供給し、排熱回収熱交換器12の熱回収により昇温された相対的に高温の熱媒体を蓄熱タンク13の上部に戻すような構成になっている。また、蓄熱タンク13の上部から高温の熱媒体を熱利用装置側に向けて供給する熱媒体供給路36と、蓄熱タンク13の下部に低温の熱媒体を帰還させる或いは補充するための熱媒体帰還路35も設けられている。 In the example shown in FIG. 3, a temperature stratification is formed inside the heat storage tank 13 such that a relatively high temperature heat medium exists in the upper part and a relatively low temperature heat medium exists in the lower part. The exhaust heat recovery pump 28 supplies a relatively low temperature heat medium taken out from the lower part of the heat storage tank 13 to the exhaust heat recovery heat exchanger 12, and the temperature is raised by the heat recovery of the exhaust heat recovery heat exchanger 12. The structure is such that the relatively high temperature heat medium is returned to the upper part of the heat storage tank 13. Further, a heat medium supply path 36 that supplies a high-temperature heat medium from the upper part of the heat storage tank 13 toward the heat utilization device side, and a heat medium return for returning or replenishing the low-temperature heat medium to the lower part of the heat storage tank 13. Road 35 is also provided.

図4を用いて、排熱回収熱交換器12において、燃焼部5での燃焼後に得られる燃焼排ガスと熱媒体との間で行われる熱交換を説明する。この図4は、原燃料のインプットが1.25kW(低位発熱量基準)でAC発電出力705Wの発電時における回収可能熱量を示すグラフである。縦軸は熱交換後の燃焼排ガスの温度であり、横軸は熱媒体による回収熱量である。尚、改質部4に供給する原燃料として天然ガスベースの都市ガスを用い、改質部4に供給する原燃料ガス中の炭素(C)に対する水蒸気(S)のモル比(S/C)を2.5に設定し、燃料電池部1での燃料利用率を79%及び空気利用率を40%とした場合を想定している。この場合、燃焼排ガスの温度が60℃まで下がるように冷却すると、熱媒体側には約0.11kWが移動する。排熱回収熱交換器12において燃焼排ガスと熱媒体とが対向流となる状態で熱交換させるとすると、排熱回収熱交換器12への熱媒体の入口温度が燃焼排ガスが冷却される限界の温度となる。言い換えると、図4で実線で示すのは、排熱回収熱交換器12への熱媒体の入口温度が縦軸の時の回収可能な熱量の限界となる。 With reference to FIG. 4, the heat exchange performed between the combustion exhaust gas obtained after the combustion in the combustion unit 5 and the heat medium in the exhaust heat recovery heat exchanger 12 will be described. FIG. 4 is a graph showing the amount of recoverable heat at the time of power generation with an input of raw material and fuel of 1.25 kW (low calorific value standard) and an AC power generation output of 705 W. The vertical axis is the temperature of the combustion exhaust gas after heat exchange, and the horizontal axis is the amount of heat recovered by the heat medium. Natural gas-based city gas is used as the raw material and fuel supplied to the reforming unit 4, and the molar ratio (S / C) of water vapor (S) to carbon (C) in the raw material and fuel gas supplied to the reforming unit 4 is Is set to 2.5, and it is assumed that the fuel utilization rate in the fuel cell unit 1 is 79% and the air utilization rate is 40%. In this case, when the combustion exhaust gas is cooled so that the temperature drops to 60 ° C., about 0.11 kW moves to the heat medium side. If heat is exchanged in the exhaust heat recovery heat exchanger 12 in a state where the combustion exhaust gas and the heat medium are in a countercurrent flow, the inlet temperature of the heat medium to the exhaust heat recovery heat exchanger 12 is the limit at which the combustion exhaust gas is cooled. It becomes the temperature. In other words, what is shown by the solid line in FIG. 4 is the limit of the amount of heat that can be recovered when the inlet temperature of the heat medium to the exhaust heat recovery heat exchanger 12 is on the vertical axis.

上述のように、水回収部14で回収できる凝縮水の量は、排熱回収熱交換器12において燃焼排ガスをどの程度まで冷却できるのかに依存しているため、蓄熱タンク13の下部から取り出されて排熱回収熱交換器12に供給される熱媒体の温度が低いほど、排熱回収熱交換器12において燃焼排ガスを冷却できる点で好ましい。但し、熱利用装置側で利用される熱が少ない場合、蓄熱タンク13の下部に存在する熱媒体の温度も高くなり、その結果、蓄熱タンク13の下部から取り出されて排熱回収熱交換器12に供給される熱媒体の温度も高くなってしまう。その場合、排熱回収熱交換器12において燃焼排ガスを充分に冷却できないために熱回収量が低下し、水回収部14で回収できる凝縮水の量も減少することにもなる。 As described above, since the amount of condensed water that can be recovered by the water recovery unit 14 depends on how much the combustion exhaust gas can be cooled in the exhaust heat recovery heat exchanger 12, it is taken out from the lower part of the heat storage tank 13. The lower the temperature of the heat medium supplied to the exhaust heat recovery heat exchanger 12, the more preferable it is that the combustion exhaust gas can be cooled in the exhaust heat recovery heat exchanger 12. However, when the amount of heat used on the heat utilization device side is small, the temperature of the heat medium existing in the lower part of the heat storage tank 13 also rises, and as a result, the heat is taken out from the lower part of the heat storage tank 13 and the exhaust heat recovery heat exchanger 12 The temperature of the heat medium supplied to the heat medium also rises. In that case, since the combustion exhaust gas cannot be sufficiently cooled in the exhaust heat recovery heat exchanger 12, the amount of heat recovered is reduced, and the amount of condensed water that can be recovered by the water recovery unit 14 is also reduced.

水回収部14で回収した凝縮水は、水精製器71及び水タンク72を経て改質部4での水蒸気改質に再利用されるため、水回収部14で回収できる凝縮水の量が減少することは避ける必要がある。改質部4に供給する原燃料として天然ガスベースの都市ガスを用い、改質部4に供給する原燃料ガス中の炭素(C)に対する水蒸気(S)のモル比(S/C)を2.5に設定し、燃料電池部1での燃料利用率を79%及び空気利用率を40%とした場合、改質部4に供給する水の量と水回収部14で回収する水の量とを例えば単位時間当たり4.4mlで等しくさせる(即ち、水自立を達成する)ためには、燃焼排ガスを44.5℃まで冷却する必要がある。ところが、上述したように、熱利用装置側で利用される熱が少ない状況で蓄熱タンク13の下部に存在する熱媒体の温度が例えば60℃になると、その60℃の熱媒体を排熱回収熱交換器12に供給しても燃焼排ガスを充分に冷却できず、水回収部14で回収できる凝縮水の量も減少して、水自立を達成できなくなる。 Since the condensed water recovered by the water recovery unit 14 is reused for steam reforming in the reforming unit 4 via the water purifier 71 and the water tank 72, the amount of condensed water that can be recovered by the water recovery unit 14 is reduced. You need to avoid doing it. Natural gas-based city gas is used as the raw material and fuel supplied to the reforming unit 4, and the molar ratio (S / C) of water vapor (S) to carbon (C) in the raw material and fuel gas supplied to the reforming unit 4 is 2. When set to .5 and the fuel utilization rate in the fuel cell unit 1 is 79% and the air utilization rate is 40%, the amount of water supplied to the reforming unit 4 and the amount of water collected by the water recovery unit 14 It is necessary to cool the flue gas to 44.5 ° C. in order to equalize, for example, 4.4 ml per unit time (that is, to achieve water independence). However, as described above, when the temperature of the heat medium existing in the lower part of the heat storage tank 13 reaches, for example, 60 ° C. in a situation where the heat used on the heat utilization device side is small, the heat medium at 60 ° C. is exhausted heat recovery heat. Even if it is supplied to the exchanger 12, the combustion exhaust gas cannot be sufficiently cooled, and the amount of condensed water that can be recovered by the water recovery unit 14 also decreases, so that water independence cannot be achieved.

そのため、図3に示したシステムでは、蓄熱タンク13の下部から取り出されて排熱回収熱交換器12に供給される熱媒体を強制的に冷却するための放熱器15を備えている。ところが、気温が高くなる夏季には、放熱器15で、その高温の空気を用いて熱媒体を冷却しなければならないため、充分な冷却能力を確保しようとすると、大型の放熱器を用意すること或いは放熱器を大出力で運転すること(例えばファンを高回転速度で運転すること)が必要になる。 Therefore, the system shown in FIG. 3 includes a radiator 15 for forcibly cooling the heat medium taken out from the lower part of the heat storage tank 13 and supplied to the exhaust heat recovery heat exchanger 12. However, in the summer when the temperature is high, the radiator 15 must cool the heat medium using the high temperature air, so if you want to secure sufficient cooling capacity, prepare a large radiator. Alternatively, it is necessary to operate the radiator at a high output (for example, to operate the fan at a high rotation speed).

また、排熱回収熱交換器12に供給する熱媒体の温度が高くなるということは熱回収量が少なくなるということにもつながる。具体的には、図3で図4に示した図において、燃焼排ガスを40℃まで冷却できたときは約0.29kWの熱回収量を得ることができるが、燃焼排ガスを60℃までしか冷却できなかったときは約0.11kWの熱回収量しか得られない。 Further, the increase in the temperature of the heat medium supplied to the exhaust heat recovery heat exchanger 12 also leads to a decrease in the amount of heat recovery. Specifically, in the figure shown in FIG. 4 in FIG. 3, when the combustion exhaust gas can be cooled to 40 ° C., a heat recovery amount of about 0.29 kW can be obtained, but the combustion exhaust gas is cooled only to 60 ° C. If it cannot be done, only about 0.11 kW of heat can be recovered.

以上のように、図3に示したようなシステムでは、熱回収量を高めること、及び、水自立を達成することのために、排熱回収熱交換器12には高性能な熱交換器を用いることが必要になり、且つ、大型で大出力の放熱器が必要になるという課題がある。つまり、図3に示したようなシステムでは、熱回収量を高めると共に水自立を達成するためには、大きなコストが必要になるという問題がある。 As described above, in the system as shown in FIG. 3, in order to increase the amount of heat recovery and achieve water independence, the exhaust heat recovery heat exchanger 12 is provided with a high-performance heat exchanger. There is a problem that it is necessary to use it and a large-sized and high-power radiator is required. That is, in the system as shown in FIG. 3, there is a problem that a large cost is required in order to increase the heat recovery amount and achieve water independence.

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱回収量を高めると共に水自立を達成するために大きなコストを必要としないコジェネレーションシステムを提供する点にある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a cogeneration system that does not require a large cost to increase heat recovery and achieve water independence.

上記目的を達成するための本発明に係るコジェネレーションシステムの特徴構成は、原燃料を水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質部と、
前記改質部で生成された前記燃料ガスが供給されるアノード、及び、酸素ガスが供給されるカソードを有する固体酸化物形の燃料電池部と、
熱媒体を貯えている蓄熱タンクを有し、前記燃料電池部での発電反応で用いられた後に前記アノードから排出される排出燃料ガスと前記蓄熱タンクに貯えている前記熱媒体とを熱交換させることで、前記排出燃料ガスから熱を回収する熱回収部と、
前記熱回収部で熱が回収された後の前記排出燃料ガスに含まれる凝縮水を回収する水回収部と、
前記水回収部で凝縮水が回収された後の前記排出燃料ガス中の燃料成分を燃焼させる燃焼部と、
前記熱回収部に至る前の前記排出燃料ガスと、前記水回収部で凝縮水が回収された後、前記燃焼部で燃焼される前の前記排出燃料ガスとを熱交換する熱交換器と、
前記蓄熱タンクに貯えている前記熱媒体を熱利用装置側に向けて供給する熱媒体供給路とを備え、
前記水回収部で回収した凝縮水が前記改質部での原燃料の水蒸気改質に用いられ、
前記燃焼部で発生した燃焼熱が前記改質部での水蒸気改質に利用されるように構成されている点にある。
The characteristic configuration of the cogeneration system according to the present invention for achieving the above object is a reforming section for steam reforming raw fuel to generate fuel gas, and a reforming section.
A solid oxide fuel cell unit having an anode to which the fuel gas generated in the reforming unit is supplied and a cathode to which oxygen gas is supplied, and
It has a heat storage tank that stores a heat medium, and exchanges heat between the exhaust fuel gas discharged from the anode after being used in the power generation reaction in the fuel cell unit and the heat medium stored in the heat storage tank. As a result, the heat recovery unit that recovers heat from the exhausted fuel gas
A water recovery unit that recovers condensed water contained in the discharged fuel gas after heat is recovered by the heat recovery unit, and a water recovery unit.
A combustion unit that burns fuel components in the discharged fuel gas after the condensed water is recovered by the water recovery unit, and a combustion unit.
A heat exchanger that exchanges heat between the discharged fuel gas before reaching the heat recovery unit and the discharged fuel gas after the condensed water is recovered by the water recovery unit and before being burned by the combustion unit.
It is provided with a heat medium supply path for supplying the heat medium stored in the heat storage tank toward the heat utilization device side.
The condensed water recovered in the water recovery section is used for steam reforming of the raw material fuel in the reforming section.
The point is that the combustion heat generated in the combustion section is configured to be used for steam reforming in the reforming section.

上記特徴構成によれば、熱回収部において、燃料電池部での発電反応で用いられた後にアノードから排出される排出燃料ガスと蓄熱タンクに貯えている熱媒体とを熱交換させることで、排出燃料ガスからの熱回収が熱媒体によって行われる。そして、熱回収を行った熱媒体を蓄熱タンクに貯えることで熱を蓄積し、蓄積された熱を熱媒体供給路を介して熱利用装置側へと供給できる。つまり、燃料電池部での発電反応で用いられた後にアノードから排出される排出燃料ガスから熱を回収し、その熱を蓄熱タンクで蓄えると共に必要に応じて熱利用装置へと供給できる。 According to the above characteristic configuration, in the heat recovery unit, the exhausted fuel gas discharged from the anode after being used in the power generation reaction in the fuel cell unit is heat-exchanged with the heat medium stored in the heat storage tank to discharge the gas. Heat recovery from the fuel gas is carried out by a heat medium. Then, the heat recovered heat medium is stored in the heat storage tank to accumulate heat, and the stored heat can be supplied to the heat utilization device side via the heat medium supply path. That is, heat can be recovered from the exhaust fuel gas discharged from the anode after being used in the power generation reaction in the fuel cell section, and the heat can be stored in the heat storage tank and supplied to the heat utilization device as needed.

このように、従来構成では、燃焼部で燃焼された後の燃焼排ガス(CO、N、O、HO)と蓄熱タンクに貯えている熱媒体との熱交換が行われていたのに対して、本特徴構成では、燃料電池部での発電反応で用いられた後にアノードから排出され、燃焼部で燃焼される前の排出燃料ガス(CO、CO、H、HO)と蓄熱タンクに貯えている熱媒体との熱交換が行われる。このように、本特徴構成と従来構成とでは、熱媒体と熱交換するガスの組成が互いに異なり、本特徴構成の方がガス(排出燃料ガス)の露点が高くなる。よって、本特徴構成の方が、熱媒体の温度が従来構成よりも大幅に高くても、ほぼ同等量の凝縮水を得て、ほぼ同等の熱回収量を得ることができる。例えば、改質部に供給する原燃料として天然ガスベースの都市ガスを用い、改質部に供給する原燃料ガス中の炭素(C)に対する水蒸気(S)のモル比(S/C)を2.5に設定し、燃料電池部での燃料利用率を79%及び空気利用率を40%とした場合、改質部に供給する水の量と水回収部で回収する水の量とを例えば単位時間当たり4.4mlで等しくさせる(即ち、水自立を達成する)ためには、従来構成では燃焼排ガスと熱交換させる熱媒体を約44.5℃にする必要があるが、本特徴構成では排出燃料ガスと熱交換させる熱媒体が約75℃でもよい。従って、本特徴構成では、仮に、熱利用装置側での熱消費量が減少することで蓄熱タンクに貯えられている熱媒が高温になり、その高温の熱媒体を用いて排出燃料ガスから熱回収を行わねばならないとしても、充分な熱回収と凝縮水の生成とを行うことができる。 As described above, in the conventional configuration, heat exchange is performed between the combustion exhaust gas (CO 2 , N 2 , O 2 , H 2 O) after being burned in the combustion section and the heat medium stored in the heat storage tank. On the other hand, in this feature configuration, the discharged fuel gas (CO, CO 2 , H 2 , H 2 O) discharged from the anode after being used in the power generation reaction in the fuel cell section and before being burned in the combustion section. ) And the heat medium stored in the heat storage tank are exchanged for heat. As described above, the composition of the gas that exchanges heat with the heat medium is different between the present feature configuration and the conventional configuration, and the dew point of the gas (exhausted fuel gas) is higher in this feature configuration. Therefore, in this feature configuration, even if the temperature of the heat medium is significantly higher than that in the conventional configuration, almost the same amount of condensed water can be obtained and almost the same amount of heat recovery can be obtained. For example, natural gas-based city gas is used as the raw material to be supplied to the reforming part, and the molar ratio (S / C) of water vapor (S) to carbon (C) in the raw material and fuel gas supplied to the reforming part is 2. When set to 5.5 and the fuel utilization rate in the fuel cell section is 79% and the air utilization rate is 40%, the amount of water supplied to the reforming section and the amount of water recovered by the water recovery section are set to, for example. In order to equalize at 4.4 ml per unit time (that is, to achieve water independence), it is necessary to set the heat medium for heat exchange with the combustion exhaust gas to about 44.5 ° C. in the conventional configuration, but in this feature configuration. The heat medium for heat exchange with the discharged fuel gas may be about 75 ° C. Therefore, in this feature configuration, if the heat consumption on the heat utilization device side is reduced, the heat medium stored in the heat storage tank becomes high temperature, and the high temperature heat medium is used to generate heat from the discharged fuel gas. Even if recovery must be performed, sufficient heat recovery and generation of condensed water can be performed.

また、従来構成では、燃焼排ガス、即ち、燃料電池部での発電反応で用いられた後にアノードから排出される排出燃料ガスと燃料電池部での発電反応で用いられた後にカソードから排出される排出酸素ガス(O,N)との混合ガスを燃焼させた後のガスと熱媒体との間で熱交換を行っていた。それに対して、本特徴構成では、燃料電池部での発電反応で用いられた後にアノードから排出される排出燃料ガスと熱媒体との間で熱交換を行っている。よって、本特徴構成の方が、ガス中に排出酸素ガス(O,N)を含まない分だけモル流量が小さいため、そのガスを流すための配管径等についての制約が小さく(即ち、熱交換器の構造に対する要求が小さく)、且つ、ガスを流動させるための動力が小さくてもよいという利点がある。つまり、本特徴構成の方が、装置コストが小さくなり、運用するために必要なエネルギーが小さくなるという利点がある。
従って、熱回収量を高めると共に水自立を達成するために大きなコストを必要としないコジェネレーションシステムを提供できる。
Further, in the conventional configuration, the combustion exhaust gas, that is, the exhaust fuel gas discharged from the anode after being used in the power generation reaction in the fuel cell section and the emission discharged from the cathode after being used in the power generation reaction in the fuel cell section. After burning the mixed gas with oxygen gas (O 2 , N 2 ), heat was exchanged between the gas and the heat medium. On the other hand, in this feature configuration, heat exchange is performed between the exhaust fuel gas discharged from the anode after being used in the power generation reaction in the fuel cell section and the heat medium. Therefore, in this feature configuration, the molar flow rate is smaller because the exhausted oxygen gas (O 2 , N 2 ) is not contained in the gas, and therefore the restriction on the pipe diameter for flowing the gas is smaller (that is,). The requirements for the structure of the heat exchanger are small), and there is an advantage that the power for flowing the gas may be small. That is, this feature configuration has the advantages that the equipment cost is smaller and the energy required for operation is smaller.
Therefore, it is possible to provide a cogeneration system that does not require a large cost to increase heat recovery and achieve water independence.

加えて、水回収部で凝縮水が回収された後の排出燃料ガスの熱容量は下がっているので、上記熱交換器では、その水分が除去された排出燃料ガスの温度を、熱回収部に至る前の排出燃料ガスとの熱交換によって容易に高めることができる。更に、水回収部で水分が除去され且つ熱交換器で昇温された後の排出燃料ガスを燃焼部に供給することで、燃焼部での排出燃料ガスの燃焼性が高まるという利点がある。 In addition, since the heat capacity of the discharged fuel gas after the condensed water is recovered in the water recovery unit is reduced, the temperature of the discharged fuel gas from which the water has been removed reaches the heat recovery unit in the heat exchanger. It can be easily increased by heat exchange with the previous exhausted fuel gas. Further, by supplying the exhaust fuel gas after the water is removed by the water recovery unit and the temperature is raised by the heat exchanger to the combustion unit, there is an advantage that the combustibility of the exhaust fuel gas in the combustion unit is enhanced.

本発明に係るコジェネレーションシステムの別の特徴構成は、前記熱回収部において、内部を前記排出燃料ガスが流れる配管が、前記蓄熱タンクで貯えている前記熱媒体の中を通過するように構成されている点にある。 Another characteristic configuration of the cogeneration system according to the present invention is such that in the heat recovery unit, the pipe through which the exhaust fuel gas flows passes through the heat medium stored in the heat storage tank. There is a point.

上記特徴構成によれば、複雑な構成の熱交換器を用いなくても、排出燃料ガスと蓄熱タンクで貯えられている熱媒体とを熱交換させることができる。特に、本特徴構成では、燃料電池部での発電反応で用いられた後にアノードから排出される排出燃料ガスと熱媒体との間で熱交換を行っているため、従来構成のように排出燃料ガスと排出酸素ガス(O,N)との混合ガスを燃焼させた後のガスと熱媒体との間で熱交換を行う場合と比較して、本特徴構成の方が、ガス中に排出酸素ガス(O,N)を含まない分だけモル流量が小さい。そのため、蓄熱タンクで貯えられている熱媒体と熱交換を行う部分で排出燃料ガスを流すための配管径等についての制約が小さい(即ち、熱交換器の構造に対する要求が小さい)という利点がある。 According to the above-mentioned characteristic configuration, it is possible to exchange heat between the discharged fuel gas and the heat medium stored in the heat storage tank without using a heat exchanger having a complicated configuration. In particular, in this feature configuration, heat exchange is performed between the exhaust fuel gas discharged from the anode after being used in the power generation reaction in the fuel cell section and the heat medium, so that the exhaust fuel gas is as in the conventional configuration. Compared with the case where heat exchange is performed between the gas and the heat medium after burning the mixed gas of the exhausted oxygen gas (O 2 , N 2), this characteristic configuration emits into the gas. The molar flow rate is small because it does not contain oxygen gas (O 2 , N 2). Therefore, there is an advantage that there are few restrictions on the diameter of the pipe for flowing the exhaust fuel gas in the part where heat is exchanged with the heat medium stored in the heat storage tank (that is, the requirement for the structure of the heat exchanger is small). ..

本実施形態のコジェネレーションシステムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the cogeneration system of this embodiment. 熱媒体による回収可能熱量と熱交換後の排出燃料ガスの温度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the amount of heat recoverable by a heat medium, and the temperature of the exhaust fuel gas after heat exchange. 比較例のコジェネレーションシステムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the cogeneration system of a comparative example. 熱媒体による回収可能熱量と熱交換後の燃焼排ガスの温度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the amount of heat recoverable by a heat medium, and the temperature of the combustion exhaust gas after heat exchange.

以下に図面を参照して本発明の実施形態に係るコジェネレーションシステムについて説明する。
図1は、コジェネレーションシステムの構成を示す図である。このコジェネレーションシステムは、燃料電池部1の発電による電力とその発電に伴って発生する熱とを利用するシステムである。本実施形態のコジェネレーションシステムは、原燃料を水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質部4と、改質部4で生成された燃料ガスが供給されるアノード(図示せず)及び酸素ガスが供給されるカソード(図示せず)を有する固体酸化物形の燃料電池部1と、熱媒体を貯えている蓄熱タンク63を有し、燃料電池部1での発電反応で用いられた後にアノードから排出される排出燃料ガスと蓄熱タンク63に貯えている熱媒体とを熱交換させることで、排出燃料ガスから熱を回収する熱回収部Hと、熱回収部Hで熱が回収された後の排出燃料ガスに含まれる凝縮水を回収する水回収部14と、水回収部14で凝縮水が回収された後の排出燃料ガス中の燃料成分を燃焼させる燃焼部5と、蓄熱タンク63に貯えられている熱媒体を熱利用装置側に向けて供給する熱媒体供給路65とを備えるように構成されている。
The cogeneration system according to the embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a cogeneration system. This cogeneration system is a system that utilizes the electric power generated by the fuel cell unit 1 and the heat generated by the power generation. In the cogeneration system of the present embodiment, the reforming unit 4 for steam reforming the raw material and fuel to generate fuel gas, the anode (not shown) and oxygen to which the fuel gas generated by the reforming unit 4 is supplied. After having a solid oxide type fuel cell unit 1 having a cathode (not shown) to which gas is supplied and a heat storage tank 63 storing a heat medium, and being used in a power generation reaction in the fuel cell unit 1. By exchanging heat between the discharged fuel gas discharged from the anode and the heat medium stored in the heat storage tank 63, the heat is recovered by the heat recovery unit H and the heat recovery unit H that recover the heat from the discharged fuel gas. A water recovery unit 14 that recovers the condensed water contained in the later discharged fuel gas, a combustion unit 5 that burns the fuel components in the discharged fuel gas after the condensed water is recovered by the water recovery unit 14, and a heat storage tank 63. It is configured to include a heat medium supply path 65 for supplying the heat medium stored in the heat medium to the heat utilization device side.

更に具体的に説明すると、改質部4には、燃料流量センサ26及び燃料ポンプ25及び脱硫部11及び気化部6を経由して供給される例えば都市ガスなどの原燃料が供給される。また、改質部4には、改質用水ポンプ29から供給される改質用水が気化部6で気化された状態で供給される。このように、図1に示す例では、気化部6には原燃料も供給され、気化部6において原燃料と水蒸気との混合が行われた状態で、その混合ガスが改質部4に供給される。 More specifically, the reforming unit 4 is supplied with raw fuel such as city gas, which is supplied via the fuel flow rate sensor 26, the fuel pump 25, the desulfurization unit 11, and the vaporization unit 6. Further, the reforming water supplied from the reforming water pump 29 is supplied to the reforming section 4 in a vaporized state by the vaporizing section 6. As described above, in the example shown in FIG. 1, the raw material fuel is also supplied to the vaporization unit 6, and the mixed gas is supplied to the reforming unit 4 in a state where the raw material fuel and steam are mixed in the vaporization unit 6. Will be done.

改質部4で生じた水素を主成分とする燃料ガスは、入口側燃料マニフォールド2を経て複数の燃料電池セルが積層された燃料電池部(セルスタック)1に供給される。また、燃料電池部1には、空気フィルタ22及びカソード空気ブロワ21及び空気/排ガス熱交換器(空気予熱器)10を経由して酸素(空気)も供給される。そして、燃料電池部1では、水素を主成分とする燃料ガスと酸素とを電気化学反応させて発電が行われる。 The hydrogen-based fuel gas generated in the reforming section 4 is supplied to the fuel cell section (cell stack) 1 in which a plurality of fuel cell cells are stacked via the inlet side fuel manifold 2. Further, oxygen (air) is also supplied to the fuel cell unit 1 via the air filter 22, the cathode air blower 21, and the air / exhaust gas heat exchanger (air preheater) 10. Then, in the fuel cell unit 1, power is generated by electrochemically reacting fuel gas containing hydrogen as a main component with oxygen.

燃料電池部1での発電反応で用いられた後に燃料電池部1のアノードから排出される排出燃料ガスは、出口側燃料マニフォールド3を経由して熱交換器52に供給され、その後、熱回収部Hに供給される。熱回収部Hは、熱媒体を貯えている蓄熱タンク63を有し、燃料電池部1での発電反応で用いられた後にアノードから排出される排出燃料ガスと蓄熱タンク63に貯えている熱媒体とを熱交換させることで、排出燃料ガスから熱を回収する。本実施形態では、熱回収部Hにおいて、内部を排出燃料ガスが流れる放熱管(配管)62が、蓄熱タンク63で貯えている熱媒体の中を通過するように構成されている。この放熱管62は、蓄熱タンク63の内部でコイル状になっているため、放熱管62の外表面と熱媒体との接触面積が大きくなっている。また、放熱管62は、下方に向かって一様に勾配がついた形状になっているため、発生した凝縮水が重力によって下方の水回収部14へと流れ易くなっている。 The discharged fuel gas discharged from the anode of the fuel cell unit 1 after being used in the power generation reaction in the fuel cell unit 1 is supplied to the heat exchanger 52 via the outlet side fuel manifold 3, and then the heat recovery unit. It is supplied to H. The heat recovery unit H has a heat storage tank 63 that stores a heat medium, and the exhaust fuel gas discharged from the anode after being used in the power generation reaction in the fuel cell unit 1 and the heat medium stored in the heat storage tank 63. By exchanging heat with and, heat is recovered from the discharged fuel gas. In the present embodiment, in the heat recovery unit H, the heat radiating pipe (piping) 62 through which the discharged fuel gas flows passes through the heat medium stored in the heat storage tank 63. Since the heat radiating pipe 62 has a coil shape inside the heat storage tank 63, the contact area between the outer surface of the heat radiating pipe 62 and the heat medium is large. Further, since the heat radiating pipe 62 has a shape having a uniform gradient downward, the generated condensed water easily flows to the lower water recovery unit 14 due to gravity.

このように、本実施形態の熱回収部Hでは、複雑な構成の熱交換器を用いなくても、排出燃料ガスと蓄熱タンク63で貯えられている熱媒体とを熱交換させることができる。具体的に説明すると、熱回収部Hでは、燃料電池部1での発電反応で用いられた後にアノードから排出される排出燃料ガスと熱媒体との間で熱交換を行っているため、従来構成のように排出燃料ガスと排出酸素ガス(O,N)との混合ガスを燃焼させた後のガスと熱媒体との間で熱交換を行う場合と比較して、本実施形態の方が、ガス中に排出酸素ガス(O,N)を含まない分だけモル流量が小さい。そのため、蓄熱タンク63で貯えられている熱媒体と熱交換を行う部分で排出燃料ガスを流すための配管径等についての制約が小さい(即ち、熱交換器の構造に対する要求が小さい)という利点がある。 As described above, the heat recovery unit H of the present embodiment can exchange heat between the discharged fuel gas and the heat medium stored in the heat storage tank 63 without using a heat exchanger having a complicated structure. Specifically, the heat recovery unit H exchanges heat between the exhaust fuel gas discharged from the anode after being used in the power generation reaction in the fuel cell unit 1 and the heat medium, and thus has a conventional configuration. Compared with the case where heat exchange is performed between the gas and the heat medium after burning the mixed gas of the discharged fuel gas and the discharged oxygen gas (O 2 , N 2) as in the above embodiment, the present embodiment is used. However, the molar flow rate is small because the exhausted oxygen gas (O 2 , N 2) is not included in the gas. Therefore, there is an advantage that there are few restrictions on the diameter of the pipe for flowing the exhaust fuel gas in the portion where heat is exchanged with the heat medium stored in the heat storage tank 63 (that is, the requirement for the structure of the heat exchanger is small). is there.

このように、燃料電池部1のアノードから排出された後の排出燃料ガス(CO、CO、H、HO)は、熱交換器52及び熱回収部Hで冷却されるため、凝縮水が発生する。熱回収部Hで冷却された後の排出燃料ガスに含まれる凝縮水は水回収部(気液分離器)14で回収される。そして、水回収部14で回収した凝縮水が、水精製器71及び水タンク72を経て、上述したように改質部4での原燃料の水蒸気改質に用いられる。よって水回収部14で回収できる凝縮水の量は、主に熱回収部Hに供給される排出燃料ガスの露点、及び、排出燃料ガスをどの程度の温度まで冷却できるのかによって異なる。 In this way, the discharged fuel gas (CO, CO 2 , H 2 , H 2 O) after being discharged from the anode of the fuel cell unit 1 is cooled by the heat exchanger 52 and the heat recovery unit H, so that it is condensed. Water is generated. The condensed water contained in the discharged fuel gas after being cooled by the heat recovery unit H is recovered by the water recovery unit (gas-liquid separator) 14. Then, the condensed water recovered by the water recovery unit 14 passes through the water purifier 71 and the water tank 72, and is used for steam reforming of the raw fuel in the reforming unit 4 as described above. Therefore, the amount of condensed water that can be recovered by the water recovery unit 14 differs mainly depending on the dew point of the discharged fuel gas supplied to the heat recovery unit H and the temperature at which the discharged fuel gas can be cooled.

例えば、燃料電池部1のアノードから出た後、熱交換器52に入る前(図1中の部位P1)の排出燃料ガスの温度は681℃であり、熱交換器52から出た後、熱回収部Hに入る前(部位P2)の排出燃料ガスの温度は473℃であり、熱回収部Hから出た後、後述する放熱器61に入る前(部位P3)の排出燃料ガスの温度は70℃であり、放熱器61で冷却された後、水回収部14に入る前(部位P4)の排出燃料ガスの温度は55℃である。
また、熱回収部Hでの冷却前、即ち、熱交換器52から出た後、熱回収部Hに入る前(部位P2)の排出燃料ガスのガス組成は、例えば、COが2%、COが17%、Hが13%、HOが68%である。
それに対して、熱回収部Hでの冷却後、即ち、熱回収部Hから出た後、放熱器61に入る前(部位P3)の排出燃料ガスのガス組成は、例えば、COが5%、COが44%、Hが35%、HOが16%である。
For example, the temperature of the discharged fuel gas after exiting the anode of the fuel cell unit 1 and before entering the heat exchanger 52 (part P1 in FIG. 1) is 681 ° C., and after exiting the heat exchanger 52, heat is generated. The temperature of the discharged fuel gas before entering the recovery unit H (part P2) is 473 ° C., and the temperature of the discharged fuel gas after exiting the heat recovery unit H and before entering the radiator 61 (part P3) described later is The temperature is 70 ° C., and the temperature of the discharged fuel gas after being cooled by the radiator 61 and before entering the water recovery unit 14 (part P4) is 55 ° C.
Further, the gas composition of the discharged fuel gas before cooling in the heat recovery unit H, that is, after exiting the heat exchanger 52 and before entering the heat recovery unit H (site P2), is, for example, 2% CO and CO. 2 is 17%, H 2 is 13%, and H 2 O is 68%.
On the other hand, the gas composition of the discharged fuel gas after cooling in the heat recovery unit H, that is, after exiting the heat recovery unit H and before entering the radiator 61 (part P3) is, for example, 5% CO. CO 2 is 44%, H 2 is 35%, and H 2 O is 16%.

水回収部14で凝縮水が除去された後の排出燃料ガスは、上述した熱回収部Hに至る前の排出燃料ガスと熱交換器52で熱交換し、その後、燃焼部5に供給される。つまり、本実施形態のシステムは、熱回収部Hに至る前の排出燃料ガスと、水回収部14で凝縮水が回収された後、燃焼部5で燃焼される前の排出燃料ガスとを熱交換する熱交換器52を備える。水回収部14で凝縮水が回収された後の排出燃料ガスの熱容量は下がっているので、熱交換器52では、その水分が除去された排出燃料ガスの温度を、熱回収部Hに至る前の排出燃料ガスとの熱交換によって容易に高めることができる。特に、図1に示す例では、熱交換器52において、双方のガスは対向流となる状態で流れて熱交換している。更に、水回収部14で水分が除去され且つ熱交換器52で昇温された後の排出燃料ガスを燃焼部5に供給することで、燃焼部5での排出燃料ガスの燃焼性が高まるという利点がある。 The discharged fuel gas after the condensed water is removed by the water recovery unit 14 is heat-exchanged with the exhaust fuel gas before reaching the heat recovery unit H described above by the heat exchanger 52, and then supplied to the combustion unit 5. .. That is, in the system of the present embodiment, the exhausted fuel gas before reaching the heat recovery unit H and the exhausted fuel gas after the condensed water is recovered by the water recovery unit 14 and before being burned by the combustion unit 5 are heated. A heat exchanger 52 to be replaced is provided. Since the heat capacity of the discharged fuel gas after the condensed water is recovered by the water recovery unit 14, the heat capacity of the discharged fuel gas is lowered, so that the heat exchanger 52 sets the temperature of the discharged fuel gas from which the water has been removed before reaching the heat recovery unit H. It can be easily increased by heat exchange with the exhaust fuel gas of. In particular, in the example shown in FIG. 1, in the heat exchanger 52, both gases flow in a countercurrent state to exchange heat. Further, by supplying the exhaust fuel gas after the water is removed by the water recovery unit 14 and the temperature is raised by the heat exchanger 52 to the combustion unit 5, the combustibility of the exhaust fuel gas in the combustion unit 5 is enhanced. There are advantages.

燃焼部5には、燃料電池部1のカソードから供給される排出酸素ガスも供給され、燃焼部5で、排出燃料ガス中に残存している燃料成分(Hなど)が燃焼される。尚、燃料電池部1のカソードには空気が供給されているため、排出酸素ガスには、酸素だけではなく元々の空気に含まれていた窒素も残存している。燃焼部5で発生した燃焼熱が改質部4での水蒸気改質に利用される。加えて、燃焼部5で発生した燃焼排ガスが保有する熱は、気化部6で改質用水を気化するために利用され、空気/排ガス熱交換器(空気予熱器)10でカソードに供給される空気を加熱するために利用される。その後、燃焼排ガスは系外に排出される。 Exhaust oxygen gas supplied from the cathode of the fuel cell unit 1 is also supplied to the combustion unit 5, and the fuel component (H 2 or the like) remaining in the exhaust fuel gas is burned in the combustion unit 5. Since air is supplied to the cathode of the fuel cell unit 1, not only oxygen but also nitrogen originally contained in the air remains in the discharged oxygen gas. The combustion heat generated in the combustion unit 5 is used for steam reforming in the reforming unit 4. In addition, the heat possessed by the combustion exhaust gas generated in the combustion unit 5 is used for vaporizing the reforming water in the vaporization unit 6, and is supplied to the cathode by the air / exhaust gas heat exchanger (air preheater) 10. It is used to heat the air. After that, the combustion exhaust gas is discharged to the outside of the system.

図1に示す例では、燃料電池部1及び改質部4及び燃焼部5及び気化部6及び空気/排ガス熱交換器(空気予熱器)10及び熱交換器52の一部などが、断熱材などを用いて内部の熱が外部に逃げないように構成した容器Mの内部に設置されている。 In the example shown in FIG. 1, the fuel cell unit 1, the reforming unit 4, the combustion unit 5, the vaporization unit 6, the air / exhaust gas heat exchanger (air preheater) 10, a part of the heat exchanger 52, and the like are heat insulating materials. It is installed inside the container M, which is configured to prevent the heat inside from escaping to the outside by using or the like.

更に、図1に示した例では、蓄熱タンク63には、蓄熱タンク63の上部から熱媒体を熱利用装置側に向けて供給する熱媒体供給路65と、蓄熱タンク63の下部に熱媒体を帰還させる或いは補充するための熱媒体帰還路64も設けられている。熱媒体は、水(湯)やその他の媒体(例えばポリエチレングリコールなど)を用いることができる。例えば、熱利用装置が、熱媒体が保有している熱のみを利用する床暖房装置や空調装置などの場合、蓄熱タンク63から相対的に高温の熱媒体が熱媒体供給路65を通って熱利用装置に供給され、熱利用装置で熱が利用された後の相対的に低温の熱媒体が熱媒体帰還路64を通って蓄熱タンク63に帰還する。或いは、熱利用装置が、熱媒体としての水(湯)自体を利用する給湯装置などの場合、蓄熱タンク63から相対的に高温の湯(熱媒体)が熱媒体供給路65を通って熱利用装置に供給され、蓄熱タンク63には湯(熱媒体)は帰還しないが、その代り、蓄熱タンク63から熱媒体供給路65を通って熱利用装置に供給されたのと同量の低温の水(上水)が熱媒体帰還路64を通って蓄熱タンク63に流入する。 Further, in the example shown in FIG. 1, the heat storage tank 63 has a heat medium supply path 65 for supplying a heat medium from the upper part of the heat storage tank 63 toward the heat utilization device side, and a heat medium in the lower part of the heat storage tank 63. A heat medium return path 64 for returning or replenishing is also provided. As the heat medium, water (hot water) or other medium (for example, polyethylene glycol) can be used. For example, when the heat utilization device is a floor heating device or an air conditioning device that uses only the heat possessed by the heat medium, a relatively high temperature heat medium from the heat storage tank 63 passes through the heat medium supply path 65 to heat. The relatively low temperature heat medium supplied to the utilization device and after the heat is utilized in the heat utilization device returns to the heat storage tank 63 through the heat medium return path 64. Alternatively, when the heat utilization device is a hot water supply device that uses water (hot water) itself as a heat medium, relatively high temperature hot water (heat medium) from the heat storage tank 63 uses heat through the heat medium supply path 65. Hot water (heat medium) is supplied to the device and does not return to the heat storage tank 63, but instead, the same amount of low-temperature water as supplied from the heat storage tank 63 to the heat utilization device through the heat medium supply path 65. (Clean water) flows into the heat storage tank 63 through the heat medium return path 64.

図2に示すのは、図4と同様に原燃料のインプットが1.25kW(低位発熱量基準)でAC発電出力705Wの発電時における、熱回収部Hでの、熱媒体による回収可能熱量と熱交換後の排出燃料ガスの温度との関係を示すグラフである。図2において、縦軸は熱交換後の排出燃料ガスの温度であり、横軸は熱媒体による回収可能熱量である。図示するように、排出燃料ガス(CO、CO、H、HO)の温度が約75℃まで下がるように冷却すると、熱媒体側には約0.29kWが移動する。このように、図3及び図4に示した比較例では排熱回収熱交換器12に入る熱媒体の温度を約40℃程度までは下げなければならなかったが、図1の構成では約75℃の熱媒体で同等の熱回収熱量が得られる。 FIG. 2 shows the amount of heat that can be recovered by the heat medium in the heat recovery unit H when the raw material input is 1.25 kW (low calorific value standard) and the AC power generation output is 705 W, as in FIG. It is a graph which shows the relationship with the temperature of the exhaust fuel gas after heat exchange. In FIG. 2, the vertical axis represents the temperature of the discharged fuel gas after heat exchange, and the horizontal axis represents the amount of heat that can be recovered by the heat medium. As shown in the figure, when the exhaust fuel gas (CO, CO 2 , H 2 , H 2 O) is cooled so as to drop to about 75 ° C., about 0.29 kW moves to the heat medium side. As described above, in the comparative examples shown in FIGS. 3 and 4, the temperature of the heat medium entering the exhaust heat recovery heat exchanger 12 had to be lowered to about 40 ° C., but in the configuration of FIG. 1, about 75 The same amount of heat recovery can be obtained with a heat medium at ° C.

加えて、改質部4に供給する原燃料として天然ガスベースの都市ガスを用い、改質部4に供給する原燃料ガス中の炭素(C)に対する水蒸気(S)のモル比(S/C)を2.5に設定し、燃料電池部1での燃料利用率を79%及び空気利用率を40%とした場合、改質部4に供給する水の量と水回収部14で回収する水の量とを例えば単位時間当たり4.4mlで等しくさせる(即ち、水自立を達成する)ためには、従来構成に比べて露点の高い排出燃料ガスを75℃まで冷却するだけでよく、従来構成のように約44.5℃まで冷却する必要はない。 In addition, natural gas-based city gas is used as the raw material and fuel supplied to the reforming unit 4, and the molar ratio (S / C) of water vapor (S) to carbon (C) in the raw material and fuel gas supplied to the reforming unit 4 is used. ) Is set to 2.5, and when the fuel utilization rate in the fuel cell unit 1 is 79% and the air utilization rate is 40%, the amount of water supplied to the reforming unit 4 and the water recovery unit 14 collect the fuel. In order to equalize the amount of water, for example, 4.4 ml per unit time (that is, to achieve water independence), it is only necessary to cool the discharged fuel gas having a higher dew point than the conventional configuration to 75 ° C. It is not necessary to cool to about 44.5 ° C as in the configuration.

具体例を挙げると、上述したように、熱媒体が保有している熱のみを利用する床暖房装置や空調装置などの熱利用装置の場合、蓄熱タンク63から例えば80℃の熱媒体が熱媒体供給路65を通って流出し、蓄熱タンク63へは例えば60℃の熱媒体が熱媒体帰還路64を通って流入する。つまり、蓄熱タンク63に貯えられる熱媒体の最低温度は約60℃になる。このような場合、排出燃料ガスの温度を約60℃までしか下げることはできないが、本実施形態では、排出燃料ガスを60℃まで冷却できれば、充分な量の熱を回収して、充分な量の凝縮水を得ることができる。このように、本実施形態では、蓄熱タンク63に貯えられている熱媒体の温度が例えば60℃になったとしても排出燃料ガスを充分に冷却できるため、水回収部14で回収できる凝縮水が充分に確保され、水自立を達成できる。 To give a specific example, as described above, in the case of a heat utilization device such as a floor heating device or an air conditioning device that uses only the heat possessed by the heat medium, the heat medium at, for example, 80 ° C. is the heat medium from the heat storage tank 63. It flows out through the supply path 65, and for example, a heat medium at 60 ° C. flows into the heat storage tank 63 through the heat medium return path 64. That is, the minimum temperature of the heat medium stored in the heat storage tank 63 is about 60 ° C. In such a case, the temperature of the discharged fuel gas can be lowered only to about 60 ° C. However, in the present embodiment, if the discharged fuel gas can be cooled to 60 ° C., a sufficient amount of heat can be recovered and a sufficient amount can be recovered. Condensed water can be obtained. As described above, in the present embodiment, even if the temperature of the heat medium stored in the heat storage tank 63 reaches, for example, 60 ° C., the discharged fuel gas can be sufficiently cooled, so that the condensed water that can be recovered by the water recovery unit 14 can be obtained. Sufficiently secured and water independence can be achieved.

更に、図1に示したシステムでは、熱回収部Hで熱が回収された後、水回収部14に至る前の排出燃料ガスからの放熱を促進する放熱器61を備えている。放熱器61は、排出燃料ガスが流れる配管の表面に形成された放熱フィンなどの放熱構造物を備えた空冷式の装置や、そのような放熱構造物(放熱フィン)に加えて電動式のファンを備えた空冷式の装置を用いて実現できる。このような放熱器61により、熱回収部Hで熱が回収された後、水回収部14に至る前の排出燃料ガスを更に冷却して、凝縮水を得ることができる。特に、放熱器61の周囲の大気の温度と、排出燃料ガスに対する充分な冷却を行うために必要な温度(上述した75℃)との間に大きな温度差が存在しているので、例えば大気の温度が非常に高い酷暑期であったとしても、大型且つ大出力の放熱器61を用いることなく、充分な凝縮水を得て、充分な熱回収量を得ることができる。よって、放熱フィンなどの放熱構造物だけで充分な冷却効果を得ることができるのであれば、上記ファンを設けなくてもよい。 Further, the system shown in FIG. 1 includes a radiator 61 that promotes heat dissipation from the discharged fuel gas after the heat is recovered by the heat recovery unit H and before reaching the water recovery unit 14. The radiator 61 is an air-cooled device provided with a heat-dissipating structure such as a heat-dissipating fin formed on the surface of a pipe through which exhausted fuel gas flows, or an electric fan in addition to such a heat-dissipating structure (heat-dissipating fin). It can be realized by using an air-cooled device equipped with. After the heat is recovered by the heat recovery unit H by such a radiator 61, the discharged fuel gas before reaching the water recovery unit 14 can be further cooled to obtain condensed water. In particular, since there is a large temperature difference between the temperature of the atmosphere around the radiator 61 and the temperature required for sufficient cooling of the discharged fuel gas (75 ° C. described above), for example, the temperature of the atmosphere Even in a hot season when the temperature is very high, a sufficient amount of condensed water can be obtained and a sufficient amount of heat can be recovered without using a large-sized and high-power radiator 61. Therefore, if a sufficient cooling effect can be obtained only by a heat radiating structure such as a heat radiating fin, the fan may not be provided.

放熱器61が電動式のファンを備えた装置である場合、そのファンを常時運転させていてもよいし、熱回収部Hで熱が回収された後、水回収部14に至る前の排出燃料ガスの温度に応じてファンの運転及び停止を切り替えてもよい。例えば、放熱器61は、熱回収部Hで熱が回収された後、水回収部14に至る前の排出燃料ガスの温度が75℃以上であればファンを運転させ、75℃未満であればファンを停止させるといった運転制御を行ってもよい。尚、放熱器61が電動式のファンを備えた装置であったとしても、大気温度は排出燃料ガスに対する充分な冷却を行うために必要な温度(上述した75℃)よりも大幅に低いため、放熱器61の放熱フィン及びファンを大型にする必要やファンの大出力運転を行う必要はない。 When the radiator 61 is a device provided with an electric fan, the fan may be operated at all times, or the discharged fuel after the heat is recovered by the heat recovery unit H and before reaching the water recovery unit 14. The operation and stop of the fan may be switched according to the temperature of the gas. For example, the radiator 61 operates a fan when the temperature of the discharged fuel gas after the heat is recovered by the heat recovery unit H and before reaching the water recovery unit 14 is 75 ° C. or higher, and when the temperature is lower than 75 ° C. Operation control such as stopping the fan may be performed. Even if the radiator 61 is a device equipped with an electric fan, the atmospheric temperature is significantly lower than the temperature required for sufficient cooling of the discharged fuel gas (75 ° C. described above). It is not necessary to increase the size of the heat radiating fins and the fan of the radiator 61 or to operate the fan at high output.

以上のように、従来構成では、燃焼排ガス、即ち、燃料電池部1での発電反応で用いられた後にアノードから排出される排出燃料ガスと燃料電池部1での発電反応で用いられた後にカソードから排出される排出酸素ガス(O,N)との混合ガスを燃焼させた後のガスと熱媒体との間で熱交換を行っていた。それに対して、本実施形態のコジェネレーションシステムでは、燃料電池部1での発電反応で用いられた後にアノードから排出される排出燃料ガスと熱媒体との間で熱交換を行っている。そして、そのような熱交換によって、充分な熱回収と凝縮水の生成とを行うことができる。よって、本実施形態の方が、ガス中に排出酸素ガス(O,N)を含まない分だけモル流量が小さいため、そのガスを流すための配管径等についての制約が小さく(即ち、熱交換器の構造に対する要求が小さく)、且つ、ガスを流動させるための動力が小さくてもよいという利点がある。つまり、本実施形態の方が、装置コストが小さくなり、運用するために必要なエネルギーが小さくなるという利点がある。 As described above, in the conventional configuration, the combustion exhaust gas, that is, the exhaust fuel gas discharged from the anode after being used in the power generation reaction in the fuel cell unit 1, and the cathode after being used in the power generation reaction in the fuel cell unit 1. the heat exchange between the gas and the heat medium after burning a mixed gas of exhaust oxygen gas discharged (O 2, N 2) it has been performed from. On the other hand, in the cogeneration system of the present embodiment, heat exchange is performed between the exhaust fuel gas discharged from the anode after being used in the power generation reaction in the fuel cell unit 1 and the heat medium. Then, by such heat exchange, sufficient heat recovery and generation of condensed water can be performed. Therefore, in the present embodiment, the molar flow rate is smaller because the exhausted oxygen gas (O 2 , N 2 ) is not contained in the gas, and therefore the restriction on the pipe diameter for flowing the gas is smaller (that is,). The requirements for the structure of the heat exchanger are small), and there is an advantage that the power for flowing the gas may be small. That is, the present embodiment has an advantage that the device cost is small and the energy required for operation is small.

<別実施形態>
<1>
上記実施形態では、本発明のコジェネレーションシステムの構成について具体例を挙げて説明したが、その構成は適宜変更可能である。
<Another Embodiment>
<1>
In the above embodiment, the configuration of the cogeneration system of the present invention has been described with reference to specific examples, but the configuration can be changed as appropriate.

例えば、上記実施形態では、内部を排出燃料ガスが流れる放熱管(配管)62が、蓄熱タンク63の内部でコイル状になっている例を説明したが、放熱管62が直線状になっていてもよい。また、放熱管62が1本の管である場合を図示したが、複数に枝分かれした後で合流する構造になっていてもよい。このような枝分かれ構造を採用することで、放熱管62と蓄熱タンク63の内部の熱媒体との接触面積が大きくなるという利点がある。
また、内部を排出燃料ガスが流れる放熱管(配管)62が、蓄熱タンク63の外壁面を這うように設けられていてもよい。
For example, in the above embodiment, the heat radiating pipe (piping) 62 through which the discharged fuel gas flows is coiled inside the heat storage tank 63, but the heat radiating pipe 62 is linear. May be good. Further, although the case where the heat radiating pipe 62 is one pipe is shown in the figure, it may have a structure in which the heat radiating pipe 62 is branched and then merged. By adopting such a branched structure, there is an advantage that the contact area between the heat radiating pipe 62 and the heat medium inside the heat storage tank 63 becomes large.
Further, a heat radiating pipe (piping) 62 through which the discharged fuel gas flows may be provided so as to crawl on the outer wall surface of the heat storage tank 63.

他にも、図1には、熱回収部Hが、蓄熱タンク63を有し、内部を排出燃料ガスが流れる放熱管(配管)62が、蓄熱タンク63で貯えている熱媒体の中を通過するような構成になっている例を説明したが、熱回収部Hの構成は適宜変更可能である。例えば、熱回収部Hが、図3に示したような構成、即ち、排熱回収熱交換器と蓄熱タンクとの間を熱媒体が循環し、その排熱回収装置で排出燃料ガスと熱媒体とが熱交換するような構成であってもよい。 In addition, in FIG. 1, the heat recovery unit H has the heat storage tank 63, and the heat radiation pipe (piping) 62 through which the discharged fuel gas flows passes through the heat medium stored in the heat storage tank 63. Although the example having such a configuration has been described, the configuration of the heat recovery unit H can be changed as appropriate. For example, the heat recovery unit H has a configuration as shown in FIG. 3, that is, a heat medium circulates between the exhaust heat recovery heat exchanger and the heat storage tank, and the exhaust heat recovery device circulates the exhaust fuel gas and the heat medium. It may be configured to exchange heat with and.

<2>
上記実施形態では、温度、熱量、凝縮水の量などの値について具体的な数値を挙げて説明したが、それらの数値は例示目的で記載したものであり、適宜変更可能である。
<2>
In the above embodiment, the values such as the temperature, the amount of heat, and the amount of condensed water have been described with specific numerical values, but these numerical values are described for the purpose of exemplification and can be changed as appropriate.

<3>
上記実施形態(別実施形態を含む、以下同じ)で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用でき、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変できる。
<3>
The configurations disclosed in the above embodiment (including other embodiments, the same shall apply hereinafter) can be applied in combination with the configurations disclosed in other embodiments as long as there is no contradiction, and are disclosed in the present specification. The embodiment is an example, and the embodiment of the present invention is not limited to this, and can be appropriately modified without departing from the object of the present invention.

本発明は、熱回収量を高めると共に水自立を達成するために大きなコストを必要としないコジェネレーションシステムに利用できる。 The present invention can be used in a cogeneration system that does not require a large cost to increase heat recovery and achieve water independence.

1 燃料電池部
4 改質部
5 燃焼部
14 気液分離器(水回収部)
52 熱交換器
61 放熱器
63 蓄熱タンク
65 熱媒体供給路
H 熱回収部
1 Fuel cell unit 4 Remodeling unit 5 Combustion unit 14 Gas-liquid separator (water recovery unit)
52 Heat exchanger 61 Heat exchanger 63 Heat storage tank 65 Heat medium supply path H Heat recovery unit

Claims (2)

原燃料を水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質部と、
前記改質部で生成された前記燃料ガスが供給されるアノード、及び、酸素ガスが供給されるカソードを有する固体酸化物形の燃料電池部と、
熱媒体を貯えている蓄熱タンクを有し、前記燃料電池部での発電反応で用いられた後に前記アノードから排出される排出燃料ガスと前記蓄熱タンクに貯えている前記熱媒体とを熱交換させることで、前記排出燃料ガスから熱を回収する熱回収部と、
前記熱回収部で熱が回収された後の前記排出燃料ガスに含まれる凝縮水を回収する水回収部と、
前記水回収部で凝縮水が回収された後の前記排出燃料ガス中の燃料成分を燃焼させる燃焼部と、
前記熱回収部に至る前の前記排出燃料ガスと、前記水回収部で凝縮水が回収された後、前記燃焼部で燃焼される前の前記排出燃料ガスとを熱交換する熱交換器と、
前記蓄熱タンクに貯えている前記熱媒体を熱利用装置側に向けて供給する熱媒体供給路とを備え、
前記水回収部で回収した凝縮水が前記改質部での原燃料の水蒸気改質に用いられ、
前記燃焼部で発生した燃焼熱が前記改質部での水蒸気改質に利用されるように構成されているコジェネレーションシステム。
A reforming unit that steam reforms raw fuel to generate fuel gas,
A solid oxide fuel cell unit having an anode to which the fuel gas generated in the reforming unit is supplied and a cathode to which oxygen gas is supplied, and
It has a heat storage tank that stores a heat medium, and exchanges heat between the exhaust fuel gas discharged from the anode after being used in the power generation reaction in the fuel cell unit and the heat medium stored in the heat storage tank. As a result, the heat recovery unit that recovers heat from the exhausted fuel gas
A water recovery unit that recovers condensed water contained in the discharged fuel gas after heat is recovered by the heat recovery unit, and a water recovery unit.
A combustion unit that burns fuel components in the discharged fuel gas after the condensed water is recovered by the water recovery unit, and a combustion unit.
A heat exchanger that exchanges heat between the discharged fuel gas before reaching the heat recovery unit and the discharged fuel gas after the condensed water is recovered by the water recovery unit and before being burned by the combustion unit.
It is provided with a heat medium supply path for supplying the heat medium stored in the heat storage tank toward the heat utilization device side.
The condensed water recovered in the water recovery section is used for steam reforming of the raw material fuel in the reforming section.
A cogeneration system configured so that the heat of combustion generated in the combustion section is used for steam reforming in the reforming section.
前記熱回収部において、内部を前記排出燃料ガスが流れる配管が、前記蓄熱タンクで貯えている前記熱媒体の中を通過するように構成されている請求項1に記載のコジェネレーションシステム。The cogeneration system according to claim 1, wherein in the heat recovery unit, a pipe through which the discharged fuel gas flows passes through the heat medium stored in the heat storage tank.
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