JPH03219565A - 燃料電池発電システム - Google Patents

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〕 この発明は燃料電池発電システムの冷却系をなす水蒸気
分離器における気相のコントロールに関するものである
。

〔従来の技術〕

燃料電池は燃料極に水素を含む燃料ガスを、空気極に空
気をそれぞれ連続的に供給して酸化還元反応を行わせる
ことにより、電力を外部に取出す。この反応に伴う熱を
除去するために、燃料電池に冷却器が設けられ、電池冷
却水ポンプ、水蒸気分離器と併せて構成される電池冷却
系からの冷却水通水により燃料電池の冷却が行われる。

燃料電池は、反応促進のためある一定の動作温度（例え
ば２００℃）が必要で、このため、運転中電池冷却水は
例えば１７０℃程度に維持されるが、これは水蒸気分離
器の圧力または温度のコントロールにより行われる。

第３図は、例えば日本産業機械工業会（昭和５９年５月
）発行「オンサイト型燃料電池の技術調査報告書」第１
１〜１２ページに示された従来の燃料電池発電システム
を示す系統図である。

（１） （２） 図において、（１）は燃料極（ｌａ）、空気極（ｌｂ）
、および両極の反応に伴う熱を除去する冷却器（１ｃ）
を積層してなる燃料電池本体、（２）は反応部（２ａ）
、バーナ部（２ｂ）で構成される改質装置、（３）は電
池冷却水が液相部（４）、気相部（５）に分離される水
蒸気分離器、（６）は電池冷却水ポンプ、（７ａ）、（
７ｂ）は電池冷却水配管、（８）はスチーム供給配管、
（９）はスチーム調節弁またはしゃ断弁、（１０）はエ
ジェクタ、（１１）は電池冷却水配管（７ａ）上に設け
た熱交換器である。

次にこの従来技術の動作について説明する。燃料電池本
体（１）は、燃料極（１ａ）に改質装置（２）の反応部
（２ａ）から送られてきた水素リッチな改質ガスを、空
気極（１ｂ）にブロワ等（図示せず）から送られてきた
空気を各々供給して酸化還元反応を行わせることにより
、電力を外部に取り出す。反応に伴い発生する反応熱を
除去するために、水蒸気分離＠（３）から、電池冷却水
ポンプ（６）を介して電池冷却水が燃料電池本体（１）
の冷却器（１ｃ）に供給循環される。この除熱両はスチ
ームの形で水蒸気分離器（３）に回収され、水蒸気分離
器（３）においてスチームが発生する。水蒸気分離器（
３）において、電池冷却水が液相部（４）、気相部（５
）に分離される。気相部（５）から一部のスチームが、
スチーム調節弁またはしゃ断弁（９）、スチーム供給管
（８）、エジェクタ（１０）を介して、改質装置（２）
に送られ、そこで改質反応に供される。エジェクタ（１
０）は、スチームの圧力で、原燃料である天然ガスを吸
引混合する機能を有する。燃料電池本体（１）の反応向
上と使用材料の温度制限などから、運転中水蒸気分離器
（３）内の温度は、例えば１７０℃程度に維持される。

これには電池冷却水から熱を除去してやる必要があるが
、上述の改質反応用スチームの消費のみでは除熱が不十
分なため、電池冷却水配管（７ａ）（７ｂ）上に除熱用
の熱交・換器（１１）を設けて水蒸気分離器（３）の温
度又は圧力を一定に保つ方法で、熱の除去、温度の維持
が行われる。水魚（３） （４） 気分離器（３）の気相部（５）は飽和蒸気であるため、
圧力のコントロールで温度の維持が可能である。燃料電
池本体（１）の燃料極（１ａ）で消費された残りの改質
ガスは、改質装置（２）のバーナ部（２ｂ）に送られ、
そこで燃焼されて改質反応に必要な熱が与えられる。

一方、燃料電池発電システムの停止中は、燃料電池本体
（１）は材料の酸化防止の観点から、低い温度で保管す
るのが望ましく、使用する電解液が氷結しない程度の温
度、例えば５０〜６０℃に保持する。このため運転中か
らの停止時は、熱交換器（１１）による電池冷却水の積
極的な冷却か、或は自然放熱によって燃料電池本体（１
）の温度を下げ、停止保管中は電池冷却水を５０〜６０
℃程度に保持・循環させる。この状態からシステムを起
動するときには、何らかの加熱手段−例えば電気ヒータ
などで電池冷却水を動作温度まで上昇させる。

（発明が解決しようとする課題〕 さて、この様な従来技術においては、運転〜停止の間で
水蒸気分離器（３）内の電池冷却水温度が水の常圧沸点
（１００℃）を横切り、停止時に水蒸気分離器（３）が
１００℃以下で負圧となって、周囲の空気を吸い込む即
ち水蒸気分離器（３）の気相部（５）に空気が混入すれ
ば、電池冷却水中に空気中の酸素が溶は込み、燃料電池
本体（１）の冷却器（ＩＣ）や、電池冷却水配管（７ａ
）、（７ｂ）を腐食させるという問題かあった。特に燃
料電池本体（１）の冷却器（ＩＣ）は、細い管で構成さ
れており、酸化腐食が起これば、通水がブロックされて
冷却機能を喪失する可能性があった。

また、起動時は、水蒸気分離器（３）の気相部（５）に
、不凝縮ガス（空気）が存在するため、昇温時、水蒸気
分離器（３）の圧力が水の飽和蒸気圧以上に上昇し、圧
力による温度コントロールが困難になるといった問題が
あり、さらに改質反応用スチームの中に改質装置に有害
な空気が一部含まれるといった問題点もあった。

この発明は、上記の様な問題点を解消するためになされ
たもので、停止時においても水蒸気分離器内に有害な空
気を混入させないシステムを提供することを目的とする
。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係る燃料電池発電システムは発明（１）とし
て 燃料極、空気極および上記両極の反応に伴う熱を除去す
る冷却器を積層してなる燃料電池本体と、上記冷却器と
の循環回路で冷却系を形成し冷却水が気相、液相に分離
される水蒸気分離器と、該水蒸気分離器の気相部を不活
性ガスの加圧で大気圧より高く維持する加圧手段とで構
成したもの、発明（２）として 燃料極、空気極および上記両極の反応に伴う熱を除去す
る冷却器を積層してなる燃料電池本体と、上記冷却器と
の循環回路で冷却系を形成し冷却水が気相、液相に分離
される水蒸気分離器と、起動昇温時に上記気相を大気に
開放し不凝縮ガスを放出するガス排出手段とで構成した
ものである。

〔作用〕

この発明の燃料発電システムにおける冷却系の加圧手段
は水蒸気分離器の気相を加圧することにより内圧が大気
圧以上に維持され不活性ガスの侵入を防止する。

又、冷却系の気相部に設けたガス排出手段は起動昇温時
に気相部を大気に開放し不凝縮ガスを放出する。

（発明の実施例） 以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図はこの発明の燃料電池発電システムを示す系統図、第
２図はこの発明の他の実施例における燃料電池発電シス
テムを示す系統図である。

図において、（１）〜（１１）は第３図に示す従来の燃
料電池発電システムと同様であるのでその説明は省略す
る。（２０）は窒素設備、（２２）は窒素設備（２０）
と水蒸気分離器気相部（５）とを結び減圧弁（２１）お
よび逆止弁（２３）を有する窒素加圧配管でこれら（２
０）〜（２３）で加圧手段（２４）が構成される。（２
５）はしゃ新井（２６）を有し水蒸気分離器気相部（７
） （８） （５）を大気に開放する大気放出配管でこの（２５）、
（２６）でガス排出手段（２７）をなしている。　次い
て第１図の実施例の動作について説明する。システムの
運転中の動作は、第３図に示す従来構成と同様であり、
ここではその説明を省略する。水蒸気分離器（３）の気
相部（５）は、窒素設備（２０）からの窒素により、窒
素加圧配管（２２）を介して常時加圧される。窒素の加
圧圧力は、窒素加圧配管（２２）上の減圧弁（２１）に
よって、１〜５８８／ｃｒｒ？ｇ程度に調節される。運
転中の水蒸気分離器（３）内の圧力は、通常７に８７ｃ
ｍ′ｇ程度に維持され、この圧力は窒素の加圧圧力より
も高い。

したがって運転中は窒素が水蒸気分離器（３）の気相部
に供給されることはなく、且つ窒素加圧配管（２２）上
に設けた逆止弁（２３）の作用により、水蒸気分離器（
３）内の水蒸気が逆流することもない。さて、この様な
構成で、システムが停止すると次の動作が行なわれる。

燃料電池本体（１）は、反応が停正し発熱がなくなるの
で、水蒸気分離器（３）内の電池冷却水温度が低下し、
燃料電池本体（１）の冷却が行われる。電池冷却水温度
の低下は自然放熱によるか、或は熱交換器（１１）によ
る電池冷却水の積極的な冷却により行われる。このとき
電池冷却水の温度降下に伴い水蒸気分離器（３）の圧力
も低下するが、この圧力が窒素の加圧圧力、例えば２　
、０　Ｋ８／ｃｒｎ２ｇを下回る様になれば、加圧手段
（２４）の窒素設備（２０）より窒素が水蒸気分離器（
３）の気相部（５）に供給され、以後水蒸気分離器（３
）の圧力は２　、０　Ｋ８／ｃｒｎ’一定に保たれる。

停止保管時は、電池冷却水の温度は５０〜６０℃程度に
維持されるが、この状態においても水蒸気分離器（３）
の圧力は窒素加圧圧力の２　、０　Ｋ８／ｃｒｎ’に維
持される。即ち、この様な加圧手段（２４）を設けるこ
とにより、停止時の燃料電池本体（１）の冷却時におい
て、水蒸気分離器（３）が負圧になることか防止され、
したがつて腐食の原因となる周囲の空気の吸込みが防止
される。水蒸気分離器（３）の気相部（５）に窒素が存
在しても、それ（９） （１０） 自体は不活性なので何ら問題はない。

次に第１図の別の発明の実施例を述べる。

システムの起動時は、電池冷却水の昇温過程において、
途中まで水蒸気分離器（３）、は窒素加圧状態にあるが
、その飽和蒸気圧が窒素加圧圧力を上回れば窒素加圧の
有効性がなくなり、水蒸気分離器（３）の気相部（５）
は窒素から飽和蒸気に置換されていく。このとき、逆止
弁（２３）の働きにより、飽和蒸気が窒素加圧回路（２
２）側へ逆流することはない。ここで、飽和蒸気圧が窒
素加圧圧力を上回った後、ガス排出手段（２７）のしゃ
断弁（２５）をある期間だけ開いて水蒸気分離器（３）
内に残る窒素および残留している空気を積極的に大気へ
放出する。この結果、水蒸気分離器（３）内は不凝縮ガ
ス特に影響度の大きい空気が除かれて飽和蒸気のみを含
む状態となり、適正な圧力の維持及び適正な温度の監視
が可能となる。

この様に水蒸気分離器（３）に対し窒素加圧回路、大気
放出回路を設けることにより、腐食の原因となる空気の
侵入を防止することができ、且つ起動昇温時、状態監視
に不都合な不凝縮ガスを早期に除去することができる。

なお、上記実施例では、窒素加圧配管（２２）上に逆止
弁（２３）を設けたものを示したが、逆止弁（２３）の
代りにしゃ断弁を設けても良く、この実施例を第２図に
示す。図において（２８）は窒素加圧配管（２２）上に
設けたしゃ断弁である。運転中はしゃ断弁（２８）は閉
とし、このときのしゃ断弁（２８）の機能は逆止弁と同
一である。停止時、水蒸気分離器（３）の圧力が大気圧
（ＯＫ８／ｃｒｎ２）まで低下する前に、しゃ断弁（２
６）を開き、水蒸気分離器（３）の気相部（５）を窒素
で加圧する。これによって得られる効果は逆止弁の場合
と同じである。起動時は、水蒸気分離器（３）゛の温度
が１００℃を越え、即ち、飽和蒸気圧が大気圧（ＯＫ８
／ｃｒｎ’　）を越えてからしゃ断弁（２８）を閉じて
窒素加圧を切離す。

この後、大気排出手段（２７）のしゃ断弁（２６）を一
定時間開き、水蒸気分離器（３）内（１１） （１２） の窒素を外部に放出する。これによって得られる効果も
前述の逆止弁の場合と同一である。

また、第１図、第２図においては、窒素加圧配管（２２
）及び大気放出配管（２５）を水蒸気分離器（３）の気
相部（５）に接続する例を示したが、必ずしもその位置
に限定する必要はなく、水蒸気分離器（３）の気相部（
５）がつなかフているところの配管上、例えばスチーム
供給配管（８）上に接続しても良い。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明第１請求項によれば、燃料極、
空気極および両極の反応に伴う熱を除去する冷却器を積
層してなる燃料電池本体と、冷却器との循環回路で冷却
系を形成し冷却水が気相、液相に分離される水蒸気分離
器と、水蒸気分離器の気相部を不活性ガスの加圧で大気
圧より高く維持する加圧手段とで構成したので停止時に
おいても水蒸気分離器内への空気の侵入が防止され不活
性ガスによる冷却器、配管等の腐食を防ぐ燃料電池発電
システムが得られる効果がある。

又、この発明第２請求項によれば起動昇温時に水蒸気分
離器の気相を大気に開放し不凝縮ガスを放出するガス排
出手段を備え構成したので水蒸気分離器の気相部におけ
る適正な圧力の維持が可能となり、圧力による正常な温
度監視ができる燃料電池発電システムが得られる効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例による燃料電池発電シス
テムを示す系統図、第２図はこの発明の他の実施例によ
る燃料電池発電システムを示す系統図、第３図は従来の
燃料電池発電システムを示す系統図である。 図において、（１）は燃料電池本体、（３）は水蒸気分
離器、（４）は液相、（５）は気相、（２４）は加圧手
段、（２７）はガス排出手段である。なお、図中、同一
符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）燃料極、空気極および上記両極の反応に伴う熱を
   除去する冷却器を積層してなる燃料電池本体と、上記冷
   却器との循環回路で冷却系を形成し冷却水が気相、液相
   に分離される水蒸気分離器と、該水蒸気分離器の気相部
   を不活性ガスの加圧で大気圧より高く維持する加圧手段
   とを備えた燃料電池発電システム。
2. （２）燃料極、空気極および上記両極の反応に伴う熱を
   除去する冷却器を積層してなる燃料電池本体と、上記冷
   却器との循環回路で冷却系を形成し、冷却水が気相、液
   相に分離される水蒸気分離１と、起動昇温時に上記気相
   を大気に開放し不凝縮ガスを放出するガス排出手段とを
   備えた燃料電池発電システム。