JP2009245769A

JP2009245769A - Fuel cell power generating apparatus

Info

Publication number: JP2009245769A
Application number: JP2008091383A
Authority: JP
Inventors: Makoto Ito; 伊藤　　誠
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2009-10-22

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve a problem wherein there is a risk of lacking water consumed as reforming water in the meantime while an electric deionizing apparatus cannot be operated between the start of a fuel cell power generating apparatus and the start of power generation in the fuel cell power generating apparatus equipped with the electric deionizing apparatus using the output of a fuel cell body as a power source. <P>SOLUTION: The stored amount of water stored in a cell cooling water tank at the start of the fuel cell power generating apparatus is maintained to be not less than the amount of water consumed from the start of a reforming apparatus to the start of power generation of a fuel cell stack. A stop due to the shortage of reforming water in a starting process is thereby prevented. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、改質装置から排出される燃焼排ガスや、燃料電池スタックから排出される燃料電池排ガスから回収される回収水を電気脱イオン装置にて純化して再利用する燃料電池発電装置に関する。 The present invention relates to a fuel cell power generation apparatus that purifies and reuses combustion exhaust gas discharged from a reformer or recovered water recovered from fuel cell exhaust gas discharged from a fuel cell stack using an electrodeionization device.

燃料電池スタックから排出される燃料電池排ガスや、改質装置の燃焼部から排出される燃焼排ガスは水分を含んでおり、燃料電池発電装置の系内での水自立（外部からの補給水を受け入れることなく運転を継続する状態）を維持するため、これらの排ガスから凝縮水を回収し、水処理装置などで脱イオン処理した後、再利用することが一般的に行われている。そして、この水処理装置として、近年、電気脱イオン装置が用いられるようになってきている。電気脱イオン装置を動作させるには直流電源が必要であるが、燃料電池スタックの出力は直流であることから、この燃料電池スタックで発生する直流の出力を直流/交流変換することなく直接、燃料電池発電装置内の電気脱イオン装置に供給することが、特許文献１に記載されている。
特開２００３−１０９６４２号公報 Fuel cell exhaust gas discharged from the fuel cell stack and combustion exhaust gas discharged from the combustion section of the reformer contain moisture, and water self-sustained within the system of the fuel cell power generation system (accepts makeup water from outside) In order to maintain a state in which the operation is continued without any problem, it is generally performed to collect condensed water from these exhaust gases, deionize them with a water treatment device, and then reuse them. In recent years, an electrodeionization apparatus has been used as the water treatment apparatus. A DC power supply is required to operate the electrodeionization device. However, since the output of the fuel cell stack is DC, the direct output generated by the fuel cell stack can be directly converted into fuel without DC / AC conversion. Patent Document 1 discloses that the electric power is supplied to the electrodeionization device in the battery power generation device.
JP 2003-109642 A

上記のように、燃料電池スタックの出力に電気脱イオン装置を接続した構成の燃料電池発電装置の起動時においては、燃料電池スタックが発電を開始するまで、電気脱イオン装置に電力が供給できず、純水を生成できない。
一方、燃料電池発電装置は燃料電池スタックが発電を開始するまでの起動工程においても、改質反応用の純水を消費する。
従って、燃料電池スタックの発電開始前の起動工程中は、純水が生成されないため、純水を貯留するタンク内の保有水を使い果たしてしまうと、改質反応に必要な純水が供給できなくなり、起動工程の途中で燃料電池発電装置が停止する可能性があるという問題があった。 As described above, when starting the fuel cell power generator configured to connect the electrodeionization device to the output of the fuel cell stack, power cannot be supplied to the electrodeionization device until the fuel cell stack starts power generation. Can not produce pure water.
On the other hand, the fuel cell power generator consumes pure water for reforming reaction even in the start-up process until the fuel cell stack starts power generation.
Therefore, pure water is not generated during the start-up process of the fuel cell stack before the start of power generation. Therefore, if the retained water in the tank that stores the pure water is exhausted, the pure water necessary for the reforming reaction cannot be supplied. There is a problem that the fuel cell power generator may stop in the middle of the startup process.

上記の課題を解決するために、本発明においては、燃料電池スタックと、原燃料を水素含有ガスに改質する改質装置と、前記燃料電池スタックの出力を電源として用いる電気脱イオン装置と、燃料電池スタックから排出されるカソードオフガスおよび/または改質装置から排出される燃焼排ガス中の凝縮水を貯留する回収水タンクと、前記回収水タンクの水を前記電気脱イオン装置で脱イオン処理した水を貯留する電池冷却水タンクと、前記電池冷却水タンクに貯留された水を燃料電池スタックの冷却および改質に用いる燃料電池発電装置において、前記燃料電池発電装置の起動時における前記電池冷却水タンク中の貯水量が、前記改質装置の起動から前記燃料電池スタックの発電開始までの間に改質反応に用いられる水量以上であることとした。
また、そのために、前記電池冷却水タンクの貯水量を前記燃料電池発電装置の停止工程中に増加させることとしてもよい。
さらに、前記電池冷却水タンクに水位計と前記水位計の検出値が設定値となるように電池冷却水タンクに供給する純水の量を制御する制御手段とを備え、前記停止工程中に、前記設定値を、通常運転時の設定水位である第１の設定値から、通常運転時の設定水位より大きい第２の設定値へ変更することとしてもよい。 In order to solve the above problems, in the present invention, a fuel cell stack, a reformer that reforms raw fuel into a hydrogen-containing gas, an electrodeionization device that uses the output of the fuel cell stack as a power source, A recovery water tank for storing the condensed water in the cathode offgas discharged from the fuel cell stack and / or the combustion exhaust gas discharged from the reformer, and water in the recovered water tank was deionized by the electric deionization device A battery cooling water tank for storing water, and a fuel cell power generation apparatus that uses water stored in the battery cooling water tank for cooling and reforming a fuel cell stack, wherein the battery cooling water at the time of startup of the fuel cell power generation apparatus The amount of water stored in the tank is equal to or greater than the amount of water used for the reforming reaction between the start of the reformer and the start of power generation of the fuel cell stack. It was.
For this purpose, the amount of water stored in the battery cooling water tank may be increased during the stop process of the fuel cell power generation device.
Furthermore, the battery cooling water tank comprises a water level meter and a control means for controlling the amount of pure water supplied to the battery cooling water tank so that a detection value of the water level meter becomes a set value, and during the stopping step, The set value may be changed from a first set value that is a set water level during normal operation to a second set value that is greater than the set water level during normal operation.

本発明の燃料電池発電装置においては、起動工程時に改質用水として消費される純水を、予め電池冷却水タンクに貯留しておくこととしたので、起動工程中に純水の生成が行われなくても、改質反応に必要な純水の供給を継続でき、安定した燃料電池発電装置の起動が可能となった。 In the fuel cell power generator of the present invention, pure water consumed as reforming water during the startup process is stored in advance in the battery cooling water tank, so that pure water is generated during the startup process. Even without this, the supply of pure water required for the reforming reaction can be continued, and a stable fuel cell power generator can be started.

以下、図面に基づいて本発明の燃料電池発電装置の実施形態を説明する。図１に、本発明の燃料電池発電装置の概略構成図を示す。
図１中の１は、燃料電池スタックであって、電解質(不図示)の両側に配置されるアノード電極１ａ及びカソード電極１cからなる単位セルと、冷却板１ｂとを積層して構成されている。
アノード電極１ａの改質ガス供給側は、改質装置２から伸びた改質ガス供給ラインＬ１が連結している。改質装置２の上流側には原燃料供給源から伸びる原燃料供給ラインＬ７が接続され、原燃料供給ラインＬ７上には、原燃料を脱硫する脱硫器３が設けられている。
アノード電極１ａのアノードオフガス排出側からは、アノードオフガス排出ラインＬ２が伸びており、その先端側は、改質装置２のバーナ４に連結している。
カソード電極１c の空気供給側は、反応空気供給用ブロワ５から伸びた空気供給ラインＬ３が連結している。この空気供給ラインＬ３には、
カソード電極１cの排空気排出側からは、カソードオフガス排出ラインＬ４が伸びて、回収水タンク６に連結している。このカソードオフガス排出ラインＬ４には、カソードオフガス熱交換器Ｑ１が配置されている。 Hereinafter, embodiments of a fuel cell power generator according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of a fuel cell power generator of the present invention.
Reference numeral 1 in FIG. 1 denotes a fuel cell stack, which is formed by laminating a unit cell composed of an anode electrode 1a and a cathode electrode 1c disposed on both sides of an electrolyte (not shown) and a cooling plate 1b. .
A reformed gas supply line L1 extending from the reformer 2 is connected to the reformed gas supply side of the anode electrode 1a. A raw fuel supply line L7 extending from the raw fuel supply source is connected to the upstream side of the reformer 2, and a desulfurizer 3 for desulfurizing the raw fuel is provided on the raw fuel supply line L7.
An anode off gas discharge line L2 extends from the anode off gas discharge side of the anode electrode 1a, and the tip side thereof is connected to the burner 4 of the reformer 2.
An air supply line L3 extending from the reaction air supply blower 5 is connected to the air supply side of the cathode electrode 1c. In this air supply line L3,
A cathode offgas discharge line L4 extends from the exhaust air discharge side of the cathode electrode 1c and is connected to the recovered water tank 6. A cathode offgas heat exchanger Q1 is disposed in the cathode offgas discharge line L4.

冷却板１ｂと電池冷却水タンク７とは、電池冷却水循環ラインＬ６で接続されており、電池冷却水タンク７に貯留された純水を電池冷却水ポンプＰ３により冷却板１ｂへと供給して循環させている。電池冷却水タンク７からは、余剰冷却水を回収水タンク６へと戻すオーバーフローラインＬ５が接続されている。
改質装置２の上流側の原燃料供給ラインＬ７には、電池冷却水タンク７から伸びた改質用水供給ラインＬ８が連結されている。改質用水供給ラインＬ８上には改質用水ポンプＰ２が設けられている。原燃料および改質用水（電池冷却水タンク７に貯留された純水）は、改質装置２の改質触媒層２ａに供給され、水素濃度の高い改質ガスが生成される。
改質触媒層２ａの改質ガス吐出側からは、改質ガス供給ラインＬ１が伸びてアノード電極１ａに連結している。尚、改質ガス供給ラインＬ１上には、改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減するための変成器およびＣＯ除去器が設けられることもあるが、改質装置２と一体に形成される場合もある。
バーナ４の燃焼燃料導入口側は、アノードオフガス排出ラインＬ２と、燃焼空気ブロワ８からの空気を供給する燃焼空気供給ラインＬ９とが連結しており、燃焼部２ｂで燃焼を行いその熱を改質触媒層２ａに与えるように構成されている。 The cooling plate 1b and the battery cooling water tank 7 are connected by a battery cooling water circulation line L6, and pure water stored in the battery cooling water tank 7 is supplied to the cooling plate 1b by the battery cooling water pump P3 and circulated. I am letting. An overflow line L5 for returning excess cooling water to the recovered water tank 6 is connected from the battery cooling water tank 7.
A reforming water supply line L8 extending from the battery cooling water tank 7 is connected to the raw fuel supply line L7 on the upstream side of the reformer 2. A reforming water pump P2 is provided on the reforming water supply line L8. The raw fuel and reforming water (pure water stored in the battery cooling water tank 7) are supplied to the reforming catalyst layer 2a of the reformer 2, and reformed gas having a high hydrogen concentration is generated.
From the reformed gas discharge side of the reformed catalyst layer 2a, the reformed gas supply line L1 extends and is connected to the anode electrode 1a. A reformer and a CO remover for reducing the concentration of carbon monoxide in the reformed gas may be provided on the reformed gas supply line L1, but are formed integrally with the reformer 2. In some cases.
On the combustion fuel inlet side of the burner 4, an anode off-gas discharge line L2 and a combustion air supply line L9 for supplying air from the combustion air blower 8 are connected, and combustion is performed in the combustion section 2b to improve its heat. The catalyst is configured to be given to the catalyst layer 2a.

燃焼部２ｂの燃焼排ガス排出側からは、燃焼排ガスラインＬ１０が伸びて、回収水タンク６に接続している。燃焼排ガスラインＬ１０の途中には、燃焼排ガス熱交換器Ｑ２が配置されている。
回収水タンク６は、各排ガス中の凝縮水を回収し、貯留するタンクであって、カソードオフガス排出ラインＬ４及び燃焼排ガスラインＬ１０が接続している。なお、回収水タンク６の上部には、脱炭酸室９が設けられていてもよい。
回収水タンク６の上部からは、排気ラインＬ１１が伸びて、水分を回収した後の排ガスが排気される。
また、回収水タンク６の下部からは、回収水供給ラインＬ１２が伸びており、電池冷却水タンク７へ接続している。
回収水供給ラインＬ１２上には、上流側から、回収水ポンプＰ１、電気脱イオン装置１０が配置されている。
電気脱イオン装置１０には、燃料電池スタック１の発生電力を直流/交流変換することなく供給するよう接続されている。
次に、本発明の燃料電池発電装置の動作について説明する。 A combustion exhaust gas line L10 extends from the combustion exhaust gas discharge side of the combustion section 2b and is connected to the recovered water tank 6. A combustion exhaust gas heat exchanger Q2 is arranged in the middle of the combustion exhaust gas line L10.
The recovered water tank 6 is a tank that recovers and stores the condensed water in each exhaust gas, and is connected to the cathode offgas discharge line L4 and the combustion exhaust gas line L10. A decarbonation chamber 9 may be provided in the upper part of the recovered water tank 6.
From the upper part of the recovered water tank 6, the exhaust line L11 extends to exhaust the exhaust gas after recovering moisture.
A recovered water supply line L <b> 12 extends from the lower part of the recovered water tank 6 and is connected to the battery cooling water tank 7.
On the recovered water supply line L12, a recovered water pump P1 and an electrodeionization device 10 are arranged from the upstream side.
The electrodeionization apparatus 10 is connected to supply the electric power generated by the fuel cell stack 1 without DC / AC conversion.
Next, the operation of the fuel cell power generator of the present invention will be described.

改質装置２では、原燃料供給ラインＬ７から供給される原燃料を、改質用水供給ラインＬ８から供給される改質水と混合して、改質触媒層３ａに供給し、水蒸気改質反応により水素に富む改質ガスを生成させる。水蒸気改質反応は、吸熱反応であることから、バーナ４に、アノードオフガス排出ラインＬ２から燃焼用燃料と、燃焼空気供給ラインＬ９から燃焼空気を供給し、これらを燃焼部２ｂで燃焼して改質触媒層３ａを加熱する。なお、燃料電池発電装置の起動開始時においては、燃焼用燃料としては、原燃料供給ラインＬ７から分岐してバーナ４に接続するライン(図示せず)により供給される原燃料を主体として用いられ、燃焼部２ｂでの燃焼状態が安定し、改質触媒層２ａが十分加熱されたら、アノードオフガスが主体として用いられる。
そして、改質装置２で生成された改質ガスは、改質ガス供給ラインＬ１を通ってアノード電極１ａに供給される。燃料電池スタック１では、アノード電極１ａに供給された改質ガスと、カソード電極１ｃに供給された空気とを電気化学反応させて発電し、この発電出力を電力系統に供給する。
カソード電極１ｃから排出されるカソードオフガスは、カソードオフガス熱交換器Ｑ１で冷却されて、カソードオフガス凝縮水を生成し、カソードオフガス排出ラインＬ４を通って回収水タンク６に供給される。 In the reformer 2, the raw fuel supplied from the raw fuel supply line L7 is mixed with the reformed water supplied from the reforming water supply line L8, and supplied to the reforming catalyst layer 3a to perform the steam reforming reaction. To produce reformed gas rich in hydrogen. Since the steam reforming reaction is an endothermic reaction, combustion fuel is supplied to the burner 4 from the anode off-gas discharge line L2, and combustion air is supplied from the combustion air supply line L9. The quality catalyst layer 3a is heated. At the start of starting the fuel cell power generation device, as the fuel for combustion, raw fuel supplied from a line (not shown) branched from the raw fuel supply line L7 and connected to the burner 4 is mainly used. When the combustion state in the combustion section 2b is stabilized and the reforming catalyst layer 2a is sufficiently heated, anode off-gas is mainly used.
Then, the reformed gas generated by the reformer 2 is supplied to the anode electrode 1a through the reformed gas supply line L1. In the fuel cell stack 1, the reformed gas supplied to the anode electrode 1 a and the air supplied to the cathode electrode 1 c are electrochemically reacted to generate power, and this power generation output is supplied to the power system.
The cathode offgas discharged from the cathode electrode 1c is cooled by the cathode offgas heat exchanger Q1, generates cathode offgas condensed water, and is supplied to the recovered water tank 6 through the cathode offgas discharge line L4.

改質装置２の燃焼部２ｂから排出される燃焼排ガスは、燃焼排ガスラインＬ１０を通って、燃焼排ガス熱交換器Ｑ２で冷却されて、生成した凝縮水は回収水タンク６に供給される。
回収水タンク６に回収された凝縮水は、回収水ポンプＰ１により回収水供給ラインＬ１２へと送出され、電気脱イオン装置１０で脱イオンされた処理水（純水）と、イオンが濃縮された濃縮水とに分かれて排出される。処理水は、電池冷却水タンク７中に貯留される。濃縮水は、燃料電池発電装置の系外に排水される場合もあるが、水自立のために回収水タンク６へと返送することが望ましい。
電池冷却水タンク７には、レベル計が設けられ、予め決められた設定水位（Ｌ１）になるように回収水ポンプＰ１の回転数が制御されている。
本発明の燃料電池発電装置においては、燃料電池発電装置の運転停止工程中に、電池冷却水タンクの設定水位の変更を行う。変更後の設定水位（Ｌ２）は、起動開始から発電開始までの起動工程期間に改質用に消費する水量を予め求めておき、この水量分を、水位（Ｌ１）の時の貯水量に加えて貯水した時の水位に設定している。
これにより、本発明の燃料電池発電装置においては、発電を停止する前に電池冷却水タンク７中の貯水量を、次回の起動時の発電開始前に消費する純水量分だけ多く貯水してから停止するので、次回起動工程時の燃料電池スタック１の発電が開始するまでの間、電気脱イオン装置１０から処理水（純水）が電池冷却水タンク７に供給されなくても、電池冷却水タンク７から供給される改質用水が不足する事態に陥ることがなくなった。 The flue gas discharged from the combustion unit 2b of the reformer 2 is cooled by the flue gas heat exchanger Q2 through the flue gas line L10, and the generated condensed water is supplied to the recovered water tank 6.
The condensed water collected in the collected water tank 6 is sent to the collected water supply line L12 by the collected water pump P1, and treated ions (pure water) deionized by the electrodeionization apparatus 10 and ions are concentrated. Separated into concentrated water and discharged. The treated water is stored in the battery cooling water tank 7. The concentrated water may be drained outside the fuel cell power generation system, but it is desirable to return it to the recovered water tank 6 for water self-sustainability.
The battery cooling water tank 7 is provided with a level meter, and the number of revolutions of the recovered water pump P1 is controlled so as to reach a predetermined set water level (L1).
In the fuel cell power generator of the present invention, the set water level of the battery cooling water tank is changed during the operation stop process of the fuel cell power generator. The set water level (L2) after the change is obtained in advance for the amount of water consumed for reforming during the start-up process period from the start of start-up to the start of power generation, and this amount of water is added to the amount of water stored at the water level (L1). The water level when the water is stored is set.
As a result, in the fuel cell power generation device of the present invention, the amount of water stored in the battery cooling water tank 7 is stored by the amount of pure water consumed before the start of power generation at the next start-up before power generation is stopped. Even if the treated water (pure water) is not supplied from the electrodeionization apparatus 10 to the battery cooling water tank 7 until the power generation of the fuel cell stack 1 in the next starting process starts, the battery cooling water is stopped. There is no longer a situation where the reforming water supplied from the tank 7 is insufficient.

_{本発明の燃料電池発電装置の実施形態の概略構成図である。It is a schematic structure figure of an embodiment of a fuel cell power generator of the present invention.}

符号の説明Explanation of symbols

１燃料電池スタック
２改質装置
２ａ改質触媒層
２ｂ燃焼部
３脱硫器
４バーナ
５反応空気供給用ブロワ
６回収水タンク
７電池冷却水タンク
８燃焼空気ブロワ
９脱炭酸室
１０電気脱イオン装置
Ｌ１改質ガス供給ライン
Ｌ２アノードオフガス排出ライン
Ｌ３空気供給ライン
Ｌ４カソードオフガス排出ライン
Ｌ５電池冷却水排出ライン
Ｌ６電池冷却水循環ライン
Ｌ７原燃料供給ライン
Ｌ８改質用水供給ライン
Ｌ９燃焼空気供給ライン
Ｌ１０燃焼排ガスライン
Ｌ１１排気ライン
Ｌ１２回収水供給ライン
Ｑ１カソードオフガス熱交換器
Ｑ２燃焼排ガス熱交換器
Ｐ１回収水ポンプ
Ｐ２改質用水ポンプ
Ｐ３電池冷却水ポンプ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell stack 2 Reforming apparatus 2a Reforming catalyst layer 2b Combustion part 3 Desulfurizer 4 Burner 5 Blower for reaction air supply 6 Recovery water tank 7 Battery cooling water tank 8 Combustion air blower 9 Decarbonation chamber 10 Electric deionization apparatus L1 Reformed gas supply line L2 Anode off gas discharge line L3 Air supply line L4 Cathode off gas discharge line L5 Battery cooling water discharge line L6 Battery cooling water circulation line L7 Raw fuel supply line L8 Reforming water supply line L9 Combustion air supply line L10 Combustion exhaust gas line L11 Exhaust line L12 Recovered water supply line Q1 Cathode off-gas heat exchanger Q2 Combustion exhaust gas heat exchanger P1 Recovered water pump P2 Reforming water pump P3 Battery cooling water pump

Claims

燃料電池スタックと、
原燃料を水素含有ガスに改質する改質装置と、
前記燃料電池スタックの出力を電源として用いる電気脱イオン装置と、
燃料電池スタックから排出されるカソードオフガスおよび/または改質装置から排出される燃焼排ガス中の凝縮水を貯留する回収水タンクと、
前記回収水タンクの水を前記電気脱イオン装置で脱イオン処理した水を貯留する電池冷却水タンクと、
前記電池冷却水タンクに貯留された水を燃料電池スタックの冷却および改質に用いる燃料電池発電装置において、
前記燃料電池発電装置の起動時における前記電池冷却水タンク中の貯水量が、
前記改質装置の起動から前記燃料電池スタックの発電開始までの間に改質反応に用いられる水量以上であることを特徴とする燃料電池発電装置。 A fuel cell stack;
A reformer for reforming raw fuel into a hydrogen-containing gas;
An electrodeionization apparatus using the output of the fuel cell stack as a power source;
A recovered water tank for storing condensate in the cathode offgas discharged from the fuel cell stack and / or combustion exhaust gas discharged from the reformer;
A battery cooling water tank for storing water obtained by deionizing the water of the recovered water tank with the electric deionization device;
In the fuel cell power generator using the water stored in the battery cooling water tank for cooling and reforming the fuel cell stack,
The amount of water stored in the battery cooling water tank at the start of the fuel cell power generator is
The fuel cell power generator characterized in that it is equal to or more than the amount of water used for the reforming reaction from the start of the reformer to the start of power generation of the fuel cell stack.

前記電池冷却水タンクの貯水量を前記燃料電池発電装置の停止工程中に増加させることを特徴とする燃料電池発電装置。 A fuel cell power generator characterized in that the amount of water stored in the battery cooling water tank is increased during a stop process of the fuel cell power generator.

前記電池冷却水タンクに水位計と前記水位計の検出値が設定値となるように電池冷却水タンクに供給する純水の量を制御する制御手段とを備え、
前記停止工程中に、前記設定値を、通常運転時の設定水位である第１の設定値から、通常運転時の設定水位より大きい第２の設定値へ変更することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電装置。 A control means for controlling the amount of pure water supplied to the battery cooling water tank such that the battery cooling water tank has a water level meter and a detection value of the water level meter becomes a set value;
3. The set value is changed from a first set value that is a set water level during normal operation to a second set value that is larger than the set water level during normal operation during the stopping step. The fuel cell power generator described in 1.