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JP2007115715A - Fuel cell power generating system - Google Patents

Fuel cell power generating system Download PDF

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JP2007115715A
JP2007115715A JP2007011938A JP2007011938A JP2007115715A JP 2007115715 A JP2007115715 A JP 2007115715A JP 2007011938 A JP2007011938 A JP 2007011938A JP 2007011938 A JP2007011938 A JP 2007011938A JP 2007115715 A JP2007115715 A JP 2007115715A
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JP
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gas
heat exchange
anode
water
heat
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JP2007011938A
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Japanese (ja)
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JP4176130B2 (en
JP2007115715A5 (en
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Naomichi Akimoto
直道 秋元
Takeshi Masui
武 桝井
Koichiro Hara
浩一郎 原
Nobuki Hattori
伸希 服部
Shigenori Onuma
重徳 尾沼
Takashi Ishikawa
貴史 石川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Aisin Corp
Original Assignee
Aisin Seiki Co Ltd
Toyota Motor Corp
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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  • Heat-Pump Type And Storage Water Heaters (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To efficiently recover heat, without making the path for a heat exchange medium complex. <P>SOLUTION: Since electrochemical reaction of fuel gas and oxidizing gas in a fuel cell 40 is heat generation reaction in a fuel cell power generation system 10, both anode-off gas and cathode-off gas have heat. A circulation pump 51 circulates water or hot water which is the heat exchange medium 54 in a heat exchange medium circulation path 50, in which water or hot water returns into a hot-water storage tank 52 via an anode-off gas heat exchanger 42 and a cathode-off gas heat exchanger 44 arranged in series from the hot-water storage tank 52. Consequently, the heat exchange media 54, having the same origin, recover heat from the anode-off gas and the cathode-off gas, so heat recovery is performed efficiently. Moreover, since the heat exchange medium 54 is circulated in the heat exchange medium circulation path 50 in which both the heat exchangers 42, 44 are arranged in series, the path for the heat exchange medium 54 will not become complex. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池発電システムに関する。     The present invention relates to a fuel cell power generation system.

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、バーナー等により加熱された燃料ガス生成器において炭化水素系燃料と水との反応により得られた水素リッチなガスを利用するものが知られている。   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 a fuel gas, a fuel gas that uses a hydrogen-rich gas obtained by a reaction between a hydrocarbon fuel and water in a fuel gas generator heated by a burner or the like is known.

ところで、燃料電池発電システムにおいて、燃料電池のアノードから排出されたアノードオフガスとカソードから排出されたカソードオフガスとを有効に活用するために、アノードオフガスとカソードオフガスとを燃料ガス生成器を加熱するバーナーに供給するものが知られている。例えば、特開平6−188016号公報には、アノードオフガスについてはアノードオフガス凝縮器でアノードオフガス中の水分を凝縮させたあと燃料ガス生成器を加熱するバーナーに供給し、カソードオフガスについてはカソードオフガス凝縮器でアノードオフガス中の水分を凝縮させたあと燃料ガス生成器を加熱するバーナーに供給している。   By the way, in the fuel cell power generation system, in order to effectively utilize the anode off gas discharged from the anode of the fuel cell and the cathode off gas discharged from the cathode, a burner for heating the fuel gas generator with the anode off gas and the cathode off gas. The ones that supply are known. For example, in Japanese Patent Laid-Open No. 6-188016, the anode off gas is supplied to a burner that heats the fuel gas generator after the moisture in the anode off gas is condensed by the anode off gas condenser, and the cathode off gas is condensed to the cathode off gas. After the moisture in the anode off gas is condensed by the vessel, the fuel gas generator is supplied to the burner that heats it.

しかしながら、上述した公報では、アノードオフガス凝縮器においてアノードオフガスと熱交換を行う熱交換媒体と、カソードオフガス凝縮器においてカソードオフガスと熱交換を行う熱交換媒体とを、どのような経路によって供給するかを考慮していない。このため、熱交換媒体の経路が複雑化しやすいし、燃料電池発電システムに適した熱回収を行うことができない。   However, in the above-mentioned publication, the heat exchange medium that exchanges heat with the anode offgas in the anode offgas condenser and the heat exchange medium that exchanges heat with the cathode offgas in the cathode offgas condenser are supplied by what route. Is not considered. For this reason, the path | route of a heat exchange medium tends to become complicated, and the heat recovery suitable for a fuel cell power generation system cannot be performed.

本発明は、上述の課題に鑑みなされたものであり、熱交換媒体の経路を複雑化することなく効率的に熱回収を行うことのできる燃料電池発電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-described problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell power generation system capable of efficiently recovering heat without complicating the path of a heat exchange medium.

上述した目的を達成するために、本発明の燃料電池発電システムは、
アノードに供給される燃料ガスとカソードに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、
前記アノードから排出されたアノードオフガスの熱を熱交換媒体により回収するアノードオフガス熱交換部と、
前記カソードから排出されたカソードオフガスの熱を前記熱交換媒体により回収するカソードオフガス熱交換部と、
前記熱交換媒体を貯留する熱交換媒体貯留部と、
前記熱交換媒体貯留部から直列に順不同で並んだ前記アノードオフガス熱交換部及び前記カソードオフガス熱交換部を経て前記熱交換媒体貯留部へ戻るという循環経路に前記熱交換媒体を循環させる熱交換媒体循環部と
を備えたものである。
In order to achieve the above-described object, a fuel cell power generation system of the present invention includes:
A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas supplied to the anode and an oxidizing gas supplied to the cathode;
An anode offgas heat exchanging section for recovering heat of the anode offgas discharged from the anode by a heat exchange medium;
A cathode offgas heat exchanging section for recovering heat of the cathode offgas discharged from the cathode by the heat exchange medium;
A heat exchange medium reservoir for storing the heat exchange medium;
A heat exchange medium that circulates the heat exchange medium through a circulation path that returns to the heat exchange medium storage section through the anode offgas heat exchange section and the cathode offgas heat exchange section arranged in random order in series from the heat exchange medium storage section And a circulation part.

本発明の燃料電池発電システムでは、燃料電池における燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応が発熱反応であることから、アノードオフガスとカソードオフガスとは共に熱を持っている。熱交換媒体循環部は、熱交換媒体を熱交換媒体貯留部から直列に順不同で並んだアノードオフガス熱交換部及びカソードオフガス熱交換部を経て熱交換媒体貯留部へ戻るという循環経路に循環させるため、出所の同じ熱交換媒体がアノードオフガス熱交換部にてアノードオフガスから熱を回収すると共にカソードオフガス熱交換部にてカソードオフガスから熱を回収する。このように、アノードオフガス熱交換部及びカソードオフガス熱交換部が直列に順不同で並んだ循環経路に熱交換媒体を循環させるため、熱交換媒体の経路は複雑化しない。また、出所の同じ熱交換媒体がアノードオフガスの熱及びカソードオフガスの熱を回収するため、効率的に熱回収を行うことができる。   In the fuel cell power generation system of the present invention, since the electrochemical reaction between the fuel gas and the oxidizing gas in the fuel cell is an exothermic reaction, both the anode off-gas and the cathode off-gas have heat. The heat exchange medium circulation unit circulates the heat exchange medium in a circulation path that returns to the heat exchange medium storage unit through the anode off-gas heat exchange unit and the cathode off-gas heat exchange unit arranged in random order in series from the heat exchange medium storage unit. The same source heat exchange medium recovers heat from the anode offgas in the anode offgas heat exchanger and also recovers heat from the cathode offgas in the cathode offgas heat exchanger. Thus, since the heat exchange medium is circulated through the circulation path in which the anode offgas heat exchange section and the cathode offgas heat exchange section are arranged in series in random order, the path of the heat exchange medium is not complicated. Moreover, since the same heat exchange medium at the source recovers the heat of the anode offgas and the heat of the cathode offgas, heat recovery can be performed efficiently.

本発明の燃料電池発電システムは、炭化水素系燃料と水との反応により得られる水素リッチなガスを前記燃料ガスとして前記アノードへ供給する燃料ガス生成部と、燃焼用ガスを燃焼することにより前記燃料ガス生成部を加熱する燃焼部とを備え、前記アノードオフガス熱交換部は、凝縮器の機能も有し、前記熱交換媒体により熱及び凝縮水を回収したあとのアノードオフガスを前記燃焼用ガスとして前記燃焼部に供給してもよい。ここでは、燃料ガス生成部での炭化水素系燃料と水との反応を促進させるために、燃焼部で燃焼用ガスを燃焼することにより燃料ガス生成部を加熱しているが、その燃焼用ガスとして、アノードオフガス熱交換部で熱交換媒体により熱及び凝縮水を回収したあとのアノードオフガスを有効利用している。また、このアノードオフガスは、凝縮水が回収されて低湿度化しているため、燃焼部に失火や傷み等の不具合が生じにくい。   The fuel cell power generation system of the present invention includes a fuel gas generation unit that supplies a hydrogen-rich gas obtained by a reaction between a hydrocarbon-based fuel and water to the anode as the fuel gas, and the combustion gas is used to burn the gas. A combustion part that heats the fuel gas generation part, and the anode off gas heat exchange part also has a function of a condenser, and the anode off gas after recovering heat and condensed water by the heat exchange medium is used as the combustion gas. May be supplied to the combustion section. Here, in order to promote the reaction between the hydrocarbon-based fuel and water in the fuel gas generation unit, the fuel gas generation unit is heated by burning the combustion gas in the combustion unit. As described above, the anode off gas after the heat and condensed water are recovered by the heat exchange medium in the anode off gas heat exchange section is effectively used. In addition, since the condensed water is recovered and the humidity of the anode off gas is reduced, problems such as misfire and damage are unlikely to occur in the combustion part.

本発明の燃料電池システムにおいて、前記燃料ガス生成部と前記燃焼部とを備え、前記アノードオフガス熱交換部が前記熱交換媒体により熱及び凝縮水を回収したあとのアノードオフガスを前記燃焼用ガスとして前記燃焼部に供給する場合、前記循環経路は、前記アノードオフガス熱交換部が前記カソードオフガス熱交換部の上流に配置されていてもよい。こうすれば、燃焼部へ供給されるアノードオフガスを低湿度化して燃焼部の不具合を生じにくくさせるという効果を優先して得ることができる。また、前記循環経路には、前記アノードオフガス熱交換部が最上流に配置されていてもよく、こうすれば、燃焼部の不具合を生じにくくさせるという効果を最優先させることができる。   The fuel cell system of the present invention includes the fuel gas generation unit and the combustion unit, and the anode offgas after the anode offgas heat exchange unit has recovered heat and condensed water by the heat exchange medium as the combustion gas. When supplying to the combustion section, the anode offgas heat exchange section may be arranged upstream of the cathode offgas heat exchange section in the circulation path. By so doing, it is possible to preferentially obtain the effect of reducing the humidity of the anode off-gas supplied to the combustion section and making it difficult to cause problems in the combustion section. Further, the anode off-gas heat exchanging section may be arranged in the most upstream in the circulation path, and in this way, the effect of making it difficult to cause a malfunction of the combustion section can be given the highest priority.

本発明の燃料電池発電システムは、炭化水素系燃料と水との反応により得られる水素リッチなガスを前記燃料ガスとして前記アノードへ供給する燃料ガス生成部に、凝縮器の機能も有する前記カソードオフガス熱交換部でカソードオフガス中の水分が凝縮して得られた高純度水を前記炭化水素系燃料と反応させるために供給する凝縮水供給部を備えていてもよい。こうすれば、カソードオフガスから得られた高純度水を有効に利用することができる。また、この凝縮水供給部は、前記アノードオフガス熱交換部でアノードオフガス中の水分が凝縮して得られた高純度水を前記炭化水素系燃料と反応させるために前記燃料ガス生成部へ供給してもよく、こうすれば、アノードオフガスから得られた高純度水も有効に利用することができる。なお、燃料電池の電気化学反応によってカソード側に水が生成するため、アノードオフガスよりもカソードオフガスから多くの高純度水が得られる。   In the fuel cell power generation system of the present invention, the cathode offgas also has a condenser function in a fuel gas generation unit that supplies a hydrogen-rich gas obtained by a reaction between a hydrocarbon-based fuel and water as the fuel gas to the anode. You may provide the condensed water supply part supplied in order to make the high purity water obtained by condensing the water | moisture content in cathode offgas in a heat exchange part react with the said hydrocarbon fuel. In this way, high-purity water obtained from the cathode off gas can be used effectively. The condensed water supply unit supplies high-purity water obtained by condensing moisture in the anode offgas in the anode offgas heat exchange unit to the fuel gas generation unit in order to react with the hydrocarbon fuel. In this case, high-purity water obtained from the anode off gas can also be used effectively. Since water is generated on the cathode side by the electrochemical reaction of the fuel cell, more high-purity water can be obtained from the cathode offgas than the anode offgas.

本発明の燃料電池発電システムは、前記凝縮水供給部を備えている場合、更に水道水を浄化する水精製部を備え、前記水精製部は、前記燃料ガス生成部へ供給する前記高純度水の不足分を前記凝縮水供給部へ補給してもよい。こうすれば、凝縮水供給部による高純度水の燃料ガス生成部への供給が不足したときに消耗品である水精製部を稼働するため、水精製部のみで浄化水を燃料ガス生成部へ供給する場合に比べて、水精製部の使用頻度が少なくて済み、水精製部の寿命が長くなる。   When the fuel cell power generation system of the present invention includes the condensed water supply unit, the fuel cell power generation system further includes a water purification unit that purifies tap water, and the water purification unit supplies the high-purity water supplied to the fuel gas generation unit. May be supplied to the condensed water supply unit. In this case, when the supply of the high purity water to the fuel gas generation unit by the condensed water supply unit is insufficient, the water purification unit, which is a consumable item, is operated. Compared with the case where it supplies, the use frequency of a water refinement | purification part needs to be less, and the lifetime of a water refinement | purification part becomes long.

本発明の燃料電池発電システムは、凝縮器の機能も有する前記カソードオフガス熱交換部でカソードオフガス中の水分が凝縮して得られた水を精製する凝縮水精製部と、炭化水素系燃料と水との反応により得られる水素リッチなガスを前記燃料ガスとして前記アノードへ供給する燃料ガス生成部に、前記凝縮水精製部で精製された精製水を前記炭化水素系燃料と反応させるために供給する精製水供給部とを備えていてもよい。こうすれば、カソードオフガスから得られた水を精製したあと有効に利用することができる。また、この凝縮水精製部は、前記アノードオフガス熱交換部でアノードオフガス中の水分が凝縮して得られた水も精製してもよい。こうすれば、アノードオフガスから得られた水も精製したあと有効に利用することができる。なお、凝縮水精製部では、通常、水道水を精製するよりも、カソードオフガス又はアノードオフガスから得られた水を精製する方が負担は軽い。   The fuel cell power generation system of the present invention includes a condensed water purification unit that purifies water obtained by condensing water in the cathode offgas in the cathode offgas heat exchange unit that also functions as a condenser, a hydrocarbon-based fuel, and water The hydrogen-rich gas obtained by the reaction with the fuel is supplied to the anode as a fuel gas to supply the purified water purified by the condensed water purification unit to the hydrocarbon fuel. And a purified water supply unit. In this way, water obtained from the cathode off-gas can be effectively used after being purified. The condensed water purification unit may also purify water obtained by condensing moisture in the anode offgas in the anode offgas heat exchange unit. In this way, water obtained from the anode off-gas can also be used effectively after purification. In the condensate purification unit, it is usually less burdensome to purify water obtained from cathode offgas or anode offgas than to purify tap water.

本発明の燃料電池システムにおいて、前記熱交換媒体は水又は湯であり、前記熱交換媒体貯留部は貯湯槽であってもよい。こうすれば、このシステムで発生した熱をお湯として回収することができるので有用性が高い。   In the fuel cell system of the present invention, the heat exchange medium may be water or hot water, and the heat exchange medium reservoir may be a hot water storage tank. In this way, the heat generated in this system can be recovered as hot water, which is highly useful.

本発明の燃料電池システムにおいて、前記循環経路は、前記アノードオフガス熱交換部及び前記カソードオフガス熱交換部の下流に、前記燃焼部から排出された燃焼部排ガスの熱を前記熱交換媒体により回収する燃焼部排ガス熱交換部が配置されていてもよい。こうすれば、出所の同じ熱交換媒体がアノードオフガスの熱、カソードオフガスの熱のほかに燃焼部排ガスの熱も回収するため、システム全体として効率的に熱回収を行うことができる。   In the fuel cell system of the present invention, the circulation path recovers the heat of the combustion part exhaust gas discharged from the combustion part downstream of the anode offgas heat exchange part and the cathode offgas heat exchange part by the heat exchange medium. A combustion part exhaust gas heat exchange part may be arranged. By doing so, the same heat exchange medium at the source recovers not only the heat of the anode offgas and the heat of the cathode offgas, but also the heat of the exhaust gas from the combustion section, so that the entire system can be efficiently recovered.

本発明の燃料電池システムにおいて、前記循環経路は、前記アノードオフガス熱交換部及び前記カソードオフガス熱交換部の下流に、前記燃料電池を冷却する冷却媒体の熱を前記熱交換媒体により回収する冷却媒体熱交換部が配置されていてもよい。こうすれば、出所の同じ熱交換媒体がアノードオフガスの熱、カソードオフガスの熱のほかに燃料電池を冷却することにより加熱された冷却媒体の熱も回収するため、システム全体として効率的に熱回収を行うことができる。このとき、前記循環経路は、最下流に前記冷却媒体熱交換部が配置されていてもよい。通常、燃料電池を冷却する冷却媒体の温度はアノードオフガスやカソードオフガスよりも高いため、これらのオフガスから熱を回収して高温化したあとの熱交換媒体であっても冷却媒体から熱を回収することができ、システム全体として効率的に熱回収を行うことができる。   In the fuel cell system of the present invention, the circulation path is a cooling medium that recovers the heat of the cooling medium that cools the fuel cell by the heat exchange medium downstream of the anode offgas heat exchange unit and the cathode offgas heat exchange unit. A heat exchange part may be arranged. In this way, the same heat exchange medium at the source recovers the heat of the cooling medium heated by cooling the fuel cell in addition to the heat of the anode offgas and the cathode offgas, so that the entire system can recover heat efficiently. It can be performed. At this time, in the circulation path, the cooling medium heat exchanging unit may be arranged on the most downstream side. Usually, the temperature of the cooling medium for cooling the fuel cell is higher than that of the anode off-gas and the cathode off-gas, so heat is recovered from the cooling medium even if it is a heat exchange medium after recovering heat from these off-gas and increasing the temperature. Therefore, the entire system can efficiently recover heat.

次に、本発明の好適な一実施形態を図面に基づいて説明する。図1は、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30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から排出されたアノードオフガスの熱を回収するアノードオフガス熱交換器42と、燃料電池から排出されたカソードオフガスの熱を回収するカソードオフガス熱交換器44と、貯湯槽52に貯留された熱交換媒体54としての水又は湯を貯湯槽52から直列に並んだ熱交換器42,44,45,46を経て貯湯槽52へ戻るという熱交換媒体循環経路50に熱交換媒体54を循環させる循環ポンプ51とを備えている。なお、図1における白抜き矢印は、循環経路50を流通する熱交換媒体54の流れを表し、[1]と[1]、[2]と[2]、[3]と[3]はそれぞれ繋がっているものとする。   Next, a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram showing an outline of the configuration of the fuel cell power generation system 10. This fuel cell power generation system 10 mainly includes a reformer 30 that reforms city gas into hydrogen-rich reformed gas, and a CO selective oxidation unit 34 that reduces carbon monoxide in the reformed gas and uses it as fuel gas. A fuel cell 40 that generates electric power by an electrochemical reaction between the fuel gas and the oxidizing gas, an anode offgas heat exchanger 42 that recovers the heat of the anode offgas discharged from the fuel cell 40, and a cathode offgas discharged from the fuel cell. Through a heat exchanger 42, 44, 45, 46 in which water or hot water as a heat exchange medium 54 stored in the hot water storage tank 52 is arranged in series from the hot water storage tank 52. A circulation pump 51 that circulates the heat exchange medium 54 in a heat exchange medium circulation path 50 that returns to the hot water storage tank 52 is provided. In addition, the white arrow in FIG. 1 represents the flow of the heat exchange medium 54 which distribute | circulates the circulation path 50, [1] and [1], [2] and [2], [3] and [3] are respectively It shall be connected.

改質器30は、混合器28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30には、こうした反応に必要な熱を供給する燃焼部32が設けられており、燃焼部32には、ガス配管22から都市ガスが供給されると共に燃焼に必要な空気が供給され、更にアノードオフガス熱交換器42を通過した後のアノードオフガスが供給される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32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。   The reformer 30 supplies the mixture of the city gas and steam introduced from the mixer 28 to the steam reforming reaction and shift reaction of the following equations (1) and (2), thereby improving the hydrogen-rich reforming. Generates quality gas. The reformer 30 is provided with a combustion section 32 that supplies heat necessary for such a reaction. The combustion section 32 is supplied with city gas from the gas pipe 22 and with air necessary for combustion. Further, the anode off-gas after passing through the anode off-gas heat exchanger 42 is piped so as to be supplied. That is, in order to effectively use the anode off gas, unreacted hydrogen in the anode off gas can be used as the fuel of the combustion unit 32.

[数1]
CH4+H2O→CO+3H2 (1)
CO+H2O→CO2+H2 (2)
[Equation 1]
CH4 + H2O → CO + 3H2 (1)
CO + H2O → CO2 + H2 (2)

混合器28は、ガス配管22から脱硫器24で硫黄分の除去された都市ガスと、水タンク26からの水が蒸発器27にて蒸発された蒸気とを適当な比率で混合し、改質器30に供給する。水タンク26には、水道水を浄化・精製する水精製器25から精製水が供給されるほか、アノードオフガス熱交換器42及びカソードオフガス熱交換器44から凝縮水が供給されるように配管されている。   The mixer 28 mixes the city gas from which the sulfur content has been removed by the desulfurizer 24 from the gas pipe 22 and the steam obtained by evaporating the water from the water tank 26 in the evaporator 27 at an appropriate ratio, thereby reforming. To the vessel 30. Purified water is supplied to the water tank 26 from a water purifier 25 that purifies and purifies tap water, and condensed water is supplied from an anode offgas heat exchanger 42 and a cathode offgas heat exchanger 44. ing.

CO選択酸化部34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。なお、本実施形態の改質器30及びCO選択酸化部34が本発明の燃料ガス生成部に相当する。   The CO selective oxidation unit 34 is modified by a carbon monoxide selective oxidation catalyst (for example, a catalyst made of an alloy of platinum and ruthenium) that receives supply of air from a pipe (not shown) and selects and oxidizes carbon monoxide in the presence of hydrogen. Carbon monoxide in the gas is selectively oxidized to obtain a hydrogen-rich fuel gas having a very low carbon monoxide concentration (about several ppm in this embodiment). Note that the reformer 30 and the CO selective oxidation unit 34 of the present embodiment correspond to a fuel gas generation unit of the present invention.

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34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、インバータ49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図示しない負荷に供給される。   The fuel cell 40 is configured as a solid polymer fuel cell in which a plurality of single cells 410 (see FIG. 2) are stacked. The single cell 410 includes an electrolyte membrane 412 and the electrolyte membrane 412 as shown in FIG. A separator having an anode 414 and a cathode 416 sandwiching the electrolyte membrane 412, a separator 418 having a fuel gas supply path 415 for supplying fuel gas to the anode 414, and an oxidizing gas supply path 417 for supplying oxidizing gas to the cathode 416 is provided. The separators 418 and 420 form a partition wall with the adjacent single cell 410. The anode 414 includes a catalyst electrode 414a and a gas diffusion electrode 414b, and the cathode 416 includes a catalyst electrode 416a and a gas diffusion electrode 416b. The fuel gas is supplied from the CO selective oxidation unit 34 to the anode 414 of each unit cell 410, and the air as the oxidizing gas is supplied from the blower 41 to the cathode 416 of each unit cell 410. Power is generated by an electrochemical reaction between hydrogen in the atmosphere and oxygen in the oxidizing gas. An output terminal (not shown) of the fuel cell 40 is connected to the outside via an inverter 49, and DC power from the fuel cell 40 is converted into AC power and supplied to a load (not shown).

熱交換媒体循環経路50は、貯湯槽52に貯留された熱交換媒体54がこの貯湯槽52からアノードオフガス熱交換器42、カソードオフガス熱交換器44、燃焼排ガス熱交換器45、冷却水熱交換器46をこの順に経たのち再び貯湯槽52に戻るという循環経路である。循環ポンプ51は、本発明の熱交換媒体循環部に相当するものであり、熱交換媒体循環経路50の途中に設けられ、貯湯槽52から熱交換媒体循環経路50に熱交換媒体54を循環させる。また、貯湯槽52に貯留された熱交換媒体54としてのお湯は、図示しない給湯経路を通じて所定箇所に供給され、お湯が供給されたあと貯湯槽52には満水になるように水道水が補給される。   In the heat exchange medium circulation path 50, the heat exchange medium 54 stored in the hot water tank 52 is transferred from the hot water tank 52 to the anode offgas heat exchanger 42, the cathode offgas heat exchanger 44, the combustion exhaust gas heat exchanger 45, and the cooling water heat exchange. The circulation path is such that after passing through the vessel 46 in this order, it returns to the hot water tank 52 again. The circulation pump 51 corresponds to the heat exchange medium circulation section of the present invention, is provided in the middle of the heat exchange medium circulation path 50, and circulates the heat exchange medium 54 from the hot water tank 52 to the heat exchange medium circulation path 50. . Hot water as the heat exchange medium 54 stored in the hot water storage tank 52 is supplied to a predetermined location through a hot water supply path (not shown), and hot water is supplied to the hot water storage tank 52 so that the hot water storage tank 52 is full. The

アノードオフガス熱交換器42は、起動時(運転開始直後)には、図示しない制御装置によってバルブ61及びバルブ63が開放されバルブ62及びバルブ64が閉鎖されるため、CO選択酸化部34から送り込まれた初期の燃料ガスと熱交換媒体循環経路50を通過する熱交換媒体54との間で熱交換を行う。このアノードオフガス熱交換器42において、熱交換媒体54は初期の燃料ガスの凝縮潜熱を奪うことにより熱を回収し、燃料ガスは凝縮潜熱が奪われることにより水分が凝縮し低湿度化する。また、アノードオフガス熱交換器42は、熱交換後の燃料ガスを初期オフガス燃焼器57に供給する。初期オフガス燃焼器57に送り込まれた燃料ガスは、この初期オフガス燃焼器57にて触媒燃焼したあと初期オフガス熱交換器58を経て外部へ放出される。このように初期オフガス燃焼器57には低湿度化した燃料ガスが送られるため、触媒燃焼する初期オフガス燃焼器57の機能を保ち、傷み等の不具合が生じにくい。なお、初期オフガス熱交換器58及び初期オフガス燃焼器57は冷却水循環経路43に組み込まれており、燃料電池40を通過したあとの冷却水が初期オフガス熱交換器58及び初期オフガス燃焼器57をこの順で通過する。   At the time of start-up (immediately after the start of operation), the anode off-gas heat exchanger 42 is sent from the CO selective oxidation unit 34 because the valve 61 and the valve 63 are opened and the valve 62 and the valve 64 are closed by a control device (not shown). Heat exchange is performed between the initial fuel gas and the heat exchange medium 54 passing through the heat exchange medium circulation path 50. In the anode off-gas heat exchanger 42, the heat exchange medium 54 recovers heat by depriving the initial condensation latent heat of the fuel gas, and the fuel gas condenses moisture and dehumidifies by depriving the latent condensation heat. The anode offgas heat exchanger 42 supplies the fuel gas after the heat exchange to the initial offgas combustor 57. The fuel gas sent to the initial off-gas combustor 57 undergoes catalytic combustion in the initial off-gas combustor 57 and is then discharged to the outside through the initial off-gas heat exchanger 58. Thus, since the fuel gas with reduced humidity is sent to the initial off-gas combustor 57, the function of the initial off-gas combustor 57 that performs catalytic combustion is maintained, and defects such as damage are less likely to occur. The initial off-gas heat exchanger 58 and the initial off-gas combustor 57 are incorporated in the cooling water circulation path 43, and the cooling water after passing through the fuel cell 40 causes the initial off-gas heat exchanger 58 and the initial off-gas combustor 57 to pass through this. Pass in order.

一方、アノードオフガス熱交換器42は、定常運転時には、図示しない制御装置によってバルブ61及びバルブ63が閉鎖されバルブ62及びバルブ64が開放されるため、CO選択酸化部34から燃料電池40のアノード414を経て排出されたアノードオフガスと熱交換媒体循環経路50を通過する熱交換媒体54との間で熱交換を行う。このアノードオフガス熱交換器42において、熱交換媒体54はアノードオフガスの凝縮潜熱を奪うことにより熱を回収し、アノードオフガスは凝縮潜熱が奪われることにより水分が凝縮し低湿度化する。また、アノードオフガス熱交換器42は、熱交換後のアノードオフガスを燃焼部32に供給すると共に、アノードオフガス中の水分が凝縮して得られた凝縮水を水タンク26へ供給する。   On the other hand, in the anode off gas heat exchanger 42, the valve 61 and the valve 63 are closed and the valve 62 and the valve 64 are opened by a control device (not shown) during steady operation, so the CO selective oxidation unit 34 to the anode 414 of the fuel cell 40. Heat exchange is performed between the anode off-gas discharged via the heat exchange medium 54 and the heat exchange medium 54 passing through the heat exchange medium circulation path 50. In the anode off-gas heat exchanger 42, the heat exchange medium 54 recovers heat by depriving the condensation latent heat of the anode off-gas, and the anode off-gas condenses moisture and dehumidifies by depriving the condensation latent heat. The anode offgas heat exchanger 42 supplies the anode offgas after heat exchange to the combustion unit 32 and supplies condensed water obtained by condensing moisture in the anode offgas to the water tank 26.

カソードオフガス熱交換器44は、燃料電池40のカソード416から排出されたカソードオフガスと熱交換媒体循環経路50を通過する熱交換媒体54との間で熱交換を行う。このカソードオフガス熱交換器44において、熱交換媒体54はカソードオフガスの凝縮潜熱を奪うことにより熱を回収し、カソードオフガスは凝縮潜熱が奪われることにより水分が凝縮する。また、カソードオフガス熱交換器44は、熱交換後のカソードオフガスを大気中に放出すると共に、カソードオフガス中の水分が凝縮して得られた凝縮水を水タンク26へ供給する。   The cathode offgas heat exchanger 44 exchanges heat between the cathode offgas discharged from the cathode 416 of the fuel cell 40 and the heat exchange medium 54 that passes through the heat exchange medium circulation path 50. In the cathode offgas heat exchanger 44, the heat exchange medium 54 recovers heat by depriving the latent heat of condensation of the cathode offgas, and the cathode offgas condenses moisture by depriving the latent heat of condensation. The cathode offgas heat exchanger 44 discharges the cathode offgas after heat exchange to the atmosphere, and supplies condensed water obtained by condensing moisture in the cathode offgas to the water tank 26.

燃焼排ガス熱交換器45は、燃焼部32で発生する燃焼排ガスと熱交換媒体循環経路50を通過する熱交換媒体54との間で熱交換を行う。この燃焼排ガス熱交換器45において、熱交換媒体54は燃焼排ガスから熱を奪って回収する。なお、燃焼排ガスとは、都市ガス又はアノードオフガス熱交換器42を経た後のアノードオフガスと空気中の酸素とが燃焼し、改質器30を囲うように設けられた図示しないジャケットを通過したあと排出されるガスである。   The combustion exhaust gas heat exchanger 45 performs heat exchange between the combustion exhaust gas generated in the combustion unit 32 and the heat exchange medium 54 that passes through the heat exchange medium circulation path 50. In the combustion exhaust gas heat exchanger 45, the heat exchange medium 54 takes heat from the combustion exhaust gas and recovers it. The combustion exhaust gas means that the anode off gas after passing through the city gas or the anode off gas heat exchanger 42 and oxygen in the air burn and pass through a jacket (not shown) provided so as to surround the reformer 30. This is the gas that is discharged.

冷却水熱交換器46は、冷却水循環経路43の途中に設けられている。ここで、冷却水循環経路43は、循環ポンプ48によってリザーバタンク47に貯留された冷却水がこのリザーバタンク47から燃料電池40の図示しない冷却水通路を経たのち初期オフガス熱交換器58、初期オフガス燃焼器57の図示しない冷却水通路、冷却水熱交換器46をこの順に通過して再びリザーバタンク47に戻るという循環経路である。但し、冷却水循環経路43のうち冷却水熱交換器46とリザーバタンク47との間には、ファンによる強制冷却を行う冷却器55を備えたバイパス経路が設けられており、冷却水が予め設定した温度を越えないときにはバイパス経路の分岐点に設けられたサーモスタット56が作動せず、冷却水を冷却水熱交換器46から直ちにリザーバタンク47へ導き、一方、冷却水が所定温度を越えたときにはサーモスタット56が作動し、冷却水をバイパス経路へ導いて冷却器55にて強制的に冷やしたあとリザーバタンク47へ導く。冷却水熱交換器46は、燃料電池40、初期オフガス熱交換器58及び初期オフガス燃焼器57を通過したあとの冷却水と熱交換媒体循環経路50を通過する熱交換媒体54との間で熱交換を行う。燃料電池40における電気化学反応は発熱反応であるが、このように冷却水を循環させることにより、燃料電池40は適温(本実施形態では80〜90℃)に保持される。   The cooling water heat exchanger 46 is provided in the middle of the cooling water circulation path 43. Here, the cooling water circulation path 43 is configured so that the cooling water stored in the reservoir tank 47 by the circulation pump 48 passes through the cooling water passage (not shown) of the fuel cell 40 from the reservoir tank 47 and then the initial off-gas heat exchanger 58 and the initial off-gas combustion. This is a circulation path that passes through a cooling water passage (not shown) of the vessel 57 and the cooling water heat exchanger 46 in this order and returns to the reservoir tank 47 again. However, a bypass path provided with a cooler 55 that performs forced cooling by a fan is provided between the coolant heat exchanger 46 and the reservoir tank 47 in the coolant circulation path 43, and the coolant is set in advance. When the temperature does not exceed, the thermostat 56 provided at the branch point of the bypass path does not operate, and the cooling water is immediately led from the cooling water heat exchanger 46 to the reservoir tank 47, whereas when the cooling water exceeds the predetermined temperature, the thermostat 56 is operated, and the cooling water is led to the bypass path and forcedly cooled by the cooler 55 and then led to the reservoir tank 47. The cooling water heat exchanger 46 heats between the cooling water after passing through the fuel cell 40, the initial off-gas heat exchanger 58 and the initial off-gas combustor 57 and the heat exchange medium 54 passing through the heat exchange medium circulation path 50. Exchange. Although the electrochemical reaction in the fuel cell 40 is an exothermic reaction, the fuel cell 40 is maintained at an appropriate temperature (80 to 90 ° C. in this embodiment) by circulating the cooling water in this way.

次に、こうして構成された燃料電池発電システム10における定常運転時の熱の回収や高純度水の回収について説明する。燃料電池発電システム10では、循環ポンプ51が駆動することにより、貯湯槽52の熱交換媒体54が熱交換媒体循環経路50を循環する。   Next, heat recovery and high-purity water recovery during steady operation in the fuel cell power generation system 10 configured as described above will be described. In the fuel cell power generation system 10, the heat exchange medium 54 of the hot water storage tank 52 circulates through the heat exchange medium circulation path 50 by driving the circulation pump 51.

まず、熱交換媒体54は、貯湯槽52の下方からアノードオフガス熱交換器42へ送り込まれ、このアノードオフガス熱交換器42にてアノードオフガスの凝縮潜熱を回収する。一方、アノードオフガスは、凝縮潜熱を奪われることによりアノードオフガス中の水分が凝縮し低湿度化したあと、改質器30を加熱するための燃焼部32にて燃焼されるが、低湿度のため燃焼部32に失火や傷み等の不具合を生じさせることはない。また、ここで得られた凝縮水は、比較的高純度の水であるため、水タンク26へ送られ、改質器30において都市ガスと反応させる水として有効利用される。   First, the heat exchange medium 54 is sent from below the hot water tank 52 to the anode offgas heat exchanger 42, and the anode offgas heat exchanger 42 collects condensation latent heat of the anode offgas. On the other hand, the anode off-gas is burned in the combustion section 32 for heating the reformer 30 after moisture in the anode off-gas is condensed and dehumidified by depriving the latent heat of condensation. There is no problem such as misfire or damage in the combustion section 32. In addition, since the condensed water obtained here is relatively high-purity water, it is sent to the water tank 26 and is effectively used as water to be reacted with the city gas in the reformer 30.

次いで、アノードオフガス熱交換器42を通過した熱交換媒体54は、カソードオフガス熱交換器44へ送り込まれ、このカソードオフガス熱交換器44にてカソードオフガスの凝縮潜熱を回収する。一方、カソードオフガスは、凝縮潜熱を奪われることによりカソードオフガス中の水分が凝縮する。また、燃料電池40における電気化学反応によってカソード側には大量の水が生成するため、カソードから排出されたカソードオフガスは大量の水分が含まれている。このため、カソードオフガス熱交換器44からは大量の凝縮水が発生する。そして、ここで得られた凝縮水は高純度の水であるため、水タンク26へ送られ、改質器30において都市ガスと反応させる水として有効利用される。水タンク26には、アノードオフガス熱交換器42で発生した凝縮水と、カソードオフガス熱交換器44で発生した多量の凝縮水が供給されるが、不足分についてはバルブ29を開いて水精製器25からの精製水で補う。なお、バルブ29の開閉制御は図示しない制御装置によって行う。   Next, the heat exchange medium 54 that has passed through the anode offgas heat exchanger 42 is sent to the cathode offgas heat exchanger 44, and the cathode offgas heat exchanger 44 collects the latent heat of condensation of the cathode offgas. On the other hand, in the cathode off gas, moisture in the cathode off gas is condensed by being deprived of the latent heat of condensation. In addition, since a large amount of water is generated on the cathode side by the electrochemical reaction in the fuel cell 40, the cathode offgas discharged from the cathode contains a large amount of water. For this reason, a large amount of condensed water is generated from the cathode offgas heat exchanger 44. And since the condensed water obtained here is high-purity water, it is sent to the water tank 26 and is effectively used as water to react with the city gas in the reformer 30. The water tank 26 is supplied with condensed water generated in the anode off-gas heat exchanger 42 and a large amount of condensed water generated in the cathode off-gas heat exchanger 44. For the shortage, the valve 29 is opened to open the water purifier. Supplement with purified water from 25. The opening / closing control of the valve 29 is performed by a control device (not shown).

続いて、カソードオフガス熱交換器44を通過した熱交換媒体54は、燃焼排ガス熱交換器45へ送り込まれ、この燃焼排ガス熱交換器45にて燃焼排ガスの熱を回収する。この燃焼排ガス熱交換器45においても凝縮水が発生するが、この燃焼排ガス熱交換器45には脱硫していない都市ガスが燃焼したあとの排ガスも通過することから、ここでの凝縮水は硫黄分が含まれるため水タンク26に供することなく放出される。   Subsequently, the heat exchange medium 54 that has passed through the cathode offgas heat exchanger 44 is sent to the combustion exhaust gas heat exchanger 45, and the combustion exhaust gas heat exchanger 45 recovers the heat of the combustion exhaust gas. Condensed water is also generated in the combustion exhaust gas heat exchanger 45, but the exhaust gas after combustion of city gas that has not been desulfurized also passes through the combustion exhaust gas heat exchanger 45. It is discharged without being supplied to the water tank 26 because it contains a minute.

そして最後に、燃焼排ガス熱交換器45を通過した熱交換媒体54は、冷却水熱交換器46へ送り込まれ、この冷却水熱交換器46にて冷却水の熱を回収したあと、再び貯湯槽52の上方に戻される。冷却水熱交換器46に供給される冷却水の温度は、本実施形態では70〜80℃であり、アノードオフガス熱交換器42に導入されるアノードオフガスや、カソードオフガス熱交換器44に導入されるカソードオフガスや、燃焼排ガス熱交換器45に導入される燃焼排ガスに比べて高温である。このため、各熱交換器42,44,45で熱を回収したあとの熱交換媒体54であっても、冷却水熱交換器46において冷却水から熱を回収することができる。   Finally, the heat exchange medium 54 that has passed through the combustion exhaust gas heat exchanger 45 is sent to the cooling water heat exchanger 46, and after collecting the heat of the cooling water in the cooling water heat exchanger 46, the hot water storage tank again. 52 is returned to above. The temperature of the cooling water supplied to the cooling water heat exchanger 46 is 70 to 80 ° C. in this embodiment, and is introduced into the anode off gas introduced into the anode off gas heat exchanger 42 or the cathode off gas heat exchanger 44. The temperature is higher than the cathode off gas and the combustion exhaust gas introduced into the combustion exhaust gas heat exchanger 45. For this reason, even if it is the heat exchange medium 54 after heat | fever was collect | recovered with each heat exchanger 42,44,45, a heat | fever can be collect | recovered from cooling water in the cooling water heat exchanger 46. FIG.

以上詳述した本実施形態の燃料電池発電システム10によれば、熱交換媒体循環経路50は、各熱交換器42,44,45,46を直列に繋ぐため複雑化せず、また、一つの貯湯槽52からの熱交換媒体54がアノードオフガスの熱及びカソードオフガスの熱を回収するため効率的に熱回収を行うことができる。特に本実施形態では回収した熱をお湯として貯めるため、有用性が高い。また、アノードオフガス中の水蒸気顕熱分の排気(熱)損失が減るため、燃焼部32に供給する都市ガスを減らすことができ、高効率化している。   According to the fuel cell power generation system 10 of the present embodiment described in detail above, the heat exchange medium circulation path 50 is not complicated because the heat exchangers 42, 44, 45, and 46 are connected in series. Since the heat exchange medium 54 from the hot water storage tank 52 recovers the heat of the anode off gas and the heat of the cathode off gas, heat recovery can be performed efficiently. In particular, the present embodiment is highly useful because the collected heat is stored as hot water. Further, since the exhaust (heat) loss of the sensible heat of water vapor in the anode off-gas is reduced, the city gas supplied to the combustion unit 32 can be reduced, and the efficiency is improved.

また、アノードオフガス熱交換器42を通過した後のアノードオフガスは燃焼部32に供給されるが、このガスは低湿度化されているため、燃焼部32において失火や傷み等の不具合が生じにくい。   Further, the anode off-gas after passing through the anode off-gas heat exchanger 42 is supplied to the combustion unit 32. However, since this gas is reduced in humidity, problems such as misfire and damage are unlikely to occur in the combustion unit 32.

更に、アノードオフガス熱交換器42から得られる凝縮水とカソードオフガス熱交換器44から得られる凝縮水はいずれも高純度水であるため、改質器30での水蒸気改質反応に有効利用することができる。また、水タンク26による高純度水が不足したときに消耗品である水精製器25を稼働すればよいため、水精製器25のみで浄化水を改質器30での水蒸気改質反応に供する場合に比べて、水精製器25の使用頻度が少なくて済み、水精製器25の寿命が長くなる。   Furthermore, since the condensed water obtained from the anode off-gas heat exchanger 42 and the condensed water obtained from the cathode off-gas heat exchanger 44 are both high-purity water, they should be effectively used for the steam reforming reaction in the reformer 30. Can do. Further, since the water purifier 25, which is a consumable, only needs to be operated when high-purity water in the water tank 26 is insufficient, the purified water is supplied to the steam reforming reaction in the reformer 30 only by the water purifier 25. Compared to the case, the frequency of use of the water purifier 25 can be reduced, and the life of the water purifier 25 becomes longer.

更にまた、熱交換媒体循環経路50には、アノードオフガス熱交換器42がカソードオフガス熱交換器44の上流に配置されているため、燃焼部32へ供給されるアノードオフガスの湿度を低下させて燃焼部32の不具合発生を防止することを、カソードオフガスから得られた高純度水を有効に利用することよりも優先させることができる。なお、ここではアノードオフガス熱交換器42が最上流のため、燃焼部32の不具合発生を防止することが最優先となっている。   Furthermore, since the anode off-gas heat exchanger 42 is disposed upstream of the cathode off-gas heat exchanger 44 in the heat exchange medium circulation path 50, the anode off-gas supplied to the combustion unit 32 is reduced in humidity and burned. Preventing the occurrence of defects in the section 32 can be prioritized over effectively using high-purity water obtained from the cathode offgas. Here, since the anode off-gas heat exchanger 42 is the most upstream, preventing the occurrence of problems in the combustion section 32 is the top priority.

そしてまた、熱交換媒体循環経路50には、アノードオフガス熱交換器42及びカソードオフガス熱交換器44の下流に、燃焼排ガス熱交換器45が配置され、更に最下流に冷却水熱交換器46が配置されているため、一つの貯湯槽52からの熱交換媒体54がアノードオフガスの熱、カソードオフガスの熱のほかに燃焼部排ガスの熱や燃料電池40の冷却水の熱も回収するため、システム全体として効率的に熱回収を行うことができる。   Further, in the heat exchange medium circulation path 50, a combustion exhaust gas heat exchanger 45 is disposed downstream of the anode offgas heat exchanger 42 and the cathode offgas heat exchanger 44, and a cooling water heat exchanger 46 is further disposed downstream. Since the heat exchange medium 54 from one hot water storage tank 52 collects not only the heat of the anode offgas and the heat of the cathode offgas, but also the heat of the exhaust gas from the combustion section and the heat of the cooling water of the fuel cell 40, As a whole, heat recovery can be performed efficiently.

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。   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.

例えば、上述した実施形態において、燃料電池40のカソード416から排出されたカソードオフガスの熱でもってブロア41から燃料電池40のカソード416に供給される空気を予熱するように構成し、カソードオフガスは空気の予熱を行った後にカソードオフガス熱交換器44を通過するようにしてもよい。   For example, in the above-described embodiment, the air supplied from the blower 41 to the cathode 416 of the fuel cell 40 is preheated with the heat of the cathode offgas discharged from the cathode 416 of the fuel cell 40, and the cathode offgas is air. After the preheating, the cathode offgas heat exchanger 44 may be passed.

また、上述した実施形態では、熱交換媒体循環経路50においてアノードオフガス熱交換器42をカソードオフガス熱交換器44の上流に設けたが、逆に、カソードオフガス熱交換器44をアノードオフガス熱交換器42の上流に設けてもよい。こうすれば、カソードオフガスに含まれる凝縮水をより効率よく回収することができ、水精製器25の負担をより軽くすることができる。   In the above-described embodiment, the anode offgas heat exchanger 42 is provided upstream of the cathode offgas heat exchanger 44 in the heat exchange medium circulation path 50. Conversely, the cathode offgas heat exchanger 44 is connected to the anode offgas heat exchanger. It may be provided upstream of 42. In this way, the condensed water contained in the cathode off gas can be recovered more efficiently, and the burden on the water purifier 25 can be reduced.

更に、上述した実施形態では、アノードオフガス熱交換器42にてアノードオフガスから得た凝縮水やカソードオフガス熱交換器44にてカソードオフガスから得た凝縮水を水タンク26に貯め込み精製することなく改質器30へ供給する構成を採用したが、図3に示す構成を採用してもよい。図3では、改質器30に供給される水の経路以外は図1と同様の構成である。即ち、調整弁20を介して適宜補給される水道水や、アノードオフガス熱交換器42にてアノードオフガスから得た凝縮水や、カソードオフガス熱交換器44にてカソードオフガスから得た凝縮水を水タンク26に貯め込み、この水タンク26内の水をポンプ21によりイオン交換樹脂が充填された水精製器25へ送り込んで精製し、精製したあとの水を蒸発器27等を介して改質器30へ供給する構成を採用してもよい。この構成は、各オフガスから回収した凝縮水中に不純物が溶出している場合に有効である。   Furthermore, in the above-described embodiment, the condensed water obtained from the anode off gas in the anode off gas heat exchanger 42 and the condensed water obtained from the cathode off gas in the cathode off gas heat exchanger 44 are stored in the water tank 26 without purification. Although the configuration for supplying to the reformer 30 is employed, the configuration shown in FIG. 3 may be employed. In FIG. 3, the configuration is the same as that of FIG. 1 except for the path of water supplied to the reformer 30. That is, tap water appropriately replenished via the regulating valve 20, condensed water obtained from the anode off gas by the anode off gas heat exchanger 42, and condensed water obtained from the cathode off gas by the cathode off gas heat exchanger 44 are used as water. The water in the water tank 26 is stored in the tank 26, and the water in the water tank 26 is sent to the water purifier 25 filled with the ion exchange resin by the pump 21 for purification, and the purified water is reformed through the evaporator 27 and the like. A configuration of supplying to 30 may be adopted. This configuration is effective when impurities are eluted in the condensed water collected from each off gas.

本発明の一実施形態である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。It is a block diagram which shows the outline of a structure of the fuel cell power generation system which is one Embodiment of this invention. 燃料電池を構成する単セルの断面図である。It is sectional drawing of the single cell which comprises a fuel cell. 本発明の他の実施形態である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。It is a block diagram which shows the outline of a structure of the fuel cell power generation system which is other embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10…燃料電池発電システム、22…ガス配管、24…脱硫器、25…水精製器、26…水タンク、27…蒸発器、28…混合器、30…改質器、32…燃焼部、34…CO選択酸化部、40…燃料電池、41…ブロア、42…アノードオフガス熱交換器、43…冷却水循環経路、44…カソードオフガス熱交換器、45…燃焼排ガス熱交換器、46…冷却水熱交換器、47…リザーバタンク、48…循環ポンプ、49…インバータ、50…熱交換媒体循環経路、51…循環ポンプ、52…貯湯槽、54…熱交換媒体、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。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell power generation system, 22 ... Gas piping, 24 ... Desulfurizer, 25 ... Water purifier, 26 ... Water tank, 27 ... Evaporator, 28 ... Mixer, 30 ... Reformer, 32 ... Combustion part, 34 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... CO selective oxidation part, 40 ... Fuel cell, 41 ... Blower, 42 ... Anode offgas heat exchanger, 43 ... Cooling water circulation path, 44 ... Cathode offgas heat exchanger, 45 ... Combustion exhaust gas heat exchanger, 46 ... Cooling water heat Exchanger 47 ... reservoir tank 48 ... circulation pump 49 ... inverter 50 ... heat exchange medium circulation path 51 ... circulation pump 52 ... hot water tank 54 ... heat exchange medium 410 ... single cell 412 ... electrolyte membrane 414 ... anode, 415 ... fuel gas supply path, 416 ... cathode, 417 ... oxidizing gas supply path, 418, 420 ... separator.

Claims (13)

アノードに供給される燃料ガスとカソードに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、
前記アノードから排出されたアノードオフガスの熱を熱交換媒体により回収するアノードオフガス熱交換部と、
前記カソードから排出されたカソードオフガスの熱を前記熱交換媒体により回収するカソードオフガス熱交換部と、
前記熱交換媒体を貯留する熱交換媒体貯留部と、
前記熱交換媒体貯留部から直列に順不同で並んだ前記アノードオフガス熱交換部及び前記カソードオフガス熱交換部を経て前記熱交換媒体貯留部へ戻るという循環経路に前記熱交換媒体を循環させる熱交換媒体循環部と
を備えた燃料電池発電システム。
A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas supplied to the anode and an oxidizing gas supplied to the cathode;
An anode offgas heat exchanging section for recovering heat of the anode offgas discharged from the anode by a heat exchange medium;
A cathode offgas heat exchanging section for recovering heat of the cathode offgas discharged from the cathode by the heat exchange medium;
A heat exchange medium reservoir for storing the heat exchange medium;
A heat exchange medium that circulates the heat exchange medium in a circulation path that returns to the heat exchange medium storage section through the anode offgas heat exchange section and the cathode offgas heat exchange section arranged in a random order in series from the heat exchange medium storage section A fuel cell power generation system comprising a circulation unit.
請求項1記載の燃料電池発電システムであって、
炭化水素系燃料と水との反応により得られる水素リッチなガスを前記燃料ガスとして前記アノードへ供給する燃料ガス生成部と、
燃焼用ガスを燃焼することにより前記燃料ガス生成部を加熱する燃焼部と
を備え、
前記アノードオフガス熱交換部は、凝縮器の機能も有し、前記熱交換媒体により熱及び凝縮水を回収したあとのアノードオフガスを前記燃焼用ガスとして前記燃焼部に供給する
燃料電池発電システム。
The fuel cell power generation system according to claim 1,
A fuel gas generator that supplies a hydrogen-rich gas obtained by a reaction between a hydrocarbon-based fuel and water to the anode as the fuel gas;
A combustion section that heats the fuel gas generation section by burning a combustion gas,
The anode off-gas heat exchange unit also has a condenser function, and supplies the anode off-gas after collecting heat and condensed water by the heat exchange medium to the combustion unit as the combustion gas.
前記循環経路は、前記アノードオフガス熱交換部が前記カソードオフガス熱交換部の上流に配置されている
請求項2記載の燃料電池発電システム。
The fuel cell power generation system according to claim 2, wherein in the circulation path, the anode offgas heat exchange unit is arranged upstream of the cathode offgas heat exchange unit.
前記循環経路は、最上流に前記アノードオフガス熱交換部が配置されている
請求項3記載の燃料電池発電システム。
The fuel cell power generation system according to claim 3, wherein the circulation path has the anode off-gas heat exchanging unit disposed in the uppermost stream.
請求項1〜4のいずれかに記載の燃料電池発電システムであって、
炭化水素系燃料と水との反応により得られる水素リッチなガスを前記燃料ガスとして前記アノードへ供給する燃料ガス生成部に、凝縮器の機能も有する前記カソードオフガス熱交換部でカソードオフガス中の水分が凝縮して得られた高純度水を前記炭化水素系燃料と反応させるために供給する凝縮水供給部
を備えた燃料電池発電システム。
The fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 4,
Moisture in the cathode off-gas in the cathode off-gas heat exchanging unit that also functions as a condenser in a fuel gas generating unit that supplies a hydrogen-rich gas obtained by a reaction between a hydrocarbon-based fuel and water as the fuel gas to the anode. A fuel cell power generation system comprising a condensed water supply unit that supplies high-purity water obtained by condensing water to react with the hydrocarbon fuel.
前記凝縮水供給部は、前記アノードオフガス熱交換部でアノードオフガス中の水分が凝縮して得られた高純度水を前記炭化水素系燃料と反応させるために前記燃料ガス生成部へ供給する
請求項5記載の燃料電池発電システム。
The condensed water supply unit supplies the high purity water obtained by condensing moisture in the anode off gas in the anode off gas heat exchange unit to the fuel gas generation unit in order to react with the hydrocarbon fuel. 5. The fuel cell power generation system according to 5.
請求項5又は6記載の燃料電池発電システムであって、
水道水を浄化する水精製部を備え、
前記水精製部は、前記燃料ガス生成部へ供給する前記高純度水の不足分を前記凝縮水供給部へ補給する
燃料電池発電システム。
The fuel cell power generation system according to claim 5 or 6,
It has a water purification unit that purifies tap water,
The water purification unit replenishes the condensed water supply unit with a shortage of the high-purity water supplied to the fuel gas generation unit.
請求項1〜4のいずれかに記載の燃料電池発電システムであって、
凝縮器の機能も有する前記カソードオフガス熱交換部でカソードオフガス中の水分が凝縮して得られた水を精製する凝縮水精製部と、
炭化水素系燃料と水との反応により得られる水素リッチなガスを前記燃料ガスとして前記アノードへ供給する燃料ガス生成部に、前記凝縮水精製部で精製された精製水を前記炭化水素系燃料と反応させるために供給する精製水供給部と
を備えた燃料電池発電システム。
The fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 4,
A condensed water purifying unit for purifying water obtained by condensing moisture in the cathode offgas in the cathode offgas heat exchanging unit also having a function of a condenser;
A refined water purified by the condensed water purifying unit and a hydrocarbon-based fuel are supplied to a fuel gas generating unit that supplies a hydrogen-rich gas obtained by a reaction between a hydrocarbon-based fuel and water as the fuel gas to the anode. A fuel cell power generation system comprising a purified water supply unit to be supplied for reaction.
請求項8記載の燃料電池発電システムであって、
前記凝縮水精製部は、前記アノードオフガス熱交換部でアノードオフガス中の水分が凝縮して得られた水も精製する
を備えた燃料電池発電システム。
The fuel cell power generation system according to claim 8,
The said condensed water refinement | purification part refine | purifies also the water obtained by condensing the water | moisture content in anode offgas in the said anode offgas heat exchange part.
前記熱交換媒体は水又は湯であり、前記熱交換媒体貯留部は貯湯槽である
請求項1〜9のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
The fuel cell power generation system according to claim 1, wherein the heat exchange medium is water or hot water, and the heat exchange medium storage unit is a hot water storage tank.
前記循環経路は、前記アノードオフガス熱交換部及び前記カソードオフガス熱交換部の下流に、炭化水素系燃料と水との反応により得られる水素リッチなガスを前記燃料ガスとして前記アノードへ供給する燃料ガス生成部を燃焼用ガスを燃焼することにより加熱する燃焼部から排出された燃焼排ガスの熱を前記熱交換媒体により回収する燃焼排ガス熱交換部が配置されている
請求項1〜10のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
The circulation path is a fuel gas that supplies a hydrogen-rich gas obtained by a reaction between a hydrocarbon-based fuel and water to the anode as a fuel gas downstream of the anode offgas heat exchange unit and the cathode offgas heat exchange unit. The combustion exhaust gas heat exchange part which collect | recovers with the said heat exchange medium the heat | fever of the combustion exhaust gas discharged | emitted from the combustion part heated by burning the gas for combustion in a production | generation part is arrange | positioned. The fuel cell power generation system described.
前記循環経路は、前記アノードオフガス熱交換部及び前記カソードオフガス熱交換部の下流に、前記燃料電池を冷却する冷却媒体の熱を前記熱交換媒体により回収する冷却媒体熱交換部が配置されている
請求項1〜11のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
In the circulation path, a cooling medium heat exchanging unit that recovers heat of the cooling medium that cools the fuel cell by the heat exchanging medium is disposed downstream of the anode off gas heat exchanging unit and the cathode off gas heat exchanging unit. The fuel cell power generation system according to claim 1.
前記循環経路は、最下流に前記冷却媒体熱交換部が配置されている
請求項12記載の燃料電池発電システム。
The fuel cell power generation system according to claim 12, wherein the cooling medium heat exchanging unit is disposed on the most downstream side of the circulation path.
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