JP4037686B2

JP4037686B2 - Fuel cell power generator

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Publication number: JP4037686B2
Application number: JP2002146771A
Authority: JP
Inventors: 伸二宮内; 正高尾関; 晃一西村
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-05-23
Filing date: 2002-05-21
Publication date: 2008-01-23
Anticipated expiration: 2022-05-21
Also published as: JP2003045471A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池を用いて発電あるいは排熱の回収を行う燃料電池発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池を用いた発電装置について、図６を用いて説明する。図６において、１は燃料電池であり、燃料処理装置２は天然ガスなどの原料を水蒸気改質し、水素を主成分とするガスを生成して燃料電池１に供給する。燃料処理装置２は、改質ガスを生成する改質器３と、改質ガスに含まれる一酸化炭素を水と反応させ二酸化炭素と水素にするための一酸化炭素変成器４とを具備している。燃料側加湿器５では、燃料電池１に供給する燃料ガスを加湿する。６は空気供給装置であり、酸化剤の空気を燃料電池１に供給する。このとき、酸化側加湿器７で供給空気を加湿する。さらに、燃料電池１に水を送って冷却する冷却配管８と、冷却配管８内の水を循環させるポンプ９とを、発電装置は備えている。
【０００３】
また、発電時には、熱交換器１０および循環ポンプ１１により燃料電池１の発電による排熱を排熱回収配管１２を経由して貯湯タンク１３へ排熱回収するように接続されていた。
【０００４】
このような装置を用いて発電を行う時は、燃料処理装置２においてまず改質器３にて天然ガスなどの原料を水蒸気改質するために、また一酸化炭素変成器４にて改質ガスに含まれる一酸化炭素を水と反応させ二酸化炭素と水素にするため、さらに燃料側加湿器５では、燃料電池１に供給する燃料ガスを、酸化側加湿器７では供給空気をそれぞれ加湿するため水を必要とする。この発電のために必要とする水は、外部より市水またはイオン交換水として供給していた。
【０００５】
しかしながら、上記従来の構成は、燃料電池１の燃料ガス配管系、酸化剤ガス配管系において、市水等の一般水を使用した場合塩素イオン等により、また配管系統から溶出する金属イオン等により、燃料処理装置２の改質器３、一酸化炭素変成器４に内蔵された改質触媒、変成触媒が劣化したり、燃料ガス、酸化剤ガスがイオン化し電気伝導度が上昇し燃料電池の発電に支障をきたすという問題点があった。
【０００６】
また、燃料ガス供給系、酸化剤ガス供給系において、市水等の一般水の塩素イオン等や配管系統からの金属イオン等を除去するためイオン交換樹脂等のイオン除去手段を具備した場合、運転時間に応じてイオン除去能力を確保するためイオン除去手段の定期的メンテを必要とし、定期交換する必要があったり、定期交換を削減するため大きなイオン除去手段を具備しなければならないという問題点があった。
【０００７】
本発明は、上記従来の課題を考慮し、イオン除去手段を具備することなく、燃料電池の発電に支障を生じさせない燃料電池発電装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、第１の本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池から排出される未利用排出ガスの少なくとも一部を凝縮する凝縮器と、
前記凝縮器から排出される凝縮水を少なくとも前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方の加湿に利用する水利用手段と、前記凝縮器において排熱を回収する熱媒体が流れる排熱回収配管と、
前記排熱回収配管を流れる前記熱媒体の量を制御するポンプと、
前記凝縮器の凝縮能力を検知する凝縮能力検知手段と、
前記凝縮能力検知手段の検知信号に基づいて前記ポンプの出力を制御する制御手段と、
を備えた、燃料電池発電装置である。
【００１１】
上記構成により、凝縮器により燃料電池から排出される未利用排出ガス中の水蒸気を凝縮し水回収するとともに、凝縮能力検知手段により凝縮器の凝縮能力を常時監視し、凝縮能力保有時には制御手段により循環手段の出力を制御し燃料電池の排熱を回収して熱利用手段に蓄える。また、凝縮能力低下時には循環手段を停止させ排熱回収を終了させる。このため、燃料処理装置の改質器による水蒸気改質するための水、また一酸化炭素変成器による改質ガスに含まれる一酸化炭素を水と反応させ二酸化炭素と水素にするための水、さらに燃料側加湿器での、燃料電池に供給する燃料ガスを加湿する水、酸化側加湿器での供給空気を加湿するため水を凝縮器による凝縮で得られた回収水により、外部より供給することなく自給可能となる。
【００１２】
また、外部より水（市水）を供給した場合の塩素イオン等や配管系統からの金属イオン等による燃料処理装置の改質器、一酸化炭素変成器に内蔵された改質触媒、変成触媒の劣化を回避することができる。また、燃料ガス、酸化剤ガスがイオン化し電気伝導度が上昇し燃料電池の発電に支障をきたすことも回避できる。
【００１３】
さらに、燃料ガス供給系、酸化剤ガス供給系において、市水等の一般水の塩素イオン等を除去するためイオン交換樹脂等のイオン除去手段を大幅に縮小もしくは、運転時間に応じたイオン除去能力の劣化を少なくすることによるイオン除去手段の定期的メンテの削減・不要化が実現できる。
【００１４】
第２の本発明は、前記凝縮能力検知手段は、前記凝縮器からの凝縮水の温度を検知する凝縮水温度検知手段である、第１の本発明の燃料電池発電装置である。
【００１６】
第３の本発明は、前記凝縮能力検知手段は、前記凝縮器に入る前記熱輸送媒体の温度を検知する媒体温度検知手段であるか、又は前記凝縮器から出た前記熱輸送媒体の温度を検知する媒体温度検知手段である、第１の本発明の燃料電池発電装置である。
【００１７】
第３の本発明では、凝縮器へ入る熱輸送媒体の入口温度または凝縮器から出た熱輸送媒体の出口温度が所定温度以下であれば凝縮能力保有時とし、制御手段により循環手段の出力を制御し燃料電池の排熱を熱利用手段に蓄える。また、入口温度または出口温度が所定温度以上であれば凝縮能力低下時とし、循環手段を停止させ排熱回収を終了させるものである。
【００１８】
第４の本発明は、前記凝縮能力検知手段は、前記熱利用手段の温度を検知する熱利用温度検知手段である、第１の本発明の燃料電池発電装置である。
【００１９】
第４の本発明では、熱利用温度検知手段によって検知された温度が所定温度以下であれば凝縮能力保有時とし、制御手段により循環手段の出力を制御し燃料電池の排熱を熱利用手段に蓄える。また、熱利用温度検知手段によって検知された温度が所定温度以上であれば凝縮能力低下時とし、循環手段を停止させ排熱回収を終了させるものである。
【００２０】
第５の本発明は、前記凝縮能力検知手段は、前記熱交換手段において排熱を回収した前記熱輸送媒体の温度を検知する媒体温度検知手段である、第１の本発明の燃料電池発電装置である。
【００２１】
第５の本発明では、媒体温度検知手段によって検知された熱輸送媒体の温度を利用することにより循環手段の出力値を取得し、循環手段の出力値が所定値以下であれば凝縮能力保有時とし、制御手段によりそのまま循環手段の出力を制御し燃料電池の排熱を熱利用手段に蓄える。また、循環手段への出力値が所定値以上であれば凝縮能力低下時とし、制御手段により循環手段を停止させ排熱回収を終了させるものである。
【００２２】
第６の本発明は、前記凝縮器での凝縮の対象となる未利用排出ガスは、酸化剤ガス及び燃料ガスの内の少なくとも一方である、第１の本発明の燃料電池発電装置である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
【００２４】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における燃料電池発電装置の構成図である。
【００２５】
図１において、図６で示した従来の燃料電池を用いた発電装置と同じ機能を有するものについては、同一符号を付与しており、それらの機能の詳細は、図６のものに準ずるものとして説明を省略する。
【００２６】
１４は、燃料電池１から排出される未利用排出ガス（酸化剤ガス）中の水蒸気を凝縮し熱交換する凝縮器であり、１５は、凝縮器１４から排出された凝縮水を、燃料処理装置２の改質器３での水蒸気改質のため、また一酸化炭素変成器４で改質ガス中の一酸化炭素を水と反応させ二酸化炭素と水素にするため、また燃料側加湿器５で、燃料電池１に供給する燃料ガスを、酸化側加湿器７で供給空気をそれぞれ加湿するための水利用手段であり、凝縮水を蓄える凝縮水タンク１６と凝縮水を燃料処理装置２および燃料側加湿器５、空気側加湿器７へ供給する凝縮水ポンプ１７とで構成されている。
【００２７】
１８は、凝縮器１４の凝縮能力を検知する凝縮能力検知手段であり、凝縮器１４からの単位時間当たりの凝縮水量を常時監視している。
【００２８】
１９は、熱輸送媒体循環手段（以下、循環ポンプ１１とする）の出力を制御して熱輸送媒体（循環水）の循環水量を制御し、熱利用手段（以下、貯湯タンクとする）１３へ排熱回収配管１２を介して燃料電池１の排熱を回収させ、かつ凝縮能力検知手段１８の凝縮能力検知信号を入力する制御手段である。
【００２９】
次に動作、作用について説明する。
【００３０】
燃料電池発電装置の運転（発電）時には、燃料電池１の発電による熱をポンプ９を介して冷却水として循環させ、熱交換手段１０により排熱回収配管１２を流れる熱輸送媒体（貯湯タンク１３に貯えられた市水の循環水）に熱搬送させる。
【００３１】
また、空気供給装置６により、酸化剤ガスは酸化側加湿器７で加湿され、燃料電池１に供給される。燃料電池１による発電に寄与しなかった未利用ガスは、凝縮器１４により熱交換手段１０と同様に排熱回収配管１２を流れる熱輸送媒体（市水の循環水）に熱交換するとともに水分が凝縮され、水利用手段１５の凝縮水タンク１６に凝縮水として回収される。
【００３２】
制御手段１９は、凝縮能力検知手段１８からの凝縮能力検知信号を入力し、凝縮器１４の凝縮能力が所定値以上、すなわち貯湯タンク１３への排熱回収による高温の湯量が少ない場合、つまり貯湯タンク１３から凝縮器１４へ入る循環水温が低温時には、循環ポンプ１１の出力を制御し燃料電池１の排熱を排熱回収配管１２を介して排熱回収する。
【００３３】
排熱回収は、燃料電池１の発電時の動作温度（高分子電解質型燃料電池の場合約７０〜８０℃）にほぼ等しい冷却配管８中の冷却水の温度、熱容量に比べ、燃料電池１から排出される未利用ガスのほうが露点も低く熱容量も少ないため、貯湯タンク１３からの循環水の熱交換をまず凝縮器１４、次に熱交換手段１０の順序で行う。
【００３４】
次に、凝縮器１４の凝縮能力が所定値以下、すなわち貯湯タンク１３への排熱回収による高温の湯量が多くなった場合、つまり、貯湯タンク１３の湯熱量が増加し凝縮器１４へ入る循環水温が高温になった時には、制御手段１９は、凝縮能力検知手段１８からの凝縮能力検知信号が所定値以下になったことを入力し、凝縮器１４の凝縮能力低下に伴う凝縮水回収量低下を確認し、循環ポンプ１１の出力を停止させ、燃料電池１の発電および排熱回収を停止させる。
【００３５】
従って、凝縮器１４により燃料電池１から排出される未利用排出ガスを凝縮し水回収するとともに、凝縮能力検知手段１８により凝縮器の凝縮能力を常時監視し、凝縮能力保有時には制御手段１９により循環ポンプ１１の出力を制御し燃料電池１の排熱を貯湯タンク１３に蓄え、また、凝縮能力低下時には循環ポンプ１１を停止させ排熱回収を終了させる。
【００３６】
このため、燃料処理装置２の改質器３や一酸化炭素変成器４への改質・変成のための水、燃料側加湿器５、酸化側加湿器７での供給ガス、供給空気を加湿するため水を凝縮器１４による凝縮で得られた回収水により、外部より供給することなく自給が可能となる。
【００３７】
また、外部より水（市水）を供給した場合の塩素イオン等による燃料処理装置２の改質器３、一酸化炭素変成器４に内蔵された改質触媒、変成触媒の劣化を回避することができる。また、燃料ガス、酸化剤ガスがイオン化し電気伝導度が上昇し燃料電池の発電に支障きたすことを回避できる。さらに、燃料ガス供給系、酸化剤ガス供給系において、市水等の一般水の塩素イオン等を除去するためイオン交換樹脂等のイオン除去手段を大幅に縮小もしくは、運転時間に応じたイオン除去能力の劣化を少なくすることによるイオン除去手段の定期的メンテの削減・不要化が実現できる。なお、このようにするためには、凝縮水タンク１６には純度の高い水をあらかじめ蓄えておく必要がある。
【００３８】
なお、本実施の形態の燃料電池発電装置において、燃料電池運転時、燃料電池１と化学反応後の未利用排出ガス温度として６０〜６５℃の加湿排出ガス空気が得られ、凝縮器１４で熱輸送媒体として水と熱交換した場合、熱輸送媒体の流量を約０．８〜１．０Ｌ／ｍｉｎ時に約１５〜２０℃の温度上昇が得られた。この凝縮器１４で熱交換後、さらに熱交換手段１０で熱交換することにより、冷却水循環温度（約７０〜８０℃）付近まで昇温することができる。従って、燃料電池１の排熱回収効率が一段と向上する。
【００３９】
また、上記実施の形態では、凝縮器１４を燃料電池１の未利用排出ガスのうち、酸化剤ガスのみを凝縮する構成としているが、燃料ガスの未利用排出ガスを凝縮する構成を付加することによっても同様の効果を有することは言うまでもない。あるいは、燃料ガスのみを対象に凝縮してもよい。
【００４０】
また、水利用手段１５に、イオン交換樹脂を配置し、そのイオン交換樹脂を用いて凝縮水タンク１６から燃料処理装置２、燃料側加湿器５、酸化側加湿器７に供給する水の純度を高めてもよい。その際、イオン交換樹脂は、例えば凝縮水ポンプ１７の下流側に配置することができる。このようにイオン交換樹脂を用いると、凝縮水タンク１６に市水を少量供給する必要が生じて実際に市水を供給したとしても、燃料処理装置２、燃料側加湿器５、酸化側加湿器７には純度の高い水が供給されるという効果が現れる。
【００４１】
（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態２における燃料電池発電装置の構成図である。
図２において、図６で示した従来の燃料電池発電装置および、図１で示した実施の形態１の燃料電池発電装置と同じ機能を有するものについては、同一符号を付与しており、それらの機能の詳細は、図６，図１のものに準ずるものとして説明を省略する。
【００４２】
２０は、熱交換手段１０に接続された排熱回収配管１２の出口側の熱輸送媒体の温度を検知する排熱回収温度検出手段であり、貯湯タンク１３への排熱回収温度を制御手段１９へ出力するように接続されている。
【００４３】
次に動作、作用について説明する。
【００４４】
燃料電池発電装置の運転（発電）時には、燃料電池１の発電による熱をポンプ９を介して冷却水として循環させ、熱交換手段１０により排熱回収配管１２を流れる熱輸送媒体（貯湯タンク１３に貯えられた市水の循環水）に熱搬送させる。
【００４５】
また、空気供給装置６により、酸化剤ガスは酸化側加湿器７で加湿され、燃料電池１に供給される。燃料電池１による発電に寄与しなかった未利用ガスは、凝縮器１４により熱交換手段１０と同様に排熱回収配管１２を流れる熱輸送媒体（市水の循環水）に熱交換するとともに水分が凝縮され、水利用手段１５の凝縮水タンク１６に凝縮水として回収される。
【００４６】
制御手段１９は、凝縮能力検知手段１８からの凝縮能力検知信号を入力し、凝縮器１４の凝縮能力が所定値以上、すなわち貯湯タンク１３への排熱回収による高温の湯量が少ない場合、すなわち、貯湯タンク１３から凝縮器１４へ入る循環水温が低温時には、排熱回収温度検出手段２０による排熱回収温度が所定温度（高分子電解質型燃料電池の場合約６０〜８０℃）になるように循環ポンプ１１の出力を制御し燃料電池１の排熱を排熱回収配管１２を介して排熱回収する。すなわち、貯湯タンク１３の上層部より所定の貯湯温度（約６０〜８０℃）にて積層状に貯湯される。
【００４７】
排熱回収は、燃料電池１の発電時の動作温度（高分子電解質型燃料電池の場合約７０〜８０℃）にほぼ等しい冷却配管８中の冷却水の温度、熱容量に比べ、燃料電池１から排出される未利用ガスのほうが露点も低く熱容量も少ないため、貯湯タンク１３からの循環水の熱交換をまず凝縮器１４、次に熱交換手段１０の順序で行う。
【００４８】
次に、凝縮器１４の凝縮能力が所定値以下、すなわち貯湯タンク１３への排熱回収による高温の湯量が多くなった場合、すなわち、貯湯タンク１３の貯湯量が満タンに近づき凝縮器１４へ入る循環水温が高温になった時には、制御手段１９は、凝縮能力検知手段１８からの凝縮能力検知信号が所定値以下になったことを入力し、すなわち貯湯タンク１３への排熱回収による貯湯が満了に近づいたことと、凝縮器１４の凝縮能力低下に伴う凝縮水回収量低下を確認し、循環ポンプ１１の出力を停止させ、燃料電池１の発電および排熱回収を停止させる。
【００４９】
従って、凝縮器１４により燃料電池１から排出される未利用排出ガスを凝縮し水回収するとともに、凝縮能力検知手段１８により凝縮器１４の凝縮能力を常時監視し、凝縮能力保有時には制御手段１９により循環ポンプ１１の出力を制御し燃料電池１の排熱を貯湯タンク１３に蓄え、また、凝縮能力低下時には循環ポンプ１１を停止させ排熱回収を終了させる。
【００５０】
このため、燃料処理装置２の改質器３や一酸化炭素変成器４への改質・変成のための水、燃料側加湿器５、酸化側加湿器７での供給ガス、供給空気を加湿するため水を凝縮器１４による凝縮で得られた回収水により、外部より供給することなく自給と可能となる。
【００５１】
また、外部より水（市水）を供給した場合の塩素イオン等や配管系統から溶出する金属イオン等による燃料処理装置２の改質器３、一酸化炭素変成器４に内蔵された改質触媒、変成触媒の劣化を回避することができる。また、燃料ガス、酸化剤ガスがイオン化し電気伝導度が上昇し燃料電池の発電に支障きたすことを回避できる。また、燃料ガス供給系、酸化剤ガス供給系において、市水等の一般水の塩素イオン等を除去するためイオン交換樹脂等のイオン除去手段を大幅に縮小もしくは、運転時間に応じたイオン除去能力の劣化を少なくすることによるイオン除去手段の定期的メンテの削減・不要化が実現できる。なお、このようにするためには、凝縮水タンク１６には純度の高い水をあらかじめ蓄えておく必要がある。
【００５２】
さらに、排熱回収温度検知手段２０により排熱回収温度を所定温度になるように制御手段１９により、循環ポンプ１１の出力を制御するので、貯湯タンク１３への貯湯が上層部より積層状に行えるため、給湯配管口を貯湯タンク１３の上部から取り出す通常の給湯配管構成において、貯湯湯温が常時高温（６０〜８０℃）で確保でき、かつ貯湯タンク１３全量を使用し湯切れした場合においても、貯湯タンク１３全体を均一に貯湯する方式に比較して、短時間の発電で必要最小限の貯湯量の確保できる。
【００５３】
なお、本実施の形態の燃料電池発電装置において、燃料電池運転時、燃料電池１と化学反応後の未利用排出ガス温度として６０〜６５℃の加湿排出ガス空気が得られ、凝縮器１４で熱輸送媒体として水と熱交換した場合、熱輸送媒体の流量を約０．８〜１．０Ｌ／ｍｉｎ時に約１５〜２０℃の温度上昇が得られた。この凝縮器１４で熱交換後、さらに熱交換手段１０で熱交換することにより、冷却水循環温度（約７０〜８０℃）付近まで昇温することができる。従って、燃料電池１の排熱回収効率が一段と向上する。
【００５４】
また、上記実施の形態では、凝縮器１４を燃料電池１の未利用排出ガスのうち、酸化剤ガスのみを凝縮する構成としているが、燃料ガスの未利用排出ガスを凝縮する構成を付加することによっても同様の効果を有することは言うまでもない。あるいは、燃料ガスのみを対象に凝縮してもよい。
【００５５】
（実施の形態３）
図３は本発明の実施の形態３における燃料電池発電装置の構成図である。
【００５６】
図３において、図６で示した従来の燃料電池発電装置および、図１で示した実施の形態１の燃料電池発電装置と同じ機能を有するものについては、同一符号を付与しており、それらの機能の詳細は、図６，図１のものに準ずるものとして説明を省略する。
【００５７】
２１は、凝縮器１４の凝縮能力を検知する凝縮能力検知手段であり、凝縮器１４への熱輸送媒体の入口温度を検知する凝縮器温度検知手段としてのサーミスタである。
【００５８】
次に動作、作用について説明する。
【００５９】
燃料電池発電装置の運転（発電）時には、燃料電池１の発電による熱をポンプ９を介して冷却水として循環させ、熱交換手段１０により排熱回収配管１２を流れる熱輸送媒体（貯湯タンク１３に貯えられた市水の循環水）に熱搬送させる。
【００６０】
また、空気供給装置６により、酸化剤ガスは酸化側加湿器７で加湿され、燃料電池１に供給される。燃料電池１による発電に寄与しなかった未利用ガスは、凝縮器１４により熱交換手段１０と同様に排熱回収配管１２を流れる熱輸送媒体（市水の循環水）に熱交換するとともに水分が凝縮され、水利用手段１５の凝縮水タンク１６に凝縮水として回収される。
【００６１】
制御手段１９は、凝縮器温度検知手段２１からの凝縮能力検知信号（熱輸送媒体の凝縮器入口温度）を入力し、排ガス側の温度（６０℃〜６５℃）と比べて充分低いとき、すなわち貯湯タンク１３への排熱回収による高温の湯量が少ない場合には、凝縮器１４の凝縮能力が所定値以上と判断し、循環ポンプ１１の出力を制御し燃料電池１の排熱を排熱回収配管１２を介して排熱回収する。
【００６２】
次に、凝縮器１４の凝縮能力が所定値以下、すなわち貯湯タンク１３への排熱回収による高温の湯量が多くなった場合には、凝縮器温度検知手段２１の凝縮能力検知信号（熱輸送媒体の凝縮器入口温度）が所定値以上となり、凝縮器１４の凝縮能力低下に伴う凝縮水回収量低下を確認し、循環ポンプ１１の出力を停止させ、燃料電池１の発電および排熱回収を停止させる。
【００６３】
従って、凝縮器１４により燃料電池１から排出される未利用排出ガスを凝縮し水回収するとともに、凝縮器温度検知手段２１により凝縮器１４の凝縮能力を常時監視し、凝縮能力保有時には制御手段１９により循環ポンプ１１の出力を制御し燃料電池１の排熱を貯湯タンク１３に蓄え、また、凝縮能力低下時には循環ポンプ１１を停止させ排熱回収を終了させる。
【００６４】
このため、実施の形態１と同様の作用、効果が得られる。
【００６５】
また、実施の形態２に応用すれば、実施の形態２と同様の作用、効果が得られる。
【００６６】
さらに、凝縮器温度検知手段を凝縮器１４の入口に１本のサーミスタを付加するという簡単な構成で実現できるので燃料電池発電装置の小型化、合理化が可能である。
【００６７】
なお、上記実施の形態では、凝縮器１４の凝縮能力を検知する凝縮器温度検知手段を凝縮器１４への熱輸送媒体の入口温度を検知する構成としているが、凝縮器１４の熱輸送媒体の出口温度を検知する構成としても同様の効果を有することは言うまでもない。
【００６８】
（実施の形態４）
図４は本発明の実施の形態４における燃料電池発電装置の構成図である。
【００６９】
図４において、図６で示した従来の燃料電池発電装置および、図１で示した実施の形態１の燃料電池発電装置と同じ機能を有するものについては、同一符号を付与しており、それらの機能の詳細は、図６，図１のものに準ずるものとして説明を省略する。
【００７０】
２２，２３，２４は、凝縮器１４の凝縮能力を検知する凝縮能力検知手段であり、貯湯タンク１３の排熱回収による蓄熱温度分布を把握するために設けられた複数の熱利用温度検知手段としてのサーミスタである。
【００７１】
次に動作、作用について説明する。
【００７２】
燃料電池発電装置の運転（発電）時には、燃料電池１の発電による熱をポンプ９を介して冷却水として循環させ、熱交換手段１０により排熱回収配管１２を流れる熱輸送媒体（貯湯タンク１３に貯えられた市水の循環水）に熱搬送させる。
【００７３】
また、空気供給装置６により、酸化剤ガスは酸化側加湿器７で加湿され、燃料電池１に供給される。燃料電池１による発電に寄与しなかった未利用ガスは、凝縮器１４により熱交換手段１０と同様に排熱回収配管１２を流れる熱輸送媒体（市水の循環水）に熱交換するとともに水分が凝縮され、水利用手段１５の凝縮水タンク１６に凝縮水として回収される。
【００７４】
制御手段１９は、熱利用温度検知手段２２，２３，２４からの蓄熱温度分布検知信号を入力し、凝縮器１４の凝縮能力が所定値以上、すなわち貯湯タンク１３への排熱回収による高温の湯量が少ない場合（熱利用温度検知手段２２，２３，２４のうち排熱回収配管１２の循環水吸い込み側に近い熱利用温度検知手段２４の検知温度が所定値以下）には、循環ポンプ１１の出力を制御し燃料電池１の排熱を排熱回収配管１２を介して排熱回収する。
【００７５】
次に、凝縮器１４の凝縮能力が所定値以下、すなわち貯湯タンク１３への排熱回収による高温の湯量が多くなった場合（熱利用温度検知手段２２，２３，２４のうち排熱回収配管１２の循環水吸い込み側に近い熱利用温度検知手段２４の検知温度が所定値以上）には、排熱回収配管１２の循環水温度上昇に伴う凝縮器１４の凝縮能力低下（凝縮水回収量低下）を予測し、循環ポンプ１１の出力を停止させ、燃料電池１の発電および排熱回収を停止させる。
【００７６】
従って、凝縮器１４により燃料電池１から排出される未利用排出ガスを凝縮し水回収するとともに、熱利用温度検知手段２２，２３，２４により凝縮器１４の凝縮能力を常時監視し、凝縮能力保有時には制御手段１９により循環ポンプ１１の出力を制御し燃料電池１の排熱を貯湯タンク１３に蓄え、また、凝縮能力低下時には循環ポンプ１１を停止させ排熱回収を終了させる。
【００７７】
このため、実施の形態１と同様の作用、効果が得られる。
【００７８】
また、実施の形態２に応用すれば、実施の形態２と同様の作用、効果が得られる。
【００７９】
さらに、凝縮器温度検知手段を熱利用手段（貯湯タンク）の蓄熱温度分布を把握する熱利用温度検知手段としてのサーミスタと兼用することができるので、燃料電池発電装置の小型化、合理化が可能である。
【００８０】
（実施の形態５）
図５は本発明の実施の形態５における燃料電池発電装置の構成図である。
【００８１】
図５において、図６で示した従来の燃料電池発電装置および、図２で示した実施の形態２の燃料電池発電装置と同じ機能を有するものについては、同一符号を付与しており、それらの機能の詳細は、図６，図２のものに準ずるものとして説明を省略する。
【００８２】
凝縮能力検知手段の構成は、制御手段１９が熱交換手段１０に接続された排熱回収配管１２の出口側の熱輸送媒体の温度を検知する排熱回収温度検出手段２０からの排熱回収温度を入力し、排熱回収温度が所定温度（６０〜８０℃）になるように循環ポンプ１１の出力を制御するようになっているため、循環ポンプ１１への出力値と排熱回収配管１２のうち循環ポンプ１１の吸い込み側の循環水温度とが相関関係を有することを利用して凝縮能力を検知する構成としている。すなわち、凝縮能力が高い場合は、凝縮器１４の排ガス側の温度より凝縮器１４の熱輸送媒体側の温度の方が充分低く冷たいという場合であるから、上記排熱回収温度を所定温度（６０〜８０℃）に維持するためには、循環ポンプ１１はゆっくり回ることになる。逆に凝縮能力が低い場合は、凝縮器１４の排ガス側の温度より凝縮器１４の熱輸送媒体側の温度の方が充分には低くなく、高温であるという場合であるから、上記排熱回収温度を所定温度（６０〜８０℃）に維持するためには、循環ポンプ１１は早く回ることになる。
【００８３】
従って、循環ポンプ１１への回転速度指令をみれば、凝縮能力が分かることになる。
【００８４】
次に動作、作用について説明する。
【００８５】
燃料電池発電装置の運転（発電）時には、燃料電池１の発電による熱をポンプ９を介して冷却水として循環させ、熱交換手段１０により排熱回収配管１２を流れる熱輸送媒体（貯湯タンク１３に貯えられた市水の循環水）に熱搬送させる。
【００８６】
また、空気供給装置６により、酸化剤ガスは酸化側加湿器７で加湿され、燃料電池１に供給される。燃料電池１による発電に寄与しなかった未利用ガスは、凝縮器１４により熱交換手段１０と同様に排熱回収配管１２を流れる熱輸送媒体（市水の循環水）に熱交換するとともに水分が凝縮され、水利用手段１５の凝縮水タンク１６に凝縮水として回収される。
【００８７】
制御手段１９は、排熱回収配管１２の出口側の熱輸送媒体の温度を検知する排熱回収温度検出手段２０からの排熱回収温度を入力し、凝縮器１４の凝縮能力が所定値以上、すなわち貯湯タンク１３への排熱回収による高温の湯量が少ない場合、つまり、常に排熱回収温度が所定温度（６０〜８０℃）になるように出力する循環ポンプ１１の出力値が所定値以下の場合には、循環ポンプ１１の出力を制御し燃料電池１の排熱を排熱回収配管１２を介して排熱回収する。
【００８８】
次に、凝縮器１４の凝縮能力が所定値以下、すなわち貯湯タンク１３への排熱回収による高温の湯量が多くなった場合、つまり、常に排熱回収温度が所定温度（６０〜８０℃）になるように出力する循環ポンプ１１の出力値が所定値以上の場合には、排熱回収配管１２の循環水温度上昇に伴う凝縮器１４の凝縮能力低下（凝縮水回収量低下）を予測し、循環ポンプ１１の出力を停止させ、燃料電池１の発電および排熱回収を停止させる。
【００８９】
従って、凝縮器１４により燃料電池１から排出される未利用排出ガスを凝縮し水回収するとともに、排熱回収温度検出手段２０からの排熱回収温度を入力し、循環ポンプ１１の出力を制御する制御手段１９により凝縮器１４の凝縮能力を常時監視し、凝縮能力保有時には制御手段１９により循環ポンプ１１の出力を制御し燃料電池１の排熱を貯湯タンク１３に蓄え、また、凝縮能力低下時には循環ポンプ１１を停止させ排熱回収を終了させる。
【００９０】
このため、実施の形態２と同様の作用、効果が得られる。
【００９１】
さらに、凝縮器温度検知手段２０は、制御手段１９が排熱回収配管１２の出口側の熱輸送媒体の温度を検知する排熱回収温度検出手段からの排熱回収温度を入力し、排熱回収温度が所定温度（６０〜８０℃）になるように循環ポンプ１１の出力を制御することを利用して、循環ポンプへの出力値と排熱回収配管のうち循環ポンプの吸い込み側の循環水温度が相関関係となるために、制御手段１９を凝縮器温度検知手段と兼用することができるので、燃料電池発電装置のさらなる小型化、合理化が可能である。
【００９２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明は、イオン除去手段を具備することなく、燃料電池の発電に支障を生じさせない燃料電池発電装置を提供することができる。
【００９３】
さらに説明すると、本発明の燃料電池発電装置によれば、次の効果が得られる。
【００９４】
凝縮器の凝縮能力を常時監視し、凝縮能力保有時に燃料電池の排熱を熱利用手段に蓄える構成としているため、燃料処理装置の改質器や一酸化炭素変成器への改質・変成のための水、燃料側加湿器、酸化側加湿器での供給ガス、供給空気を加湿するため水を凝縮器による凝縮で得られた回収水により、外部より供給することなく自給と可能となる。
【００９５】
また、外部より水（市水）を供給した場合の塩素イオン等や配管系統から溶出する金属イオン等による燃料処理装置の改質器、一酸化炭素変成器に内蔵された改質触媒、変成触媒の劣化を回避することができる。
【００９６】
また、燃料ガス、酸化剤ガスがイオン化し電気伝導度が上昇し燃料電池の発電に支障きたすことを回避できる。
【００９７】
また、燃料ガス供給系、酸化剤ガス供給系において、市水等の一般水の塩素イオン等を除去するためイオン交換樹脂等のイオン除去手段を大幅に縮小もしくは、運転時間に応じたイオン除去能力の劣化を少なくすることによるイオン除去手段の定期的メンテの削減・不要化が実現できる。
【００９８】
さらに、排熱回収温度検知手段により排熱回収温度を所定温度になるように制御手段により、循環ポンプの出力を制御するので、貯湯タンクへの貯湯が上層部より積層状に行えるため、給湯配管口を貯湯タンクの上部から取り出す通常の給湯配管構成において、貯湯湯温が常時高温（６０〜８０℃）で確保でき、かつ貯湯タンク全量を使用し湯切れした場合においても、短時間の発電で必要最小限の貯湯量の確保できる。従って、タンク全量の水を一律に昇温させる場合に比べ、短時間で利用可能温度の湯が得られ、利便性がさらに向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池発電装置のブロック構成図である。
【図２】本発明の実施の形態２における燃料電池発電装置のブロック構成図である。
【図３】本発明の実施の形態３における燃料電池発電装置のブロック構成図である。
【図４】本発明の実施の形態４における燃料電池発電装置のブロック構成図である。
【図５】本発明の実施の形態５における燃料電池発電装置のブロック構成図である。
【図６】従来の燃料電池発電装置のブロック構成図である。
【符号の説明】
１燃料電池
１０熱交換手段
１１熱輸送媒体循環手段
１３熱利用手段
１４凝縮器
１５水利用手段
１８凝縮能力検知手段
１９制御手段[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell power generator that uses a fuel cell to generate power or recover exhaust heat.
[0002]
[Prior art]
A power generation apparatus using a conventional fuel cell will be described with reference to FIG. In FIG. 6, reference numeral 1 denotes a fuel cell, and the fuel processing device 2 steam-reforms a raw material such as natural gas to generate a gas containing hydrogen as a main component and supply the gas to the fuel cell 1. The fuel processor 2 includes a reformer 3 that generates reformed gas, and a carbon monoxide converter 4 that reacts carbon monoxide contained in the reformed gas with water to form carbon dioxide and hydrogen. ing. The fuel side humidifier 5 humidifies the fuel gas supplied to the fuel cell 1. Reference numeral 6 denotes an air supply device that supplies oxidant air to the fuel cell 1. At this time, the supply air is humidified by the oxidation side humidifier 7. Further, the power generation apparatus includes a cooling pipe 8 that sends water to the fuel cell 1 for cooling and a pump 9 that circulates the water in the cooling pipe 8.
[0003]
Further, during power generation, the heat exchanger 10 and the circulation pump 11 are connected so as to recover the exhaust heat generated by the power generation of the fuel cell 1 to the hot water storage tank 13 via the exhaust heat recovery pipe 12.
[0004]
When power generation is performed using such an apparatus, in the fuel processing apparatus 2, first, the reformer 3 performs steam reforming of a raw material such as natural gas, and the carbon monoxide converter 4 also reforms the gas. In order to react carbon monoxide contained in water with water to form carbon dioxide and hydrogen, the fuel humidifier 5 further humidifies the fuel gas supplied to the fuel cell 1, and the oxidation side humidifier 7 humidifies the supply air. I need water. The water required for this power generation was supplied from the outside as city water or ion exchange water.
[0005]
However, the conventional configuration described above is based on chlorine ions, etc. when using general water such as city water in the fuel gas piping system and oxidant gas piping system of the fuel cell 1, and metal ions eluted from the piping system, etc. The reforming catalyst and the shift catalyst built in the reformer 3 and the carbon monoxide shifter 4 of the fuel processor 2 are deteriorated, or the fuel gas and the oxidant gas are ionized to increase the electric conductivity, thereby generating power from the fuel cell. There was a problem of causing trouble.
[0006]
Also, when the fuel gas supply system and the oxidant gas supply system are equipped with ion removal means such as ion exchange resin for removing chlorine ions of general water such as city water and metal ions from the piping system, There is a problem that regular maintenance of the ion removing means is necessary to secure the ion removing ability according to time, and it is necessary to replace the ion removing means regularly, or a large ion removing means must be provided to reduce the periodic exchange. there were.
[0007]
In view of the above-described conventional problems, an object of the present invention is to provide a fuel cell power generation apparatus that does not cause trouble in power generation of a fuel cell without including an ion removing unit.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
  In order to solve the above problems, a first aspect of the present invention provides a fuel cell that generates power using a fuel gas and an oxidant gas;
  SaidA condenser that condenses at least a portion of the unused exhaust gas discharged from the fuel cell;
  SaidWater utilization means for utilizing condensed water discharged from the condenser for humidifying at least one of the fuel gas and the oxidant gas;An exhaust heat recovery pipe through which a heat medium for recovering exhaust heat flows in the condenser;
A pump for controlling the amount of the heat medium flowing through the exhaust heat recovery pipe;
Condensing capacity detecting means for detecting the condensing capacity of the condenser;
Control means for controlling the output of the pump based on the detection signal of the condensing capacity detection means;
With,It is a fuel cell power generator.
[0011]
With the above configuration, the water vapor in the unused exhaust gas discharged from the fuel cell by the condenser is condensed and recovered, and the condensation capacity of the condenser is constantly monitored by the condensation capacity detection means. By controlling the output of the circulation means, the exhaust heat of the fuel cell is recovered and stored in the heat utilization means. Further, when the condensing capacity is reduced, the circulation means is stopped and the exhaust heat recovery is ended. For this reason, water for steam reforming by the reformer of the fuel processor, and water for reacting carbon monoxide contained in the reformed gas by the carbon monoxide converter with water to make carbon dioxide and hydrogen, In addition, water is supplied from the outside by using the recovered water obtained by condensation by the condenser in order to humidify the fuel gas supplied to the fuel cell in the fuel side humidifier and the supply air in the oxidation side humidifier. Self-sufficiency is possible without any problems.
[0012]
In addition, the reformer of the fuel processor, the reforming catalyst built in the carbon monoxide converter, the reforming catalyst, etc., by chlorine ions, etc. when water (city water) is supplied from the outside or metal ions from the piping system, etc. Degradation can be avoided. In addition, it is possible to prevent the fuel gas and the oxidant gas from being ionized to increase the electrical conductivity and hinder the power generation of the fuel cell.
[0013]
In addition, in the fuel gas supply system and the oxidant gas supply system, ion removal means such as ion exchange resins are greatly reduced to remove chlorine ions, etc. of city water, etc., or ion removal capability according to the operating time It is possible to reduce or eliminate the need for periodic maintenance of ion removal means by reducing the deterioration of the ion.
[0014]
  First2The present invention provides the condensing capacity detecting means.IsIt is a condensed water temperature detecting means for detecting the temperature of condensed water from the condenser.,First1The present inventionofIt is a fuel cell power generator.
[0016]
  First3The present invention provides the condensing capacity detecting means.IsA medium temperature detecting means for detecting the temperature of the heat transport medium entering the condenser, or a medium temperature detecting means for detecting the temperature of the heat transport medium exiting from the condenser.,First1This is a fuel cell power generator of the present invention.
[0017]
  First3In the present invention, if the inlet temperature of the heat transport medium entering the condenser or the outlet temperature of the heat transport medium exiting the condenser is equal to or lower than a predetermined temperature, the condensation capacity is retained, and the output of the circulation means is controlled by the control means. The exhaust heat of the fuel cell is stored in the heat utilization means. Further, if the inlet temperature or the outlet temperature is equal to or higher than a predetermined temperature, it is determined that the condensation capacity is reduced, and the circulation means is stopped and the exhaust heat recovery is terminated.
[0018]
  First4The present invention provides the condensing capacity detecting means.IsHeat utilization temperature detection means for detecting the temperature of the heat utilization means.,First1This is a fuel cell power generator of the present invention.
[0019]
  First4In the present invention, if the temperature detected by the heat utilization temperature detection means is equal to or lower than the predetermined temperature, it is determined that the condensation capacity is retained, and the output of the circulation means is controlled by the control means to store the exhaust heat of the fuel cell in the heat utilization means. Further, if the temperature detected by the heat utilization temperature detection means is equal to or higher than a predetermined temperature, it is determined that the condensation capacity is reduced, and the circulation means is stopped to end the exhaust heat recovery.
[0020]
  First5The present invention provides the condensing capacity detecting means.IsThe medium temperature detecting means for detecting the temperature of the heat transport medium that has recovered the exhaust heat in the heat exchanging means.,First1This is a fuel cell power generator of the present invention.
[0021]
  First5ofBookIn the invention, the output value of the circulation means is obtained by using the temperature of the heat transport medium detected by the medium temperature detection means, and if the output value of the circulation means is less than a predetermined value, it is determined that the condensation capacity is retained, and the control means Thus, the output of the circulation means is controlled as it is, and the exhaust heat of the fuel cell is stored in the heat utilization means. Further, if the output value to the circulation means is equal to or greater than a predetermined value, it is determined that the condensing capacity is reduced, and the circulation means is stopped by the control means to end the exhaust heat recovery.
[0022]
  First6In the present invention, the unused exhaust gas to be condensed in the condenser is oxidant gas and fuel gas.InsideAt least one,1 is a fuel cell power generator according to a first aspect of the present invention;
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0024]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell power generator according to Embodiment 1 of the present invention.
[0025]
1, those having the same functions as those of the power generator using the conventional fuel cell shown in FIG. 6 are given the same reference numerals, and the details of those functions are the same as those in FIG. Description is omitted.
[0026]
Reference numeral 14 denotes a condenser that condenses water vapor in unused exhaust gas (oxidant gas) discharged from the fuel cell 1 and exchanges heat. Reference numeral 15 denotes a condensed water discharged from the condenser 14 as a fuel processing device. 2 for steam reforming in the reformer 3, in order to react carbon monoxide in the reformed gas with water to carbon dioxide and hydrogen in the carbon monoxide converter 4, and in the fuel side humidifier 5 The fuel gas supplied to the fuel cell 1 is water utilization means for humidifying the supply air by the oxidation side humidifier 7, and the condensed water tank 16 for storing condensed water and the condensed water are supplied to the fuel processing device 2 and the fuel side. It is comprised with the humidifier 5 and the condensed water pump 17 supplied to the air side humidifier 7. FIG.
[0027]
Reference numeral 18 denotes a condensing capacity detecting means for detecting the condensing capacity of the condenser 14 and constantly monitors the amount of condensed water from the condenser 14 per unit time.
[0028]
19 controls the output of the heat transport medium circulating means (hereinafter referred to as the circulation pump 11) to control the amount of the circulating water in the heat transport medium (circulated water), to the heat utilization means (hereinafter referred to as the hot water storage tank) 13. This is a control means for recovering the exhaust heat of the fuel cell 1 through the exhaust heat recovery pipe 12 and inputting the condensation capacity detection signal of the condensation capacity detection means 18.
[0029]
Next, the operation and action will be described.
[0030]
During operation (power generation) of the fuel cell power generation device, heat generated by the fuel cell 1 is circulated as cooling water via the pump 9, and the heat exchange medium 10 is supplied to the heat transport medium (hot water storage tank 13) flowing through the exhaust heat recovery pipe 12. Heat is transferred to the stored city water circulation water).
[0031]
Further, the oxidant gas is humidified by the oxidation side humidifier 7 by the air supply device 6 and supplied to the fuel cell 1. The unused gas that has not contributed to the power generation by the fuel cell 1 is heat-exchanged by the condenser 14 to a heat transport medium (circulated water of city water) flowing through the exhaust heat recovery pipe 12 in the same manner as the heat exchange means 10 and moisture is It is condensed and collected as condensed water in the condensed water tank 16 of the water utilization means 15.
[0032]
The control means 19 receives the condensing capacity detection signal from the condensing capacity detecting means 18, and when the condensing capacity of the condenser 14 is not less than a predetermined value, that is, when there is a small amount of hot water due to exhaust heat recovery to the hot water storage tank 13, that is, hot water storage When the circulating water temperature entering the condenser 14 from the tank 13 is low, the output of the circulation pump 11 is controlled to recover the exhaust heat of the fuel cell 1 through the exhaust heat recovery pipe 12.
[0033]
The exhaust heat recovery is performed from the fuel cell 1 in comparison with the temperature and heat capacity of the cooling water in the cooling pipe 8 which is substantially equal to the operating temperature of the fuel cell 1 during power generation (about 70 to 80 ° C. in the case of a polymer electrolyte fuel cell). Since the discharged unused gas has a lower dew point and less heat capacity, the heat exchange of the circulating water from the hot water storage tank 13 is performed first in the order of the condenser 14 and then in the heat exchange means 10.
[0034]
Next, when the condensing capacity of the condenser 14 is less than a predetermined value, that is, when the amount of hot water due to exhaust heat recovery to the hot water storage tank 13 is increased, that is, the amount of hot water in the hot water storage tank 13 increases and enters the condenser 14. When the water temperature becomes high, the control means 19 inputs that the condensing capacity detection signal from the condensing capacity detecting means 18 has become a predetermined value or less, and the condensate recovery amount decreases as the condensing capacity of the condenser 14 decreases. Is confirmed, the output of the circulation pump 11 is stopped, and the power generation and exhaust heat recovery of the fuel cell 1 are stopped.
[0035]
Therefore, the condenser 14 condenses unused exhaust gas discharged from the fuel cell 1 and collects water, and the condenser capacity detection means 18 constantly monitors the condensation capacity of the condenser. The exhaust heat of the fuel cell 1 is stored in the hot water storage tank 13 by controlling the output of the pump 11, and when the condensing capacity is reduced, the circulation pump 11 is stopped and the exhaust heat recovery is ended.
[0036]
For this reason, the water for reforming / transforming the reformer 3 or the carbon monoxide transformer 4 of the fuel processing device 2, the gas supplied from the fuel side humidifier 5 and the oxidation side humidifier 7, and the supply air are humidified. Therefore, the recovered water obtained by the condensation by the condenser 14 can be self-supplied without being supplied from the outside.
[0037]
Further, avoid deterioration of the reforming catalyst and the shift catalyst built in the reformer 3 and the carbon monoxide shifter 4 of the fuel processing apparatus 2 due to chlorine ions or the like when water (city water) is supplied from the outside. Can do. Further, it can be avoided that the fuel gas and the oxidant gas are ionized to increase the electric conductivity and hinder the power generation of the fuel cell. In addition, in the fuel gas supply system and the oxidant gas supply system, ion removal means such as ion exchange resins are greatly reduced to remove chlorine ions, etc. of city water, etc., or ion removal capability according to the operating time It is possible to reduce or eliminate the need for periodic maintenance of ion removal means by reducing the deterioration of the ion. In order to do this, it is necessary to store high-purity water in the condensed water tank 16 in advance.
[0038]
In the fuel cell power generator according to the present embodiment, when the fuel cell is operated, humidified exhaust gas air of 60 to 65 ° C. is obtained as the unused exhaust gas temperature after the chemical reaction with the fuel cell 1, and the condenser 14 generates heat. When heat was exchanged with water as the transport medium, a temperature increase of about 15 to 20 ° C. was obtained when the flow rate of the heat transport medium was about 0.8 to 1.0 L / min. After the heat exchange with the condenser 14, the heat exchange is further performed with the heat exchange means 10, whereby the temperature can be raised to the vicinity of the cooling water circulation temperature (about 70 to 80 ° C.). Therefore, the exhaust heat recovery efficiency of the fuel cell 1 is further improved.
[0039]
Moreover, in the said embodiment, although the condenser 14 is set as the structure which condenses only oxidizing agent gas among the unused exhaust gas of the fuel cell 1, the structure which condenses the unused exhaust gas of fuel gas is added. Needless to say, it has the same effect. Alternatively, only the fuel gas may be condensed.
[0040]
In addition, an ion exchange resin is disposed in the water utilization means 15, and the purity of water supplied from the condensed water tank 16 to the fuel treatment device 2, the fuel side humidifier 5, and the oxidation side humidifier 7 is determined using the ion exchange resin. May be raised. In that case, ion exchange resin can be arrange | positioned in the downstream of the condensed water pump 17, for example. When the ion exchange resin is used in this way, it is necessary to supply a small amount of city water to the condensate water tank 16, and even if city water is actually supplied, the fuel processing device 2, the fuel side humidifier 5, the oxidation side humidifier. 7 has the effect of supplying high-purity water.
[0041]
(Embodiment 2)
FIG. 2 is a configuration diagram of a fuel cell power generator according to Embodiment 2 of the present invention.
2, those having the same functions as those of the conventional fuel cell power generation device shown in FIG. 6 and the fuel cell power generation device of Embodiment 1 shown in FIG. Details of the functions are the same as those in FIGS.
[0042]
Reference numeral 20 denotes exhaust heat recovery temperature detection means for detecting the temperature of the heat transport medium on the outlet side of the exhaust heat recovery pipe 12 connected to the heat exchange means 10. The control means 19 controls the exhaust heat recovery temperature to the hot water storage tank 13. Connected to output.
[0043]
Next, the operation and action will be described.
[0044]
During operation (power generation) of the fuel cell power generation device, heat generated by the fuel cell 1 is circulated as cooling water via the pump 9, and the heat exchange medium 10 is supplied to the heat transport medium (hot water storage tank 13) flowing through the exhaust heat recovery pipe 12. Heat is transferred to the stored city water circulation water).
[0045]
Further, the oxidant gas is humidified by the oxidation side humidifier 7 by the air supply device 6 and supplied to the fuel cell 1. The unused gas that has not contributed to the power generation by the fuel cell 1 is heat-exchanged by the condenser 14 to a heat transport medium (circulated water of city water) flowing through the exhaust heat recovery pipe 12 in the same manner as the heat exchange means 10 and moisture is It is condensed and collected as condensed water in the condensed water tank 16 of the water utilization means 15.
[0046]
The control means 19 inputs the condensing capacity detection signal from the condensing capacity detecting means 18, and when the condensing capacity of the condenser 14 is not less than a predetermined value, that is, when the amount of hot water due to exhaust heat recovery to the hot water storage tank 13 is small, When the temperature of the circulating water entering the condenser 14 from the hot water storage tank 13 is low, the exhaust heat recovery temperature by the exhaust heat recovery temperature detection means 20 is circulated so as to be a predetermined temperature (about 60 to 80 ° C. in the case of a polymer electrolyte fuel cell). The output of the pump 11 is controlled to recover the exhaust heat of the fuel cell 1 through the exhaust heat recovery pipe 12. That is, hot water is stored in a laminated form at a predetermined hot water storage temperature (about 60 to 80 ° C.) from the upper layer of the hot water storage tank 13.
[0047]
The exhaust heat recovery is performed from the fuel cell 1 in comparison with the temperature and heat capacity of the cooling water in the cooling pipe 8 which is substantially equal to the operating temperature of the fuel cell 1 during power generation (about 70 to 80 ° C. in the case of a polymer electrolyte fuel cell). Since the discharged unused gas has a lower dew point and less heat capacity, the heat exchange of the circulating water from the hot water storage tank 13 is performed first in the order of the condenser 14 and then in the heat exchange means 10.
[0048]
Next, when the condensation capacity of the condenser 14 is equal to or less than a predetermined value, that is, when the amount of hot water due to exhaust heat recovery to the hot water storage tank 13 is increased, that is, the hot water storage amount in the hot water storage tank 13 approaches full. When the circulating water temperature to be entered becomes high, the control means 19 inputs that the condensing capacity detection signal from the condensing capacity detecting means 18 has become a predetermined value or less, that is, the hot water storage by the exhaust heat recovery to the hot water storage tank 13 is performed. Confirming that the expiry date is approaching and a decrease in the amount of condensed water recovered due to a decrease in the condensing capacity of the condenser 14, the output of the circulation pump 11 is stopped, and the power generation and exhaust heat recovery of the fuel cell 1 are stopped.
[0049]
Accordingly, the exhaust gas discharged from the fuel cell 1 by the condenser 14 is condensed and recovered, and the condensation capacity detection means 18 constantly monitors the condensation capacity of the condenser 14. When the condensation capacity is held, the control means 19 The output of the circulation pump 11 is controlled to store the exhaust heat of the fuel cell 1 in the hot water storage tank 13, and when the condensation capacity is reduced, the circulation pump 11 is stopped and the exhaust heat recovery is terminated.
[0050]
For this reason, the water for reforming / transforming the reformer 3 or the carbon monoxide transformer 4 of the fuel processing device 2, the gas supplied from the fuel side humidifier 5 and the oxidation side humidifier 7, and the supply air are humidified. Therefore, the recovered water obtained by the condensation by the condenser 14 can be self-supplied without being supplied from the outside.
[0051]
Further, the reforming catalyst incorporated in the reformer 3 and the carbon monoxide converter 4 of the fuel processing device 2 by chlorine ions or the like when water (city water) is supplied from the outside or metal ions eluted from the piping system. Degradation of the shift catalyst can be avoided. Further, it can be avoided that the fuel gas and the oxidant gas are ionized to increase the electric conductivity and hinder the power generation of the fuel cell. In addition, in the fuel gas supply system and the oxidant gas supply system, ion removal means such as ion exchange resin is greatly reduced to remove chlorine ions, etc. of general water such as city water, or ion removal ability according to the operation time It is possible to reduce or eliminate the need for periodic maintenance of ion removal means by reducing the deterioration of the ion. In order to do this, it is necessary to store high-purity water in the condensed water tank 16 in advance.
[0052]
Further, since the output of the circulation pump 11 is controlled by the control means 19 so that the exhaust heat recovery temperature becomes a predetermined temperature by the exhaust heat recovery temperature detection means 20, hot water can be stored in the hot water storage tank 13 in a stacked manner from the upper layer portion. Therefore, in the normal hot water supply pipe configuration in which the hot water supply pipe port is taken out from the upper part of the hot water storage tank 13, even when the hot water temperature can be secured at a high temperature (60 to 80 ° C.) and the hot water storage tank 13 is fully used up, Compared with a system in which the entire hot water storage tank 13 is uniformly stored, it is possible to secure a minimum required amount of hot water storage in a short period of power generation.
[0053]
In the fuel cell power generator according to the present embodiment, when the fuel cell is operated, humidified exhaust gas air of 60 to 65 ° C. is obtained as the unused exhaust gas temperature after the chemical reaction with the fuel cell 1, and the condenser 14 generates heat. When heat was exchanged with water as the transport medium, a temperature increase of about 15 to 20 ° C. was obtained when the flow rate of the heat transport medium was about 0.8 to 1.0 L / min. After the heat exchange with the condenser 14, the heat exchange is further performed with the heat exchange means 10, whereby the temperature can be raised to the vicinity of the cooling water circulation temperature (about 70 to 80 ° C.). Therefore, the exhaust heat recovery efficiency of the fuel cell 1 is further improved.
[0054]
Moreover, in the said embodiment, although the condenser 14 is set as the structure which condenses only oxidizing agent gas among the unused exhaust gas of the fuel cell 1, the structure which condenses the unused exhaust gas of fuel gas is added. Needless to say, it has the same effect. Alternatively, only the fuel gas may be condensed.
[0055]
(Embodiment 3)
FIG. 3 is a configuration diagram of a fuel cell power generator according to Embodiment 3 of the present invention.
[0056]
3, those having the same functions as those of the conventional fuel cell power generator shown in FIG. 6 and the fuel cell power generator of the first embodiment shown in FIG. Details of the functions are the same as those in FIGS.
[0057]
Reference numeral 21 denotes a condensing capacity detecting means for detecting the condensing capacity of the condenser 14 and a thermistor as a condenser temperature detecting means for detecting the inlet temperature of the heat transport medium to the condenser 14.
[0058]
Next, the operation and action will be described.
[0059]
During operation (power generation) of the fuel cell power generation device, heat generated by the fuel cell 1 is circulated as cooling water via the pump 9, and the heat exchange medium 10 is supplied to the heat transport medium (hot water storage tank 13) flowing through the exhaust heat recovery pipe 12. Heat is transferred to the stored city water circulation water).
[0060]
Further, the oxidant gas is humidified by the oxidation side humidifier 7 by the air supply device 6 and supplied to the fuel cell 1. The unused gas that has not contributed to the power generation by the fuel cell 1 is heat-exchanged by the condenser 14 to a heat transport medium (circulated water of city water) flowing through the exhaust heat recovery pipe 12 in the same manner as the heat exchange means 10 and moisture is It is condensed and collected as condensed water in the condensed water tank 16 of the water utilization means 15.
[0061]
The control means 19 inputs the condensation capacity detection signal (condenser inlet temperature of the heat transport medium) from the condenser temperature detection means 21, and when the temperature is sufficiently lower than the exhaust gas side temperature (60 ° C. to 65 ° C.), that is, When the amount of hot water due to exhaust heat recovery to the hot water storage tank 13 is small, it is determined that the condensation capacity of the condenser 14 is equal to or greater than a predetermined value, and the output of the circulation pump 11 is controlled to recover the exhaust heat of the fuel cell 1 as exhaust heat. The exhaust heat is recovered through the pipe 12.
[0062]
Next, when the condensing capacity of the condenser 14 is equal to or less than a predetermined value, that is, when the amount of hot water due to exhaust heat recovery to the hot water storage tank 13 increases, a condensing capacity detection signal (heat transport medium) of the condenser temperature detecting means 21. The condenser inlet temperature) is equal to or higher than a predetermined value, confirms a decrease in the amount of condensed water recovered due to a decrease in the condensation capacity of the condenser 14, stops the output of the circulation pump 11, and stops the power generation and exhaust heat recovery of the fuel cell 1. Let
[0063]
Therefore, the condenser 14 condenses unused exhaust gas discharged from the fuel cell 1 and collects water, and the condenser temperature detection means 21 constantly monitors the condensation capacity of the condenser 14. By controlling the output of the circulation pump 11, the exhaust heat of the fuel cell 1 is stored in the hot water storage tank 13, and when the condensing capacity is reduced, the circulation pump 11 is stopped and the exhaust heat recovery is terminated.
[0064]
For this reason, the effect | action and effect similar to Embodiment 1 are acquired.
[0065]
Further, when applied to the second embodiment, the same operations and effects as in the second embodiment can be obtained.
[0066]
Furthermore, since the condenser temperature detecting means can be realized with a simple configuration in which one thermistor is added to the inlet of the condenser 14, the fuel cell power generator can be downsized and rationalized.
[0067]
In the above embodiment, the condenser temperature detecting means for detecting the condensing capacity of the condenser 14 is configured to detect the inlet temperature of the heat transport medium to the condenser 14. Needless to say, the configuration for detecting the outlet temperature has the same effect.
[0068]
(Embodiment 4)
FIG. 4 is a configuration diagram of a fuel cell power generator according to Embodiment 4 of the present invention.
[0069]
4, components having the same functions as those of the conventional fuel cell power generation device shown in FIG. 6 and the fuel cell power generation device of Embodiment 1 shown in FIG. Details of the functions are the same as those in FIGS.
[0070]
22, 23, 24 are condensing capacity detecting means for detecting the condensing capacity of the condenser 14, and a plurality of heat utilization temperature detecting means provided for grasping the heat storage temperature distribution by the exhaust heat recovery of the hot water storage tank 13. Thermistor.
[0071]
Next, the operation and action will be described.
[0072]
During operation (power generation) of the fuel cell power generation device, heat generated by the fuel cell 1 is circulated as cooling water via the pump 9, and the heat exchange medium 10 is supplied to the heat transport medium (hot water storage tank 13) flowing through the exhaust heat recovery pipe 12. Heat is transferred to the stored city water circulation water).
[0073]
Further, the oxidant gas is humidified by the oxidation side humidifier 7 by the air supply device 6 and supplied to the fuel cell 1. The unused gas that has not contributed to the power generation by the fuel cell 1 is heat-exchanged by the condenser 14 to a heat transport medium (circulated water of city water) flowing through the exhaust heat recovery pipe 12 in the same manner as the heat exchange means 10 and moisture is It is condensed and collected as condensed water in the condensed water tank 16 of the water utilization means 15.
[0074]
The control means 19 inputs heat storage temperature distribution detection signals from the heat utilization temperature detection means 22, 23, 24, and the condensation capacity of the condenser 14 is equal to or higher than a predetermined value, that is, the amount of hot water due to exhaust heat recovery to the hot water storage tank 13. When there is little (the detection temperature of the heat utilization temperature detection means 24 close to the circulating water suction side of the exhaust heat recovery pipe 12 among the heat utilization temperature detection means 22, 23, 24) is less than a predetermined value, the output of the circulation pump 11 The exhaust heat of the fuel cell 1 is recovered as exhaust heat through the exhaust heat recovery pipe 12.
[0075]
Next, when the condensing capacity of the condenser 14 is less than a predetermined value, that is, when the amount of hot water due to exhaust heat recovery to the hot water storage tank 13 increases (the exhaust heat recovery pipe 12 of the heat utilization temperature detecting means 22, 23, 24). When the temperature of the heat utilization temperature detecting means 24 close to the circulating water suction side is equal to or higher than a predetermined value), the condensation capacity of the condenser 14 decreases due to an increase in the circulating water temperature of the exhaust heat recovery pipe 12 (condensed water recovery amount decreases). , The output of the circulation pump 11 is stopped, and the power generation and exhaust heat recovery of the fuel cell 1 are stopped.
[0076]
Therefore, the condenser 14 condenses the unused exhaust gas discharged from the fuel cell 1 and collects water, and constantly monitors the condensation capacity of the condenser 14 by the heat utilization temperature detection means 22, 23, 24, and possesses the condensation capacity. Sometimes, the control means 19 controls the output of the circulation pump 11 to store the exhaust heat of the fuel cell 1 in the hot water storage tank 13, and when the condensation capacity is reduced, the circulation pump 11 is stopped and the exhaust heat recovery is terminated.
[0077]
For this reason, the effect | action and effect similar to Embodiment 1 are acquired.
[0078]
Further, when applied to the second embodiment, the same operations and effects as in the second embodiment can be obtained.
[0079]
Furthermore, since the condenser temperature detection means can also be used as a thermistor as a heat utilization temperature detection means for grasping the heat storage temperature distribution of the heat utilization means (hot water storage tank), the fuel cell power generator can be made smaller and rationalized. is there.
[0080]
(Embodiment 5)
FIG. 5 is a configuration diagram of a fuel cell power generator according to Embodiment 5 of the present invention.
[0081]
5, those having the same functions as those of the conventional fuel cell power generation device shown in FIG. 6 and the fuel cell power generation device of Embodiment 2 shown in FIG. Details of the functions are the same as those in FIGS.
[0082]
The configuration of the condensing capacity detection means is such that the control means 19 detects the temperature of the heat transport medium on the outlet side of the exhaust heat recovery pipe 12 connected to the heat exchange means 10 and the exhaust heat recovery temperature from the exhaust heat recovery temperature detection means 20. Since the output of the circulation pump 11 is controlled so that the exhaust heat recovery temperature becomes a predetermined temperature (60 to 80 ° C.), the output value to the circulation pump 11 and the exhaust heat recovery pipe 12 Of these, the condensing capacity is detected by utilizing the correlation with the circulating water temperature on the suction side of the circulation pump 11. That is, when the condensing capacity is high, the temperature on the heat transport medium side of the condenser 14 is sufficiently lower and cooler than the temperature on the exhaust gas side of the condenser 14, so the exhaust heat recovery temperature is set to a predetermined temperature (60 In order to maintain the temperature at ˜80 ° C., the circulation pump 11 rotates slowly. Conversely, when the condensing capacity is low, the temperature on the heat transport medium side of the condenser 14 is not sufficiently lower than the temperature on the exhaust gas side of the condenser 14 and is a high temperature. In order to maintain the temperature at a predetermined temperature (60 to 80 ° C.), the circulation pump 11 rotates quickly.
[0083]
Therefore, the condensing capacity can be understood from the rotational speed command to the circulation pump 11.
[0084]
Next, the operation and action will be described.
[0085]
During operation (power generation) of the fuel cell power generation device, heat generated by the fuel cell 1 is circulated as cooling water via the pump 9, and the heat exchange medium 10 is supplied to the heat transport medium (hot water storage tank 13) flowing through the exhaust heat recovery pipe 12. Heat is transferred to the stored city water circulation water).
[0086]
Further, the oxidant gas is humidified by the oxidation side humidifier 7 by the air supply device 6 and supplied to the fuel cell 1. The unused gas that has not contributed to the power generation by the fuel cell 1 is heat-exchanged by the condenser 14 to a heat transport medium (circulated water of city water) flowing through the exhaust heat recovery pipe 12 in the same manner as the heat exchange means 10 and moisture is It is condensed and collected as condensed water in the condensed water tank 16 of the water utilization means 15.
[0087]
The control means 19 inputs the exhaust heat recovery temperature from the exhaust heat recovery temperature detection means 20 for detecting the temperature of the heat transport medium on the outlet side of the exhaust heat recovery pipe 12, and the condensation capacity of the condenser 14 is a predetermined value or more. That is, when the amount of high-temperature hot water by the exhaust heat recovery to the hot water storage tank 13 is small, that is, the output value of the circulation pump 11 that outputs so that the exhaust heat recovery temperature is always a predetermined temperature (60 to 80 ° C.) is below a predetermined value. In this case, the output of the circulation pump 11 is controlled to recover the exhaust heat of the fuel cell 1 through the exhaust heat recovery pipe 12.
[0088]
Next, when the condensation capacity of the condenser 14 is below a predetermined value, that is, when the amount of hot water due to exhaust heat recovery to the hot water storage tank 13 increases, that is, the exhaust heat recovery temperature is always set to a predetermined temperature (60 to 80 ° C.). If the output value of the circulating pump 11 that outputs so is greater than or equal to a predetermined value, a decrease in the condensing capacity (condensed water recovery amount) of the condenser 14 accompanying an increase in the circulating water temperature of the exhaust heat recovery pipe 12 is predicted, The output of the circulation pump 11 is stopped, and the power generation and exhaust heat recovery of the fuel cell 1 are stopped.
[0089]
Therefore, the condenser 14 condenses the unused exhaust gas discharged from the fuel cell 1 and recovers water, and inputs the exhaust heat recovery temperature from the exhaust heat recovery temperature detection means 20 to control the output of the circulation pump 11. The condensing capacity of the condenser 14 is constantly monitored by the control means 19, and when the condensing capacity is held, the output of the circulation pump 11 is controlled by the control means 19 to store the exhaust heat of the fuel cell 1 in the hot water storage tank 13, and when the condensing capacity is reduced. The circulation pump 11 is stopped and the exhaust heat recovery is completed.
[0090]
For this reason, the effect | action and effect similar to Embodiment 2 are acquired.
[0091]
Further, the condenser temperature detection means 20 inputs the exhaust heat recovery temperature from the exhaust heat recovery temperature detection means in which the control means 19 detects the temperature of the heat transport medium on the outlet side of the exhaust heat recovery pipe 12 to recover the exhaust heat. By utilizing the output of the circulation pump 11 so that the temperature becomes a predetermined temperature (60 to 80 ° C.), the circulating water temperature on the suction side of the circulation pump among the output value to the circulation pump and the exhaust heat recovery pipe Since the control means 19 can be used also as the condenser temperature detecting means, the fuel cell power generator can be further downsized and rationalized.
[0092]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, the present invention can provide a fuel cell power generation device that does not cause any trouble in power generation of the fuel cell without providing the ion removing means.
[0093]
More specifically, according to the fuel cell power generator of the present invention, the following effects can be obtained.
[0094]
Condensation capacity of the condenser is constantly monitored, and the exhaust heat of the fuel cell is stored in the heat utilization means when the condensation capacity is held, so that reforming and transformation of the fuel processor to the reformer and carbon monoxide converter Water for humidifying, supply gas in the fuel-side humidifier, oxidation-side humidifier, and supply air can be self-supplied without being supplied from the outside by the recovered water obtained by condensation by the condenser.
[0095]
In addition, reformers of fuel treatment devices, reforming catalysts built in carbon monoxide converters, and reforming catalysts by chlorine ions, etc. when water (city water) is supplied from the outside or metal ions eluted from the piping system, etc. Can be avoided.
[0096]
Further, it can be avoided that the fuel gas and the oxidant gas are ionized to increase the electric conductivity and hinder the power generation of the fuel cell.
[0097]
In addition, in the fuel gas supply system and the oxidant gas supply system, ion removal means such as ion exchange resin is greatly reduced to remove chlorine ions, etc. of general water such as city water, or ion removal ability according to the operation time It is possible to reduce or eliminate the need for periodic maintenance of ion removal means by reducing the deterioration of the ion.
[0098]
In addition, since the output of the circulation pump is controlled by the control means so that the exhaust heat recovery temperature becomes a predetermined temperature by the exhaust heat recovery temperature detection means, hot water can be stored in the hot water storage tank in a layered form from the upper layer part. In a normal hot water supply piping configuration where the mouth is taken out from the upper part of the hot water storage tank, the hot water temperature can be secured at a high temperature (60-80 ° C) at all times, and even if the hot water tank is used up and the hot water runs out, it can generate electricity in a short time. The minimum amount of hot water storage can be secured. Therefore, hot water having a usable temperature can be obtained in a short time, compared with the case where the temperature of the entire tank is uniformly raised, and the convenience is further improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block configuration diagram of a fuel cell power generator according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is a block configuration diagram of a fuel cell power generator according to Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 3 is a block configuration diagram of a fuel cell power generator according to Embodiment 3 of the present invention.
FIG. 4 is a block configuration diagram of a fuel cell power generator according to Embodiment 4 of the present invention.
FIG. 5 is a block configuration diagram of a fuel cell power generator according to Embodiment 5 of the present invention.
FIG. 6 is a block diagram of a conventional fuel cell power generator.
[Explanation of symbols]
1 Fuel cell
10 Heat exchange means
11 Heat transport medium circulation means
13 Heat utilization means
14 Condenser
15 Water use means
18 Condensation capacity detection means
19 Control means

Claims

A fuel cell that generates power using fuel gas and oxidant gas;
A condenser for condensing at least part of the unused exhaust gas discharged from the fuel cell;
Water utilization means for utilizing at least one of the humidification of at least the fuel gas and the oxidant gas condensed water discharged from the condenser,
An exhaust heat recovery pipe through which a heat medium for recovering exhaust heat flows in the condenser;
A pump for controlling the amount of the heat medium flowing through the exhaust heat recovery pipe;
Condensing capacity detecting means for detecting the condensing capacity of the condenser;
Control means for controlling the output of the pump based on the detection signal of the condensing capacity detection means;
With a fuel cell power plant.

The condensation capacity detecting means is a condensate water temperature detecting means for detecting the temperature of the condensed water from the condenser, the fuel cell power generation apparatus according to claim 1.

The condensing capacity detecting means is medium temperature detecting means for detecting the temperature of the heat transport medium entering the condenser, or is a medium temperature detecting means for detecting the temperature of the heat transport medium exiting from the condenser. there, the fuel cell power generation apparatus according to claim 1.

The condensation capacity detecting means is a heat utilization temperature detecting means for detecting the temperature of the heat utilization means, a fuel cell power generation apparatus according to claim 1.

The condensation capacity detecting means is a medium temperature detecting means for detecting the temperature of the heat transport medium recovered exhaust heat in the heat exchange means, a fuel cell power generation apparatus according to claim 1.

The unused exhaust gas as a condensation target in the condenser is at least one of the oxidant gas and the fuel gas, a fuel cell power generation apparatus according to claim 1.