JP7836699B2 - Heat source system, heat source system operation method - Google Patents
Heat source system, heat source system operation methodInfo
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Description
本発明は、熱源機システム、及び熱源機システム運転方法に関する。 This invention relates to a heat source system and a method for operating a heat source system.
低炭素社会の実現に向けて、従来の都市ガス等のメタンを主成分とする炭化水素系のガスに水素を混合した混合ガスを利用することが検討されている。このような混合ガスをガス導管から供給する場合、ユーザ側での対応が問題となる。 To realize a low-carbon society, the use of mixed gases—combining hydrogen with conventional hydrocarbon gases such as city gas, which are primarily composed of methane—is being considered. When supplying such mixed gases through gas pipelines, user-side considerations become a problem.
特許文献１、２では、水素燃料用設備と既存のガス燃焼機器が並存する場合に、両方の機器を支障なく利用するため、混合ガス中の水素と炭化水素系ガスを分離し、機器で利用できない分離した未使用のガスを導管に戻し、他の需要家へ供給している。 Patent documents 1 and 2 describe a method for utilizing hydrogen fuel equipment and existing gas combustion equipment simultaneously. To ensure seamless operation of both systems, hydrogen and hydrocarbon gases are separated from the mixed gas, and the separated, unused gas, unusable by the equipment, is returned to the pipeline and supplied to other consumers.
特許文献１、２のように、ガス導管へ分離後のガスを戻す場合、戻された先のガスの水素や炭化水素の濃度にバラツキが生じると共に、ガス導管システムが大がかりとなる。一方、混合ガスを既存のガス燃焼機器で燃焼させることも考えられるが、水素を効率的に利用できない。需用者側に、水素燃料用設備利用者と既存のガス燃焼機器利用者が並存する場合に、混合ガスを簡易、且つ効率的に利用する方法が求められる。 As described in Patent Documents 1 and 2, when the separated gas is returned to the gas pipeline, variations occur in the concentrations of hydrogen and hydrocarbons in the returned gas, and the gas pipeline system becomes large and complex. On the other hand, burning the mixed gas in existing gas combustion equipment is also conceivable, but this does not allow for efficient utilization of hydrogen. When users of hydrogen fuel equipment and users of existing gas combustion equipment coexist, a simple and efficient method for utilizing the mixed gas is required.
本発明は、上記事実を考慮して成されたものであり、炭化水素及び水素を主成分とする混合ガスを、簡易に効率的に利用することを目的とする。 This invention was made in consideration of the above facts, and aims to provide a simple and efficient way to utilize a mixed gas mainly composed of hydrocarbons and hydrogen.
請求項１に係る熱源機システムは、ガス導管から供給される炭化水素及び水素を主成分とする混合ガスが非改質で燃料極に供給され、前記混合ガス中の水素を発電反応に用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池の燃料極から排出される燃料極オフガスを燃焼させるバーナと、前記バーナによる燃焼熱と加熱対象流体との間で熱交換を行う熱交換器と、を有する熱源機と、を備えている。 The heat source system according to claim 1 comprises a fuel cell that supplies a mixed gas mainly composed of hydrocarbons and hydrogen from a gas conduit to a fuel electrode without reforming, and generates electricity using the hydrogen in the mixed gas in a power generation reaction; a burner that burns the fuel electrode off-gas discharged from the fuel electrode of the fuel cell; and a heat exchanger that performs heat exchange between the combustion heat from the burner and the fluid to be heated.
請求項１に係る熱源機システムでは、ガス導管からの炭化水素及び水素を主成分とする混合ガスは、非改質で燃料電池の燃料極に供給され、燃料電池では、混合ガス中の水素が発電に利用される。発電に利用されずに燃料極から排出される燃料極オフガスは、熱源機のバーナの燃焼に供され、熱交換器においてバーナによる燃焼熱と加熱対象流体との間で熱交換が行われ、加熱対象流体が加熱される。 In the heat source system according to claim 1, a mixed gas mainly composed of hydrocarbons and hydrogen from the gas conduit is supplied to the fuel electrode of the fuel cell without reforming, and the hydrogen in the mixed gas is used for power generation in the fuel cell. The fuel electrode off-gas, which is discharged from the fuel electrode without being used for power generation, is used for combustion in the burner of the heat source unit, and heat exchange takes place in the heat exchanger between the combustion heat from the burner and the fluid to be heated, thereby heating the fluid to be heated.
請求項１に係る熱源機システムによれば、混合ガス中の水素が燃料電池で利用され、未利用の炭化水素や水素などが熱源機で利用される。したがって、熱源機のみで水素及び炭化水素を燃焼させて利用する場合と比較して、供給エネルギーに対して得られるエネルギーが多くなり、混合ガスを効率よく利用することができる。 According to the heat source system of claim 1, hydrogen in the mixed gas is utilized in the fuel cell, while unused hydrocarbons and hydrogen are utilized in the heat source unit. Therefore, compared to the case where hydrogen and hydrocarbons are burned and utilized solely in the heat source unit, the energy obtained relative to the supplied energy is greater, and the mixed gas can be utilized more efficiently.
また、混合ガスから水素と炭化水素を分離することなく利用し、且つ、燃料電池へ供給する混合ガスは非改質なので、分離装置や改質器を必要とせず、簡易な構成とすることができる。 Furthermore, since hydrogen and hydrocarbons are utilized without separating them from the mixed gas, and the mixed gas supplied to the fuel cell is unreformed, separation equipment and reformers are not required, allowing for a simple configuration.
請求項２に係る熱源機システムは、前記加熱対象流体の流路において前記熱交換器よりも上流側に配置されて前記加熱対象流体を加熱する電気ヒータを有し、前記燃料電池で発電された電力は、ユーザの電力消費へ供給され、余剰分が前記電気ヒータへ供給される。 The heat source system according to claim 2 includes an electric heater positioned upstream of the heat exchanger in the flow path of the fluid to be heated, which heats the fluid to be heated. The electricity generated by the fuel cell is supplied to the user's power consumption, and any surplus is supplied to the electric heater.
請求項２に係る熱源機システムによれば、燃料電池で発電された電力の余剰分が電気ヒータへ供給され、加熱対象流体を熱交換器よりも上流で加熱する。これにより、余剰電力を効率的に利用することができる。 According to the heat source system of claim 2, surplus electricity generated by the fuel cell is supplied to an electric heater, heating the fluid to be heated upstream of the heat exchanger. This allows for efficient utilization of surplus electricity.
請求項１に係る熱源機システムは、前記燃料電池へ前記混合ガスを供給する燃料供給部と、前記熱源機に対する運転要求がある時にのみ前記燃料極へ前記混合ガスが供給されるように前記燃料供給部を制御する制御部と、を備えている。 The heat source system according to claim 1 comprises a fuel supply unit that supplies the mixed gas to the fuel cell, and a control unit that controls the fuel supply unit so that the mixed gas is supplied to the fuel electrode only when there is a request to operate the heat source.
請求項１に係る熱源機システムによれば、熱源機の運転要求時にのみ燃料極へ混合ガスを供給する。ここでの「熱源機に対する運転要求がある時」は、熱源機へ運転要求があり且つ要求に応じて熱源機が運転中の場合を意味する。したがって、燃料電池のみが運転されて熱源機が運転されない事態が生じず、燃料電池から排出される、炭化水素や未利用水素が含まれる燃料極オフガスを、熱源機において適切に処理することができる。 According to the heat source system of claim 1 , the mixed gas is supplied to the fuel electrode only when there is a request to operate the heat source. Here, "when there is a request to operate the heat source" means when there is a request to operate the heat source and the heat source is operating in response to the request. Therefore, a situation will not occur where only the fuel cell is operating and the heat source is not operating, and the fuel electrode off-gas, which contains hydrocarbons and unused hydrogen emitted from the fuel cell, can be properly treated in the heat source.
請求項３に係る熱源機システムは、前記制御部は、前記熱源機の運転継続時間が所定の発電可能時間以上であると判断した場合に、前記燃料電池の発電運転が開始されるように前記燃料電池を制御する。 The heat source system according to claim 3 is configured such that the fuel cell starts power generation operation when the control unit determines that the operating time of the heat source unit is equal to or greater than a predetermined power generation time.
請求項３に係る熱源機システムによれば、熱源機の運転継続時間が所定の発電可能時間以上であると判断された場合に、燃料電池の発電運転が開始されるので、非効率な短時間の燃料電池の発電運転を抑制することができる。 According to the heat source system of claim 3 , when it is determined that the operating time of the heat source is equal to or greater than a predetermined power generation time, the power generation operation of the fuel cell is started, thereby suppressing inefficient short-term power generation operation of the fuel cell.
請求項４に係る熱源機システム運転方法は、ガス導管から供給される炭化水素及び水素を主成分とする混合ガスを燃料電池の燃料極へ非改質で供給して前記混合ガス中の水素を用いて発電し、前記燃料電池の燃料極から排出される燃料極オフガスを熱源機へ送出し、前記熱源機のバーナで燃焼させた燃焼熱で加熱対象流体を加熱する。また、前記熱源機に対する運転要求がある時にのみ前記燃料極へ前記混合ガスを供給する。 The heat source system operation method according to claim 4 involves supplying a mixed gas mainly composed of hydrocarbons and hydrogen, supplied from a gas conduit, to the fuel electrode of a fuel cell without reforming, generating electricity using the hydrogen in the mixed gas, sending the fuel electrode off-gas discharged from the fuel cell to the heat source unit, and heating the fluid to be heated with the heat of combustion generated by burning it in the burner of the heat source unit. Furthermore, the mixed gas is supplied to the fuel electrode only when there is a request to operate the heat source unit.
請求項４に係る熱源機システム運転方法では、ガス導管から供給される炭化水素及び水素を含む混合ガス中の水素を用いて発電し、燃料電池の燃料極から排出される燃料極オフガスを熱源機のバーナで燃焼させ、燃焼熱で加熱対象流体を加熱する。したがって、熱源機のみで水素及び炭化水素を燃焼させて利用する場合と比較して、混合ガスを効率よく利用することができる。 In the heat source system operation method according to claim 4 , electricity is generated using hydrogen in a mixed gas containing hydrocarbons and hydrogen supplied from a gas conduit, and the fuel electrode off-gas discharged from the fuel electrode of the fuel cell is burned in the burner of the heat source unit to heat the fluid to be heated with the heat of combustion. Therefore, the mixed gas can be used more efficiently compared to the case in which hydrogen and hydrocarbons are burned and utilized by the heat source unit alone.
また、燃料電池へ供給する混合ガスは非改質なので、改質器を必要とせず、簡易な構成とすることができる。 Furthermore, since the mixed gas supplied to the fuel cell is unreformed, a reformer is not required, allowing for a simpler configuration.
本発明に係る熱源機システム及び熱源機システム運転方法によれば、炭化水素及び水素を主成分とする混合ガスを、簡易に効率的に利用することができる。 According to the heat source system and operating method of the present invention, a mixed gas mainly composed of hydrocarbons and hydrogen can be easily and efficiently utilized.
＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態について、図面を参照して説明する。
<First Embodiment>
A first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
熱源機システム１０Ａは、ユーザ宅や、集合住宅等に設置されている、水などの加熱対象流体を加熱するためのシステムであり、給湯設備や温水式床暖房設備などの熱源となる機器である。図１には、本発明の実施形態に係る熱源機システム１０Ａの主要構成の概略が示されている。本発明の実施形態に係る熱源機システム１０Ａは、主要な構成として、発電ユニット１２、及び熱源機３０を備えている。 The heat source system 10A is a system installed in user homes, apartment buildings, etc., for heating fluids such as water, and serves as a heat source for hot water supply systems and hot water floor heating systems. Figure 1 shows a schematic diagram of the main components of the heat source system 10A according to an embodiment of the present invention. The heat source system 10A according to an embodiment of the present invention mainly comprises a power generation unit 12 and a heat source unit 30.
熱源機システム１０Ａには、所定の地域にガスを供給するガス導管Ｇから混合ガスが供給される。混合ガスは、水素及び炭化水素を主成分とするガスであり、一例として都市ガスに水素を混合させたガスを用いることができる。また、一例として、混合ガス中の水素濃度は０．１％～１０％程度、メタン濃度は９０％～９９．９％程度に設定することができる。ガス導管Ｇから分岐して燃料供給管Ｐ１が設けられており、燃料供給管Ｐ１を介して熱源機システム１０Ａへ混合ガスが供給される。 The heat source system 10A is supplied with a mixed gas from a gas pipeline G that supplies gas to a designated area. The mixed gas is primarily composed of hydrogen and hydrocarbons; for example, a gas mixed with hydrogen can be used. For example, the hydrogen concentration in the mixed gas can be set to approximately 0.1% to 10%, and the methane concentration to approximately 90% to 99.9%. A fuel supply pipe P1 branches off from the gas pipeline G, and the mixed gas is supplied to the heat source system 10A via the fuel supply pipe P1.
発電ユニット１２は、混合ガスの水素を利用して発電する機器であり、脱硫器１４、燃料電池セルスタック２０、空気供給ブロワ２２、燃料供給ブロワ２４、及びパワーコンディショナ２６を有している。 The power generation unit 12 is a device that generates electricity using hydrogen from a mixed gas, and includes a desulfurizer 14, a fuel cell stack 20, an air supply blower 22, a fuel supply blower 24, and a power conditioner 26.
燃料電池セルスタック２０は、積層された複数の燃料電池セルを有するセルスタックである。燃料電池セルスタック２０は、本発明における燃料電池の一例であり、個々の燃料電池セルは、電解質層（不図示）と、当該電解質層の表裏面にそれぞれ積層された燃料極２０Ａ、及び空気極２０Ｂと、を有している。なお、燃料電池セルスタック２０として、固体酸化物型燃料電池（SOFC）、溶融炭酸塩型燃料電池（MCFC）、固体高分子型燃料電池（PEFC）等、種々の燃料電池を適用することができる。本実施形態では、PEFCを例に説明する。 The fuel cell stack 20 is a cell stack having multiple stacked fuel cell cells. The fuel cell stack 20 is an example of a fuel cell in the present invention, and each fuel cell has an electrolyte layer (not shown), and fuel electrodes 20A and air electrodes 20B stacked on the front and back surfaces of the electrolyte layer, respectively. Various fuel cells can be applied as the fuel cell stack 20, such as solid oxide fuel cells (SOFCs), molten carbonate fuel cells (MCFCs), and polymer electrolyte fuel cells (PEFCs). In this embodiment, PEFCs will be used as an example.
燃料極２０Ａの入口側には、燃料供給管Ｐ１が接続され、空気極２０Ｂの入口側には、空気供給管Ｐ２が接続されている。燃料供給管Ｐ１には、上流側から順に燃料供給ブロワ２４、及び脱硫器１４が設けられている。燃料供給ブロワ２４は、混合ガスを指示された流量で燃料極２０Ａへ向かって送出する。脱硫器１４は、混合ガス中の付臭剤としての硫黄成分を除去する。硫黄成分が除去された混合ガスは、水素及びメタンを含んでおり、改質されることなく燃料電池セルスタック２０の燃料極２０Ａへ供給される。空気供給管Ｐ２には、空気供給ブロワ２２が設けられており、空気供給ブロワ２２により空気極２０Ｂへ空気が供給される。 A fuel supply pipe P1 is connected to the inlet side of the fuel electrode 20A, and an air supply pipe P2 is connected to the inlet side of the air electrode 20B. The fuel supply pipe P1 is equipped with a fuel supply blower 24 and a desulfurizer 14, in that order from upstream. The fuel supply blower 24 delivers the mixed gas to the fuel electrode 20A at a specified flow rate. The desulfurizer 14 removes the sulfur component, which acts as an odorant, from the mixed gas. The mixed gas, from which the sulfur component has been removed, contains hydrogen and methane and is supplied to the fuel electrode 20A of the fuel cell cell stack 20 without being reformed. An air supply blower 22 is provided in the air supply pipe P2, and air is supplied to the air electrode 20B by the air supply blower 22.
燃料極２０Ａの出口側には、燃料極オフガス管Ｐ３が接続され、空気極２０Ｂの出口側には、空気極オフガス管Ｐ４が接続されている。燃料極オフガス管Ｐ３の下流端は、熱源機３０の後述するバーナ３２に接続されている。空気極２０Ｂから排出される空気極オフガスは、空気極オフガス管Ｐ４から大気に放散される。燃料極２０Ａから排出される燃料極オフガスは、燃料極オフガス管Ｐ３を介してバーナ３２へ供給される。 A fuel electrode off-gas pipe P3 is connected to the outlet side of the fuel electrode 20A, and an air electrode off-gas pipe P4 is connected to the outlet side of the air electrode 20B. The downstream end of the fuel electrode off-gas pipe P3 is connected to the burner 32 of the heat source unit 30, which will be described later. The air electrode off-gas discharged from the air electrode 20B is released into the atmosphere through the air electrode off-gas pipe P4. The fuel electrode off-gas discharged from the fuel electrode 20A is supplied to the burner 32 via the fuel electrode off-gas pipe P3.
燃料電池セルスタック２０には、パワーコンディショナ２６が電気的に接続されている。パワーコンディショナ２６により、燃料電池セルスタック２０による発電出力が制御されると共に、電力がユーザへ供給される。 A power conditioner 26 is electrically connected to the fuel cell stack 20. The power conditioner 26 controls the power output of the fuel cell stack 20 and supplies electricity to the user.
熱源機３０は、発電ユニット１２の燃料電池セルスタック２０の燃料極２０Ａから排出された燃料極オフガスを燃料として加熱対象流体を加熱する機器であり、バーナ３２、及び熱交換器３４を有している。熱交換器３４には、水供給管Ｐ５から上水が供給される。 The heat source unit 30 is a device that heats the fluid to be heated using fuel electrode off-gas discharged from the fuel electrode 20A of the fuel cell stack 20 of the power generation unit 12 as fuel. It includes a burner 32 and a heat exchanger 34. Tap water is supplied to the heat exchanger 34 from the water supply pipe P5.
バーナ３２には、燃料極オフガス管Ｐ３が接続されており、燃料電池セルスタック２０の燃料極２０Ａから排出された燃料極オフガスが供給される。バーナ３２は熱交換器３４と隣接配置されている。バーナ３２は、燃料極オフガス中の可燃成分を燃焼させ、燃焼熱により熱交換器３４へ供給された上水を加熱する。 The burner 32 is connected to a fuel electrode off-gas pipe P3, and is supplied with fuel electrode off-gas discharged from the fuel electrode 20A of the fuel cell cell stack 20. The burner 32 is located adjacent to the heat exchanger 34. The burner 32 burns the combustible components in the fuel electrode off-gas, and the heat of combustion heats the tap water supplied to the heat exchanger 34.
熱交換器３４で加熱された上水は、配管Ｐ７から送出され、給湯用、床暖用へ供給される。バーナ３２からの燃焼排ガスは、排ガス管Ｐ６から排出される。 The tap water heated in the heat exchanger 34 is sent out through piping P7 and supplied for hot water and underfloor heating. Combustion exhaust gas from the burner 32 is discharged through exhaust pipe P6.
図２には、熱源機システム１０Ａの制御系に係る概略ブロック図が示されている。熱源機システム１０Ａには、コントローラ４０が設けられており、コントローラ４０により発電ユニット１２及び熱源機３０が制御されている。 Figure 2 shows a schematic block diagram of the control system for the heat source system 10A. The heat source system 10A is equipped with a controller 40, which controls the power generation unit 12 and the heat source unit 30.
コントローラ４０は、図２に示されるように、ＣＰＵ（Central Processing Unit）４１と、ＲＯＭ（Read Only Memory）４２と、ＲＡＭ（Random Access Memory）４３と、入出力インターフェース（Ｉ／Ｆ）４４と、記憶部４５と、を備えている。 As shown in Figure 2, the controller 40 comprises a CPU (Central Processing Unit) 41, a ROM (Read Only Memory) 42, a RAM (Random Access Memory) 43, an input/output interface (I/F) 44, and a storage unit 45.
ＣＰＵ４１、ＲＯＭ４２、ＲＡＭ４３、及びＩ／Ｆ４４は、バス４６を介して各々接続されている。Ｉ／Ｆ４４には、記憶部４５を含む各機能部が接続されている。これらの各機能部は、Ｉ／Ｆ４４を介して、ＣＰＵ４１と相互に通信可能とされる。 The CPU 41, ROM 42, RAM 43, and I/F 44 are connected to each other via the bus 46. Each functional unit, including the memory unit 45, is connected to the I/F 44. These functional units are capable of communicating with the CPU 41 via the I/F 44.
記憶部４５としては、例えば、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）、フラッシュメモリ等が用いられる。記憶部４５には、熱源機システム１０Ａの各部を制御するための制御プログラムや、各種のデータが記憶される。なお、この制御プログラム、各種データは、ＲＯＭ４２に記憶されていてもよい。 For example, the storage unit 45 may be an HDD (Hard Disk Drive), SSD (Solid State Drive), or flash memory. The storage unit 45 stores control programs for controlling each part of the heat source system 10A, as well as various data. Note that these control programs and data may also be stored in ROM 42.
本実施形態では、制御プログラムの一部として、発電制御処理プログラム等が格納されている。また、この処理に使用されるデータとして、発電条件情報Ｉ等が格納されている。 In this embodiment, the power generation control processing program and the like are stored as part of the control program. Furthermore, power generation condition information I and the like are stored as data used in this processing.
発電条件情報Ｉは、発電ユニット１２において、発電運転が実行されるための条件である。本実施形態では、熱源機３０の稼働が発電運転の条件とされ、且つ、操作パネル５０から床暖開始の入力があった場合、浴槽湯張り開始の入力があった場合、給湯時間が所定時間Ｔ以上となった場合、のいずれかが条件とされている。所定時間Ｔとしては、例えば、１０秒～２０秒など、床暖房や浴槽湯張りよりも短く設定され、床暖房や浴槽湯張りよりも短いが、ユーザの湯の使用時間がある程度長くなる時間を設定することができる。床暖房の時間、浴槽湯張り時間、及び所定時間Ｔ以上が、本発明の発電可能時間の例となる。 The power generation condition information I is the condition for power generation operation to be performed in the power generation unit 12. In this embodiment, the operation of the heat source unit 30 is the condition for power generation operation, and one of the following conditions is also set: when an input for starting floor heating is received from the operation panel 50, when an input for starting bathtub filling is received, or when the hot water supply time exceeds a predetermined time T. The predetermined time T can be set to be shorter than the time for floor heating or bathtub filling, such as 10 to 20 seconds, but shorter than the time for floor heating or bathtub filling, but longer than the time for the user to use hot water. The time for floor heating, the time for filling the bathtub, and the predetermined time T or longer are examples of the power generation possible time in this invention.
コントローラ４０は、空気供給ブロワ２２、燃料供給ブロワ２４、パワーコンディショナ２６、バーナ３２、操作パネル５０等と接続されている。操作パネル５０は、表示器、ランプ、及び、スイッチ等を有しており、ユーザが各種の指示を入力できると共に、熱源機システム１０Ａの状態等が表示される。 The controller 40 is connected to the air supply blower 22, fuel supply blower 24, power conditioner 26, burner 32, control panel 50, etc. The control panel 50 has displays, lamps, and switches, allowing the user to input various instructions and displaying the status of the heat source system 10A.
次に、熱源機システム１０Ａの作用について説明する。 Next, the operation of the heat source system 10A will be explained.
ユーザにより、操作パネル５０から熱源機システム１０Ａの電源がオンされると、コントローラ４０では、図３に示す発電制御処理が実行される。 When the user turns on the power to the heat source system 10A from the control panel 50, the controller 40 executes the power generation control process shown in Figure 3.
ステップＳ１０で、熱源機３０の駆動指示があったかどうかを判断し、判断が肯定された場合には、ステップＳ１２で、熱源機３０の駆動を開始する。判断が否定された場合には、熱源機の駆動指示があるまで待機する。熱源機３０の駆動指示は、ユーザによる操作パネル５０からの入力（床暖開始、浴槽の湯張り等）、または着火最低流量を超える上水の出水で行われる。 In step S10, it is determined whether or not there is an instruction to drive the heat source unit 30. If the determination is affirmative, the drive of the heat source unit 30 is started in step S12. If the determination is negative, the system waits until an instruction to drive the heat source unit is received. The instruction to drive the heat source unit 30 is given by user input from the control panel 50 (e.g., starting floor heating, filling the bathtub), or by the discharge of tap water exceeding the minimum ignition flow rate.
熱源機３０の駆動開始により、燃料供給ブロワ２４が駆動され、ガス導管Ｇから混合ガスが、非改質で、脱硫器１４、燃料電池セルスタック２０の燃料極２０Ａを経て、熱源機３０のバーナ３２に供給される。そして、バーナ３２で混合ガス（燃料極オフガス）が燃焼され、熱交換器３４に供給される加熱対象流体である水が燃焼熱で加熱される。なお、本実施形態では加熱対象流体として水を例に説明するが、不凍液（床暖房の場合）など他の流体であってもよい。 When the heat source unit 30 is started, the fuel supply blower 24 is activated, and the mixed gas is supplied unreformed from the gas conduit G through the desulfurizer 14 and the fuel electrode 20A of the fuel cell cell stack 20 to the burner 32 of the heat source unit 30. The mixed gas (fuel electrode off-gas) is then burned in the burner 32, and the water, which is the fluid to be heated and supplied to the heat exchanger 34, is heated by the heat of combustion. In this embodiment, water is used as an example of the fluid to be heated, but other fluids such as antifreeze (in the case of underfloor heating) may also be used.
ステップＳ１４で、発電条件を満たすかどうかを判断する。発電条件を満たすか否かは、記憶部４５に記憶されている発電条件情報Ｉを満たすか否かで判断される。本実施形態では、操作パネル５０から床暖開始の入力があった場合、浴槽湯張り開始の入力があった場合、上水の出水後に給湯時間が所定時間Ｔ以上となった場合、に判断が肯定される。 In step S14, it is determined whether the power generation conditions are met. Whether or not the power generation conditions are met is determined by whether or not the power generation condition information I stored in the memory unit 45 is met. In this embodiment, the determination is affirmed when there is an input to start floor heating from the operation panel 50, when there is an input to start filling the bathtub, or when the hot water supply time after the tap water comes out exceeds a predetermined time T.
ステップＳ１４で発電条件を満たすと判断された場合には、ステップＳ１６で発電ユニット１２において発電運転を開始する指示を出力する。発電開始により、空気供給ブロワ２２が駆動されて空気極２０Ｂへ空気が供給され、パワーコンディショナ２６により燃料電池セルスタック２０の発電出力が開始される。これにより、燃料電池セルスタック２０へ供給された混合ガス中の水素が発電反応に用いられて消費され、水素消費後の燃料極オフガスがバーナ３２へ供給される。バーナ３２では、燃料電池セルスタック２０での水素消費後の燃料極オフガスが燃焼される。 If it is determined in step S14 that the power generation conditions are met, step S16 outputs an instruction to start power generation operation in the power generation unit 12. Upon starting power generation, the air supply blower 22 is driven to supply air to the air electrode 20B, and the power conditioner 26 starts the power output of the fuel cell cell stack 20. As a result, the hydrogen in the mixed gas supplied to the fuel cell cell stack 20 is used and consumed in the power generation reaction, and the fuel electrode off-gas after hydrogen consumption is supplied to the burner 32. In the burner 32, the fuel electrode off-gas after hydrogen consumption in the fuel cell cell stack 20 is burned.
次に、ステップＳ１８で、熱源機３０の停止指示があるまで待機し、熱源機３０の停止指示があった場合には、ステップＳ２０で熱源機３０の停止指示を出力し、ステップＳ２２で発電ユニット１２の発電運転を停止する。 Next, in step S18, the system waits until a stop command is received for the heat source unit 30. If a stop command is received for the heat source unit 30, step S20 outputs a stop command for the heat source unit 30, and step S22 stops the power generation operation of the power generation unit 12.
ステップＳ２４で、熱源機システム１０Ａの停止指示があったかどうかを判断し、判断が肯定された場合には、本処理を終了する。熱源機システム１０Ａの停止指示がない場合には、ステップＳ１０へ戻り、上記の処理を繰り返す。 In step S24, it is determined whether a stop command has been issued for the heat source system 10A. If the determination is affirmative, this process is terminated. If there is no stop command for the heat source system 10A, the process returns to step S10 and the above process is repeated.
本実施形態の熱源機システム１０Ａでは、混合ガス中の水素が燃料電池セルスタック２０の発電で利用され、燃料電池セルスタック２０で未利用のメタン等の可燃成分が熱源機３０で利用される。したがって、熱源機３０のバーナ３２のみで水素及びメタンを含む混合ガスを燃焼させて利用する場合と比較して、混合ガスを効率よく利用することができる。 In the heat source system 10A of this embodiment, hydrogen in the mixed gas is used for power generation in the fuel cell stack 20, and combustible components such as methane that are not used in the fuel cell stack 20 are used in the heat source unit 30. Therefore, compared to the case where the mixed gas containing hydrogen and methane is burned and utilized only in the burner 32 of the heat source unit 30, the mixed gas can be utilized more efficiently.
また、燃料電池セルスタック２０へ供給する混合ガスに水素が含まれているため、改質器を必要とせず、簡易な構成とすることができる。 Furthermore, since the mixed gas supplied to the fuel cell stack 20 contains hydrogen, a reformer is not required, allowing for a simpler configuration.
なお、本実施形態では、熱源機３０に対する運転要求がある時にのみ燃料電池へ混合ガスを供給したが、熱源機３０の非運転時に燃料電池へ混合ガスを供給して、発電ユニット１２において発電運転を行ってもよい。この場合には、燃料電池セルスタック２０から排出される、可燃成分が含まれる燃料極オフガスを、適切に処理する燃焼器等を設ける。本実施形態のように、熱源機３０に対する運転要求がある時にのみ燃料電池へ混合ガスを供給することにより、燃料電池セルスタック２０から排出される、可燃成分が含まれる燃料極オフガスを、外部排出することなく、熱源機３０において適切に処理することができる。なお、ここでの燃料極２０Ａへの混合ガスの供給は、発電ユニット１２の発電運転が実行されない場合を含む。 In this embodiment, the fuel cell is supplied with the mixed gas only when there is an operation request for the heat source unit 30. However, the mixed gas may also be supplied to the fuel cell when the heat source unit 30 is not in operation, allowing the power generation unit 12 to perform power generation. In this case, a combustor or the like should be provided to appropriately process the fuel electrode off-gas containing combustible components discharged from the fuel cell cell stack 20. As in this embodiment, by supplying the mixed gas to the fuel cell only when there is an operation request for the heat source unit 30, the fuel electrode off-gas containing combustible components discharged from the fuel cell cell stack 20 can be appropriately processed in the heat source unit 30 without being discharged externally. Note that the supply of the mixed gas to the fuel electrode 20A here includes cases where the power generation unit 12 is not performing power generation.
また、本実施形態では、熱源機３０の運転継続時間が床暖房の時間、浴槽湯張り時間、及び所定時間Ｔ以上であると判断された場合に、燃料電池セルスタック２０の発電運転が開始されるので、非効率な燃料電池セルスタック２０の発電運転を抑制することができる。なお、必ずしも、熱源機３０の運転継続時間が床暖房の時間、浴槽湯張り時間、及び所定時間Ｔ以上であると判断された場合に、燃料電池セルスタック２０の発電運転が開始される必要はなく、熱源機３０の駆動と同時に燃料電池セルスタック２０の発電運転を開始してもよい。 Furthermore, in this embodiment, the power generation operation of the fuel cell stack 20 is started when it is determined that the operating time of the heat source unit 30 is equal to or greater than the floor heating time, the bathtub filling time, and a predetermined time T. This suppresses inefficient power generation operation of the fuel cell stack 20. However, it is not necessarily required that the power generation operation of the fuel cell stack 20 be started only when it is determined that the operating time of the heat source unit 30 is equal to or greater than the floor heating time, the bathtub filling time, and a predetermined time T. The power generation operation of the fuel cell stack 20 may be started simultaneously with the operation of the heat source unit 30.
＜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は同一の符号を付して図示し、その詳細な説明は省略する。
<Second Embodiment>
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, parts similar to those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and their detailed descriptions will be omitted.
本実施形態の熱源機システム１０Ｂは、図４に示されるように、主にヒータ５２を有する点が第１実施形態と異なっている。ヒータ５２は電気式のヒータであり、水供給管Ｐ５が接続されている。ヒータ５２により、水供給管Ｐ５からの上水が加熱され、熱交換器３４へ送出される。 The heat source system 10B of this embodiment differs from the first embodiment in that it mainly has a heater 52, as shown in Figure 4. The heater 52 is an electric heater, and a water supply pipe P5 is connected to it. The heater 52 heats the tap water from the water supply pipe P5, and the water is then sent to the heat exchanger 34.
パワーコンディショナ２６は、負荷電力に応じてユーザへ電力を供給し、余剰電力が発生した場合には、当該余剰電力をヒータ５２に供給する。 The power conditioner 26 supplies power to the user according to the load power, and if surplus power is generated, it supplies that surplus power to the heater 52.
本実施形態では、燃料電池セルスタック２０で発電された電力の余剰分がヒータ５２へ供給され、加熱対象流体である上水が熱交換器３４よりも上流で加熱される。したがって、余剰電力を効率的に利用することができる。 In this embodiment, surplus electricity generated by the fuel cell cell stack 20 is supplied to the heater 52, and the tap water, which is the fluid to be heated, is heated upstream of the heat exchanger 34. Therefore, surplus electricity can be utilized efficiently.
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。 While embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to those described above, and can be implemented in various modified forms without departing from its spirit.
１０Ａ、１０Ｂ 熱源機システム
２０ 燃料電池セルスタック（燃料電池）
２０Ａ 燃料極
２４ 燃料供給ブロワ（燃料供給部）
３０ 熱源機
３２ バーナ
３４ 熱交換器
４０ コントローラ（制御部）
５２ ヒータ（電気ヒータ）
Ｇ ガス導管
Ｐ５ 水供給管（流路）
10A, 10B Heat source system 20 Fuel cell stack (fuel cell)
20A Fuel electrode 24 Fuel supply blower (fuel supply unit)
30 Heat source unit 32 Burner 34 Heat exchanger 40 Controller (control unit)
52. Heater (Electric Heater)
G Gas pipeline P5 Water supply pipe (flow channel)
Claims (4)
前記燃料電池の燃料極から排出される燃料極オフガスを燃焼させるバーナと、前記バーナによる燃焼熱と加熱対象流体との間で熱交換を行う熱交換器と、を有する熱源機と、
前記燃料電池へ前記混合ガスを供給する燃料供給部と、
前記熱源機に対する運転要求がある時にのみ前記燃料極へ前記混合ガスが供給されるように前記燃料供給部を制御する制御部と、
を備えた、熱源機システム。 A fuel cell is supplied to a fuel electrode without reforming a mixed gas mainly composed of hydrocarbons and hydrogen, which is supplied from a gas conduit, and uses the hydrogen in the mixed gas to generate electricity in a power generation reaction.
A heat source unit having a burner for burning fuel electrode off-gas discharged from the fuel electrode of the fuel cell, and a heat exchanger for performing heat exchange between the combustion heat from the burner and the fluid to be heated,
A fuel supply unit that supplies the mixed gas to the fuel cell,
A control unit controls the fuel supply unit so that the mixed gas is supplied to the fuel electrode only when there is a request to operate the heat source unit,
A heat source system equipped with a heat source unit.
前記燃料電池で発電された電力は、ユーザの電力消費へ供給され、余剰分が前記電気ヒータへ供給される、
請求項１に記載の熱源機システム。 The flow path of the fluid to be heated includes an electric heater positioned upstream of the heat exchanger to heat the fluid to be heated,
The electricity generated by the fuel cell is supplied to the user's power consumption, and any surplus is supplied to the electric heater.
The heat source system according to claim 1.
請求項２に記載の熱源機システム。 The control unit controls the fuel cell so that power generation operation of the fuel cell is started when it determines that the operating time of the heat source unit is equal to or greater than a predetermined power generation time.
The heat source system according to claim 2 .
前記燃料電池の燃料極から排出される燃料極オフガスを熱源機へ送出し、前記熱源機のバーナで燃焼させた燃焼熱で加熱対象流体を加熱する、熱源機システム運転方法であって、
前記熱源機に対する運転要求がある時にのみ前記燃料極へ前記混合ガスを供給する、
熱源機システム運転方法。 A mixed gas mainly composed of hydrocarbons and hydrogen, supplied from a gas pipeline, is supplied unreformed to the fuel electrode of a fuel cell, and electricity is generated using the hydrogen in the mixed gas.
A method for operating a heat source system, comprising sending fuel electrode off-gas discharged from the fuel electrode of the fuel cell to a heat source unit, and heating a fluid to be heated with the heat of combustion generated by burning the fuel electrode in the burner of the heat source unit,
The mixed gas is supplied to the fuel electrode only when there is a request to operate the heat source unit.
Operating method for a heat source system.
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