JP6739461B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
燃料電池システムとして、燃料電池セルスタックから排出されたアノードオフガスを、発電用の燃料として再利用するものが開発されている。例えば、特許文献1には、3個の燃料電池を直列に接続し、前段の燃料電池セルスタックから排出されたアノードオフガスを、後段の燃料電池セルスタックのアノードへ供給する構成が開示されている。このようにアノードオフガスを発電用の燃料として再利用する場合、アノードオフガスから水を除去することにより、再生燃料として反応に寄与する成分濃度を高くすることが行われる。 As a fuel cell system, a system in which the anode off gas discharged from the fuel cell stack is reused as a fuel for power generation has been developed. For example, Patent Document 1 discloses a configuration in which three fuel cells are connected in series and the anode off-gas discharged from the fuel cell stack in the preceding stage is supplied to the anode of the fuel cell stack in the following stage. .. In this way, when the anode off-gas is reused as the fuel for power generation, the concentration of the component that contributes to the reaction as the regenerated fuel is increased by removing water from the anode off-gas.
例えば、特許文献1では、アノードオフガスと水除去後の再生燃料ガスとで熱交換を行い、アノードオフガス中の水蒸気を凝縮させ、アノードオフガスから水を除去して再生燃料ガスとしている。しかしながら、水除去後の再生燃料ガスの流量は、水除去前と比較して減少しているため、アノードオフガスを十分に冷却することが難しい。一方、特許文献2では、特許文献1と同様にアノードオフガスと水除去後の再生燃料ガスとで熱交換を行うと共に、アノードオフガスから分離された凝縮水を用いてアノードオフガスの冷却が行われている。しかしながら、凝縮水でアノードオフガスを冷却するためには、十分な凝縮が行われることが前提であり、凝縮水との熱交換だけでは十分な冷却は難しい。 For example, in Patent Document 1, heat exchange is performed between the anode off gas and the regenerated fuel gas after water removal, the water vapor in the anode off gas is condensed, and water is removed from the anode off gas to obtain a regenerated fuel gas. However, since the flow rate of the regenerated fuel gas after water removal is smaller than that before water removal, it is difficult to sufficiently cool the anode off gas. On the other hand, in Patent Document 2, as in Patent Document 1, heat exchange is performed between the anode off gas and the regenerated fuel gas after water removal, and the anode off gas is cooled using condensed water separated from the anode off gas. There is. However, in order to cool the anode off-gas with condensed water, it is premised that sufficient condensation is performed, and sufficient cooling is difficult only by heat exchange with condensed water.
本発明は上記事実を考慮して成されたもので、アノードオフガス中の水を効果的に凝縮させることの可能な燃料電池システムを得ることを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above facts, and an object thereof is to obtain a fuel cell system capable of effectively condensing water in anode off-gas.
請求項1の発明に係る燃料電池システムは、燃料極へ供給される燃料ガスと空気極へ供給される空気により発電し、前記燃料極からアノードオフガスが排出される燃料電池と、前記アノードオフガスが流入され、前記アノードオフガス中の水が凝縮により分離されて貯留されると共に、水が分離された後のアノードオフガスを再生燃料ガスとして送出する燃料再生部と、前記再生燃料ガスと前記アノードオフガスとの間で熱交換を行う第1熱交換部と、前記燃料再生部及び前記第1熱交換部よりも上流側の前記アノードオフガスと前記空気との間で熱交換を行う空気予熱部と、を備えている。 In the fuel cell system according to the invention of claim 1, power is generated by the fuel gas supplied to the fuel electrode and the air supplied to the air electrode, and the fuel cell in which the anode off gas is discharged from the fuel electrode and the anode off gas are A fuel regenerator that flows in, separates and stores the water in the anode offgas by condensation, and sends out the anode offgas after the water is separated as a regenerated fuel gas, the regenerated fuel gas, and the anode offgas. A first heat exchange section for exchanging heat between the fuel regenerating section and the air preheating section for exchanging heat between the air and the anode off-gas upstream of the first heat exchanging section. I have it.
請求項1に係る燃料電池システムは、燃料電池、及び燃料再生部を備えている。燃料再生部は、流入されたアノードオフガス中の水が凝縮により分離されて貯留されると共に、水が分離された後のアノードオフガスを再生燃料ガスとして送出する。再生燃料ガスは、再度発電に供されたり、燃焼に供されたりする。 A fuel cell system according to a first aspect includes a fuel cell and a fuel regeneration unit. The fuel regeneration unit separates and stores water in the inflowing anode off-gas by condensation, and sends out the anode off-gas after the water is separated as regenerated fuel gas. The regenerated fuel gas is used again for power generation or combustion.
アノードオフガスは、第1熱交換部における再生燃料ガスとの熱交換により冷却される。また、空気予熱部における空気との熱交換により冷却される。一方、再生燃料ガスは、第1熱交換部におけるアノードオフガスとの熱交換により加熱され、カソードへ向かう空気は、空気予熱部におけるアノードオフガスとの熱交換により加熱される。 The anode off gas is cooled by heat exchange with the regenerated fuel gas in the first heat exchange section. Further, it is cooled by heat exchange with air in the air preheating section. On the other hand, the regenerated fuel gas is heated by heat exchange with the anode off gas in the first heat exchange section, and the air toward the cathode is heated by heat exchange with the anode off gas in the air preheating section.
請求項1に係る燃料電池システムによれば、アノードオフガスは、再生燃料ガスとの熱交換に加えて、外部から供給される空気とも熱交換されるので、より温度が低下し、効果的に水蒸気を凝縮させることができる。また、空気を空気予熱部において加熱するので、システム内で有効に水蒸気の潜熱を利用することができる。 According to the fuel cell system of the first aspect, the anode off-gas is heat-exchanged with the regenerated fuel gas and also with the air supplied from the outside. Can be condensed. Further, since the air is heated in the air preheating section, the latent heat of water vapor can be effectively utilized in the system.
請求項2の発明に係る燃料電池システムは、可燃ガスを燃焼させる燃焼部と、前記空気予熱部で熱交換された空気と前記燃焼部から排出された燃焼排ガスとの間で熱交換を行う第2空気予熱部と、を備えている。 A fuel cell system according to a second aspect of the present invention performs heat exchange between a combustion unit that burns a combustible gas, air that has undergone heat exchange in the air preheating unit, and combustion exhaust gas that has been discharged from the combustion unit. 2 air preheating part, and.
請求項2に係る燃料電池システムによれば、外部から取り込まれる空気は、燃焼部から排出された燃焼排ガスとの間で熱交換が行われる前に、空気予熱部で熱交換されるので、空気予熱部で効果的にアノードオフガスを冷却することができる。 According to the fuel cell system of the second aspect, the air taken in from the outside is heat-exchanged in the air preheating unit before heat exchange is performed with the combustion exhaust gas discharged from the combustion unit. The preheating part can effectively cool the anode off-gas.
請求項3の発明に係る燃料電池システムは、燃料極へ供給される燃料ガスと空気極へ供給される空気により発電し、前記燃料極からアノードオフガスが排出される燃料電池と、前記アノードオフガスが流入され、前記アノードオフガス中の水が凝縮により分離されて貯留されると共に、水が分離された後のアノードオフガスを再生燃料ガスとして送出する燃料再生部と、前記再生燃料ガスと前記アノードオフガスとの間で熱交換を行う第1熱交換部と、前記燃料再生部及び前記第1熱交換部よりも上流側の前記アノードオフガスと前記燃料ガスとの間で熱交換を行う燃料予熱部と、を備えている。 In the fuel cell system according to the invention of claim 3, the fuel cell supplied with the fuel electrode and the air supplied with the air electrode generate electric power, and the anode off gas is discharged from the fuel electrode. A fuel regenerator that flows in, separates and stores the water in the anode offgas by condensation, and sends out the anode offgas after the water is separated as a regenerated fuel gas, the regenerated fuel gas, and the anode offgas. A first heat exchanging section for exchanging heat between the fuel regenerating section and the fuel preheating section for exchanging heat between the fuel gas and the anode off-gas upstream of the first heat exchanging section ; Equipped with.
請求項3に係る燃料電池システムは、燃料電池、及び燃料再生部を備えている。燃料再生部は、流入されたアノードオフガス中の水が凝縮により分離されて貯留されると共に、水が分離された後のアノードオフガスを再生燃料ガスとして送出する。再生燃料ガスは、再度発電に供されたり、燃焼に供されたりする。 A fuel cell system according to a third aspect includes a fuel cell and a fuel regeneration unit. The fuel regeneration unit separates and stores water in the inflowing anode off-gas by condensation, and sends out the anode off-gas after the water is separated as regenerated fuel gas. The regenerated fuel gas is used again for power generation or combustion.
アノードオフガスは、第1熱交換部における再生燃料ガスとの熱交換により冷却される。また、燃料予熱部における燃料ガスとの熱交換により冷却される。一方、再生燃料ガスは、第1熱交換部におけるアノードオフガスとの熱交換により加熱され、燃料ガスは、燃料予熱部における燃料ガスとの熱交換により加熱される。 The anode off gas is cooled by heat exchange with the regenerated fuel gas in the first heat exchange section. Further, it is cooled by heat exchange with the fuel gas in the fuel preheating section. On the other hand, the regenerated fuel gas is heated by heat exchange with the anode off gas in the first heat exchange section, and the fuel gas is heated by heat exchange with the fuel gas in the fuel preheating section.
請求項3に係る燃料電池システムによれば、アノードオフガスは、再生燃料ガスとの熱交換に加えて、外部から供給される燃料ガスとも熱交換されるので、より温度が低下し、効果的に凝縮を行うことができる。また、燃料ガスを燃料予熱部において加熱するので、システム内で有効に熱を利用することができる。 According to the fuel cell system of the third aspect, the anode off-gas is also heat-exchanged with the fuel gas supplied from the outside in addition to the heat exchange with the regenerated fuel gas. Condensation can be performed. Further, since the fuel gas is heated in the fuel preheating section, the heat can be effectively utilized in the system.
請求項4の発明に係る燃料電池システムは、燃料極へ供給される燃料ガスと空気極へ供給される空気により発電し、前記燃料極からアノードオフガスが排出される燃料電池と、前記アノードオフガスが流入され、前記アノードオフガス中の水が凝縮により分離されて貯留されると共に、水が分離された後のアノードオフガスを再生燃料ガスとして送出する燃料再生部と、可燃ガスを燃焼させる燃焼部と、前記再生燃料ガスと前記アノードオフガスとの間で熱交換を行う第1熱交換部と、前記燃料再生部よりも上流側で前記アノードオフガスと前記燃焼部から排出された燃焼排ガスとの間で熱交換を行う排ガス熱交換部と、を備えている。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a fuel cell system in which the fuel gas supplied to the fuel electrode and the air supplied to the air electrode generate electric power, and the anode off gas is discharged from the fuel electrode. A fuel regenerator that inflows, water in the anode off-gas is separated and stored by condensation, and the anode off-gas after the water is separated is delivered as regenerated fuel gas, and a combustor that burns a combustible gas, A heat is exchanged between a first heat exchange section for exchanging heat between the regenerated fuel gas and the anode off gas, and a combustion exhaust gas discharged from the anode off gas and the combustion section on an upstream side of the fuel regeneration section. And an exhaust gas heat exchange section for performing exchange.
請求項4に係る燃料電池システムは、燃料電池、及び燃料再生部を備えている。燃料再生部は、流入されたアノードオフガス中の水が凝縮により分離されて貯留されると共に、水が分離された後のアノードオフガスを再生燃料ガスとして送出する。再生燃料ガスは、再度発電に供されたり、燃焼に供されたりする。 A fuel cell system according to a fourth aspect includes a fuel cell and a fuel regeneration unit. The fuel regeneration unit separates and stores water in the inflowing anode off-gas by condensation, and sends out the anode off-gas after the water is separated as regenerated fuel gas. The regenerated fuel gas is used again for power generation or combustion.
アノードオフガスは、第1熱交換部における再生燃料ガスとの熱交換により冷却される。また、排ガス熱交換部における燃焼排ガスとの熱交換により冷却される。 The anode off gas is cooled by heat exchange with the regenerated fuel gas in the first heat exchange section. Further, it is cooled by heat exchange with the combustion exhaust gas in the exhaust gas heat exchange section.
請求項4に係る燃料電池システムによれば、アノードオフガスは、再生燃料ガスとの熱交換に加えて、システム内の燃焼排ガスとも熱交換されるので、より温度が低下し、効果的に凝縮を行うことができる。また、燃焼排ガスは、システム内に設けられた燃焼部から排出されるので、外部の配管を設置する必要がなく簡易な構成とすることができる。 According to the fuel cell system of the fourth aspect, since the anode off-gas is heat-exchanged with the combustion exhaust gas in the system in addition to the heat exchange with the regenerated fuel gas, the temperature is further lowered and the condensation is effectively performed. It can be carried out. Further, since the combustion exhaust gas is discharged from the combustion section provided in the system, there is no need to install an external pipe, and the configuration can be simplified.
請求項5の発明に係る燃料電池システムは、前記排ガス熱交換部の上流側に設けられ、前記燃焼排ガスを前記排ガス熱交換部へ流入させる第1流路と、前記排ガス熱交換部へ流入させない第2流路と、に分岐する分岐部、を備えている。 The fuel cell system according to the invention of claim 5 is provided on the upstream side of the exhaust gas heat exchange section, and has a first flow path that allows the combustion exhaust gas to flow into the exhaust gas heat exchange section, and does not flow into the exhaust gas heat exchange section. A second flow path and a branch portion that branches into a second flow path.
請求項5に係る燃料電池システムによれば、第1流路へ送出する燃焼排ガスの流量と、第2流路へ送出する燃焼排ガスの流量を調整することにより、アノードオフガスの温度を調整することができる。 According to the fuel cell system of the fifth aspect, the temperature of the anode off-gas is adjusted by adjusting the flow rate of the combustion exhaust gas sent to the first flow path and the flow rate of the combustion exhaust gas sent to the second flow path. You can
請求項6の発明に係る燃料電池システムは、前記燃料再生部よりも上流側に設けられ、システム外部と前記アノードオフガスとの間で熱交換を行う冷却部、を備えている。 A fuel cell system according to a sixth aspect of the present invention includes a cooling unit that is provided on the upstream side of the fuel regenerating unit and that performs heat exchange between the outside of the system and the anode off gas.
請求項6に係る燃料電池システムによれば、冷却部により外部との熱交換を行うことにより、アノードオフガスをより低温に冷却することができる。 According to the fuel cell system of the sixth aspect, the anode off-gas can be cooled to a lower temperature by exchanging heat with the outside by the cooling unit.
請求項7の発明に係る燃料電池システムは、前記燃料再生部から送出された前記再生燃料ガスが供給される第2燃料電池、をさらに備えている。 The fuel cell system according to a seventh aspect of the present invention further includes a second fuel cell to which the regenerated fuel gas delivered from the fuel regeneration unit is supplied.
請求項7に係る燃料電池システムによれば、再生燃料ガスが第2燃料電池で発電に供される、いわゆる多段式の燃料電池システムを構成することができ、発電効率を向上させることができる。 According to the fuel cell system of the seventh aspect, it is possible to configure a so-called multi-stage fuel cell system in which the regenerated fuel gas is used for power generation in the second fuel cell, and it is possible to improve power generation efficiency.
請求項8の発明に係る燃料電池システムは、前記燃料再生部から送出された前記再生燃料ガスを前記燃料電池へ供給する再生燃料循環路、をさらに備えている。 The fuel cell system according to the invention of claim 8 further comprises a regenerated fuel circulation path for supplying the regenerated fuel gas delivered from the fuel regeneration section to the fuel cell.
請求項8に係る燃料電池システムによれば、再生燃料ガスが燃料電池で再度発電に供される、いわゆる循環式の燃料電池システムを構成することができ、発電効率を向上させることができる。 According to the fuel cell system of the eighth aspect, it is possible to configure a so-called circulation type fuel cell system in which the regenerated fuel gas is used for power generation again in the fuel cell, and it is possible to improve power generation efficiency.
燃料電池システムは、 燃料極へ供給される燃料ガスと空気極へ供給される空気により発電し、前記燃料極からアノードオフガスが排出される燃料電池と、前記アノードオフガスが流入され、前記アノードオフガス中の水が凝縮により分離されて貯留されると共に、水が分離された後のアノードオフガスを再生燃料ガスとして送出する燃料再生部と、前記燃料再生部よりも上流側で前記アノードオフガスと前記空気との間で熱交換を行う空気予熱部と、を備えている。 Fuel cell system generates electric power by the air supplied to the fuel gas and the air electrode to be supplied to the fuel electrode, a fuel cell anode off-gas is discharged from the fuel electrode, the anode off-gas is flowed, the anode off-gas Water inside is separated and stored by condensation, and a fuel regenerator that sends out anode off gas after the water is separated as regenerated fuel gas; and the anode off gas and the air on the upstream side of the fuel regenerator. And an air preheating unit for exchanging heat with the air.
燃料電池システムによれば、アノードオフガスは、空気極へ供給される空気と熱交換されるので、温度が低下し、効果的に水蒸気を凝縮させることができる。また、空気を空気予熱部において加熱するので、システム内で有効に水蒸気の潜熱を利用することができる。 According to fuel cell systems, the anode off-gas, since the heat-exchanged with the air that is supplied to the air electrode, the temperature is lowered, can be effectively condense the water vapor. Further, since the air is heated in the air preheating section, the latent heat of water vapor can be effectively utilized in the system.
本発明に係る燃料電池システムによれば、アノードオフガス中の水を効果的に凝縮させることができる。 According to the fuel cell system of the present invention, the water in the anode off gas can be effectively condensed.
[第1実施形態]
以下、図面を参照して本発明の第1実施形態を詳細に説明する。
[First Embodiment]
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1には、本実施形態に係る燃料電池システム10Aの概略構成が示されている。本実施形態に係る燃料電池システム10Aは、主要な構成として、気化器12、改質器14、第1燃料電池セルスタック16、第2燃料電池セルスタック18、第1熱交換部30、第1空気予熱部32、第2空気予熱部34、燃焼部20、燃料再生部22を備えている。本実施形態に係る燃料電池システム10Aは、燃料電池セルスタックを複数有し、前段の燃料電池セルスタックから排出されたガスが後段の燃料電池セルスタックへ供給されて発電に使用される、多段式の燃料電池システムである。 FIG. 1 shows a schematic configuration of a fuel cell system 10A according to this embodiment. The fuel cell system 10A according to the present embodiment has, as main components, a vaporizer 12, a reformer 14, a first fuel cell stack 16, a second fuel cell stack 18, a first heat exchange section 30, and a first heat exchange section 30. An air preheating unit 32, a second air preheating unit 34, a combustion unit 20, and a fuel regeneration unit 22 are provided. The fuel cell system 10A according to the present embodiment has a plurality of fuel cell cell stacks, and the gas discharged from the fuel cell cell stacks in the former stage is supplied to the fuel cell cell stacks in the latter stage to be used for power generation. Is a fuel cell system of.
気化器12には、原料ガス管P1の一端が接続されており、原料ガス管P1の他端は図示しないガス源に接続されている。原料ガス管P1には、ブロア24が設けられており、ブロア24により原料ガスであるメタンが気化器12へ送出される。また、気化器12には、水供給管P2の一端が接続されており、水供給管P2の他端は不図示の水源に接続されている。水供給管P2には、ポンプ26が設けられており、ポンプ26により水(液相)が気化器12へ送出される。気化器12では、水が気化される。気化には、後述する燃焼部20からの燃焼排ガスの熱が用いられる。 One end of the raw material gas pipe P1 is connected to the vaporizer 12, and the other end of the raw material gas pipe P1 is connected to a gas source (not shown). The raw material gas pipe P1 is provided with a blower 24, and the blower 24 sends methane as a raw material gas to the vaporizer 12. Further, one end of a water supply pipe P2 is connected to the vaporizer 12, and the other end of the water supply pipe P2 is connected to a water source (not shown). A pump 26 is provided in the water supply pipe P2, and water (liquid phase) is sent to the vaporizer 12 by the pump 26. In the vaporizer 12, water is vaporized. The heat of the combustion exhaust gas from the combustion unit 20 described later is used for the vaporization.
なお、本実施形態では、原料ガスとしてメタンを用いるが、改質が可能なガスであれば特に限定されず、炭化水素燃料を用いることができる。炭化水素燃料としては、天然ガス、LPガス(液化石油ガス)、石炭改質ガス、低級炭化水素ガスなどが例示される。低級炭化水素ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭素数4以下の低級炭化水素が挙げられ、本実施形態で用いるメタンが好ましい。なお、炭化水素燃料としては、上述した低級炭化水素ガスを混合したものであってもよく、上述した低級炭化水素ガスは天然ガス、都市ガス、LPガス等のガスであってもよい。また、本実施形態では、改質前の燃料ガスを原料ガスと称するが、本発明における「燃料ガス」は、直接または気化器や改質器などを経て間接的に燃料電池セルスタックのアノードへ発電用に供される気体であり、改質前の原料ガス、原料ガスを改質した後に得られる改質ガス、及び、改質器を経ずに直接燃料電池セルスタックのアノードへ発電用に供給されるガスをすべて含めたものである。 Although methane is used as the source gas in the present embodiment, it is not particularly limited as long as it can be reformed, and a hydrocarbon fuel can be used. Examples of the hydrocarbon fuel include natural gas, LP gas (liquefied petroleum gas), coal reformed gas, and lower hydrocarbon gas. Examples of the lower hydrocarbon gas include lower hydrocarbons having 4 or less carbon atoms such as methane, ethane, ethylene, propane and butane, and methane used in the present embodiment is preferable. The hydrocarbon fuel may be a mixture of the above-mentioned lower hydrocarbon gas, and the above-mentioned lower hydrocarbon gas may be a gas such as natural gas, city gas or LP gas. Further, in the present embodiment, the fuel gas before reforming is referred to as a raw material gas, but the “fuel gas” in the present invention is directly or indirectly passed through a vaporizer, a reformer or the like to the anode of the fuel cell stack. Gas used for power generation, which is the raw material gas before reforming, the reformed gas obtained after reforming the raw material gas, and directly to the anode of the fuel cell stack without passing through the reformer for power generation. It includes all the supplied gas.
また、本実施形態では、原料ガスの改質用に水を供給するが、原料ガスを改質することができる他のガスを供給してもよい。例えば、水に変えて、または、水と共に二酸化炭素や酸素を原料の改質用に供給することができる。 Further, in this embodiment, water is supplied for reforming the raw material gas, but other gas capable of reforming the raw material gas may be supplied. For example, carbon dioxide or oxygen can be supplied for reforming the raw material in place of or together with water.
メタン及び水蒸気は、気化器12から配管P3を介して改質器14へ送出される。改質器14では、メタンを改質し、水素を含む600℃程度の温度の燃料ガスを生成する。改質器14には、燃料ガス管P4の一端が接続されている。燃料ガス管P4の他端は、第1燃料電池セルスタック16のアノード(燃料極)16Aと接続されている。改質器14で生成された燃料ガスは、燃料ガス管P4を介してアノード16Aに供給される。 Methane and steam are delivered from the vaporizer 12 to the reformer 14 via the pipe P3. The reformer 14 reforms methane to generate a fuel gas containing hydrogen at a temperature of about 600°C. One end of a fuel gas pipe P4 is connected to the reformer 14. The other end of the fuel gas pipe P4 is connected to the anode (fuel electrode) 16A of the first fuel cell stack 16. The fuel gas generated in the reformer 14 is supplied to the anode 16A via the fuel gas pipe P4.
第1燃料電池セルスタック16は、固体酸化物形の燃料電池セルスタックであり(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)、積層された複数の燃料電池セルを有している。燃料電池セルスタック16は、作動温度が650℃程度に設定されている。 The first fuel cell stack 16 is a solid oxide fuel cell stack (SOFC: Solid Oxide Fuel Cell) and has a plurality of stacked fuel cells. The operating temperature of the fuel cell stack 16 is set to about 650°C.
燃料電池セルスタック16の個々の燃料電池セルは、電解質膜と、当該電解質膜の表裏面にそれぞれ積層されたアノード(燃料極)16A、及びカソード(空気極)16Bと、を有している。 Each fuel cell of the fuel cell stack 16 has an electrolyte membrane, and an anode (fuel electrode) 16A and a cathode (air electrode) 16B, which are laminated on the front and back surfaces of the electrolyte membrane.
なお、第2燃料電池セルスタック18についての基本構成は、第1燃料電池セルスタック16と同様であり、アノード16Aに対応するアノード18A、及びカソード16Bに対応するカソード18Bを有している。 The basic structure of the second fuel cell stack 18 is similar to that of the first fuel cell stack 16, and has an anode 18A corresponding to the anode 16A and a cathode 18B corresponding to the cathode 16B.
第1燃料電池セルスタック16のカソード16Bには、空気供給管P5の一端が接続されている。空気供給管P5の他端には、ブロア28が接続されている。空気供給管P5の中間部には上流側から順に第1空気予熱部32、第2空気予熱部34が設けられている。ブロア28から送出された空気は、空気供給管P5によって、第1空気予熱部32、第2空気予熱部34を経由し、カソード16Bへ供給される。第1空気予熱部32では、後述するアノードオフガスにより空気が加熱され、第2空気予熱部34では、後述する燃焼部20からの燃焼排ガスにより空気がさらに加熱される。 One end of an air supply pipe P5 is connected to the cathode 16B of the first fuel cell stack 16. A blower 28 is connected to the other end of the air supply pipe P5. A first air preheating unit 32 and a second air preheating unit 34 are provided in the middle of the air supply pipe P5 in order from the upstream side. The air sent from the blower 28 is supplied to the cathode 16B by the air supply pipe P5 via the first air preheating unit 32 and the second air preheating unit 34. In the first air preheating unit 32, the air is heated by the anode off gas described later, and in the second air preheating unit 34, the air is further heated by the combustion exhaust gas from the combustion unit 20 described later.
カソード16Bでは、下記(1)式に示すように、空気中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。生成された酸素イオンは電解質膜を通って燃料電池セルスタック16のアノード16Aに到達する。 At the cathode 16B, oxygen ions in the air react with electrons to generate oxygen ions, as shown in the following formula (1). The generated oxygen ions reach the anode 16A of the fuel cell stack 16 through the electrolyte membrane.
(空気極反応)
1/2O2+2e− →O2− …(1)
(Air electrode reaction)
1/2O 2 +2e − →O 2 − (1)
カソード16Bからは、カソードオフガスが排出される。カソード16Bには、カソード16Bから排出されるカソードオフガスを第2燃料電池セルスタック18のカソード18Bへ案内するカソードオフガス管P6が接続されている。なお、本実施形態では、空気供給管P5がカソード16Bのみに接続されている例について説明したが、空気供給管P5を分岐して、カソード16Bとカソード18Bへ接続し、並列的に空気を供給してもよい。 Cathode off-gas is discharged from the cathode 16B. A cathode offgas pipe P6 for guiding the cathode offgas discharged from the cathode 16B to the cathode 18B of the second fuel cell stack 18 is connected to the cathode 16B. In the present embodiment, the example in which the air supply pipe P5 is connected only to the cathode 16B has been described, but the air supply pipe P5 is branched and connected to the cathode 16B and the cathode 18B to supply air in parallel. You may.
一方、燃料電池セルスタック16のアノード16Aでは、下記(2)式及び(3)式に示すように、電解質膜を通ってきた酸素イオンが燃料ガス中の水素及び一酸化炭素と反応し、水(水蒸気)及び二酸化炭素と電子が生成される。アノード16Aで生成された電子がアノード16Aから外部回路を通ってカソード16Bに移動することで、各燃料電池セルスタックにおいて発電される。また、各燃料電池セルスタックは、発電時に発熱する。 On the other hand, in the anode 16A of the fuel cell stack 16, oxygen ions that have passed through the electrolyte membrane react with hydrogen and carbon monoxide in the fuel gas, as shown in equations (2) and (3) below, (Steam) and carbon dioxide and electrons are generated. Electrons generated in the anode 16A move from the anode 16A to the cathode 16B through an external circuit, so that power is generated in each fuel cell stack. Each fuel cell stack also generates heat during power generation.
(燃料極反応)
H2 +O2− →H2O+2e− …(2)
CO+O2− →CO2+2e− …(3)
(Fuel electrode reaction)
H 2 +O 2 − →H 2 O+2e − (2)
CO+O 2 − →CO 2 +2e − (3)
アノード16Aには、アノードオフガス管P7の一端が接続されている。アノード16Aからアノードオフガス管P7へ、アノードオフガスが排出される。アノードオフガスには、未反応の水素、未反応の一酸化炭素、二酸化炭素及び水蒸気等が含まれている。 One end of an anode offgas pipe P7 is connected to the anode 16A. The anode off gas is discharged from the anode 16A to the anode off gas pipe P7. The anode off-gas contains unreacted hydrogen, unreacted carbon monoxide, carbon dioxide, water vapor and the like.
アノードオフガス管P7の他端は、後述する第1熱交換部30、及び第1空気予熱部32を経て燃料再生部22と接続されている。燃料再生部22の出口側には、再生燃料ガス管P9の一端が接続されている。再生燃料ガス管P9の他端は、後述する第1熱交換部30を経て第2燃料電池セルスタック18のアノード18Aと接続されている。 The other end of the anode offgas pipe P7 is connected to the fuel regeneration unit 22 via a first heat exchange unit 30 and a first air preheating unit 32, which will be described later. One end of a regenerated fuel gas pipe P9 is connected to the outlet side of the fuel regenerator 22. The other end of the regenerated fuel gas pipe P9 is connected to the anode 18A of the second fuel cell stack 18 via a first heat exchange unit 30 described later.
燃料再生部22では、アノードオフガスから、熱交換による冷却により凝縮された水が貯留される。また、水が除去された後のアノードオフガスが、再生燃料ガスとして再生燃料ガス管P9へ送出される。 In the fuel regenerator 22, water condensed by cooling by heat exchange is stored from the anode off gas. Further, the anode off gas after the water is removed is sent to the regenerated fuel gas pipe P9 as the regenerated fuel gas.
再生燃料ガスは、再生燃料ガス管P9を通り、第1熱交換部30を経て、第2燃料電池セルスタック18のアノード18Aへ送出され、発電に供される。第2燃料電池セルスタック18のアノード18Aからは、アノードオフガスがアノードオフガス管P11を通って燃焼部20へ送出される。 The regenerated fuel gas passes through the regenerated fuel gas pipe P9, passes through the first heat exchange section 30, and is delivered to the anode 18A of the second fuel cell stack 18 for power generation. From the anode 18A of the second fuel cell stack 18, the anode off gas is delivered to the combustion unit 20 through the anode off gas pipe P11.
カソード18Bの出口側には、カソードオフガス管P12の一端が接続されている。カソードオフガス管P12の他端は、燃焼部20と接続されており、カソードオフガスは燃焼部20へ送出される。 One end of a cathode offgas pipe P12 is connected to the outlet side of the cathode 18B. The other end of the cathode offgas pipe P12 is connected to the combustion unit 20, and the cathode offgas is delivered to the combustion unit 20.
燃焼部20では、第2燃料電池セルスタック18のアノード18Aから排出されたアノードオフガスが燃焼される。なお、原料ガス管P1を分岐して、必要に応じて原料ガスを燃焼部20へ供給してもよい。燃焼部20の出口側には、燃焼排ガス管P10の一端が接続されている。燃焼部20から、燃焼排ガス管P10へ燃焼排ガスが排出される。燃焼排ガス管P10は、第2空気予熱部34、および気化器12を経て外部へ開放されている。燃焼排ガスは、第2空気予熱部34において、第1空気予熱部32で加熱された空気と熱交換が行われる。その後、燃焼排ガスは気化器12へ送出され、気化器12において、水及びメタンと熱交換が行われる。燃焼排ガスは、気化器12において熱交換が行われた後、外部(燃料電池システム10Aの系外)に排出される。 In the combustion section 20, the anode off gas discharged from the anode 18A of the second fuel cell stack 18 is combusted. The raw material gas pipe P1 may be branched and the raw material gas may be supplied to the combustion unit 20 as necessary. One end of the combustion exhaust gas pipe P10 is connected to the outlet side of the combustion section 20. Combustion exhaust gas is discharged from the combustion unit 20 to the combustion exhaust gas pipe P10. The combustion exhaust gas pipe P10 is opened to the outside through the second air preheating section 34 and the carburetor 12. The combustion exhaust gas undergoes heat exchange with the air heated in the first air preheating unit 32 in the second air preheating unit 34. After that, the combustion exhaust gas is sent to the vaporizer 12, and the vaporizer 12 exchanges heat with water and methane. The combustion exhaust gas is discharged to the outside (outside the fuel cell system 10A) after heat exchange is performed in the vaporizer 12.
次に、本実施形態の燃料電池システム10Aの動作について説明する。 Next, the operation of the fuel cell system 10A of this embodiment will be described.
ブロア28により所定の空気吐出量で送出された空気は、第1空気予熱部32、第2空気予熱部34を経てカソード16Bへ供給され、発電に供される。カソード16Bからは、カソードオフガスがカソードオフガス管P6を経てカソード18Bへ送出される。そして、カソードオフガスはカソード18Bで発電に供された後、カソードオフガス管P12を経て燃焼部20へ送出される。 The air delivered by the blower 28 at a predetermined air discharge amount is supplied to the cathode 16B via the first air preheating unit 32 and the second air preheating unit 34, and is used for power generation. From the cathode 16B, cathode off gas is delivered to the cathode 18B through the cathode off gas pipe P6. Then, the cathode off-gas is used for power generation at the cathode 18B, and then sent to the combustion section 20 through the cathode off-gas pipe P12.
一方、ブロア24により所定の吐出量で送出されたメタンは、原料ガス管P1を経て気化器12へ供給される。また、ポンプ26により所定の吐出量で送出された水(液相)は、水供給管P2を経て気化器12へ供給される。気化器12へ供給された水及びメタンは、燃焼排ガスとの熱交換により加熱される。これにより水は気化され、加熱されたメタンと水蒸気は、配管P3を経て改質器14へ送出される。そして、改質器14で改質され、改質器14から燃料ガスが燃料ガス管P4を経てアノード16Aへ供給され、発電に供される。アノード16Aからは、未反応の水素等の燃料を含むアノードオフガスが排出され、アノードオフガス管P7を経て燃料再生部22へ送出される。 On the other hand, the methane delivered by the blower 24 at a predetermined discharge amount is supplied to the vaporizer 12 via the raw material gas pipe P1. The water (liquid phase) delivered by the pump 26 at a predetermined discharge amount is supplied to the vaporizer 12 through the water supply pipe P2. The water and methane supplied to the vaporizer 12 are heated by heat exchange with the combustion exhaust gas. As a result, the water is vaporized, and the heated methane and steam are sent to the reformer 14 via the pipe P3. Then, it is reformed in the reformer 14, and the fuel gas is supplied from the reformer 14 to the anode 16A through the fuel gas pipe P4 and used for power generation. Anode offgas containing fuel such as unreacted hydrogen is discharged from the anode 16A and sent to the fuel regeneration unit 22 via the anode offgas pipe P7.
アノードオフガスは、燃料再生部22の上流側に設けられた第1熱交換部30および第1空気予熱部32において、熱交換により冷却される。すなわち、アノードオフガスは、第1熱交換部30で再生燃料ガスとの熱交換により再生燃料ガスを加熱して熱を奪われると共に、第1空気予熱部32で常温の空気との熱交換により空気を加熱して熱を奪われる。これにより、アノードオフガスは、冷却され、アノードオフガス中の水が凝縮される。 The anode off-gas is cooled by heat exchange in the first heat exchange section 30 and the first air preheating section 32 provided on the upstream side of the fuel regeneration section 22. That is, the anode off-gas heats the regenerated fuel gas by heat exchange with the regenerated fuel gas in the first heat exchange section 30 to remove heat from the anode off gas, and at the same time, heat is exchanged with the room temperature air in the first air preheating section 32 to generate air. Is heated to remove the heat. As a result, the anode off gas is cooled and the water in the anode off gas is condensed.
燃料再生部22には、アノードオフガスから凝縮により分離された水(液相)が貯留される。貯留された水は、気化器12へ送出して再利用してもよいし、廃棄してもよい。水が除去された再生燃料ガスは、燃料再生部22から再生燃料ガス管P9を通り、第1熱交換部30を経て、第2燃料電池セルスタック18のアノード18Aへ送出され、発電に供される。アノード18Aからは、アノードオフガスがアノードオフガス管P11を通って燃焼部20へ送出される。 In the fuel regenerator 22, water (liquid phase) separated from the anode off gas by condensation is stored. The stored water may be sent to the vaporizer 12 for reuse or may be discarded. The regenerated fuel gas from which the water has been removed passes through the regenerated fuel gas pipe P9 from the fuel regeneration unit 22, passes through the first heat exchange unit 30, and is sent to the anode 18A of the second fuel cell stack 18 for power generation. It From the anode 18A, the anode off gas is delivered to the combustion section 20 through the anode off gas pipe P11.
燃焼部20では、アノードオフガスが燃焼に供され、燃焼による熱で改質器14が加熱される。燃焼部20からは、燃焼排ガスが燃焼排ガス管P10へ送出され、第2空気予熱部34において、空気と熱交換が行われる。空気は加熱され、燃焼排ガスは冷却される。燃焼排ガスは、次に、気化器12へ送出され、メタン及び水との間で熱交換が行われる。メタン及び水は加熱され、燃焼排ガスは冷却される。そして、燃焼排ガスは、外部へ排出される。 In the combustion section 20, the anode off gas is used for combustion, and the reformer 14 is heated by the heat generated by the combustion. Combustion exhaust gas is sent from the combustion unit 20 to the combustion exhaust gas pipe P10, and heat is exchanged with the air in the second air preheating unit 34. The air is heated and the flue gas is cooled. The flue gas is then delivered to the vaporizer 12 for heat exchange with methane and water. Methane and water are heated and flue gas is cooled. Then, the combustion exhaust gas is discharged to the outside.
本実施形態では、常温の空気と第1アノード16Aから排出されたアノードオフガスとが熱交換される。したがって、第1熱交換部30のみで熱交換を行ってアノードオフガスを冷却する場合と比較して、アノードオフガスの温度を低下させることができる。これにより、効率的にアノードオフガス中の水蒸気を凝縮させることができる。 In this embodiment, the air at room temperature and the anode off gas discharged from the first anode 16A are heat-exchanged. Therefore, the temperature of the anode off-gas can be reduced as compared with the case where the heat is exchanged only by the first heat exchange unit 30 to cool the anode off-gas. Thereby, the water vapor in the anode off gas can be efficiently condensed.
また、熱交換により加熱された空気は、第1燃料電池セルスタック16へ向かうシステム系内へ供給されるので、アノードオフガスの熱はシステム外部へ放出されず、放熱を抑えることができ、発電効率を向上させることができる。 Further, since the air heated by the heat exchange is supplied into the system system toward the first fuel cell stack 16, the heat of the anode off-gas is not released to the outside of the system, so that the heat radiation can be suppressed and the power generation efficiency can be reduced. Can be improved.
なお、本実施形態では、第1熱交換部30のアノードオフガス管P7の下流側に第1空気予熱部32を配置したが、図2に示されるように、第1空気予熱部32を、第1熱交換部30のアノードオフガス経路上流側に設置してもよい。 In the present embodiment, the first air preheating unit 32 is arranged on the downstream side of the anode offgas pipe P7 of the first heat exchange unit 30, but as shown in FIG. It may be installed on the upstream side of the anode off-gas passage of the first heat exchange unit 30.
また、本実施形態では、ブロア28から送出された空気は、第1空気予熱部32での熱交換を経た後に、第2空気予熱部34へ送出されて熱交換が行われたが、第2空気予熱部34へ先に送出して燃焼排ガスとの熱交換を行った後に、第1空気予熱部32へ送出されて熱交換が行われてもよい。本実施形態のように、第1空気予熱部32での熱交換を先に行うことにより、空気の温度が上昇する前に、第1空気予熱部32において効果的にアノードオフガスを冷却することができる。 In addition, in the present embodiment, the air sent from the blower 28 undergoes heat exchange in the first air preheating section 32, and then is sent to the second air preheating section 34 to perform heat exchange. The air may be first sent to the air preheating unit 34 to perform heat exchange with the combustion exhaust gas, and then sent to the first air preheating unit 32 to perform heat exchange. By performing the heat exchange in the first air preheating section 32 first as in the present embodiment, it is possible to effectively cool the anode off-gas in the first air preheating section 32 before the temperature of the air rises. it can.
また、本実施形態の燃料電池システム10Aに、更に、図3に示されるように、ラジエータ50を設けてもよい。ラジエータ50は、アノードオフガス管P7の第1空気予熱部32と燃料再生部22の間から分岐された外部冷却管P8に接続されている。外部冷却管P8には、開閉バルブV1が設けられ、アノードオフガス管P7の外部冷却管P8との分岐部よりも下流側には、開閉バルブV2が設けられている。開閉バルブV1、V2は、不図示の制御部により制御されている。 Further, the fuel cell system 10A of the present embodiment may be further provided with a radiator 50 as shown in FIG. The radiator 50 is connected to an external cooling pipe P8 that is branched from between the first air preheating unit 32 and the fuel regeneration unit 22 of the anode offgas pipe P7. An open/close valve V1 is provided in the external cooling pipe P8, and an open/close valve V2 is provided downstream of the branch portion of the anode off-gas pipe P7 with the external cooling pipe P8. The open/close valves V1 and V2 are controlled by a control unit (not shown).
開閉バルブV1が開放され、開閉バルブV2が閉鎖されているときには、アノードオフガスは、第1空気予熱部32で冷却された後、ラジエータ50へ送出されてさらに冷却され、燃料再生部22へ送られる。開閉バルブV2が開放され、開閉バルブV1が閉鎖されているときには、アノードオフガスは、第1空気予熱部32で冷却された後、ラジエータ50を経ずに燃料再生部22へ送られる。 When the opening/closing valve V1 is opened and the opening/closing valve V2 is closed, the anode off-gas is cooled in the first air preheating section 32 and then sent to the radiator 50 to be further cooled and sent to the fuel regeneration section 22. .. When the opening/closing valve V2 is opened and the opening/closing valve V1 is closed, the anode off-gas is cooled in the first air preheating section 32 and then sent to the fuel regeneration section 22 without passing through the radiator 50.
このように、ラジエータ50を設けることにより、アノードオフガスに含まれる水の凝縮が不十分な場合に、アノードオフガスをラジエータ50でさらに冷却して、アノードオフガスに含まれる水の凝縮量を増やすことができる。また、アノードオフガスに含まれる水の凝縮が十分に行われている場合には、アノードオフガスをラジエータ50で冷却することなく、燃料再生部22へ送出することができる。 By thus providing the radiator 50, when the water contained in the anode off-gas is not sufficiently condensed, the anode off-gas can be further cooled by the radiator 50 to increase the amount of water contained in the anode off-gas. it can. When the water contained in the anode off-gas is sufficiently condensed, the anode off-gas can be sent to the fuel regenerator 22 without being cooled by the radiator 50.
なお、本実施形態では、アノードオフガス管P7を分岐させた外部冷却管P8にラジエータ50を設けたが、分岐を設けず、アノードオフガス管P7にラジエータ50を設け、ラジエータ50のファンをオン/オフすることにより、アノードオフガスの温度を制御してもよい。 In the present embodiment, the radiator 50 is provided in the external cooling pipe P8 obtained by branching the anode off-gas pipe P7. However, the radiator 50 is provided in the anode off-gas pipe P7 without branching and the fan of the radiator 50 is turned on/off. By doing so, the temperature of the anode off gas may be controlled.
また、本実施形態では、第1燃料電池セルスタック16に加えて、第2燃料電池セルスタック18を備えた、所謂多段式の燃料電池システムについて説明したが、本発明は、図4に示される、所謂循環式の燃料電池システム10Bのように構成することもできる。燃料電池システム10Bでは、第2燃料電池セルスタック18を有さず、再生燃料ガス管P9は、第1熱交換部30の下流側で2分岐されている。一方の第1分岐管P9−1は、第1アノード16Aの入口側へ向かう燃料ガス管P4と接続され、他方の第2分岐管P9−2は、燃焼部20と接続されている。第1分岐管P9−1を経て再生燃料ガスが第1アノード16Aへ供給され、第2分岐管P9−2を経て再生燃料ガスが燃焼部20へ供給される。なお、第1分岐管P9−1は、改質器14と接続し、改質器15を経て再生燃料ガスを第1アノード16Aへ供給してもよい。 Further, in the present embodiment, the so-called multi-stage fuel cell system including the second fuel cell stack 18 in addition to the first fuel cell stack 16 has been described, but the present invention is shown in FIG. The fuel cell system 10B of the so-called circulation type can also be configured. In the fuel cell system 10B, the second fuel cell stack 18 is not provided, and the regenerated fuel gas pipe P9 is branched into two on the downstream side of the first heat exchange section 30. One first branch pipe P9-1 is connected to the fuel gas pipe P4 heading to the inlet side of the first anode 16A, and the other second branch pipe P9-2 is connected to the combustion unit 20. The regenerated fuel gas is supplied to the first anode 16A via the first branch pipe P9-1, and the regenerated fuel gas is supplied to the combustion unit 20 via the second branch pipe P9-2. The first branch pipe P9-1 may be connected to the reformer 14 and may supply the regenerated fuel gas to the first anode 16A via the reformer 15.
[第2実施形態]
次に、本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態では、第1実施形態と同様の部分については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, the same parts as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
図5に示されるように、本実施形態の燃料電池システム10Cは、第1空気予熱部32に代えて、燃料予熱部36を有している。 As shown in FIG. 5, the fuel cell system 10C of the present embodiment has a fuel preheating unit 36 instead of the first air preheating unit 32.
アノードオフガス管P7は、第1熱交換部30の下流側で燃料予熱部36を経由し、燃料再生部22と接続されている。原料ガス管P1は、燃料予熱部36を経由し、改質器14の入口側と接続されている。燃料予熱部36では、常温の原料ガスとアノードオフガスとの間で熱交換が行われ、アノードオフガスが冷却されると共に、原料ガスが加熱される。ブロア28から空気供給管P5へ送出された空気は、第2空気予熱部34を経由し、カソード16Bへ供給される。 The anode off-gas pipe P7 is connected to the fuel regeneration unit 22 via the fuel preheating unit 36 on the downstream side of the first heat exchange unit 30. The raw material gas pipe P1 is connected to the inlet side of the reformer 14 via the fuel preheating section 36. In the fuel preheating unit 36, heat exchange is performed between the raw material gas at room temperature and the anode off gas, the anode off gas is cooled, and the raw material gas is heated. The air sent from the blower 28 to the air supply pipe P5 is supplied to the cathode 16B via the second air preheating unit 34.
本実施形態でも、常温の原料ガスと第1アノード16Aから排出されたアノードオフガスとが熱交換される。したがって、第1熱交換部30のみで熱交換を行ってアノードオフガスを冷却する場合と比較して、アノードオフガスの温度を低下させることができる。これにより、効率的にアノードオフガス中の水蒸気を凝縮させることができる。 Also in this embodiment, the raw material gas at room temperature and the anode off gas discharged from the first anode 16A are heat-exchanged. Therefore, the temperature of the anode off-gas can be reduced as compared with the case where the heat is exchanged only by the first heat exchange unit 30 to cool the anode off-gas. Thereby, the water vapor in the anode off gas can be efficiently condensed.
また、熱交換により加熱された原料ガスは、第1燃料電池セルスタック16へ向かうシステム系内(気化器12や改質器14など)へ供給されるので、アノードオフガスの熱はシステム外部へ放出されず、発電効率を向上させることができる。 Further, since the raw material gas heated by the heat exchange is supplied to the inside of the system system toward the first fuel cell stack 16 (such as the vaporizer 12 and the reformer 14), the heat of the anode off gas is released to the outside of the system. Therefore, the power generation efficiency can be improved.
なお、本実施形態では、第1熱交換部30のアノードオフガス管P7の下流側に燃料予熱部36を配置したが、図6に示されるように、燃料予熱部36を、第1熱交換部30のアノードオフガス経路上流側に設置してもよい。 In the present embodiment, the fuel preheating section 36 is arranged on the downstream side of the anode offgas pipe P7 of the first heat exchanging section 30, but as shown in FIG. 6, the fuel preheating section 36 is replaced by the first heat exchanging section. It may be installed on the upstream side of the anode off-gas path of 30.
また、本実施形態では、第1実施形態の第1空気予熱部32に代えて燃料予熱部36を設けたが、第1空気予熱部32に加えて燃料予熱部36を設けてもよい。 Further, in the present embodiment, the fuel preheating unit 36 is provided instead of the first air preheating unit 32 of the first embodiment, but the fuel preheating unit 36 may be provided in addition to the first air preheating unit 32.
また、本実施形態でも、第1実施形態と同様に、燃料電池システム10Cに、更に、図7に示されるように、ラジエータ50を設けてもよい。ラジエータ50は、アノードオフガス管P7の燃料予熱部36と燃料再生部22の間から分岐された外部冷却管P8と接続されている。 Also in this embodiment, as in the first embodiment, the fuel cell system 10C may be further provided with a radiator 50 as shown in FIG. 7. The radiator 50 is connected to an external cooling pipe P8 that is branched from between the fuel preheating unit 36 of the anode offgas pipe P7 and the fuel regeneration unit 22.
また、本実施形態では、第1燃料電池セルスタック16に加えて、第2燃料電池セルスタック18を備えた、所謂多段式の燃料電池システムについて説明したが、本発明は、図8に示される、所謂循環式の燃料電池システム10Dのように構成することもできる。 Further, in the present embodiment, the so-called multi-stage fuel cell system including the second fuel cell stack 18 in addition to the first fuel cell stack 16 has been described, but the present invention is shown in FIG. 8. The fuel cell system 10D may be configured as a so-called circulation type fuel cell system.
[第3実施形態]
次に、本発明の第3実施形態について説明する。本実施形態では、第1、第2実施形態と同様の部分については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the same parts as those in the first and second embodiments are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
図9に示されるように、本実施形態の燃料電池システム10Eは、第1空気予熱部32に代えて、排ガス熱交換部38を有している。 As shown in FIG. 9, the fuel cell system 10E of the present embodiment has an exhaust gas heat exchange section 38 instead of the first air preheating section 32.
アノードオフガス管P7は、第1熱交換部30の下流側で排ガス熱交換部38を経由し、燃料再生部22と接続されている。燃焼排ガス管P10は、第2空気予熱部34、気化器12、及び排ガス熱交換部38を順に経由し、燃料電池システム10Dの外部へ開放されている。排ガス熱交換部38では、第2空気予熱部34及び気化器12での熱交換により冷却された燃焼排ガスとアノードオフガスとの間で熱交換が行われ、アノードオフガスが冷却される。燃焼排ガスは、排ガス熱交換部38において熱交換が行われた後、外部(燃料電池システム10Eの系外)に排出される。排ガス熱交換部38は、燃焼排ガスが燃料電池システム10Eの系外に排出される直前の熱交換部である。 The anode off-gas pipe P7 is connected to the fuel regeneration unit 22 via the exhaust gas heat exchange unit 38 on the downstream side of the first heat exchange unit 30. The combustion exhaust gas pipe P10 is opened to the outside of the fuel cell system 10D via the second air preheating unit 34, the vaporizer 12, and the exhaust gas heat exchange unit 38 in this order. In the exhaust gas heat exchange section 38, heat is exchanged between the combustion exhaust gas cooled by the heat exchange in the second air preheating section 34 and the vaporizer 12 and the anode off gas, and the anode off gas is cooled. The combustion exhaust gas is discharged to the outside (outside the system of the fuel cell system 10E) after heat exchange is performed in the exhaust gas heat exchange section 38. The exhaust gas heat exchange section 38 is a heat exchange section immediately before the combustion exhaust gas is discharged to the outside of the fuel cell system 10E.
本実施形態の燃料電池システム10Eでは、システム内の燃焼排ガス管P10内を流れる冷却後の燃焼排ガスと第1アノード16Aから排出されたアノードオフガスとが熱交換される。したがって、第1熱交換部30のみで熱交換を行ってアノードオフガスを冷却する場合と比較して、アノードオフガスの温度を低下させることができる。これにより、効率的にアノードオフガス中の水蒸気を凝縮させることができる。 In the fuel cell system 10E of the present embodiment, heat exchange is performed between the cooled combustion exhaust gas flowing in the combustion exhaust gas pipe P10 in the system and the anode off gas discharged from the first anode 16A. Therefore, the temperature of the anode off-gas can be reduced as compared with the case where the heat is exchanged only by the first heat exchange unit 30 to cool the anode off-gas. Thereby, the water vapor in the anode off gas can be efficiently condensed.
また、熱交換に用いられる燃焼排ガスは、燃焼排ガス管P10を流れるので、システム系内の配管を用いることができ、新たな外部配管を必要とせず、システムの部品点数の増加を抑制することができる。 Further, since the combustion exhaust gas used for heat exchange flows through the combustion exhaust gas pipe P10, it is possible to use the piping in the system system, a new external piping is not required, and an increase in the number of parts of the system can be suppressed. it can.
なお、本実施形態では、第1熱交換部30のアノードオフガス管P7の下流側に排ガス熱交換部38を配置したが、図10に示されるように、排ガス熱交換部38を、第1熱交換部30のアノードオフガス経路上流側に設置してもよい。 In the present embodiment, the exhaust gas heat exchange section 38 is arranged on the downstream side of the anode offgas pipe P7 of the first heat exchange section 30, but as shown in FIG. It may be installed on the upstream side of the anode off-gas passage of the exchange unit 30.
また、本実施形態では、第1実施形態の第1空気予熱部32に代えて排ガス熱交換部38を設けたが、第1空気予熱部32に加えて排ガス熱交換部38を設けてもよい。さらに、第2実施形態の燃料予熱部36に加えて、排ガス熱交換部38を設けてもよい。さらに、第1空気予熱部32、第2実施形態の燃料予熱部36、排ガス熱交換部38の全てを設けても良い。 Further, in the present embodiment, the exhaust gas heat exchange section 38 is provided in place of the first air preheating section 32 of the first embodiment, but the exhaust gas heat exchange section 38 may be provided in addition to the first air preheating section 32. .. Further, an exhaust gas heat exchange section 38 may be provided in addition to the fuel preheating section 36 of the second embodiment. Further, all of the first air preheating unit 32, the fuel preheating unit 36 of the second embodiment, and the exhaust gas heat exchange unit 38 may be provided.
また、図11に示されるように、本実施形態の燃料電池システム10Eの排ガス熱交換部38の上流側に流量調整部48を設け、燃焼排ガスの一部を、第2流路P10Bへ分岐させ、排ガス熱交換部38を経由せずに外部へ放出させてもよい。この場合、流量調整部48から第1流路P10Aを経て排ガス熱交換部38へ流入する燃焼排ガスの量を調整することにより、アノードオフガスの温度を調整することができる。 Further, as shown in FIG. 11, a flow rate adjusting unit 48 is provided on the upstream side of the exhaust gas heat exchange unit 38 of the fuel cell system 10E of the present embodiment, and a part of the combustion exhaust gas is branched to the second flow path P10B. Alternatively, the heat may be released outside without passing through the exhaust gas heat exchange section 38. In this case, the temperature of the anode off-gas can be adjusted by adjusting the amount of the combustion exhaust gas flowing from the flow rate adjusting unit 48 into the exhaust gas heat exchange unit 38 via the first flow path P10A.
また、本実施形態の燃料電池システム10Eに、更に、図12に示されるように、ラジエータ50を設けてもよい。ラジエータ50は、アノードオフガス管P7の排ガス熱交換部38と燃料再生部22の間から分岐された外部冷却管P8と接続されている。 Further, the fuel cell system 10E of the present embodiment may be further provided with a radiator 50 as shown in FIG. The radiator 50 is connected to an external cooling pipe P8 that branches from between the exhaust gas heat exchange portion 38 of the anode off-gas pipe P7 and the fuel regeneration portion 22.
また、本実施形態では、第1燃料電池セルスタック16に加えて、第2燃料電池セルスタック18を備えた、所謂多段式の燃料電池システムについて説明したが、本発明は、図13に示される、所謂循環式の燃料電池システム10Fのように構成することもできる。 Further, in the present embodiment, the so-called multi-stage fuel cell system including the second fuel cell stack 18 in addition to the first fuel cell stack 16 has been described, but the present invention is shown in FIG. 13. Alternatively, the so-called circulation type fuel cell system 10F may be configured.
なお、本発明の燃料電池としては、固体酸化物形の燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)に限られるものではなく、他の燃料電池、例えば、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)であってもよい。 The fuel cell of the present invention is not limited to a solid oxide fuel cell (SOFC), and may be another fuel cell such as a molten carbonate fuel cell (MCFC). May be.
また、上記の第1〜第3実施形態では、原料ガスとして炭化水素燃料を用い、改質器14で炭化水素燃料を改質して燃料ガスを得たが、純水素を燃料として用いてもよい。この場合には、気化器12や改質器14が不要となり、純水素を直接燃料電池セルスタック16の第1アノード16Aへ供給する。 Further, in the above-described first to third embodiments, the hydrocarbon fuel is used as the raw material gas and the hydrocarbon fuel is reformed in the reformer 14 to obtain the fuel gas, but pure hydrogen may be used as the fuel. Good. In this case, the vaporizer 12 and the reformer 14 are unnecessary, and pure hydrogen is directly supplied to the first anode 16A of the fuel cell stack 16.
10A、10B、10C、10D、10E、10F 燃料電池システム
16 第1燃料電池セルスタック(燃料電池)
16A 第1アノード(燃料極)
16B 第1カソード(空気極)
18 第2燃料電池セルスタック(第2燃料電池)
20 燃焼部
22 燃料再生部
30 第1熱交換部
32 第1空気予熱部(空気予熱部)
34 第2空気予熱部
36 燃料予熱部
38 排ガス熱交換部
48 流量調整部(分岐部)
50 ラジエータ(冷却部)
P8 外部冷却管(冷却部)
P9−1 第1分岐管(再生燃料循環路)
P10 燃焼排ガス管
P10A 第1流路
P10B 第2流路
10A, 10B, 10C, 10D, 10E, 10F Fuel cell system 16 First fuel cell stack (fuel cell)
16A 1st anode (fuel electrode)
16B First cathode (air electrode)
18 Second Fuel Cell Stack (Second Fuel Cell)
20 Combustion Section 22 Fuel Regeneration Section 30 First Heat Exchange Section 32 First Air Preheating Section (Air Preheating Section)
34 2nd air preheating part 36 Fuel preheating part 38 Exhaust gas heat exchange part 48 Flow rate adjustment part (branch part)
50 radiator (cooling unit)
P8 External cooling pipe (cooling unit)
P9-1 First branch pipe (recycled fuel circuit)
P10 Combustion exhaust gas pipe P10A First flow path P10B Second flow path
Claims (8)
前記アノードオフガスが流入され、前記アノードオフガス中の水が凝縮により分離されて貯留されると共に、水が分離された後のアノードオフガスを再生燃料ガスとして送出する燃料再生部と、
前記再生燃料ガスと前記アノードオフガスとの間で熱交換を行う第1熱交換部と、
前記燃料再生部及び前記第1熱交換部よりも上流側の前記アノードオフガスと前記空気との間で熱交換を行う空気予熱部と、
を備えた燃料電池システム。 A fuel cell in which power is generated by the fuel gas supplied to the fuel electrode and the air supplied to the air electrode, and the anode off gas is discharged from the fuel electrode;
A fuel regenerator that inflows the anode off-gas, separates and stores the water in the anode off-gas by condensation, and sends out the anode off-gas after the water is separated as regenerated fuel gas;
A first heat exchanging section for exchanging heat between the regenerated fuel gas and the anode off gas;
An air preheating unit for exchanging heat between the air and the anode offgas upstream of the fuel regeneration unit and the first heat exchange unit ;
Fuel cell system equipped with.
前記空気予熱部で熱交換された空気と前記燃焼部から排出された燃焼排ガスとの間で熱交換を行う第2空気予熱部と、
を備えた、請求項1に記載の燃料電池システム。 A combustion unit that burns combustible gas,
A second air preheating unit that performs heat exchange between the air that has undergone heat exchange in the air preheating unit and the combustion exhaust gas that has been discharged from the combustion unit;
The fuel cell system according to claim 1, further comprising:
前記アノードオフガスが流入され、前記アノードオフガス中の水が凝縮により分離されて貯留されると共に、水が分離された後のアノードオフガスを再生燃料ガスとして送出する燃料再生部と、
前記再生燃料ガスと前記アノードオフガスとの間で熱交換を行う第1熱交換部と、
前記燃料再生部及び前記第1熱交換部よりも上流側の前記アノードオフガスと前記燃料ガスとの間で熱交換を行う燃料予熱部と、
を備えた燃料電池システム。 A fuel cell in which power is generated by the fuel gas supplied to the fuel electrode and the air supplied to the air electrode, and the anode off gas is discharged from the fuel electrode;
A fuel regenerator that inflows the anode off-gas, separates and stores the water in the anode off-gas by condensation, and sends out the anode off-gas after the water is separated as regenerated fuel gas;
A first heat exchanging section for exchanging heat between the regenerated fuel gas and the anode off gas;
A fuel preheating unit for exchanging heat between the fuel gas and the anode off-gas upstream of the fuel regeneration unit and the first heat exchange unit ;
Fuel cell system equipped with.
前記アノードオフガスが流入され、前記アノードオフガス中の水が凝縮により分離されて貯留されると共に、水が分離された後のアノードオフガスを再生燃料ガスとして送出する燃料再生部と、
可燃ガスを燃焼させる燃焼部と、
前記再生燃料ガスと前記アノードオフガスとの間で熱交換を行う第1熱交換部と、
前記燃料再生部よりも上流側で前記アノードオフガスと、前記燃焼部から排出された後に熱交換により冷却された燃焼排ガスとの間で熱交換を行う排ガス熱交換部と、
を備えた燃料電池システム。 A fuel cell in which power is generated by the fuel gas supplied to the fuel electrode and the air supplied to the air electrode, and the anode off gas is discharged from the fuel electrode;
A fuel regenerator that inflows the anode off-gas, separates and stores the water in the anode off-gas by condensation, and sends out the anode off-gas after the water is separated as regenerated fuel gas;
A combustion unit that burns combustible gas,
A first heat exchanging section for exchanging heat between the regenerated fuel gas and the anode off gas;
The anode off-gas on the upstream side of the fuel regeneration section, and an exhaust gas heat exchange section for performing heat exchange between the combustion exhaust gas cooled by heat exchange after being discharged from the combustion section,
Fuel cell system equipped with.
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