JP3943406B2 - Fuel cell power generation system and operation method thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池発電システム及びその運転方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、コージェネレーションシステムとして、環境問題を考慮して燃料電池を組み入れた発電システムが提案されている。この燃料電池としては、単セルを複数積層して構成されたものが知られており、単セルとしては、電解質膜と、この電解質膜を狭持するアノード及びカソードと、アノードに燃料ガスを供給しカソードに酸化ガスを供給すると共に隣り合う単セルとの隔壁をなすセパレータとを備えたものが知られている。また、燃料ガスとしては、改質部において水蒸気を利用して炭化水素系燃料を改質することにより得られる水素リッチなガスが知られている。
【0003】
このような燃料電池発電システムにおいて、廃熱を有効に回収することが提案されている。例えば特開2001−313053公報には、改質部での廃熱を燃料電池のカソードから排出されたカソードオフガスで回収するシステムが提案されている。また、特開平6−132038号公報には、燃料電池から排出されたオフガスの熱や水蒸気を燃料電池に供給される燃料ガスで回収するシステムが提案されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した公報では、改質部での改質反応を考慮して改質部へ供給する炭化水素系燃料を昇温させておく場合、この炭化水素系燃料に外部から熱量を与えなければならなかった。また、改質部へ供給する水蒸気を生成させるのにも外部から熱量を与えなければならなかった。このため、システム効率が必ずしもよくなかった。
【0005】
本発明は、上述の課題に鑑みなされたものであり、改質部を備えた燃料電池発電システムにおいてシステム効率を向上させることを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段及びその作用・効果】
上述した目的を達成するために、本発明の第1の燃料電池発電システムは、
水蒸気を利用して炭化水素系燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する改質部と、
改質原料として少なくとも炭化水素系燃料と水蒸気とを前記改質部へ供給する改質原料供給部と、
前記改質部から供給される燃料ガスと所定の酸化ガス供給源から供給される酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記改質原料供給部により前記改質部へ供給される炭化水素系燃料に前記燃料電池から排出されたオフガスの熱を移す熱交換部と
を備えたものである。
【0007】
この燃料電池発電システムでは、改質原料供給部が改質部へ少なくとも炭化水素系燃料と水蒸気とを供給し、改質部が水蒸気を利用して炭化水素系燃料を燃料ガスに改質しその燃料ガスを燃料電池に供給する。一方、燃料電池から排出されたオフガスの熱を、改質部へ供給される炭化水素系燃料に移す。これにより、改質部へ供給される炭化水素系燃料の温度が上がり、改質部での改質反応が良好に進行する。また、改質部へ供給される炭化水素系燃料に外部から熱量を与える場合には、外部から与える熱量を減らすことができる。したがって、システム効率が向上する。なお、「オフガス」とは、燃料電池のアノード側から排出されるアノードオフガスであってもよいし、燃料電池のカソード側から排出されるカソードオフガスであってもよい。
【0008】
本発明の第1の燃料電池発電システムにおいて、前記熱交換部は、前記改質原料供給部により前記改質部へ供給される炭化水素系燃料に前記オフガスの水蒸気及び熱を移してもよい。この場合、オフガス中の水蒸気も回収して改質部へ供給するため、改質部で必要とされる水蒸気を別途生成する際にその生成量を減らすことができ、その分だけ熱量が削減でき、システム効率が向上する。
【0009】
このようにオフガスの熱及び水蒸気を回収する構成において、本発明の第1の燃料電池発電システムは、前記改質部へ供給される水蒸気を生成する蒸発部と、前記蒸発部で生成する水蒸気量を調節する水蒸気量調節部とを備え、前記水蒸気量調節部は、前記熱交換部で前記オフガスから前記炭化水素系燃料へ移る水蒸気量に応じて前記蒸発器で生成する水蒸気量を調節してもよい。こうすれば、蒸発器で生成する水蒸気量を適切に制御できるため、システム効率が一層向上する。
【0010】
本発明の第1の燃料電池発電システムは、湯水を貯える貯湯槽と、前記オフガスの熱を前記貯湯槽の湯水へ移し該湯水を昇温させる湯水昇温部と、前記オフガスを前記熱交換部へ導く第1通路と前記オフガスを前記湯水昇温部へ導く第2通路とを切り替える通路切替部とを備えていてもよい。こうすれば、例えば貯湯槽の湯水の温度を上げる必要がないときには通路切替部により第1通路に切り替えてオフガスの水蒸気及び熱を炭化水素系燃料に移すことによりシステム効率の向上を図ることができるし、貯湯槽の湯水の温度を上げる必要があるときには通路切替部により第2通路に切り替えてオフガスの水蒸気及び熱を湯水により効率よく回収しその湯水を早期に昇温させることができる。
【0011】
このように貯湯槽と湯水昇温部と通路切替部とを備えた構成において、本発明の第1の燃料電池発電システムは、前記貯湯槽の湯温又は湯量に応じて前記通路切替部を切り替える通路切替制御部を備えていてもよい。こうすれば、貯湯槽の湯温又は湯量に応じて第1通路に切り替えるか第2通路に切り替えるかを適切に制御することができる。例えば、湯温又は湯量が予め定められた所定範囲(湯水の昇温を要求する範囲)外のときには第1通路に切り替えてシステム効率の向上を図り、湯温又は湯量が前記所定範囲内のときには第2通路に切り替えて湯水により効率よく熱を回収してもよい。
【0012】
また、このように貯湯槽と湯水昇温部と通路切替部とを備えた構成において、前記第1通路は、前記熱交換部の下流側が前記第2通路における前記湯水昇温部の上流側に接続されていてもよい。こうすれば、通路切替部により第1通路に切り替えられているときであっても、熱交換部でオフガスの水蒸気及び熱が回収されたあと残った熱を湯水昇温部で回収できる。
【0023】
【発明の実施の形態】
[第1実施形態(参考例)]
図1は、第1実施形態の燃料電池発電システム10の構成の概略を示す構成図である。この燃料電池発電システム10は、主として、都市ガスを水素リッチな改質ガスに改質する改質器12と、改質ガス中の一酸化炭素を低減して燃料ガスとするCO選択酸化部16と、都市ガスと蒸気とを混合した混合気を改質器12へ供給する混合器34と、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池40と、燃料電池40から排出されたオフガスの水蒸気及び熱を回収する水蒸気・熱交換器35と、冷却水熱交換器42にて燃料電池40の熱を回収したりオフガス凝縮器55にて燃料電池40のオフガスの熱を回収したりすることにより加温された水を貯留する貯湯槽44と、燃料電池40からの直流電力を交流電力に変換して外部に供給する系統連係パッケージ70と、システム全体をコントロールする電子制御ユニット60とを備えている。
【0024】
改質器12は、混合器34から導入される都市ガスと蒸気との混合気を次式(1)及び次式(2)の水蒸気改質反応及びシフト反応に供することにより、水素リッチな改質ガスを生成する。改質器12には、こうした反応に必要な熱を供給する燃焼部14が設けられており、燃焼部14には、ガス配管22から昇圧ポンプ28を介して都市ガスが供給されると共に図示しない経路により燃焼に必要な空気が供給され、更にオフガス凝縮器55を通過した後のアノードオフガスが供給されように配管されている。つまり、アノードオフガスを有効利用するために、アノードオフガス中の未反応の水素を燃焼部14の燃料として用いることができるように構成されている。また、燃焼部14から排出された燃焼排ガスは、その熱量を蒸発器33に付与したあと外部へ排出されるように配管されている。つまり、燃焼排ガスの熱量を蒸発器33の水蒸気を生成するために有効利用できるように構成されている。
【0025】
【数1】
CH4+H2O→CO+3H2 (1)
CO+H2O→CO2+H2 (2)
【0026】
混合器34は、ガス配管22から調節弁24及び昇圧ポンプ26を経たあと脱硫器27で硫黄分の除去され更に水蒸気・熱交換器35を経たあとの都市ガスと、水タンク30から水ポンプ31及び調節弁32を経たあと蒸発器33にて気化された水蒸気とを適当な比率で混合し、改質器12に供給する。水タンク30には、水道水を浄化・精製する図示しない水精製器から精製水が供給される。
【0027】
CO選択酸化部16は、図示しない配管による空気の供給を受けて水素の存在下で一酸化炭素を選択して酸化する一酸化炭素選択酸化触媒(例えば白金とルテニウムの合金による触媒)により、改質ガス中の一酸化炭素を選択酸化して一酸化炭素濃度が極めて低い(本実施形態では数ppm程度)水素リッチな燃料ガスとする。
【0028】
燃料電池40は、単セル410(図2参照)を複数積層してなる固体高分子型の燃料電池として構成されており、単セル410は、図2に示すように、電解質膜412と、この電解質膜412を狭持するアノード414及びカソード416と、このアノード414に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路415を有するセパレータ418及びカソード416に酸化ガスを供給する酸化ガス供給路417を有するとセパレータ420とから構成され、セパレータ418,420は隣り合う単セル410との隔壁をなす。また、アノード414は触媒電極414aとガス拡散電極414bとからなり、カソード416は触媒電極416aとガス拡散電極416bとからなる。そして、各単セル410のアノード414にはCO選択酸化部16から燃料ガスが供給され、各単セル410のカソード416にはブロア41から図示しない加湿器を経て酸化ガスとしての空気が供給されることにより、燃料ガス中の水素と酸化ガス中の酸素との電気化学反応によって発電する。燃料電池40の図示しない出力端子は、系統連係パッケージ70内の図示しないインバータを介して外部に接続されており、燃料電池40からの直流電力が交流電力に変換されて外部に供給される。
【0029】
水蒸気・熱交換器35は、水蒸気選択透過性の高い中空糸膜により分けられたオフガス通路36と都市ガス通路37とを利用し、燃料電池40のアノードから排出され水蒸気を含んだ高温のアノードオフガスと脱硫器27を通過した都市ガスとを向流接触させることにより、アノードオフガスの水蒸気及び熱を都市ガスへ移す。具体的には、水蒸気を含むアノードオフガスと水蒸気を含まない都市ガスとの間に発生する水蒸気分圧の差を利用してアノードオフガスの水蒸気が中空糸膜を透過して都市ガスへ移り、また、高温のアノードオフガスの熱が常温の都市ガスに中空糸膜を介して伝達される。水蒸気・熱交換器35を通過したアノードオフガスは、オフガス凝縮器55を通過することにより貯湯槽44の湯水に凝縮潜熱を奪われて凝縮し、その後燃焼部14へ供給されて燃焼される。また、水蒸気・熱交換器35のうち都市ガス通路37の出口には、都市ガスの湿度つまり水蒸気量を検出する湿度センサ38が取り付けられている。
【0030】
冷却水熱交換器42は、燃料電池40の冷却水と貯湯槽44に貯留される水との熱交換を行うものである。システム運転時つまり燃料電池40の発電時には燃料電池40の熱を冷却水循環経路48を循環する冷却水が奪い、その冷却水の熱を貯湯槽44に貯留される湯水が冷却水熱交換器42にて回収し貯湯槽44に貯湯されるようになっている。
【0031】
貯湯槽44は、所定容量のタンクであり、下方内部から貯湯ポンプ46、オフガス凝縮器55及び冷却水熱交換器42を経て上方内部に通じる湯水循環経路45と、絶えずタンク内に水道水が満たされるように補給する図示しない補給路とを備えている。この湯水循環経路45を循環する湯水は、オフガス凝縮器55にて水蒸気・熱交換器35を通過したあとのアノードオフガスの凝縮潜熱を回収して昇温し、更に冷却水熱交換器42にて燃料電池40を冷却して熱を帯びた冷却水の熱を回収して昇温する。
【0032】
電子制御ユニット60は、周知のCPU、ROM、RAMを中心とするマイクロプロセッサとして構成されている。この電子制御ユニット60には、系統連係パッケージ70内の図示しないインバータの電流センサからの出力電圧や、同インバータの電圧センサからの出力電流や、湿度センサ38からの都市ガスの湿度つまり水蒸気量などが入力される。また、電子制御ユニット60からは、調節弁24及び調節弁32の各ソレノイドへの駆動信号や、昇圧ポンプ26,28,水ポンプ31,ブロア41,冷却水ポンプ43,貯湯ポンプ46などへの駆動信号や、系統連係パッケージ70内の図示しないインバータへのスイッチング制御信号などが出力される。
【0033】
この電子制御ユニット60は、ハイ、ミドル、ローのいずれかの運転モードが決まると、その運転モードに応じて定められた電力を目標出力電力として、燃料電池40からの直流電力を系統連係パッケージ70内の図示しないインバータで変換した交流電力が目標出力電力となるように、燃料電池40の発電量を制御する。ここで、燃料電池40の発電量の制御とは、例えば都市ガスの調節弁24や昇圧ポンプ26を制御したり水タンク30の水ポンプ31や調節弁32を制御したりすることにより改質器12での燃料ガスの生成量つまり燃料電池40への燃料ガスの供給量を制御したり、ブロア41を制御することにより燃料電池40への酸化ガスの供給量を制御したりすることをいう。
【0034】
次に、こうして構成された燃料電池発電システム10の動作について説明する。図3は水蒸気量調節処理プログラムの一例を示すフローチャートであり、このプログラムは電子制御ユニット60の図示しないROMに記録され、所定タイミング毎に電子制御ユニット60の図示しないCPUにより読み出され実行される。このプログラムが開始されると、電子制御ユニット60は、まず目標出力電力に応じた水蒸気供給量H*を算出する(ステップS100)。即ち、運転モードに応じて定められた電力を目標出力電力とし、その目標出力電力に応じた燃料ガス及び酸化ガスの供給量を求め、燃料ガスの供給量に応じて改質反応に使用する都市ガス量と水蒸気量とを求め、そのときの水蒸気量を水蒸気供給量H*とする。続いて、水蒸気・熱交換器35を通過したあとの都市ガスに含まれる水蒸気量Hgを湿度センサ38から読み込む(ステップS110)。この都市ガスに含まれる水蒸気量Hgは、水蒸気・熱交換器35にてアノードオフガスから都市ガスに移った水蒸気量に相当する。続いて、蒸発器33で生成させる水蒸気量Hsを算出する(ステップS120)。この水蒸気量Hsは、水蒸気供給量H*から都市ガスに含まれる水蒸気量Hgを差し引いた値である。その後、蒸発器33が水蒸気量Hsを生成するよう蒸発器33に供給する水量を水ポンプ31及び調節弁32により制御し(ステップS130)、このプログラムを終了する。
【0035】
ここで、本実施形態の構成要素と本発明の構成要素との対応関係を明らかにする。本実施形態の改質器12及びCO選択酸化部16が本発明の改質部に相当し、ガス配管22から混合器34までの各部及び水タンク30から混合器34までの各部が改質原料供給部に相当し、水蒸気・熱交換器35が熱交換部に相当し、蒸発器33が蒸発部に相当し、電子制御ユニット60が水蒸気量調節部に相当する。
【0036】
以上詳述した本実施形態によれば、燃料電池40から排出されたアノードオフガスの熱を、改質器12へ供給される都市ガスに移すため、改質器12へ供給される都市ガスの温度が上がり、改質器12での改質反応が良好に進行し、システム効率が向上する。なお、改質器12へ供給される都市ガスに外部から熱量を与える構成を採用した場合には、外部から与える熱量を減らすことができる。また、アノードオフガス中の水蒸気も回収して改質器12へ供給するため、改質器12で必要とされる水蒸気供給量H*を蒸発器33で生成する際にアノードオフガスから回収した水蒸気量Hgだけその生成量を減らすことができ、その分だけ蒸発器33での熱量が削減でき、システム効率が向上する。
【0037】
なお、オフガス凝縮器55で回収した凝縮水を改質器12へ供給するようにしてもよいが、その場合には、貴金属や触媒劣化粉体等が凝縮水中に溶出しているためイオン交換樹脂やフィルタ等の水精製器を通過させる必要がある。これに対して、上述した実施形態のように水蒸気・熱交換器35で回収した水蒸気を改質器12へ供給する場合には、水ではなく水蒸気として回収するため、オフガス凝縮器55で回収した凝縮水を回収する場合に比べて水精製器が不要となるか又は水精製器を通過させるとしてもその負担が軽減される。
【0038】
[第2実施形態]
図4は第2実施形態の燃料電池発電システムの構成の概略を示す構成図である。この第2実施形態では、水蒸気・熱交換器35のアノードオフガスが通過するオフガス通路36と並列に水蒸気・熱交換器35の外部にバイパス通路51が設けられ、両通路36,51の上流側に第1三方弁53、下流側に第2三方弁54が設けられ、第1三方弁53に導入されたアノードオフガスはオフガス通路36又はバイパス通路51のいずれかを通過したあと第2三方弁54からオフガス凝縮器55へと導かれるように配管されている点、貯湯槽44には内部に貯えられている湯水の温度を検出する温度センサ44aが設置されている点、電子制御ユニット60は温度センサ44aから貯湯槽44の湯水の温度を入力し第1三方弁53及び第2三方弁54の各ソレノイドに駆動信号を出力する点以外は、第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と同じ構成要素については同じ符号を付し、その説明を省略する。また、図4では、水蒸気・熱交換器35の都市ガス通路37に導入されるまでの都市ガスの経路は省略したが、第1実施形態と同様、ガス配管22から調節弁24,昇圧ポンプ26,脱硫器27を経て都市ガス通路37に導入される。
【0039】
次に、こうして構成された燃料電池発電システムの動作について説明する。図5は通路切替処理プログラムの一例を示すフローチャートであり、このプログラムは電子制御ユニット60の図示しないROMに記録され、所定タイミング毎に電子制御ユニット60の図示しないCPUにより読み出され実行される。このプログラムが開始されると、電子制御ユニット60は、まず、温度センサ44aから貯湯槽44の湯水の温度を読み込み(ステップS200)、その温度と予め定められた所定の昇温要求範囲(湯水の昇温を要求する温度範囲)とを比較し(ステップS210)、その温度が昇温要求範囲内のときには、第1及び第2三方弁53,54がバイパス通路51に通じるように第1及び第2三方弁53,54のソレノイドを制御し(ステップS220)、このプログラムを終了する。昇温要求範囲は、例えば60℃以下というように定められている。これにより、お湯の使用量が多い等によって貯湯槽44の湯水の温度が低くなって昇温要求範囲内に入ったときには、燃料電池40から排出されたアノードオフガスは水蒸気・熱交換器35を経由することなくオフガス凝縮器55に導入されてアノードオフガスの熱(凝縮潜熱や顕熱など)を貯湯槽44の湯水により有効に回収するため湯水は早期に昇温する。一方、貯湯槽44の湯水の温度が昇温要求範囲外のときには、第1及び第2三方弁53,54がオフガス通路36に通じるように第1及び第2三方弁53,54のソレノイドを制御し(ステップS230)、このプログラムを終了する。これにより、お湯の使用量が少ない等によって貯湯槽44の湯水の温度が高く昇温要求範囲を超えているときには、燃料電池40から排出されたアノードオフガスは水蒸気・熱交換器35を経由して都市ガスに水蒸気及び熱を移したあと、残った熱をオフガス凝縮器55で回収する。
【0040】
ここで、本実施形態の構成要素と本発明の構成要素との対応関係を明らかにする。本実施形態のオフガス凝縮器55が本発明の湯水昇温部に相当し、第1及び第2三方弁53,54が通路切替部に相当し、電子制御ユニット60が通路切替制御部に相当する。
【0041】
以上詳述した本実施形態によれば、貯湯槽44の湯水の温度を上げる必要がないときにはアノードオフガスが水蒸気・熱交換器35を経由するように切り替えて都市ガスにアノードオフガスの水蒸気及び熱を移すことによりシステム効率の向上を図ることができ、一方、貯湯槽44の湯水の温度を上げる必要があるときにはアノードオフガスが水蒸気・熱交換器35を経由することなくオフガス凝縮器55に導入されるように切り替えて湯水により効率よく熱を回収しその湯水を昇温させることができる。また、貯湯槽44の湯水の温度に応じてアノードオフガスの通路を切り替えるため、適切に切替制御をすることができる。更に、水蒸気・熱交換器35のオフガス通路36の下流側がオフガス凝縮器55の上流側に接続されているため、アノードオフガスが水蒸気・熱交換器35を経由するように切り替えられているときであっても、水蒸気・熱交換器35でオフガスの熱及び水蒸気が回収されたあと残った熱をオフガス凝縮器55で回収できる。
【0042】
[第3実施形態(参考例)]
図6は第3実施形態の燃料電池発電システムの構成の概略を示す構成図である。第1実施形態では燃料電池40のアノードオフガスを水蒸気・熱交換器35のオフガス通路36に導いたが(図1参照)、第3実施形態では改質器12及びCO選択酸化部16で生成した水素リッチな燃料ガスを水蒸気・熱交換器35の燃料ガス通路136に導き、燃料ガス通路136を通過したあと燃料電池40のアノードに導入するように構成されている。また、燃料電池40のアノードオフガスはオフガス凝縮器55を経て燃焼部14へ供給される。その他の構成は第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と同じ構成要素については同じ符号を付し、その説明を省略する。なお、図6の丸1と丸1、丸2と丸2はそれぞれ繋がっているものとする。
【0043】
次に、こうして構成された燃料電池発電システムでは、CO選択酸化部16から燃料電池40のアノードに至る途中の燃料ガスの熱を、脱硫器27で硫黄分が除去され改質器12へ供給される都市ガスに移す。これにより、改質器12へ供給される都市ガスの温度が上がり、改質器12での改質反応が良好に進行する。したがって、システム効率が向上する。なお、改質器12へ供給する都市ガスに外部から熱量を与える場合には、外部から与える熱量を減らすことができる。また、CO選択酸化部16から燃料電池40のアノードに至る途中の燃料ガス中の水蒸気も都市ガスにより回収して改質器12へ供給するため、その分だけ蒸発器33で生成する水蒸気の生成量を減らすことができ、その分だけ熱量が削減でき、システム効率が向上する。
【0044】
本実施形態のシステム構成は、CO選択酸化部16からの燃料ガス中の水蒸気量が多く燃料電池40がフラッディングを起こしやすい場合や、CO選択酸化部16からの燃料ガスの温度が燃料電池40の導入希望温度よりも高くなりやすい場合などに採用するのに適している。また、本実施形態において、図7に示すように、CO選択酸化部16からの燃料ガスが水蒸気・熱交換器35を通過する通路62と並列に水蒸気・熱交換器35の外部にバイパス通路61を設け、両通路61,62の上流側に第1三方弁63、下流側に第2三方弁64を設け、第1三方弁63に導入された燃料ガスは両通路61,62のいずれかを通過したあと第2三方弁64から燃料電池40のアノードへと導かれるように配管し、CO選択酸化部16の出口付近に燃料ガスの湿度を検出する湿度センサ65と燃料ガスの温度を検出する温度センサ66とを設け、電子制御ユニット60が湿度センサ65や温度センサ66の検出値に基づいていずれの通路61,62に切り替えるかを決定してもよい。具体的には、電子制御ユニット60は、図8に示すように、両センサ65,66の検出値を読み込み(ステップS300)、燃料ガスの湿度がフラッディング現象を発生するおそれのない所定の湿度範囲内にあるか否かを判定し(ステップS310)、所定の湿度範囲にあるときには、燃料ガスの温度が所定の希望温度範囲内にあるか否かを判定し(ステップS320)、燃料ガスの湿度が所定の湿度範囲内で温度も所定の希望温度範囲内のときには、第1及び第2三方弁63,64がバイパス通路61に通じるように第1及び第2三方弁63,64のソレノイドを制御し(ステップS330)、燃料ガスの湿度が所定の湿度範囲内にないときつまりフラッディング現象が発生するおそれのあるときや燃料ガスの温度が所定の希望温度範囲内にないときには、第1及び第2三方弁63,64が水蒸気・熱交換器35内の通路62に通じるように第1及び第2三方弁63,64のソレノイドを制御する(ステップS340)ようにしてもよい。これにより、燃料電池40でフラッディング現象が発生するおそれのあるときには燃料電池40に供給される燃料ガスの水蒸気が水蒸気・熱交換器35で低減されるため、燃料電池40のフラッディング現象を防止することができる。また、CO選択酸化部16からの燃料ガスの温度が導入温度領域を越えるほど高くなったとしても、その熱を利用して改質器12へ供給する都市ガスを昇温させるため、システム効率が向上する。
【0045】
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【0046】
例えば、上述した実施形態では、水蒸気・熱交換器35において燃料電池40のアノードオフガスから都市ガスに水蒸気及び熱を移すようにしたが、これに代えて又はこれに加えて、燃料電池40のカソードオフガスから都市ガスに水蒸気及び熱を移すように構成してもよい。
【0047】
また、上述した実施形態では、水蒸気・熱交換器35として中空糸膜を用いるものを例示したが、中空糸膜以外でも同様の機能を果たすものであれば採用することができる。例えば、アノードオフガスが通過する通路と都市ガスが通過する通路との間に吸湿剤が担持されたハニカムロータを回転可能に支持し、アノードオフガスが通過する通路にてアノードオフガスに含まれる水蒸気を吸着し、都市ガスが通過する通路にて吸着した水蒸気を脱着するように構成してもよい。あるいは、水蒸気透過膜を蛇腹状に折り畳んだ状態でセットした気密容器を採用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施形態の燃料電池発電システムの構成の概略を示す構成図である。
【図2】燃料電池を構成する単セルの断面図である。
【図3】水蒸気量調節処理のフローチャートである。
【図4】第2実施形態の燃料電池発電システムの構成の概略を示す構成図である。
【図5】通路切替処理のフローチャートである。
【図6】第3実施形態の燃料電池発電システムの構成の概略を示す構成図である。
【図7】第3実施形態の変形例の部分構成図である。
【図8】フラッディング対応制御及びガス温対応制御のフローチャートである。
【符号の説明】
10…燃料電池発電システム、12…改質器、14…燃焼部、16…CO選択酸化部、22…ガス配管、24…調節弁、26…昇圧ポンプ、27…脱硫器、28…昇圧ポンプ、30…水タンク、31…水ポンプ、32…調節弁、33…蒸発器、34…混合器、35…水蒸気・熱交換器、36…オフガス通路、37…都市ガス通路、38…湿度センサ、40…燃料電池、41…ブロア、42…冷却水熱交換器、43…冷却水ポンプ、44…貯湯槽、44a…温度センサ、45…湯水循環経路、46…貯湯ポンプ、48…冷却水循環経路、51…バイパス通路、53…第1三方弁、54…第2三方弁、55…オフガス凝縮器、60…電子制御ユニット、70…系統連係パッケージ。410…単セル、412…電解質膜、414…アノード、415…燃料ガス供給路、416…カソード、417…酸化ガス供給路、418,420…セパレータ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell power generation system and an operation method thereof.
[0002]
[Prior art]
In recent years, a power generation system incorporating a fuel cell has been proposed as a cogeneration system in consideration of environmental problems. As this fuel cell, a cell constructed by stacking a plurality of single cells is known. As a single cell, an electrolyte membrane, an anode and a cathode sandwiching the electrolyte membrane, and fuel gas are supplied to the anode. In addition, a device is known that includes an oxidant gas supplied to the cathode and a separator that forms a partition wall between adjacent single cells. As fuel gas, hydrogen-rich gas obtained by reforming hydrocarbon fuel using steam in the reforming section is known.
[0003]
In such a fuel cell power generation system, it has been proposed to effectively recover waste heat. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-313053 proposes a system that recovers waste heat from the reforming unit using cathode off-gas discharged from the cathode of the fuel cell. Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-132038 proposes a system for recovering heat and water vapor of off-gas discharged from a fuel cell with fuel gas supplied to the fuel cell.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above publication, when the temperature of the hydrocarbon fuel to be supplied to the reforming unit is raised in consideration of the reforming reaction in the reforming unit, the amount of heat must be given to the hydrocarbon fuel from the outside. did not become. In addition, heat must be given from the outside in order to generate steam to be supplied to the reforming section. For this reason, system efficiency was not necessarily good.
[0005]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to improve system efficiency in a fuel cell power generation system including a reforming unit.
[0006]
[Means for solving the problems and their functions and effects]
In order to achieve the above-described object, a first fuel cell power generation system of the present invention includes:
A reforming section for reforming hydrocarbon fuel into hydrogen-rich fuel gas using steam;
A reforming raw material supply unit for supplying at least hydrocarbon fuel and steam to the reforming unit as a reforming raw material;
A fuel cell that generates electric power by an electrochemical reaction between a fuel gas supplied from the reforming unit and an oxidizing gas supplied from a predetermined oxidizing gas supply source;
A heat exchanging unit that transfers the heat of off-gas discharged from the fuel cell to the hydrocarbon-based fuel supplied to the reforming unit by the reforming raw material supply unit;
It is equipped with.
[0007]
In this fuel cell power generation system, the reforming raw material supply unit supplies at least a hydrocarbon-based fuel and steam to the reforming unit, and the reforming unit uses the steam to reform the hydrocarbon-based fuel into a fuel gas. Fuel gas is supplied to the fuel cell. On the other hand, the heat of the off-gas discharged from the fuel cell is transferred to the hydrocarbon fuel supplied to the reforming unit. As a result, the temperature of the hydrocarbon-based fuel supplied to the reforming section increases, and the reforming reaction in the reforming section proceeds favorably. In addition, when the amount of heat is given from the outside to the hydrocarbon fuel supplied to the reforming section, the amount of heat given from the outside can be reduced. Therefore, system efficiency is improved. The “off gas” may be an anode off gas exhausted from the anode side of the fuel cell or a cathode off gas exhausted from the cathode side of the fuel cell.
[0008]
In the first fuel cell power generation system of the present invention, the heat exchange unit may transfer the off-gas water vapor and heat to the hydrocarbon-based fuel supplied to the reforming unit by the reforming raw material supply unit. In this case, since the water vapor in the off-gas is also collected and supplied to the reforming section, the amount of steam generated in the reforming section can be reduced and the amount of heat can be reduced accordingly. , Improve system efficiency.
[0009]
Thus, in the configuration for recovering off-gas heat and water vapor, the first fuel cell power generation system of the present invention includes an evaporation unit that generates water vapor supplied to the reforming unit, and an amount of water vapor generated by the evaporation unit A water vapor amount adjusting unit that adjusts the amount of water vapor generated in the evaporator according to the amount of water vapor transferred from the off-gas to the hydrocarbon fuel in the heat exchange unit. Also good. By doing so, the amount of water vapor generated in the evaporator can be appropriately controlled, so that the system efficiency is further improved.
[0010]
The first fuel cell power generation system of the present invention includes a hot water storage tank for storing hot water, a hot water temperature raising section for transferring the heat of the off gas to the hot water in the hot water tank and raising the temperature of the hot water, and the off gas for the heat exchange section. And a passage switching unit that switches between a first passage that leads to the second passage and a second passage that guides the off-gas to the hot water temperature raising unit. In this way, for example, when there is no need to raise the temperature of the hot water in the hot water tank, the system can be improved by switching to the first passage by the passage switching unit and transferring off-gas water vapor and heat to the hydrocarbon fuel. When it is necessary to raise the temperature of the hot water in the hot water storage tank, the passage switching unit can switch to the second passage, efficiently recover off-gas water vapor and heat with hot water, and raise the temperature of the hot water early.
[0011]
Thus, in the configuration including the hot water storage tank, the hot water temperature raising unit, and the passage switching unit, the first fuel cell power generation system of the present invention switches the passage switching unit according to the hot water temperature or the hot water amount of the hot water storage tank. A passage switching control unit may be provided. If it carries out like this, it can control appropriately whether it switches to a 1st channel | path or a 2nd channel | path according to the hot water temperature or the amount of hot water of a hot water tank. For example, when the hot water temperature or the amount of hot water is outside a predetermined range (a range where hot water is required to be raised), the system is switched to the first passage to improve system efficiency. When the hot water temperature or the hot water amount is within the predetermined range, The heat may be efficiently recovered by hot water by switching to the second passage.
[0012]
Further, in the configuration including the hot water storage tank, the hot water temperature raising unit, and the passage switching unit in this way, the first passage has a downstream side of the heat exchange unit on an upstream side of the hot water temperature raising unit in the second passage. It may be connected. By doing so, even when the passage switching unit is switched to the first passage, the heat remaining after the off-gas water vapor and heat are recovered by the heat exchange unit can be recovered by the hot water temperature raising unit.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[First embodiment (Reference example) ]
FIG. 1 is a configuration diagram showing an outline of the configuration of the fuel cell
[0024]
The
[0025]
[Expression 1]
CH Four + H 2 O → CO + 3H 2 (1)
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (2)
[0026]
The
[0027]
The CO
[0028]
The
[0029]
The steam /
[0030]
The cooling
[0031]
The hot
[0032]
The
[0033]
When one of the high, middle, and low operation modes is determined, the
[0034]
Next, the operation of the fuel cell
[0035]
Here, the correspondence between the components of the present embodiment and the components of the present invention will be clarified. The
[0036]
According to the present embodiment described in detail above, the temperature of the city gas supplied to the
[0037]
Note that the condensed water recovered by the off-
[0038]
[Second Embodiment]
FIG. 4 is a configuration diagram showing an outline of the configuration of the fuel cell power generation system of the second embodiment. In the second embodiment, a
[0039]
Next, the operation of the fuel cell power generation system configured as described above will be described. FIG. 5 is a flowchart showing an example of the passage switching processing program. This program is recorded in a ROM (not shown) of the
[0040]
Here, the correspondence between the components of the present embodiment and the components of the present invention will be clarified. The off-
[0041]
According to the embodiment described in detail above, when it is not necessary to raise the temperature of the hot water in the hot
[0042]
[Third Embodiment (Reference example) ]
FIG. 6 is a configuration diagram showing an outline of the configuration of the fuel cell power generation system of the third embodiment. In the first embodiment, the anode off-gas of the
[0043]
Next, in the fuel cell power generation system configured in this way, the heat of fuel gas on the way from the CO
[0044]
In the system configuration of this embodiment, when the amount of water vapor in the fuel gas from the CO
[0045]
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can of course be implemented in various forms within the scope belonging to the technical scope of the present invention.
[0046]
For example, in the above-described embodiment, steam and heat are transferred from the anode off-gas of the
[0047]
Further, in the above-described embodiment, the steam /
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing an outline of a configuration of a fuel cell power generation system according to a first embodiment.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a single cell constituting a fuel cell.
FIG. 3 is a flowchart of a water vapor amount adjustment process.
FIG. 4 is a configuration diagram showing an outline of a configuration of a fuel cell power generation system according to a second embodiment.
FIG. 5 is a flowchart of a path switching process.
FIG. 6 is a configuration diagram showing an outline of a configuration of a fuel cell power generation system of a third embodiment.
FIG. 7 is a partial configuration diagram of a modification of the third embodiment.
FIG. 8 is a flowchart of flooding control and gas temperature control.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (4)
改質原料として少なくとも炭化水素系燃料と水蒸気とを前記改質部へ供給する改質原料供給部と、
前記改質部から供給される燃料ガスと所定の酸化ガス供給源から供給される酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記改質原料供給部により前記改質部へ供給される炭化水素系燃料に前記燃料電池から排出されたオフガスの水蒸気及び熱を移す熱交換部と、
前記改質部へ供給される水蒸気を生成する蒸発部と、
前記熱交換部で前記オフガスから前記炭化水素系燃料へ移る水蒸気量に応じて前記蒸発器で生成する水蒸気量を調節する水蒸気量調節部と、
湯水を貯える貯湯槽と、
前記オフガスの熱を前記貯湯槽の湯水へ移し該湯水を昇温させる湯水昇温部と、
前記オフガスを前記熱交換部へ導く第1通路と前記オフガスを前記湯水昇温部へ導く第2通路とを切り替える通路切替部と、
前記貯湯槽の湯温又は湯量に応じて前記通路切替部を切り替える通路切替制御部と、
を備えた燃料電池発電システム。A reforming section for reforming hydrocarbon fuel into hydrogen-rich fuel gas using steam;
A reforming raw material supply unit for supplying at least hydrocarbon fuel and steam to the reforming unit as a reforming raw material;
A fuel cell that generates electric power by an electrochemical reaction between a fuel gas supplied from the reforming unit and an oxidizing gas supplied from a predetermined oxidizing gas supply source;
A heat exchanging unit that transfers steam and heat of off-gas discharged from the fuel cell to the hydrocarbon-based fuel supplied to the reforming unit by the reforming raw material supply unit;
An evaporation section for generating water vapor to be supplied to the reforming section;
A water vapor amount adjusting unit that adjusts the amount of water vapor generated by the evaporator according to the amount of water vapor transferred from the off-gas to the hydrocarbon fuel in the heat exchange unit;
A hot water storage tank for storing hot water,
A hot water temperature raising unit for transferring the heat of the off-gas to the hot water in the hot water tank and raising the temperature of the hot water;
A passage switching unit that switches between a first passage that guides the off gas to the heat exchange unit and a second passage that guides the off gas to the hot water temperature raising unit;
A passage switching control unit that switches the passage switching unit according to the hot water temperature or amount of hot water in the hot water storage tank;
Fuel cell power generation system equipped with.
請求項1に記載の燃料電池発電システム。The passage switching control unit controls the passage switching unit so that the off-gas is guided to the hot water temperature raising unit when the hot water temperature of the hot water tank is within a predetermined temperature increase request range, and the hot water temperature of the hot water tank is increased. There when it exceeds the predetermined temperature increase request range, that controls the passage switching unit so that the off-gas is led into the heat exchange section,
The fuel cell power generation system according to claim 1.
請求項1記載の燃料電池発電システム。The off gas that has passed through the first passage is led to the hot water temperature raising unit after passing through the heat exchange unit,
The fuel cell power generation system according to claim 1 .
前記貯湯槽の湯温又は湯量に応じて前記通路切替部を切り替えると共に、前記熱交換部で前記オフガスから前記炭化水素系燃料へ移る水蒸気量に応じて前記蒸発器で生成する水蒸気量を調節する
燃料電池発電システムの運転方法。 A reforming unit that reforms a hydrocarbon-based fuel into a hydrogen-rich fuel gas using steam; and a reforming material supply unit that supplies at least hydrocarbon-based fuel and steam as reforming materials to the reforming unit; A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas supplied from the reforming unit and an oxidizing gas supplied from a predetermined oxidizing gas supply source, and is supplied to the reforming unit by the reforming material supply unit A heat exchange unit that transfers steam and heat of off-gas discharged from the fuel cell to the hydrocarbon-based fuel, an evaporation unit that generates steam supplied to the reforming unit, a hot water storage tank for storing hot water, and the off-gas A hot water temperature raising part for transferring the heat of the hot water to the hot water in the hot water tank, and a first passage for leading the off gas to the heat exchange part and a second passage for guiding the off gas to the hot water temperature raising part. A passage switching unit for switching A method of operating a fuel cell power generation system,
The passage switching unit is switched according to the hot water temperature or the amount of hot water in the hot water tank, and the amount of water vapor generated by the evaporator is adjusted according to the amount of water vapor transferred from the off gas to the hydrocarbon fuel at the heat exchange unit. Operation method of fuel cell power generation system.
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