JPH02230665A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

燃料電池発電装置

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JPH02230665A
JPH02230665A JP1051610A JP5161089A JPH02230665A JP H02230665 A JPH02230665 A JP H02230665A JP 1051610 A JP1051610 A JP 1051610A JP 5161089 A JP5161089 A JP 5161089A JP H02230665 A JPH02230665 A JP H02230665A
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fuel cell
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water
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Makoto Kadowaki
門脇 真
Osamu Nefu
根布 修
Yasumoto Kubota
康幹 久保田
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Tohoku Electric Power Co Inc
Fuji Electric Co Ltd
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Tohoku Electric Power Co Inc
Fuji Electric Co Ltd
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は水冷式燃料電池発電装置の改質水蒸気発生系
および燃料電゛池冷却系の構造、ことにその始動および
停止時の温度制御特性の改善に関する. 〔従来の技術〕 燃料電池発電装1は天然ガス,メタノール等を原料とし
て水蒸気改質により水素リッチなガスを生成する改質器
.この改質器で生成した水素を燃料とし、空気を酸化剤
として発電を行う燃料電池、および燃料電池の直流出力
を交流に変換する直交変換装置から成る.この燃料電池
発電装置において発電を開始する場合、まず改質器に原
料ガスと水蒸気の混合ガスを導入し改質反応を行うが、
このための水蒸気(約160 ’C飽和蒸気)を発生さ
せる機器を設備として所持する必要がある.また、発電
するために電池本体の温度を約130℃までに昇温しな
ければならず、このため電池冷却水系に電気ヒータ等を
入れて昇温する必要がある.そこで、起動のために蒸気
発生用ボイラ等と電池昇温用ヒータ等の2つの設備を所
持したものが知られている. また、燃料電池の運転を停止する場合、燃料電池の発電
生成熱によって例えば160℃以上の高温になっている
冷却水を冷却して燃料電池温度を例えば80℃以下の保
管に好適な温度に冷却することが求められるが、多くの
場合自然冷却に依存しているものが多いのが実情である
(発明が解決しようとする謀題〕 蒸気発生用の熱源と、電池予熱用の熱源とを備える従来
袋置における構成の繁雑化を避けるために、両熱源を兼
用形として電池冷却水系に電気ヒータを設け、発電開始
時には冷却水を130℃程度に加熱して燃料電池の予熱
を行い、かつ加熱された冷却水を蒸気発生源として利用
するとともに、発電運転時には燃料電池に遣水する冷却
水を微少流量に絞ってオン・オフ制御することにより燃
料電池をその作動温度に保持する方法も試みられたが、
電池温度をある程度作動温度に保持できるものの、積層
燃料電池の上下方向にかなりの温度差が生じ、各車セル
間に出力特性の差が生じ、これが原因で出力特性の低下
や電極触媒層の劣化が促進されるという問題があり、そ
の改善が求められている。
一方、発電運転の停止時に燃料電池が高温の作動温度に
ある状態で不活性ガスによるパージを行って発電運転を
停止すると、反応ガスパージの遅れが原因で一部の単セ
ルにシンタリング現象に基づく電極触媒の有効反応面積
の低下が起こり、これが原因で出力特性の低下が促進さ
れるという問題があり、その改善が求められている.こ
の発明の目的は、燃料電池の出力特性に悪影響を及ぼす
ことなく蒸気発生系用および燃料電池予熱用の熱源を共
用化でき、かつ運転停止時の降温が容易な水冷式燃料電
池の蒸気発生系および冷却系を得ることにある。
〔作用〕
上記手段において、燃料電池始動時には電気ヒータを有
する加熱循環系によって水蒸気分M器内の包蔵水を所定
温度に加熱して水蒸気を発生させ、加熱水蒸気を水蒸気
改質器系に供給して原燃料の水蒸気改質等を開始すると
ともに、前記包蔵水を加熱媒体として温度調節弁を有す
る分岐tl&理系および冷却水m*系を介して燃料電池
に循環して燃料電池をその始動温度に加熱し、発電時に
は燃料電池の発電生成熱で昇温した冷却水を冷却水循環
系を介して水蒸気分離器に循環させて水蒸気発生の熱媒
体とすると同時に気化熱を奪われて降温した包蔵水によ
り燃料電池を冷却し、発電運転停止時には分岐循環系に
配された冷却器により冷却された冷却水を燃料電池に循
環させて燃料電池を所定の隆盛速度で冷却するよう構成
したことにより、水蒸気分離器を介して相互に結合され
た三つの循環系の遣流の仕方と、電気ヒータおよび冷却
器との組み合わせにより、改質水蒸気の発生および燃料
電池の始動.運転.停止の三つの状態のam制御を安定
して行うことができ、燃料電池の性能低下を回避できる
. 〔実施例〕 以下この発明を実施例に基づいて説明する.第1図はこ
の発明の実施例装置を示す要部の配管系統図、第2図は
その電気系統の要部の接続図であり、主として冷却水循
環系および蒸気発生系からなる水系部分を示したもので
ある.第1図において、1は水冷式燃料電池、2は水蒸
気改質器2Aを含む水蒸気改質器系、3は包蔵水8およ
び高温水蒸気9を内包する水蒸気分離器であり、包蔵水
8の目減りは弁6を介して図示しない復水器等から補給
され、その液面はレベル調節器6Aによって所定レベル
に保持される. また、10は包蔵水8を加熱媒体または冷却媒体として
燃料電池1の冷却器に循環させる冷却水循環系であり、
水蒸気分離器3の底分岐循環系に連結された配管11,
循環ボンブ12,流量調節弁13,燃料電池出口側配管
14,三方弁15,および水蒸気分離器三の上部に連遣
する配管16を含む循環通路として構成される。
2lは包蔵水8の加熱循環系であり、電気ヒータ22,
 11環ポンプ23と、これらと水蒸気分離器との間に
循環通路を形成する配管21A, 218. 21Cと
で横成される. 30は冷却器32および温度調節弁33を含む分岐循環
系であり、その一方の配管31Aが3方弁の一方の口B
を介して冷却水循環系10に切換可能に連結され、他方
の端が配管31Cを通して水M気分Ma3の上部に連結
されるとともに、三方弁方式の温度調節弁33の一方の
口Bが配管31[1を介して循環ボンブ12の吸込側に
連結ざれることにより、冷却水循環系10に水蒸気分j
ll3をバイパスするW1環通路が形成される。
上述のよう!.:.構成された実施例袋置において、装
置の始動時にはポンプ23によって水蒸気分離器3の包
蔵水8を循環させて電気ヒータ22によって加熱すると
ともに、三方弁15をA−B側に切換えて冷却水循環系
10のポンブ12を駆動し、包蔵水8を加熱媒体として
燃料電池1および分岐循環系3oを介して循環する.こ
のとき、冷却器32の弁32Bは閉じてその冷却機能を
停止状態とする.包蔵水8の昇温に伴って燃料電池lの
冷却板温度は第3図に曲線101で示すように上昇する
ので、燃料電池の入口温度調節器33Aにより温度調節
弁33を制御して配管31Cと3111とに分流する水
の量の割合を制御することにより、電池の平均温度を発
電開始前に例えば130℃程度に予熱することができる
一方、水蒸気分Hn3の包蔵水温度は第3図に曲線10
2で示すように、例えば130℃までは温度調節器6A
によって、それ以上は圧力調節器5Aおよび圧力調整5
の開口制御で飽和水蒸気9の発生量3いいかえれば気化
熱を制御することにより例えば160℃程度に保持され
、発生した飽和水蒸気が水蒸気改質器系2に送られるこ
とによって源燃料の水蒸気改質が行われる.そこで改質
ガスの生成を見計らって発電を開始すると、燃料電池1
は自己発熱によって冷却板温度が曲線101に示すよう
に上昇し、水系の始動操作を完了する. そこで、電気ヒータ22の電流を遮断し、循環飽和水蒸
気23を停止するとともに、三方弁15をA −C側に
切換えて.冷却水循環系10を通してWl環させること
により、燃料電池1の発電生成熱を熱源として改質に必
要な飽和水蒸気を発生でき、かつ気化熱を奪われること
によって降温した包蔵水が冷却水として燃料電池に環流
されることにより燃料電池1が冷却され、所定の作動温
度を保持して発電運転が行われる. 発電運転を停止する場合には、燃料電池に供給される反
応ガスを遮断したあと、三方弁をA→B側に切換え、冷
却器32の冷却水開閉弁32Bを開くことによって分岐
循環系30を通る循環水の温度が低下するので、温度調
節弁33により燃料電池入口側における冷却水温度が規
定の降温速度で低下するよう制御することにより、電池
の冷却板温度および水蒸気分離器内水温は第4図に曲線
111および112で示すように低下し、電池入口温度
が70℃ないし80℃程度に低下した時点で弁32Bを
閉じることによって冷却水系の停止操作が終了する。
電気ヒータ22のオン・オフ制御はその接続図を第2図
に示すように、始動時には電磁開閉器45および46を
閉じて電力系統側から例えば二つの電気ヒータ22A,
 22Bに電力を供給して水系の始動操作を開始し、改
質ガス量が規定値に到達した時点で直流開閉器43を閉
じて直交変換リ置41を起動し、1t磁開閉器45. 
46を開き、代わりに電磁開閉器47.48を閉じて一
方の電気ヒータ22Aを発熱さゼ、さらに改質ガス量が
増えた時点で電磁開閉器49を閉じて他方の電気ヒータ
22Bを発熱させる。燃料電池への規定のガス量の導入
が終了し、ガス.水系の起動が完了したならば電磁開閉
器47,48.49を切り、連系開閉器44を閉じて電
力系統への送電を開始する.ただし、燃料電池発1t装
置が起動用の蓄電池を備える場合には、これを電気ヒー
タの電源とずることができる. 〔発明の効果〕 こめ発明は前述のように、水蒸気分離器に電気ヒータを
有する加熱循環系を設け、水蒸気分離器と燃料電池とを
連結する冷却水循環系に切換接続可能な分岐循環系を設
け、分岐循環系に温度調整弁および冷却器を配するよう
構成した.その結果、電気ヒータを蒸気発生用および燃
料電池予熱用を兼ねた熱源とし、分岐循環系の温度調節
弁によって燃料電池の始動温度を制御して水系の始動操
作を行うことが可能となり、かつ始動操作中の燃料電池
の発生電力を電気ヒータの加熱に利用できるので、従来
装置における蒸気発生用のボイラやその配管が不要にな
って装置の構成を簡素化できるとともに、加熱媒体流量
を絞ってオン・オフ制御する従来方法で問題となった燃
料電池の温度差の拡大とこれに起因する性能低下が排除
され、したがって燃料電池の性能に悪影響を及ぼすこと
なく装置の始動を効率よく行える簡素化された水冷式燃
料電池発電装置を提供することができる.また、発電運
転の停止に際しては分岐循環系に配された冷却器および
温度調節弁によって冷却水温を制御しながら冷却できる
ので、燃料電池を任意の降温速度で冷却しつつ停止操作
を行うことが可能となり、燃料電池をその作動温度で停
止する従来方法で問題となった電極触媒の劣化とそれに
起因する性能低下が排除され、燃料電池の寿命の延長に
貢献できる利点が得られる.
【図面の簡単な説明】
第1図および第2図はこの発明の実施例装置の要部を示
す配管系統図、およびその電気系統の接続図、第3図は
実施例装置における始動時の温度特性図、第4図は実施
例装置における停止時の温度特性図である. 1:水冷式燃料電池、2:水蒸気改質器系、2^:水蒸
気改質器、3:水蒸気分離器、5;圧力調整弁、8:包
蔵水、9:飽和水蒸気、10:冷却水循環系、15:三
方弁、21:加熱循環系、22. 22A,22B=電
気ヒータ、30:分岐循環系、32:冷却器、33:温
度調節弁、12,23  8循環ボンブ、4l:直交変
換装置、45,46.47,48,49 8 it磁開
閉器、43:開閉器、44:連系開閉器. 代Jy人六が1山口 嶽 、−1.7+1, 華 2 回

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1)水冷式の燃料電池と、これに冷却水循環系を介して
    連結され発電運転時には包蔵水が燃料電池の廃熱により
    所定温度に加熱されて高温の水蒸気を原燃料の水蒸気改
    質器系に供給する水蒸気分離器とを有するものにおいて
    、前記燃料電池の始動時に発熱する電気ヒータを含み、
    前記包蔵水を燃料電池の始動に好適な温度に加熱する加
    熱循環系と、前記冷却水循環系に切換可能に連結された
    冷却器および温度調節弁を有する分岐循環系と、この分
    岐循環系に設けられ燃料電池の停止時に冷却水を任意の
    降温速度で冷却する冷却器とを備えたことを特徴とする
    燃料電池発電装置。
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