JP2015179582A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、炭化水素を含む原料から硫黄成分を除去する水添脱硫器を備えた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system including a hydrodesulfurizer that removes a sulfur component from a raw material containing hydrocarbons.
原料として炭化水素が供給される燃料電池システムでは、炭化水素を改質して得られた水素含有ガス(改質ガス)を燃料として発電する。この原料の改質には、例えば、水蒸気を用いた水蒸気改質を利用することができる。また、水蒸気改質の促進のために水蒸気改質触媒を用いるが、原料中に含まれる付臭剤または硫黄化合物などの硫黄成分によって水蒸気改質触媒が劣化してしまう恐れがある。そこで、水蒸気改質触媒の劣化を抑制するために、硫黄成分を除去した原料を水蒸気改質触媒に供給することが一般的である。 In a fuel cell system in which hydrocarbons are supplied as a raw material, power is generated using hydrogen-containing gas (reformed gas) obtained by reforming hydrocarbons as fuel. For reforming the raw material, for example, steam reforming using steam can be used. Moreover, although a steam reforming catalyst is used for promoting steam reforming, the steam reforming catalyst may be deteriorated by a sulfur component such as an odorant or a sulfur compound contained in the raw material. Therefore, in order to suppress degradation of the steam reforming catalyst, it is common to supply the raw material from which the sulfur component has been removed to the steam reforming catalyst.
硫黄成分を除去する方式としては吸着脱硫と水添脱硫との2種類が主に利用されている。水添脱硫を利用する場合、硫黄成分を水素化させる水添反応を進行させるため、水添脱硫器よりも上流側で水素を原料に添加する必要がある。そこで、原料に水素を添加させるために、改質反応で発生した水素の一部(改質ガスの一部)を水添脱硫器の上流側に戻す構成が提案されている。水蒸気改質触媒を充填した改質器の出口部分から水添脱硫器の上流側に改質ガスを戻す構成としては、例えば、リサイクル経路にフィードポンプを備え、このフィードポンプにより水素を圧送する構成がある。また、リサイクル経路にフィードポンプなどを設けることなく、自圧により水素を戻すことができる構成も提案されている(例えば、特許文献1、2)。 As a method for removing the sulfur component, two types of adsorption desulfurization and hydrodesulfurization are mainly used. When hydrodesulfurization is used, it is necessary to add hydrogen to the raw material upstream of the hydrodesulfurizer in order to advance a hydrogenation reaction that hydrogenates sulfur components. Therefore, a configuration has been proposed in which a part of hydrogen generated in the reforming reaction (a part of the reformed gas) is returned to the upstream side of the hydrodesulfurizer in order to add hydrogen to the raw material. As the configuration for returning the reformed gas from the outlet portion of the reformer filled with the steam reforming catalyst to the upstream side of the hydrodesulfurizer, for example, a configuration is provided in which a feed pump is provided in the recycling path, and hydrogen is pumped by this feed pump. There is. Moreover, the structure which can return hydrogen by self-pressure, without providing a feed pump etc. in a recycle path | route is proposed (for example, patent document 1, 2).
特許文献1では、図8に示すように、改質器103とセルスタック104との間にある循環流路分岐部G1から改質ガスの一部を、循環流路(リサイクル経路)105を通じて水素含有原料供給経路101におけるフィードポンプPの上流側に合流させる燃料電池システムが提案されている。ここで、水素含有原料供給経路101における循環流路合流部G2の上流側に第1圧力低下部108を設けることで、循環流路分岐部G1の圧力が循環流路合流部G2よりも高くなるように構成している。
In Patent Document 1, as shown in FIG. 8, a part of the reformed gas is supplied from the circulation flow path branching section G1 between the
この特許文献1に開示された構成の場合、循環流路105の経路中に改質ガスを圧送するためのポンプを設ける必要なく、低コスト化を実現しつつ改質ガスをフィードポンプPの上流側に戻すことが可能となる。
In the case of the configuration disclosed in Patent Document 1, it is not necessary to provide a pump for pumping the reformed gas in the path of the
また、特許文献2では図9に示すように、改質器205で生成した改質ガスの一部を、リサイクルガス流路(リサイクル経路)208を通じて、ガス配管201から導入された原料に添加する燃料電池発電システムが開示されている。そして、改質ガスが添加された原料は、燃料ブロア203を経て水添脱硫器204に導入されるように構成されている。特許文献2に係る燃料電池発電システムでは、燃料ブロア203の上流側に圧力調整オリフィス214が設けられている。このため、燃料ブロア203に供給されるガスの圧力をこの圧力調整オリフィス214により調整することができ、特許文献1に係る燃料電池システムと同様に、リサイクルガス流路208に改質ガスを圧送するためのポンプを設ける必要なく、改質ガスを燃料ブロア203の上流側に戻すことができる。
In
ところで、水添脱硫を効果的に行なうためには、水添脱硫反応に必要な流量の水素を安定的に水添脱硫器に供給させる必要がある。しかしながら、特許文献1および特許文献2に開示された従来の燃料電池システムでは、燃料電池発電部の発電が低出力発電のとき、リサイクル経路を流通する改質ガスの流量がばらつくことなく、該改質ガスを安定的に水添脱硫器の上流側に供給させることが困難であるという問題がある。
By the way, in order to effectively perform hydrodesulfurization, it is necessary to stably supply hydrogen at a flow rate necessary for the hydrodesulfurization reaction to the hydrodesulfurizer. However, in the conventional fuel cell systems disclosed in Patent Document 1 and
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池発電部の発電が低出力発電の場合であってもリサイクル経路を通じて改質ガスを水添脱硫器に安定的に供給することができる燃料電池システムを提供する。 The present invention has been made in view of such circumstances, and stably supplies the reformed gas to the hydrodesulfurizer through the recycling path even when the power generation of the fuel cell power generation unit is low power generation. A fuel cell system is provided.
本発明に係る燃料電池システムは、上記した課題を解決するために、供給された燃料と空気とを利用して発電反応により発電する燃料電池発電部と、原料を供給する原料供給部と、前記原料供給部から供給された前記原料に含まれる硫黄成分を除去する水添脱硫器と、前記水添脱硫器により硫黄成分が除去された前記原料から前記燃料となる改質ガスを生成する改質器と、前記改質器により生成された改質ガスを前記燃料電池発電部に供給するとともに、該燃料電池発電部から排気された排気ガスを外部に導く経路であるガス経路と、前記ガス経路から分岐し、該ガス経路中を流通する前記改質器で生成された改質ガスの一部を、前記水添脱硫器の上流側に導くための経路であるリサイクル経路と、前記ガス経路から前記リサイクル経路が分岐する分岐部よりも該ガス経路における下流部分で生じる圧力損失を変化させるように制御する圧力損失制御ユニットと、を備える。 In order to solve the above-described problem, a fuel cell system according to the present invention uses a supplied fuel and air to generate power by a power generation reaction, a fuel cell power generation unit that supplies raw materials, A hydrodesulfurizer that removes the sulfur component contained in the raw material supplied from the raw material supply unit, and a reformer that generates a reformed gas that serves as the fuel from the raw material from which the sulfur component has been removed by the hydrodesulfurizer And a gas path that is a path for supplying the reformed gas generated by the reformer to the fuel cell power generation unit and leading the exhaust gas exhausted from the fuel cell power generation unit to the outside, and the gas path A part of the reformed gas generated by the reformer branching from the gas path and leading to the upstream side of the hydrodesulfurizer, and from the gas path The recycling route is The branch unit to and a pressure loss control unit performs control so as to change the pressure loss produced in a downstream portion of the gas path.
本発明に係る燃料電池システムは、以上に説明したように構成され、燃料電池発電部の発電が低出力発電の場合であってもリサイクル経路を通じて改質ガスを水添脱硫器に安定的に供給することができるという効果を奏する。 The fuel cell system according to the present invention is configured as described above, and stably supplies the reformed gas to the hydrodesulfurizer through the recycling path even when the power generation of the fuel cell power generation unit is low power generation. There is an effect that can be done.
(本発明の一形態を得るに至った経緯)
本発明者は「背景技術」にて記載した特許文献1、2に開示された従来の燃料電池システムに関して鋭意研究したところ、従来の燃料電池システムでは燃料電池の低出力発電時に、リサイクル経路を流通させる改質ガスの流量がばらつくことなく、該改質ガスを安定的に水添脱硫器に供給させることができないという問題が生じる可能性があることを見出した。そして、本発明者はこの問題点に関し、検討を重ねた結果、以下の知見を得た。
(Background to obtaining one embodiment of the present invention)
The present inventor conducted intensive research on the conventional fuel cell system disclosed in
燃料電池システムにおいて電力負荷は常時一定ではなく、電力使用量の小さい夜間などでは電力負荷は低負荷となる。そして、電力負荷が低負荷となり燃料電池発電部の発電出力が通常時の出力よりも低い低出力発電時では、供給される原料の流量が通常運転時よりも小さくなる。このため低出力発電時では、ガス経路からリサイクル経路が分岐する分岐部(例えば、特許文献1における循環流路分岐部G1)を流れる改質ガスの圧力が通常運転時よりも小さくなる。 In the fuel cell system, the power load is not always constant, and the power load is low at night when the power consumption is small. When the power load is low and the power generation output of the fuel cell power generation unit is low power generation lower than the normal output, the flow rate of the supplied raw material is smaller than that during normal operation. For this reason, at the time of low power generation, the pressure of the reformed gas flowing through the branch part (for example, the circulation flow path branch part G1 in Patent Document 1) where the recycle path branches from the gas path becomes smaller than that during normal operation.
そこで、特許文献1および特許文献2に開示された従来の燃料電池システムでは、リサイクル経路を介して戻された改質ガスが原料と合流する部分(例えば、特許文献1における循環流路合流部G2)の圧力を、第1圧力低下部108または圧力調整オリフィス214などを制御して、通常運転時よりもさらに低下させる必要がある。しかしながら、減圧量が大きくなると、第1圧力低下部108または圧力調整オリフィス214の制御が困難となる。そのため、リサイクル経路を流通する改質ガス流量がばらつき、改質ガスを安定的に水添脱硫器に供給することができないという問題が生じる。
Therefore, in the conventional fuel cell systems disclosed in Patent Document 1 and
これらの知見に基づいて、本発明者らは、改質器と燃料電池発電部との間のガス経路部分からリサイクル経路が分岐する分岐部(特許文献1における循環流路分岐部G1)の圧力を上昇させることで、低出力発電の場合であってもリサイクル経路を通じて改質ガスを水添脱硫器に安定的に供給することができることを見出し、本発明に至った。そして、本発明では以下に示す態様を提供する。 Based on these findings, the present inventors have determined the pressure of the branch part (circulation flow path branch part G1 in Patent Document 1) where the recycle path branches from the gas path part between the reformer and the fuel cell power generation part. As a result, it has been found that the reformed gas can be stably supplied to the hydrodesulfurizer through the recycling path even in the case of low power generation. And in this invention, the aspect shown below is provided.
本発明の第1の態様に係るに係る燃料電池システムは、供給された燃料と空気とを利用して発電反応により発電する燃料電池発電部と、原料を供給する原料供給部と、前記原料供給部から供給された前記原料に含まれる硫黄成分を除去する水添脱硫器と、前記水添脱硫器により硫黄成分が除去された前記原料から前記燃料となる改質ガスを生成する改質器と、前記改質器により生成された改質ガスを前記燃料電池発電部に供給するとともに、該燃料電池発電部から排気された排気ガスを外部に導く経路であるガス経路と、前記ガス経路から分岐し、該ガス経路中を流通する前記改質器で生成された改質ガスの一部を、前記水添脱硫器の上流側に導くための経路であるリサイクル経路と、前記ガス経路から前記リサイクル経路が分岐する分岐部よりも該ガス経路における下流部分で生じる圧力損失を変化させるように制御する圧力損失制御ユニットと、を備える。 A fuel cell system according to a first aspect of the present invention includes a fuel cell power generation unit that generates power by a power generation reaction using supplied fuel and air, a raw material supply unit that supplies a raw material, and the raw material supply A hydrodesulfurizer that removes a sulfur component contained in the raw material supplied from the section, and a reformer that generates a reformed gas serving as the fuel from the raw material from which the sulfur component has been removed by the hydrodesulfurizer , Supplying a reformed gas generated by the reformer to the fuel cell power generation unit, and a gas path that is a path for guiding exhaust gas exhausted from the fuel cell power generation unit to the outside, and a branch from the gas path A part of the reformed gas generated in the reformer that circulates in the gas path, a recycle path that is a path for guiding the reformed gas upstream to the hydrodesulfurizer, and the recycle from the gas path. Branch part where the route branches And a pressure loss control unit performs control so as to change the pressure loss produced in the downstream portion in Rimo該 gas path.
上記構成によると、圧力損失制御ユニットを有するため、ガス経路において分岐部よりも下流部分で生じる圧力損失を変化させることができる。ここでガス経路において分岐部よりも下流部分において圧力損失を増大させると、この圧力損失を増大させた部分よりも上流側、すなわち分岐部における圧力を大きくすることができる。このように、分岐部の圧力を増大させることができる。このため、リサイクル経路において分岐部の圧力と、水添脱硫器の上流側であり、このリサイクル経路を通じて改質ガスが導かれガス経路と合流する部分(合流部分)の圧力との差を増大させることができる。 According to the above configuration, since the pressure loss control unit is provided, the pressure loss generated in the downstream portion of the gas path can be changed. Here, when the pressure loss is increased in the downstream portion of the gas path from the branch portion, the pressure in the upstream side, that is, the branch portion can be increased from the portion where the pressure loss is increased. In this way, the pressure at the branch portion can be increased. For this reason, the difference between the pressure at the branching portion in the recycling path and the pressure at the upstream side of the hydrodesulfurizer and where the reformed gas is guided through the recycling path and merges with the gas path (merging portion) is increased. be able to.
このため、低出力発電時のように分岐部における圧力が低くなるような場合であっても、リサイクル経路における上記した圧力差を確保することができる。 For this reason, even if it is a case where the pressure in a branch part becomes low like the time of low output electric power generation, the above-mentioned pressure difference in a recycling route is securable.
よって、本発明に係る燃焼電池システムは、燃料電池発電部の発電が低出力発電の場合であってもリサイクル経路を通じて改質ガスを水添脱硫器に安定的に供給することができるという効果を奏する。 Therefore, the combustion cell system according to the present invention has an effect that the reformed gas can be stably supplied to the hydrodesulfurizer through the recycling path even when the power generation of the fuel cell power generation unit is low power generation. Play.
また、本発明の第2の態様に係る燃料電池システムは、上記した第1の態様において、前記圧力損失制御ユニットは、前記分岐部における圧力の変化に応じて、前記ガス経路における前記分岐部よりも下流部分で生じる圧力損失を変化させるように制御するように構成されていてもよい。 The fuel cell system according to a second aspect of the present invention is the fuel cell system according to the first aspect described above, wherein the pressure loss control unit is configured by the branch portion in the gas path according to a change in pressure in the branch portion. Alternatively, the pressure loss generated in the downstream portion may be controlled to change.
上記構成によると、圧力損失制御ユニットは、分岐部における圧力の変化に応じて、この分岐部よりも下流部分で生じる圧力損失を変化させることができる。このため、例えば、低出力発電時において分岐部の圧力が低下するような場合であっても、圧力損失制御ユニットが、ガス経路において分岐部よりも下流部分で生じる圧力損失を大きくすることで、リサイクル経路において分岐部の圧力と、水添脱硫器の上流側であり、このリサイクル経路を通じて改質ガスが導かれ原料経路と合流する部分(合流部分)における圧力との差を保つことができる。 According to the said structure, the pressure loss control unit can change the pressure loss which arises in a downstream part rather than this branch part according to the change of the pressure in a branch part. For this reason, for example, even in the case where the pressure of the branch portion decreases during low-power power generation, the pressure loss control unit increases the pressure loss generated in the downstream portion of the branch portion in the gas path, It is possible to keep the difference between the pressure at the branch portion in the recycle path and the pressure at the upstream side of the hydrodesulfurizer, where the reformed gas is guided through this recycle path and merges with the raw material path (merging section).
また、本発明の第3の態様に係る燃料電池システムは、上記した第1または第2の態様において、前記原料供給部は、前記原料を昇圧し前記水添脱硫器に供給する原料昇圧部であってもよい。 In the fuel cell system according to the third aspect of the present invention, in the first or second aspect described above, the raw material supply unit is a raw material pressure increase unit that pressurizes the raw material and supplies the raw material to the hydrodesulfurizer. There may be.
上記構成によると、原料供給部が原料昇圧部である。このため、原料昇圧部の動力を利用して、分岐部における圧力と、リサイクル経路を通じて改質ガスが導かれ原料経路と合流する部分における圧力との差を生じ易くすることができる。 According to the above configuration, the raw material supply unit is the raw material boosting unit. For this reason, it is possible to easily generate a difference between the pressure at the branching portion and the pressure at the portion where the reformed gas is guided through the recycling path and merges with the raw material path by using the power of the raw material boosting section.
また、本発明の第4の態様に係る燃料電池システムは、上記した第3の態様において、前記リサイクル経路は、前記原料昇圧部に供給され該原料昇圧部から前記水添脱硫器に送出される原料が流通する原料経路において、該原料昇圧部の入口側に前記改質ガスを流通させるように構成されていてもよい。 The fuel cell system according to a fourth aspect of the present invention is the fuel cell system according to the third aspect described above, wherein the recycling path is supplied to the raw material booster and is sent from the raw material booster to the hydrodesulfurizer. In the raw material path | route through which a raw material distribute | circulates, it may be comprised so that the said reformed gas may be distribute | circulated to the inlet side of this raw material pressure | voltage rise part.
上記構成によると、原料昇圧部の入口側の圧力は低下させられるため、分岐部における圧力と、リサイクル経路を通じて改質ガスが導かれる水添脱硫器の上流側部分における圧力との差を生じ易くすることができる。 According to the above configuration, since the pressure on the inlet side of the raw material boosting portion is reduced, a difference between the pressure in the branch portion and the pressure in the upstream portion of the hydrodesulfurizer where the reformed gas is guided through the recycling path is likely to occur. can do.
また、本発明の第5の態様に係る燃料電池システムは、上記した第3の態様において、前記原料昇圧部に供給され該原料昇圧部から前記水添脱硫器に送出される原料が流通する原料経路において、該原料昇圧部の出口側に前記改質ガスを吸引するためのエジェクタを備え、前記リサイクル経路は、前記エジェクタに接続されるように構成されていてもよい。 In the fuel cell system according to the fifth aspect of the present invention, in the third aspect described above, the raw material that is supplied to the raw material pressurizer and from which the raw material sent from the raw material pressurizer to the hydrodesulfurizer circulates is provided. In the path, an ejector for sucking the reformed gas may be provided on the outlet side of the raw material booster, and the recycling path may be configured to be connected to the ejector.
上記構成によると、エジェクタによりリサイクル経路を流通する改質ガスを吸引する構成とすることで、エジェクタの吸引部の圧力が低いため、分岐部における圧力との差圧を生じやすくすることができる。 According to the above configuration, since the pressure of the suction portion of the ejector is low by adopting a configuration in which the reformed gas flowing through the recycling path is sucked by the ejector, a differential pressure from the pressure at the branch portion can be easily generated.
また、本発明の第6の態様に係る燃料電池システムは、上記した第4または第5の態様において、前記原料経路において、該原料経路を流通する前記原料と前記リサイクル経路を流通する前記改質ガスとが合流する合流部の上流側に設けられ、該合流部における圧力を低下させるための第1圧力低下部を備えるように構成されていてもよい。 The fuel cell system according to a sixth aspect of the present invention is the above-described fourth or fifth aspect, wherein the reforming that circulates the raw material that flows through the raw material path and the recycling path in the raw material path. It may be configured to include a first pressure reduction unit that is provided on the upstream side of the merge part where the gas merges and that reduces the pressure in the merge part.
上記構成によると、第1圧力低下部を備えるため、合流部の圧力を低下させることができる。このように、第1圧力低下部によって合流部の圧力を下げることができるため、分岐部において増大させる圧力の大きさを抑制させることができる。このため、圧力損失制御ユニットによるガス経路における圧力損失の増大を適正な範囲内に抑制しつつ、分岐部における圧力と合流部における圧力との差を適切に確保することができる。 According to the said structure, since the 1st pressure reduction part is provided, the pressure of a confluence | merging part can be reduced. Thus, since the pressure of the confluence portion can be lowered by the first pressure reduction portion, the magnitude of the pressure to be increased at the branch portion can be suppressed. For this reason, the difference of the pressure in a branch part and the pressure in a confluence | merging part can be ensured appropriately, suppressing the increase in the pressure loss in the gas path | route by a pressure loss control unit in the appropriate range.
また、本発明の第7の態様に係る燃料電池システムは、上記した第1から第6の態様のいずれか1つの態様において、前記燃料電池発電部で未利用の前記燃料を燃焼させて燃焼排ガスを発生させる燃焼部を備え、前記圧力損失制御ユニットは、前記ガス経路において、前記燃焼部により発生した燃焼排ガスが流通する経路部分である排ガス経路の圧力損失を変化させるように構成されていてもよい。 The fuel cell system according to a seventh aspect of the present invention is the fuel cell system according to any one of the first to sixth aspects, wherein the unused fuel is burned in the fuel cell power generation unit. The pressure loss control unit may be configured to change the pressure loss of the exhaust gas path, which is the path part through which the combustion exhaust gas generated by the combustion part flows, in the gas path. Good.
上記構成によると、圧力損失制御ユニットは、排ガス経路の圧力損失を変化させるように構成されている。 According to the above configuration, the pressure loss control unit is configured to change the pressure loss of the exhaust gas path.
ここで、排ガス経路は、ガス経路において燃料電池発電部および燃焼部よりも後段(下流側)部分の経路である。このため、例えば、圧力損失制御ユニットが排ガス経路に空気などの流体を供給し、排ガス経路で生じる圧力損失を変化させる構成の場合であっても、流体を供給することにより生じる燃料電池発電部の性能および燃焼部での燃焼特性への影響を抑制することができる。 Here, the exhaust gas path is a path in the downstream (downstream side) portion of the gas path from the fuel cell power generation unit and the combustion unit. Therefore, for example, even when the pressure loss control unit is configured to supply a fluid such as air to the exhaust gas path and change the pressure loss generated in the exhaust gas path, The influence on performance and combustion characteristics in the combustion section can be suppressed.
また、本発明の第8の態様に係る燃料電池システムは、上記した第7の態様において、前記排ガス経路に空気を供給するための空気供給経路を備え、前記圧力損失制御ユニットは、前記空気供給経路を流通する空気の流量を調整することにより前記排ガス経路において生じる圧力損失を変化させるように制御する構成であってもよい。 The fuel cell system according to an eighth aspect of the present invention is the fuel cell system according to the seventh aspect described above, further comprising an air supply path for supplying air to the exhaust gas path, and the pressure loss control unit includes the air supply The configuration may be such that the pressure loss generated in the exhaust gas path is changed by adjusting the flow rate of the air flowing through the path.
上記構成によると圧力損失制御ユニットは、空気供給経路を流通する空気を排ガス経路に供給させるといった簡易な構成によって、この排ガス経路において生じる圧力損失の変化を制御することができる。 According to the above configuration, the pressure loss control unit can control a change in pressure loss that occurs in the exhaust gas path with a simple configuration in which the air flowing through the air supply path is supplied to the exhaust gas path.
また、本発明の第9の態様に係る燃料電池システムは、上記した第8の態様において、前記排ガス経路に設けられ、前記燃焼部で発生した燃焼排ガスを凝縮させ得られた凝縮水を回収する凝縮水回収部を備え、前記空気供給経路は前記排ガス経路における前記凝縮水回収部の下流側に連結されるように構成されていてもよい。 A fuel cell system according to a ninth aspect of the present invention, in the eighth aspect described above, collects condensed water that is provided in the exhaust gas path and that is obtained by condensing the combustion exhaust gas generated in the combustion section. A condensed water recovery part may be provided, and the air supply path may be configured to be connected to the downstream side of the condensed water recovery part in the exhaust gas path.
上記構成によると、前記空気供給経路が前記排ガス経路における前記凝縮水回収部の下流側に連結される構成であるため、燃焼排ガスの露点を下げることなく空気の供給が可能となる。また、燃焼排ガスの露点が高く維持された状態で凝縮水回収部は凝縮水を回収するため燃焼排ガス中の水回収を容易とし、燃料電池システムにおける水自立運転を実現することができる。 According to the above configuration, since the air supply path is connected to the downstream side of the condensed water recovery unit in the exhaust gas path, air can be supplied without lowering the dew point of the combustion exhaust gas. Further, since the condensed water recovery unit recovers the condensed water while the dew point of the combustion exhaust gas is kept high, it is easy to recover the water in the combustion exhaust gas, and water self-sustained operation in the fuel cell system can be realized.
また、本発明の第10の態様に係る燃料電池システムは、上記した第7の態様において、前記ガス経路における前記分岐部よりも下流部分で生じる圧力損失の大きさを調整するための調整弁を備え、前記圧力損失制御ユニットは、前記調整弁の開閉により、生じる圧力損失の大きさを変化させるように制御する構成であってもよい。 The fuel cell system according to a tenth aspect of the present invention is the fuel cell system according to the seventh aspect described above, further comprising an adjustment valve for adjusting the magnitude of the pressure loss generated in the downstream portion of the gas path from the branch portion. The pressure loss control unit may be configured to control so as to change the magnitude of the generated pressure loss by opening and closing the regulating valve.
なお、このような調整弁を排ガス経路に設ける構成とした場合、燃焼部の燃焼熱により高温となる位置を避けて調整弁を配置することが可能となり、調整弁の耐久性を高めることができる。 In addition, when it is set as the structure which provides such an adjustment valve in an exhaust gas path, it becomes possible to arrange | position an adjustment valve avoiding the position which becomes high temperature with the combustion heat of a combustion part, and can improve durability of an adjustment valve. .
また、本発明の第11の態様に係る燃料電池システムは、上記した第1から第10の態様において、前記リサイクル経路を流通する前記改質ガスの流量を調整するために、該リサイクル経路の圧力を低下させる第2圧力低下部を備えるように構成されていてもよい。 The fuel cell system according to an eleventh aspect of the present invention is the fuel cell system according to any one of the first to tenth aspects described above, in order to adjust the flow rate of the reformed gas flowing through the recycle path. It may be constituted so that the 2nd pressure reduction part which lowers may be provided.
上記構成によると、第2圧力低下部を備えるため、電力負荷の変動等によって、リサイクル経路における分岐部と合流部との間における差圧変動が大きくなる場合であっても、リサイクル経路を流通させる改質ガスの流量を安定させることができる。 According to the above configuration, since the second pressure reduction unit is provided, the recycling path is made to circulate even when the differential pressure fluctuation between the branching part and the joining part in the recycling path becomes large due to fluctuations in the power load or the like. The flow rate of the reformed gas can be stabilized.
また、本発明の第12の態様に係る燃料電池システムは、上記した第1から第11の態様において、前記リサイクル経路を流通する前記改質ガス中の水分を凝縮する凝縮部を備えるように構成されていてもよい。 A fuel cell system according to a twelfth aspect of the present invention includes the condensing unit for condensing moisture in the reformed gas flowing through the recycling path in the first to eleventh aspects. May be.
上記構成によると、凝縮部を備えるため、リサイクル経路での水つまりや、凝縮水に起因してリサイクル経路で生じる圧力損失変動を抑制できる。このため、リサイクル経路を流通させる改質ガス流量を安定させ、かつ改質ガスの供給先にある例えば原料供給部などの各部に水分が混入し、故障してしまうことを防止することができる。 According to the said structure, since a condensation part is provided, the pressure loss fluctuation | variation which arises in the recycle path | route resulting from the water in a recycle path | route, ie, condensed water, can be suppressed. For this reason, it is possible to stabilize the flow rate of the reformed gas flowing through the recycle path and prevent the water from being mixed into each part of the reformed gas supply destination, such as the raw material supply unit, and failing.
以下、実施の形態の具体例について、図面を参照して説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一または対応する構成部材には同一の参照符号を付して、その説明については省略する場合がある。 Hereinafter, specific examples of the embodiments will be described with reference to the drawings. In the following description, the same or corresponding components are denoted by the same reference symbols throughout the drawings, and the description thereof may be omitted.
(燃料電池システムの構成)
図1を参照して本発明の実施の形態に係る燃料電池システム100の構成について説明する。図1は、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム100の構成の一例を示した模式図である。
(Configuration of fuel cell system)
A configuration of a
図1に示すように、燃料電池システム100は、燃料電池発電部2と、改質器3と、水添脱硫器4と、本発明の原料供給部として機能する原料昇圧部5と、燃焼部6と、改質空気ポンプ16と、制御部90とを備えた構成である。また、燃料電池システム100では、原料経路1とガス経路21と、改質水経路20と、改質空気経路17と、リサイクル経路7と、空気供給経路9とを有している。
As shown in FIG. 1, a
原料経路1は系外から原料昇圧部5を介して改質器3に至るまでの経路である。原料としては、例えば、都市ガス、天然ガス、LPG等の炭化水素を主成分とするガスが用いられる。ガス経路21は、改質器3から燃料電池発電部2、および燃焼部6を介して系外に至るまでの経路である。改質空気経路17は、系外から供給された改質用の空気が改質空気ポンプ16を介して原料経路1に至るまでの経路である。改質水経路20は供給された改質水が原料経路1に至るまでの経路である。空気供給経路9は改質空気経路17から分岐し、ガス経路21(排ガス経路8)に至るまでの経路である。これら各経路についての詳細は後述する。
The raw material path 1 is a path from the outside of the system to the
水添脱硫器4は、改質器3に供給される原料中に含まれる硫黄成分を脱硫する。水添脱硫器4には、硫黄成分を除去するための脱硫触媒(不図示)が充填されている。本実施の形態では、脱硫方式として、硫黄成分を水素と反応させて除去する水添脱硫方式が採用される。水添脱硫方式を実施するために、原料に水素を含むガスとして改質ガスを添加した状態で水添脱硫器4に供給される。なお、水添脱硫方式に加えて、例えば吸着脱硫方式などの他の脱硫方式を併用してもよい。
The hydrodesulfurizer 4 desulfurizes sulfur components contained in the raw material supplied to the
改質器3は、改質触媒が充填されており、水添脱硫器4を流通した後の原料を利用して水素リッチな改質ガスを発生させる。改質器3には改質反応を行なうために改質水が改質水経路20を通じて供給されるが、改質水が液体の状態で供給される場合には、改質水を蒸発させるための蒸発部を改質器3の前段に設けた構成とする。なお、改質器3での改質方式は特に限定されず、例えば、水蒸気改質反応、部分改質反応、オートサーマル反応、その他の方式を採用できる。本実施の形態では、水蒸気改質と部分酸化改質とを併用する構成を例に挙げている。つまり、燃料電池システム100の起動時では、改質器3において吸熱反応である水蒸気改質反応を行うためには熱エネルギーが不足している。そこで、燃料電池システム100の起動時は、改質水の供給がなされずに、改質空気経路17を通じて改質器3に改質用の空気を導入し、この空気を利用して、改質器3は部分酸化改質を行う。
The
また、燃料電池システム100が起動して発電が進むにつれ、改質器3の温度が上昇し、所定温度以上になれば水蒸気改質反応に切り替えるように構成されている。そして、改質器3で生成した改質ガスは燃料電池発電部2に供給される。
Further, as the
なお、改質器3に関しては、燃料電池発電部2の種類によって構成が異なる場合がある。例えば、固体高分子形燃料電池やリン酸形燃料電池の場合は、改質器3において改質ガス中の一酸化炭素を除去する必要があるため、シフト反応部や選択酸化反応部等の構成を有することで一酸化炭素を除去するよう構成される。改質器3は、公知の燃料電池システムで用いられるものと同様な構成となるので、さらなる詳細説明は省略する。
The
燃料電池発電部2は、改質器3で発生した改質ガスおよび空気中の酸素を利用して発電反応を行なう。燃料電池発電部2は、改質ガスが供給される燃料極、および系外から不図示の経路を通じて発電用の空気が供給される空気極を有し、該燃料極と該空気極との間で発電する燃料電池単セルを複数枚直列に接続してセルスタックを構成する。なお、燃料電池発電部2は、更に直列接続したセルスタックを並列に接続した構成でもよい。燃料電池発電部2で未利用の改質ガスは燃焼反応に利用される。燃料電池発電部2は、例えば、固体酸化物形燃料電池(SOFC ; Solid Oxide Fuel Cell)、固体高分子形燃料電池(PEFC ; Polymer Electrolyte Fuel Cell)、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC ; Molten CarbonateFuel Cell)、リン酸形燃料電池(PAFC; Phosphor Acid Fuel Cell)などを採用することができる。
The fuel cell
燃焼部6では、燃料電池発電部2で未利用の燃料(改質ガス)を燃焼させて熱源を発生させる。燃焼反応に利用する酸素含有ガスとしては、燃料電池発電部2で未利用の空気(カソードオフガス)を利用することができる。あるいは、別経路から燃焼用の空気を供給して燃焼反応をおこなう構成であってもよい。燃焼部6で発生する燃焼熱は、改質器3での改質反応などに利用される。また、特に高温で作動する固体酸化物形燃料電池などの場合は、改質器3や燃料電池発電部2、燃焼部6を一つの筐体内に収め、燃料電池発電部2を所定の運転温度範囲に保つための熱源としてこの燃焼熱を用いることができる。
In the combustion unit 6, the fuel cell
原料経路1は、系外から供給された原料を、水添脱硫器4を介して改質器3へ供給するための経路であり、水添脱硫器4を介して、その下流側に配置される改質器3の入口部に接続されている。また、原料経路1では、原料を水添脱硫器4側へと送り込む原料供給部として、水添脱硫器4の上流側に原料昇圧部5が設けられている。原料昇圧部5は、例えばダイヤフラム等の定容積型ポンプが用いられるが、これに限定されない。原料昇圧部5は、制御部90からの制御指示の下、原料の流量が電力負荷に応じた目標値となるように燃料電池発電部2へ供給する原料の出力を調整する。つまり、原料経路1では、外部から供給された原料を原料昇圧部5が昇圧させ水添脱硫器4に向かって送出する。原料昇圧部5から送出された原料は水添脱硫器4に導かれ、この水添脱硫器4で硫黄成分が除去される。そして硫黄成分が除去された原料は原料経路1を通じて改質器3へと供給される。
The raw material path 1 is a path for supplying a raw material supplied from outside the system to the
ガス経路21は、改質器3の下流側に設けられた経路であり、改質器3で生成された改質ガス、ならびに燃料電池発電部2から排出された排気ガス(アノードオフガスおよびカソードオフガス)、燃焼部6から排出された排気ガス(燃焼排ガス)などが流通する経路である。ガス経路21は、改質器3の出口部から、燃料電池発電部2および燃焼部6を経由して系外へと向かう。なお、ガス経路21のうち、燃焼部6で生成された燃焼排ガスが流通する部分を特に本明細書では排ガス経路8と称することとする。
The
つまり、ガス経路21では、改質器3で生成された改質ガスが燃料電池発電部2に供給される。燃料電池発電部2ではこの改質ガス(燃料)と、外部から供給された空気(不図示)とを利用して発電を行う。発電において未利用の改質ガス(アノードオフガス)はガス経路21を流通して燃料電池発電部2の下流側に設けられた燃焼部6に供給される。燃焼部6は、供給されたアノードオフガスを燃焼させて生成された燃焼排ガスを排出する。燃焼部6から排出された燃焼排ガスはガス経路21(排ガス経路8)を流通し系外へと導かれる。
That is, in the
なお、排ガス経路8上には、給湯水を生成するための熱交換器(不図示)を設けた構成とすることが出来る。また、排ガス経路8上に、発電用空気あるいは原料と熱交換を行なうための熱交換部(不図示)をさらに設けた構成としてもよい。このように熱交換器および熱交換部を設けた構成の場合、燃焼排ガスとの熱交換を行なうことで排熱を回収することができる。
In addition, it can be set as the structure which provided the heat exchanger (not shown) for producing | generating hot-water supply water on the
改質水経路20は、改質器3で水蒸気改質反応を行なうために必要な水を供給するための経路であり、原料経路1における、改質器3の上流側でかつ、水添脱硫器4の下流側となる位置に接続される。また、必要に応じて、水添脱硫器4の上流側に戻す改質ガス、または燃焼部6で生成された燃焼排ガスなどと改質水とが熱交換を行なうように改質水経路20を配置する構成であってもよい。
The reforming
改質空気経路17は、改質器3で部分酸化改質を行うために必要な空気を供給するための経路であり、原料経路1における、改質器3の上流側でかつ、水添脱硫器4の下流側となる位置に接続される。改質空気経路17中に改質空気ポンプ16が備えられており、改質用の空気は改質空気ポンプ16で昇圧され原料経路1に送出される。
The reformed
空気供給経路9は、改質空気経路17から分岐し、この改質空気経路17を流通する空気の一部を排ガス経路8中に供給する経路である。空気供給経路9は、その一端が改質空気経路17において改質空気ポンプ16よりも下流側の部分に接続され、その他端が排ガス経路8部分に接続されている。そして、改質空気ポンプ16から送出された空気を排ガス経路8に導くように構成されている。また、改質空気経路17において改質空気ポンプ16の下流側に改質空気弁15が、空気供給経路9において空気供給弁12がそれぞれ設けられており、制御部90からの制御指示の下、これら改質空気弁15および空気供給弁12が開閉することで、改質空気経路17および空気供給経路9を流通する空気の流量を調整することができる。例えば、改質器3が部分酸化改質を実施する燃料電池システム100の起動時では制御部90からの指示に応じて空気供給弁12は閉じられる一方、改質空気弁15が開けられる。これにより改質器3に空気を供給することができる。一方、改質器3の温度が上昇し、部分酸化改質から水蒸気改質に切り替わった場合、制御部90からの指示に応じて改質空気弁15は閉じられる。また、分岐部R1の圧力が低下した場合、制御部90からの指示に応じて空気供給弁12が開かれ、空気が排ガス経路8に供給され、排ガス経路8において生じる圧力損失を大きくする。
The air supply path 9 is a path that branches from the reformed
リサイクル経路7は、ガス経路21から分岐し、改質器3で生成された改質ガスの一部を、水添脱硫器4の上流側に戻すための経路である。リサイクル経路7は、その一端が分岐部R1でガス経路21と接続され、他端が合流部R2で原料経路1と接続されている。また、分岐部R1の圧力が合流部R2の圧力より高くなるように保たれており、自圧で改質ガスを水添脱硫器4の上流側(図1に示す例では原料昇圧部5の上流側)に戻すことができる。
The
また、本実施の形態に係る燃料電池システム100では、燃料電池発電部2の低電力発電時であっても分岐部R1を流れる改質ガスの圧力が合流部R2を流れる原料ガスの圧力よりも高くなるように差圧を保つために、上記したようにガス経路21を流通するガスの圧力損失を大きくするように制御する圧力損失制御ユニットが設けられている。
Further, in the
より具体的には、制御部90、改質空気ポンプ16、空気供給経路9、および空気供給弁12によって、本発明の圧力損失制御ユニットを実現している。すなわち、分岐部R1を流通する改質ガスの圧力が所定量低下する場合、制御部90は改質空気ポンプ16を起動させるとともに、空気供給弁を開状態となるように制御する。これにより空気が空気供給経路9を通じて排ガス経路8に送出される。このように排ガス経路8に空気を供給することで排ガス経路8の圧力損失を増大させることができ、その結果、分岐部R1における圧力を増大させることができる。このように分岐部R1と合流部R2との圧力差を保つことで、自圧により改質ガスの一部を、リサイクル経路7を流通させて水添脱硫器4の上流側に戻すことができる。
More specifically, the pressure loss control unit of the present invention is realized by the
なお、本実施の形態では、排ガス経路8への空気の供給は、改質空気ポンプ16によって行われるものとしている。これは、上記したように燃料電池システム100の起動時では改質器3で部分酸化改質を行うため改質用の空気が改質器3に供給されるが、その後は水蒸気改質に切り替わり改質用の空気の供給が不要となる。一方、分岐部R1の圧力低下が発生するのは燃料電池システム100の起動時ではなく運転動作中である。このため、改質空気ポンプ16を排ガス経路8に空気を送出するためのポンプとして利用できる。
In the present embodiment, the supply of air to the
しかしながら、改質空気ポンプ16とは別に空気ポンプを備え、この空気ポンプを利用して排ガス経路8へ空気を供給する構成としてもよい。ただし、本実施の形態のように改質用の空気を送出する改質空気ポンプ16を併用して改質空気経路17または排ガス経路8に空気を供給することができる構成の方が部品点数を低減できコストを抑制することができる点で有利である。
However, an air pump may be provided separately from the reforming
(燃料電池システムの動作)
次に、上記した構成を有する本実施の形態1の燃料電池システム100の動作について説明する。燃料電池システム100では、原料が原料昇圧部5で昇圧されて水添脱硫器4に供給される。原料はその後、水添脱硫器4において脱硫され、改質器3の改質反応で水素リッチな改質ガスとなる。ここで上記したように分岐部R1が、ガス経路21における、改質器3と燃料電池発電部2との間に設けられており、この分岐部R1でガス経路21から分岐したリサイクル経路7を通じて改質ガスの一部を水添脱硫器4の上流側に戻すことができる。
(Operation of fuel cell system)
Next, the operation of the
ここで、分岐部R1における圧力は、流通するガス流量(改質ガス流量)と相関があり、その流量が増大するほど分岐部R1の圧力は高くなる。つまり、高出力発電時には低出力発電時と比べて多量の原料や空気を必要とするため、ガス経路21を流通する改質ガスの流量が多くなる。このため、高出力発電時ほど分岐部R1の圧力が高くなる。逆に低出力発電時では流通する改質ガスの流量が小さくなり、その結果、分岐部R1における圧力の大きさは、合流部R2における圧力の大きさ以下となる可能性もある。
Here, the pressure in the branch portion R1 correlates with the flowing gas flow rate (reformed gas flow rate), and the pressure in the branch portion R1 increases as the flow rate increases. That is, since a larger amount of raw material and air are required at the time of high output power generation than at the time of low output power generation, the flow rate of the reformed gas flowing through the
また、分岐部R1における圧力の大きさは、この分岐部R1よりも下流側となるガス経路21において生じる圧力損失の大きさに影響される。つまり、分岐部R1よりも下流側となるガス経路21において生じる圧力損失を大きくすることで分岐部R1における圧力を増大させることができる。
Further, the magnitude of the pressure in the branch portion R1 is affected by the magnitude of the pressure loss that occurs in the
そこで本実施の形態に係る燃料電池システム100では、ガス経路21において分岐部R1の下流側とかる部分、例えば排ガス経路8の圧力損失を変化させる圧力損失制御ユニットを備えた構成となっている。具体的には、圧力損失制御ユニットは、上記したように、制御部90、改質空気ポンプ16、空気供給経路9、および空気供給弁12によって実現することができる。そして、圧力損失制御ユニットは、低出力発電時でも分岐部R1を流通するガスの圧力が合流部R2を流通する原料の圧力より大きくなるように、排ガス経路8に空気供給させる。
Therefore, the
以上のように圧力損失制御ユニットにより、ガス経路21における分岐部R1の下流側において生じる圧力損失を変化させるように動作させることで、特に、分岐部R1と合流部R2との間における圧力差が小さいSOFCの場合であっても、自圧により改質ガスを、リサイクル経路7を通じて水添脱硫器4の上流側に戻すことができ、水添脱硫器4を安定動作させることができる。
As described above, by operating the pressure loss control unit so as to change the pressure loss generated on the downstream side of the branch portion R1 in the
なお、通常出力発電時、高出力発電時、および低出力発電時では原料昇圧部5から送出される原料の流量がそれぞれ異なる。このため、この送出される原料の流量変化に対して常に一定の割合となるように改質ガスを、リサイクル経路7を介し水添脱硫器4の上流側に戻す構成としてもよい。このように原料の流量変化に応じて一定割合となる改質ガスを、リサイクル経路7を介して戻す構成の場合、制御部90は改質空気ポンプ16および空気供給弁12を以下のように制御する。
Note that the flow rate of the raw material delivered from the
すなわち、水添脱硫器4の上流側に戻す改質ガスの流量を原料の流量に対して一定の割合としつつ、高出力発電になるにつれて分岐部R1と合流部R2との間における差圧が徐々に増大するように制御する。より具体的には、原料経路1を流通する原料流量、あるいは燃料電池発電部2による発電出力または発電により得られる電気の電流値に対応するリサイクル経路7を流通する改質ガスの目標流量を予め設定しておく。さらに、原料流量、あるいは発電出力または電流値に対応するリサイクル経路7における目標差圧を予め設定しておく。そして、リサイクル経路7に不図示の圧力検知センサおよび流量センサを設け、原料経路1にも不図示の流量センサを設ける。このような構成において、リサイクル経路7における圧力検知センサおよび流量センサの検知結果と、原料経路1における流量センサの検知結果、発電出力または電流値とから、制御部90は、空気供給弁12を開状態とし、リサイクル経路7が発電出力に応じた目標差圧および目標流量となるように改質空気ポンプ16の出力を制御する。
That is, the flow rate of the reformed gas returned to the upstream side of the hydrodesulfurizer 4 is set to a constant ratio with respect to the flow rate of the raw material, and the differential pressure between the branching portion R1 and the merging portion R2 is increased as the power output is increased. Control to increase gradually. More specifically, the target flow rate of the reformed gas flowing through the
また、低出力発電時に原料昇圧部5から送出される原料流量が小さくなり分岐部R1と合流部R2との間の差圧が小さくなる場合は、分岐部R1における圧力を大きくし分岐部R1と合流部R2との間の差圧が増大するように制御する。具体的には、制御部90は、空気供給弁12を開状態とし、改質空気ポンプ16により排ガス経路8へ供給される空気流量を増大させるように調整することで、分岐部R1と合流部R2との差圧を確保するように制御することができる。
In addition, when the flow rate of the raw material delivered from the
上述のように、改質空気ポンプ16を用いて排ガス経路8に空気を供給する構成の場合、制御部90が空気供給を空気供給弁12の開閉および改質空気ポンプ16のON/OFF等を制御することで、一定流量の空気を排ガス経路8に供給することができる。ここで、常に分岐部R1における圧力の方が合流部R2における圧力よりも大きくなるよう差圧が確保されるようにするためには、制御部90は、排ガス経路8に空気供給を行なうタイミングを決定する必要がある。
As described above, when the reformed
例えば、燃料電池システム100の可動中、常に電力負荷に応じた空気流量を排ガス経路8に供給するように制御部90が制御する構成であってもよいし、低出力発電時のみ空気を供給するように制御部90が制御する構成であってもよい。
For example, the
また、上記したように排ガス経路8に供給する空気流量を制御して分岐部R1と合流部R2との差圧を確保する構成の場合、燃料電池システム100は、電力負荷の変化を検知する検知センサ(不図示)、分岐部R1部分の圧力を測定する圧力測定センサ(不図示)、または電力負荷に応じて決定される原料昇圧部5から送出される原料の流量変化を検知するセンサ(不図示)などいずれか少なくとも1つのセンサを設け、このセンサからの検知結果に基づき制御部90が改質空気ポンプ16のON/OFFを切り替えるタイミングおよび空気供給弁12の開閉を切り替えるタイミングを制御する。例えば、制御部90は、不図示の圧力測定センサからの測定結果に基づき、リサイクル経路7において分岐部R1の圧力が所定量低下したか否か判定する。そして、該圧力が所定量低下したと判定した場合、排ガス経路8において生じる圧力損失を増大させるように改質空気ポンプ16、空気供給弁12等を制御する。
Further, as described above, in the case of the configuration in which the flow rate of air supplied to the
また、排ガス経路8に供給する空気流量の流量調整は、例えば、以下のように行うことができる。改質空気ポンプ16のON/OFFにより排ガス経路8への空気の供給量を可変とする構成の場合、空気供給経路9上に空気の流量を計測する流量計(不図示)、または空気の圧力を計測する圧力計を設ける。そして、制御部90は、流量計により計測された空気の流量または圧力計により計測された空気の圧力に応じて改質空気ポンプ16の出力を制御するように構成する。
Moreover, the flow rate adjustment of the air flow rate supplied to the
上記したように、分岐部R1における圧力変化に応じて、改質空気ポンプ16から送出される空気流量を可変にして原料に対する改質ガスの割合が一定となるように、分岐部R1と合流部R2との間における差圧を調整する構成とすることが有利である。しかしながら、燃料電池システム100全体の構成を簡素化するために、分岐部R1の圧力が低下する所定のタイミング(例えば、通常時よりも低出力発電となるタイミングなど)で改質空気ポンプ16のON/OFFを切り替え、一定流量の空気を排ガス経路8に供給する構成としてもよい。
As described above, the branch portion R1 and the merging portion are configured so that the ratio of the reformed gas to the raw material becomes constant by changing the flow rate of air sent from the reformed
以上のように実施の形態1に係る燃料電池システム100では、圧力損失制御ユニットを動作させ、分岐部R1の圧力を増大させることで合流部R2との圧力差が確保されるように運転制御する。また、低出力発電時においてもリサイクル経路7における分岐部R1と合流部R2との間における差圧を確保する事ができるため、改質ガスを確実に水添脱硫器4の上流側に戻すことができる。特に低出力発電時において、合流部R2側を減圧する構成と比較して、リサイクル経路7を流通して水添脱硫器4の上流側に戻す改質ガスの流量のばらつきを小さくすることができる。このため、水添脱硫器4を安定的に動作させることができる。
As described above, in the
(変形例1)
本発明の実施の形態における変形例1について、図2に基づいて説明する。図2は、本発明の実施の形態の変形例1に係る燃料電池システム100の構成の一例を示した模式図である。図2に示すように変形例1に係る燃料電池システム100は、上記した本発明の実施の形態に係る燃料電池システム100と比較して以下の点で異なる。
(Modification 1)
Modification 1 in the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of the configuration of the
すなわち、変形例1に係る燃料電池システム100は、リサイクル経路7の合流部R2が原料経路1における原料昇圧部5よりも下流側であり、かつ水添脱硫器4の上流側に設けられている点で異なる。また、この合流部R2にリサイクル経路7と接続され、制御部90からの制御指示に応じて、該リサイクル経路7を流通する改質ガスを吸引するためのエジェクタ19をさらに備えている点でも異なる。それ以外の部材については変形例1に係る燃料電池システム100は、図1に示す実施の形態に係る燃料電池システム100と同様の構成であるため説明は省略する。
That is, in the
変形例1に係る燃料電池システム100のようにエジェクタ19をさらに設けた構成では、原料昇圧部5から原料が水添脱硫器4に送出される際、リサイクル経路7を流通する改質ガスをエジェクタ19が吸引して原料に合流させる。このようにエジェクタ19によりリサイクル経路7を流通する改質ガスを吸引する構成とすることで、エジェクタ19の吸引部の圧力が低いため、分岐部における圧力との差圧を生じやすくすることができる。
In the configuration in which the
ここで、リサイクル経路7における分岐部R1と合流部R2との間で差圧を確保するには、エジェクタ19の吸引部の圧力を負圧にする必要がある。しかし、低出力発電時では上述したように分岐部R1の圧力が小さくなるため、合流部R2に設けられたエジェクタ19は、通常時よりも減圧量を大きくする必要があり、低下させる圧力の大きさにばらつきが生じやすい。つまり、低出力発電時には、エジェクタ19の吸引部での減圧量を精度よく制御することは難しい。
Here, in order to ensure a differential pressure between the branching portion R1 and the joining portion R2 in the
しかしながら、変形例1に係る燃料電池システム100は、図1に示す実施の形態に係る燃料電池システム100と同様に圧力損失制御ユニットを備える構成であるため、分岐部R1の圧力を増大させることができる。このため、例えば、低出力発電時のように分岐部R1の圧力が小さくなるような場合、圧力損失制御ユニットにより排ガス経路8に空気を供給させ、この排ガス経路8部分で生じる圧力損失を大きくさせることで分岐部R1の圧力を大きくする。これにより、エジェクタ19の吸引部による減圧量を抑えることができる。その結果、エジェクタ19の吸引部において低下させる圧力のばらつきを低減させ、リサイクル経路7を通じて水添脱硫器4の上流側に戻す改質ガスの流量を安定化させることができる。
However, since the
(変形例2)
次に、本発明の実施の形態における変形例2について、図3に基づいて説明する。図3は、本発明の実施の形態の変形例2に係る燃料電池システム100の構成の一例を示した模式図である。図3に示すように変形例2に係る燃料電池システム100は、上記した本発明の実施の形態に係る燃料電池システム100と比較して以下の点で異なる。
(Modification 2)
Next,
すなわち、変形例2に係る燃料電池システム100は、原料経路1において合流部R2よりも上流側に、第1圧力低下部10を備えている点で異なる。第1圧力低下部10は、原料経路1における合流部R2の圧力を低下させるものであり、例えば、オリフィス、キャピラリ、ガバナ、減圧弁、または比例弁等を用いることができる。なお、第1圧力低下部10は、これらに限定されるものではなく合流部R2の圧力損失特性を可変とするものであればよい。
That is, the
ここで、リサイクル経路7の分岐部R1と合流部R2との間における差圧を確保するために、本実施の形態に係る燃料電池システム100のように分岐部R1の圧力を増大させる方法と、逆に合流部R2の圧力を下げる方法とがある。変形例2に係る燃料電池システム100ではこれら2つの方法を組み合わせた構成となっている。
Here, in order to ensure the differential pressure between the branch portion R1 and the junction portion R2 of the
つまり、圧力損失制御ユニットにより排ガス経路8へ空気を供給し、分岐部R1における圧力を増大させるとともに、第1圧力低下部10により合流部R2を減圧することにより、分岐部R1と合流部R2との間での差圧を確保することができる。
That is, air is supplied to the
また、第1圧力低下部10により合流部R2を減圧させるだけで、分岐部R1と合流部R2との間における差圧を確保する構成の場合、上記したように、低出力発電時には減圧量のばらつきが大きくなってしまう。しかしながら、変形例2に係る燃料電池システム100のように、圧力損失制御ユニットにより分岐部R1における圧力を増大させるとともに、第1圧力低下部10により合流部R2を減圧させる構成とした場合、低出力発電時であっても第1圧力低下部10による合流部R2における減圧量を抑制することができる。このため、第1圧力低下部10は精度よく合流部R2における減圧量を制御することができ、分岐部R1と合流部R2との間の差圧を一定に確保することができる。
Further, in the configuration in which the pressure difference between the branch portion R1 and the junction portion R2 is ensured only by reducing the pressure of the junction portion R2 by the first
また、排ガス経路8への空気供給により圧力損失を増大させる圧力損失制御ユニットに関しても、圧力損失の増大量には上限がある。圧力損失の増大量が大きい場合、燃焼部6の安定性や燃料電池発電部2の発電性能に悪影響を及ぼす場合があるからである。しかしながら圧力損失を増大させることができる範囲が小さい場合、広範な発電出力範囲において分岐部R1と合流部R2との間における差圧を常に確保することが困難となる。
In addition, regarding the pressure loss control unit that increases the pressure loss by supplying air to the
したがって、分岐部R1と合流部R2との間における差圧を常時確保するためには、変形例2に係る燃料電池システム100のように、第1圧力低下部10による合流部R2の減圧と圧力損失制御ユニットによる分岐部R1の昇圧とを組み合わせた構成としてもよい。
Therefore, in order to always ensure the differential pressure between the branch portion R1 and the junction portion R2, the pressure reduction and pressure of the junction portion R2 by the first
(変形例3)
次に本発明の実施の形態における変形例3について、図4に基づいて説明する。図4は、本発明の実施の形態の変形例3に係る燃料電池システム100の構成の一例を示した模式図である。図4に示すように変形例3に係る燃料電池システム100は、上記した本発明の実施の形態に係る燃料電池システム100と比較して以下の点で異なる。
(Modification 3)
Next, a third modification of the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a schematic diagram showing an example of the configuration of the
すなわち、変形例3に係る燃料電池システム100は、上記した圧力損失制御ユニットとして、改質空気ポンプ16、空気供給経路9、および空気供給弁12を備える代わりに、排ガス経路8中に圧力調整弁22を備えている点で異なる。
That is, the
圧力調整弁22としては、例えば、制御部90からの制御指示の下、弁体の開閉を行う減圧弁や比例弁などを用いることが出来る。圧力調整弁22は、これらに限定されるものではなく、制御部90からの制御指示に応じて排ガス経路8を流通する燃焼排ガスの圧力損失特性を可変とするものであればよい。また、図4に示す例では排ガス経路8は1本であるが、この排ガス経路8を複数の経路から構成し、それぞれの経路に圧力調整弁22が設けられ、これら圧力調整弁22の開閉によって排ガス経路8における圧力損失を調整する構成としてもよい。
For example, a pressure reducing valve or a proportional valve that opens and closes the valve body under a control instruction from the
なお、変形例3に係る燃料電池システム100では、上記した実施の形態に係る燃料電池システム100の圧力損失制御ユニットと同様に、例えば電力負荷変化に応じて排ガス経路8において発生する圧力損失の大きさを可変とするように制御部90の制御指示の下、圧力調整弁22の弁開度が調整される構成であってもよい。または、排ガス経路8において一定の圧力損失が発生するように、制御部90の制御指示の下、圧力調整弁22の弁開度が固定される構成であってもよい。さらには、低出力発電時のみ制御部90からの制御指示の下、排ガス経路8で圧力損失を発生させるように圧力調整弁22の弁開度を調整する構成であってもよい。
Note that, in the
(変形例4)
次に、本発明の実施の形態における変形例4について、図5に基づいて説明する。図5は、本発明の実施の形態の変形例4に係る燃料電池システム100の構成の一例を示した模式図である。図5に示すように変形例4に係る燃料電池システム100は、上記した本発明の実施の形態に係る燃料電池システム100と比較して以下の点で異なる。
(Modification 4)
Next, Modification 4 of the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a schematic diagram showing an example of the configuration of the
すなわち、変形例4に係る燃料電池システム100は、原料経路1において合流部R2よりも上流側に、第1圧力低下部10を備えている点、ならびにリサイクル経路7中に第2圧力低下部11を備えているという点で異なる。
That is, the
第1圧力低下部10は、変形例2に係る燃料電池システム100において説明したため、ここではその説明については省略する。第2圧力低下部11は、リサイクル経路7を流通する改質ガスの流量が所定流量となるようにリサイクルガスを減圧するものである。第2圧力低下部11としては、例えば、キャピラリやオリフィス、逆止弁、比例弁、ガバナなどを用いることができる。また、第2圧力低下部11は、圧力損失特性が可変となるものを用いても良い。
Since the first
ここでリサイクル経路7を流通する改質ガスの流量は、分岐部R1と合流部R2との差圧およびリサイクル経路7を改質ガスが流通する際に生じる圧力損失の大きさによって決まる。リサイクル経路7で生じる圧力損失が小さい場合であって、分岐部R1と合流部R2との間における差圧が変化したとき、リサイクル経路7を流通する改質ガス流量の変動が大きくなる。そのため、上記した差圧が少しだけばらつくように変動した場合であっても、リサイクル経路7を流通する改質ガス流量が大きくばらつく場合がある。
Here, the flow rate of the reformed gas that flows through the
また、リサイクル経路7で生じる圧力損失が小さい場合であって、高出力発電に際して分岐部R1と合流部R2との差圧が過度に大きくなったとき、リサイクル経路7を流通する改質ガス流量が過剰になる可能性がある。
In addition, when the pressure loss generated in the
そこで、本発明の実施の形態における変形例4に係る燃料電池システム100では、リサイクル経路7中に第2圧力低下部11を設けた構成とする。このように第2圧力低下部11を設けることで、上記した差圧がばらつくように変動した場合であっても、リサイクル経路7を流通する改質ガスの流量変動による影響を小さくすることができる。そして、結果として、水添脱硫器4に供給する改質ガスの流量を安定化させることができる。
Therefore, in the
また、高出力発電時に分岐部R1と合流部R2との差圧が大きく異なるような場合であっても、リサイクル経路7を流通する改質ガスの流量が適正な流量となるように制御することができる。
Further, even when the differential pressure between the branch portion R1 and the junction portion R2 is greatly different during high-output power generation, the flow rate of the reformed gas flowing through the
したがって、変形例4に係る燃料電池システム100は、全ての発電出力の範囲においてリサイクル経路を流通する改質ガスの流量を適正に制御することが容易になる。加えて、発電出力の大きさが変動することで分岐部R1と合流部R2との差圧が過渡的に変動する場合であっても、第2圧力低下部11により、リサイクル経路7を流通する改質ガスの流量の変動による影響を小さくすることができる。
Therefore, the
また、上記した第1圧力低下部10および第2圧力低下部11それぞれにより変化させる圧力損失は、ともに一定であってもよいし、両者のうち少なくとも一方が可変となっていてもよい。
Further, the pressure loss changed by each of the first
例えば、第1圧力低下部10によって生じさせる圧力損失の大きさを可変とした場合、原料経路1を流通する原料流量が変化したり、分岐部R1の圧力が変化したりすることで、リサイクル経路7において分岐部R1と合流部R2との間の差圧が変化したとしても、第1圧力低下部10によって生じさせる圧力損失の大きさを調整することで、容易に適切な差圧とすることができる。
For example, when the magnitude of the pressure loss caused by the first
また、第2圧力低下部11を可変とした場合、圧力損失制御ユニットによって増大できる圧力損失に上限があり、増大できる範囲が小さいとき、あるいは第1圧力低下部10によって生じさせる圧力損失の大きさが可変とならないときであっても、リサイクル経路7を介して水添脱硫器4の上流側に戻す改質ガスの流量を適正に制御することが可能となる。
Further, when the second
なお、リサイクル経路7を流通する改質ガスには水分が含まれているため、第2圧力低下部11でこの改質ガスの圧力が低下させられた場合、水分が凝縮する恐れがある。このため、特にSOFCなどでは、ホットモジュール内部の高温領域に第2圧力低下部11を設け、改質ガスが露点以下にならない構成とすることが好ましい。
Since the reformed gas flowing through the
さらには、変形例4に係る燃料電池システム100は、図6に示すように、リサイクル経路7中に凝縮部13をさらに備えた構成としてもよい。図6は、本発明の実施の形態の変形例4に係る燃料電池システム100の構成の一例を示した模式図である。
Furthermore, as shown in FIG. 6, the
上記したようにリサイクル経路7を改質ガスが流通する際に、水分が凝縮する可能性があり、リサイクル経路7での圧力損失の変動や水つまりの原因となり得る。そこで、凝縮部13をリサイクル経路7中に設けて改質ガスから凝縮水を回収することで、リサイクル経路7での圧力損失の変動や水つまりなどを抑制することができる。これにより、変形例4に係る燃料電池システム100では、リサイクル経路7を流通する改質ガスの流量を安定させることができる。また、水分が原料昇圧部5などに混入し、原料昇圧部5が故障することを防止することもできる。
As described above, when the reformed gas flows through the
なお、変形例4に係る燃料電池システムにおいて、リサイクル経路7に熱交換部(不図示)を設け、この熱交換部にて流通する改質ガスと改質水または原料と熱交換をし、改質水または原料を予熱する構成としてもよい。このように構成される場合、凝縮部13は、リサイクル経路7において熱交換部よりも下流側に設けるように構成されることが望ましい。
In the fuel cell system according to the modified example 4, a heat exchange unit (not shown) is provided in the
また、図6に示す変形例4に係る燃料電池システムの構成では、凝縮部13はリサイクル経路7において第2圧力低下部11の下流側(第2圧力低下部11により改質ガスの圧力が低下させられた側)に配されている。しかしながら凝縮部13の配置はこれに限定されるものではない。例えば、凝縮部13は、第2圧力低下部11の上流側(第2圧力低下部11により改質ガスの圧力が低下されていない側)に設けられた構成としてもよい。
In the configuration of the fuel cell system according to Modification 4 shown in FIG. 6, the condensing
(変形例5)
次に本発明の実施の形態における変形例5について、図7に基づいて説明する。図7は、本発明の実施の形態の変形例5に係る燃料電池システム100の構成の一例を示した模式図である。図7に示すように変形例5に係る燃料電池システム100は、上記した本発明の実施の形態に係る燃料電池システム100と比較して以下の点で異なる。
(Modification 5)
Next, a fifth modification of the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a schematic diagram showing an example of the configuration of the
すなわち、変形例5に係る燃料電池システム100は、さらに排ガス経路8中に、燃焼排ガスを凝縮させて得られた凝縮水を回収するための凝縮水回収部14をさらに設け、この凝縮水回収部14の下流側に空気供給経路9が連結される点で異なる。
That is, the
このように、変形例5に係る燃料電池システム100は、排ガス経路8において、凝縮水回収部14の下流側に空気供給経路9が連結され、空気が供給される構成である。このため、排ガスの露点を下げることなく空気を供給することができる。また、排ガスの露点を高く維持した状態で凝縮水回収部14は排ガスを凝縮させて凝縮水を回収するため、排ガス中から容易に水回収することができ、燃料電池システム100において必要となる改質水を賄うことができる。
Thus, the
つまり、変形例5に係る燃料電池システム100では、凝縮水回収部14で回収した水(凝縮水)を改質水経路20に戻す構成とすることで、燃料電池システム100は外部から水の供給を受けることなく運転を行うことができるようになる(水自立運転)。また、水自立運転を実現するためには、燃焼排ガス中に含まれる水分をより多く凝縮させて回収する必要がある。そこで、凝縮水回収部14を、排ガス経路8において各種熱交換部(不図示)の後段に設ける。
That is, in the
なお、上記した本発明の実施の形態、ならびに変形例1〜5に係る燃料電池システム100では、ガス経路21のうち排ガス経路8で圧力損失を大きくするように圧力損失制御ユニットが設けられた構成であった。しかしながら、圧力損失制御ユニットにより圧力損失を大きくさせる部分はこの排ガス経路8に限定されるものではなく、分岐部R1よりも下流側となるガス経路21部分であればよい。
In the
また、燃料電池システム100の運転方法として、燃料電池発電部2の温度が所定の値より低い場合には燃料電池発電部2に供給される空気の流量を減少させ、逆に温度が高い場合には空気の流量を増大させて冷却させるよう構成することができる。このように、発電空気流量が変化させる構成の場合、ガス経路21内(排ガス経路8内)で生じる圧力損失の大きさが変化したり、この圧力損失の変化に伴って分岐部R1の圧力が変化したりする。そこで、圧力損失制御ユニットは、燃料電池発電部2に供給する発電空気の流量に応じて、ガス経路21(排ガス経路8)において生じさせる圧力損失の大きさを変化させるように構成してもよい。例えば、燃料電池発電部2に供給する発電空気の流量に応じて、排ガス経路8に供給する空気流量や、圧力調整弁22の開閉または弁開度などを制御する構成としてもよい。
Further, as an operation method of the
上記発明から、当業者にとって、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。したがって、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び/又は機能の詳細を実質的に変更できる。 From the above invention, many modifications and other embodiments of the present invention are obvious to one skilled in the art. Accordingly, the foregoing description should be construed as illustrative only and is provided for the purpose of teaching those skilled in the art the best mode of carrying out the invention. The details of the structure and / or function may be substantially changed without departing from the spirit of the invention.
本発明は、低負荷運転時においてもリサイクル経路7を通じて改質器3で生成された改質ガスの一部を自圧により水添脱硫器4の上流側に戻すことができる。このため、改質器3で生成された改質ガスの一部を、リサイクル経路7を通じて水添脱硫器4の上流側に戻す構成を有する燃料電池において広範に利用することができる。
The present invention can return part of the reformed gas generated in the
1 原料経路
2 燃料電池発電部
3 改質器
4 水添脱硫器
5 原料昇圧部
6 燃焼部
7 リサイクル経路
8 排ガス経路
9 空気供給経路
10 第1圧力低下部
11 第2圧力低下部
12 空気供給弁
13 凝縮部
14 凝縮水回収部
15 改質空気弁
16 改質空気ポンプ
17 改質空気経路
19 エジェクタ
20 改質水経路
21 ガス経路
22 圧力調整弁
90 制御部
100 燃料電池システム
R1 分岐部
R2 合流部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Raw material path |
Claims (12)
原料を供給する原料供給部と、
前記原料供給部から供給された前記原料に含まれる硫黄成分を除去する水添脱硫器と、
前記水添脱硫器により硫黄成分が除去された前記原料から前記燃料となる改質ガスを生成する改質器と、
前記改質器により生成された改質ガスを前記燃料電池発電部に供給するとともに、該燃料電池発電部から排気された排気ガスを外部に導く経路であるガス経路と、
前記ガス経路から分岐し、該ガス経路中を流通する前記改質器で生成された改質ガスの一部を、前記水添脱硫器の上流側に導くための経路であるリサイクル経路と、
前記ガス経路から前記リサイクル経路が分岐する分岐部よりも該ガス経路における下流部分で生じる圧力損失を変化させるように制御する圧力損失制御ユニットと、を備える燃料電池システム。 A fuel cell power generation unit that generates electricity by a power generation reaction using the supplied fuel and air;
A raw material supply section for supplying raw materials;
A hydrodesulfurizer for removing sulfur components contained in the raw material supplied from the raw material supply unit;
A reformer that generates a reformed gas serving as the fuel from the raw material from which sulfur components have been removed by the hydrodesulfurizer;
A gas path which is a path for supplying the reformed gas generated by the reformer to the fuel cell power generation unit and leading the exhaust gas exhausted from the fuel cell power generation unit to the outside;
A recycle path which is a path for branching from the gas path and leading a part of the reformed gas generated in the reformer flowing in the gas path to the upstream side of the hydrodesulfurizer;
And a pressure loss control unit that performs control so as to change a pressure loss generated in a downstream portion of the gas path rather than a branching part where the recycling path branches from the gas path.
前記リサイクル経路は、前記エジェクタに接続される請求項3に記載の燃料電池システム。 In the raw material path through which the raw material supplied to the raw material pressurization unit and sent from the raw material pressurization unit to the hydrodesulfurizer flows, an ejector for sucking the reformed gas is provided on the outlet side of the raw material pressurization unit,
The fuel cell system according to claim 3, wherein the recycling path is connected to the ejector.
前記圧力損失制御ユニットは、前記ガス経路において、前記燃焼部により発生した燃焼排ガスが流通する経路部分である排ガス経路の圧力損失を変化させる請求項1から6のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 A combustion unit for generating combustion exhaust gas by burning the unused fuel in the fuel cell power generation unit;
The fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein the pressure loss control unit changes a pressure loss of an exhaust gas path which is a path part through which the combustion exhaust gas generated by the combustion unit flows in the gas path. system.
前記圧力損失制御ユニットは、前記空気供給経路を流通する空気の流量を調整することにより前記排ガス経路において生じる圧力損失を変化させるように制御する請求項7に記載の燃料電池システム。 An air supply path for supplying air to the exhaust gas path;
The fuel cell system according to claim 7, wherein the pressure loss control unit controls the pressure loss generated in the exhaust gas path by changing a flow rate of air flowing through the air supply path.
前記空気供給経路は前記排ガス経路における前記凝縮水回収部の下流側に連結される請求項8に記載の燃料電池システム。 A condensate recovery unit that is provided in the exhaust gas path and recovers condensed water obtained by condensing the combustion exhaust gas generated in the combustion unit;
The fuel cell system according to claim 8, wherein the air supply path is connected to a downstream side of the condensed water recovery unit in the exhaust gas path.
前記圧力損失制御ユニットは、前記調整弁の開閉により、生じる圧力損失の大きさを変化させるように制御する請求項7に記載の燃料電池システム。 An adjustment valve for adjusting the magnitude of the pressure loss generated in the downstream portion of the gas path from the branch portion;
The fuel cell system according to claim 7, wherein the pressure loss control unit performs control so as to change the magnitude of the generated pressure loss by opening and closing the adjustment valve.
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