JPH04337253A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電力および熱エネルギー
を供給する燃料電池発電システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池発電システムは、新しい高効率
の発電方式として期待されており、これを電気・熱併給
システム（コージェネシステム）として適用すれば、さ
らに環境問題に融和し、その有用性を発揮したものとな
し得る。従って、燃料電池は発電装置としての側面を主
眼とした開発が進められてきたが、最近ではコージェネ
システムとしての有用性が強く求められるようになって
きている。

【０００３】従来、高温蒸気回収方式を採用した燃料電
池発電システムとしては、図３に示すように構成された
ものがある。図３において、１は燃料電池本体で、この
燃料電池本体１は電池冷却系１１、燃料極１２および空
気極１３を備えている。２は燃料電池本体１の電池冷却
系１１を通して流入する二相流化した電池冷却水を汽相
と水相に分離する汽水分離器で、この汽水分離器２で分
離された蒸気は蒸気供給ライン２２を通して改質器に供
給されると共に、燃料電池発電システムの外部に設置さ
れ高温蒸気により作動する二重効用吸収式冷凍機３に供
給される。そして、ここで水相化した冷却水は冷却水循
環ポンプ６により汽水分離器２に戻される。なお、この
汽水分離器２には改質器の蒸気量補償用戻り水２３が供
給されている。

【０００４】また、汽水分離器２で水相に分離された熱
水は冷却水循環ポンプ５により冷却水循環ライン２１を
通して冷却器（熱交換器）４に送られ、この冷却器４で
冷却水の温度を燃料電池入口温度まで下げて燃料電池本
体１の電池冷却系１１に供給されるようになっている。

【０００５】このような燃料電池発電システムにおいて
、燃料電池本体１から排出される熱エネルギは主として
電池冷却水から得られ、この電池冷却水は汽水分離器２
により水相に分離される。このときの熱水および蒸気の
温度は例えば１８０　℃、圧力はその飽和蒸気圧に相当
する１０．２ａｔａ　になっている。

【０００６】従って、この汽水分離器２で分離された熱
水をそのまま燃料電池本体１の電池冷却系１１に循環さ
せたのでは、電池冷却水としての温度が高いため、冷却
器４により燃料電池冷却水の温度を下げて冷却水系１１
の入口温度または出口温度を適切な範囲に制御して循環
させている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このように燃
料電池本体１の電池冷却系１１より得られる電池冷却水
を汽水分離器２により分離した熱水の温度を冷却器４に
より下げて再び電池冷却系１１に戻す高温蒸気回収方式
では、冷却器４が獲得する熱エネルギの温度レベルが低
いため、電池冷却系１１の入口温度が高くなり、燃料電
池本体１から排出される熱エネルギを効率よく回収し、
高品質の熱エネルギを多量に供給することができなかっ
た。ここで、高品質の熱エネルギとは、二重効用吸収式
冷凍機３が使用可能な１６０　℃程度以上の高温蒸気と
しての熱エネルギのことを言う。

【０００８】そこで、図３に示す“Ａ”点に減圧弁を設
けて汽水分離器２の水および圧力を７．１ａｔａに下げ
ることも理論的には可能であるが、電池冷却系１１の温
度を安定に制御することは困難である。

【０００９】本発明は冷却器を用いずに電池冷却系の温
度を安定に制御可能にすることにより、高品質の熱エネ
ルギを多量に供給することができる燃料電池発電システ
ムを提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するため、燃料電池本体と、この燃料電池本体の冷却
媒体として使用され、燃料電池本体の反応熱により加熱
された電池冷却水を汽相と水相に分離する汽水分離器と
を備え、前記汽水分離器で分離された蒸気を高品質の熱
エネルギとして利用すると共に、前記汽水分離器で分離
された水を前記燃料電池本体の電池冷却系に冷却水とし
て供給するようにした燃料電池発電システムにおいて、
前記汽水分離器で分離された水を減圧調整弁を介して供
給される蒸発器を設け、この蒸発器より得られる水を前
記汽水分離器より前記燃料電池本体の電池冷却系に供給
される水と混合するようにしたものである。

【００１１】

【作用】したがって、このような構成の燃料電池発電シ
ステムにあっては、汽水分離器より蒸発器に流入する水
量を減圧調整弁により増減して蒸発器より得られる温度
の低い水量を変化させることにより、この蒸発より得ら
れる温度の低い水と汽水分離器より燃料電池本体に供給
される温度の高い水の混合比を変化させることが可能と
なるので、電池冷却系の温度を安定に制御することがで
き、しかも多量の高温蒸気を系外へ取り出すことが可能
となる。

【００１２】

【実施例】以下本発明の一実施例を図面を参照して説明
する。

【００１３】図１は本発明による燃料電池発電システム
の構成例を示すもので、図３と同一部分には同一記号を
付して示す。図１において、１は燃料電池本体で、この
燃料電池本体１は電池冷却系１１、燃料極１２および空
気極１３を備えている。２は燃料電池本体１の電池冷却
系１１を通して流入する二相流化した電池冷却水を汽相
と水相に分離する汽水分離器で、この汽水分離器２で分
離された蒸気は流量調節弁２４を介して蒸気供給ライン
２２より改質器に供給されると共に、減圧調整弁９を介
して燃料電池発電システムの外部に設置された二重効用
吸収式冷凍機３に供給される。そして、ここで水相化し
た冷却水は冷却水循環ポンプ６により汽水分離器２に戻
される。なお、この汽水分離器２には改質器上器量補償
用戻り水２３が供給されている。

【００１４】また、汽水分離器２で水相に分離された熱
水は冷却水循環ポンプ５により冷却水循環ライン２１を
通して電池冷却系１１の入口に繋がる共通ライン３２に
送られる。

【００１５】７は汽水分離器２で水相に分離された熱水
が減圧調整弁８を介して流入する蒸発器で、この蒸発器
７はここで蒸発した蒸気を流量調節弁２５を介して前述
した二重効用吸収式冷凍機３への蒸気供給ラインに流入
させ、蒸発されなかった熱水は冷却水循環ポンプ３０に
より冷却水循環ライン３１を通して前記共通ライン３２
に送られるようになっている。従って、燃料電池本体１
の電池冷却系１１には汽水分離器２より送られる熱水と
蒸発器７より送られる熱水と混合されて流入することに
なる。

【００１６】この場合、燃料電池冷却には二相流および
単相流方式があるが、二相流の場合でも電池入口温度と
出口温度にある程度の温度差を持たせて、電池入口付近
では単相流冷却としている。図１はこのような単相流／
二相流冷却方式を前提としている。このような冷却系の
温度条件の一例を図２に示す。

【００１７】一方、燃料電池本体１の電池冷却系１１の
入口に繋がる共通ライン３２と電池冷却系１１の出口よ
り汽水分離器２に繋がるラインに電池冷却水の温度を検
出する温度センサ等の温度検出器４０，４１がそれぞれ
接続され、これら温度検出器４０，４１で検出された信
号は検知信号発信器４１，４７より制御装置４５に伝送
される。この制御装置４５は温度検出器４０，４１によ
り検出された温度検出信号に基いて演算処理し、減圧調
整弁８，９の弁開度を制御するものである。次に上記の
ように構成された燃料電池発電システムの作用について
述べる。

【００１８】燃料電池本体１の電池冷却系１１より汽水
分離器２に電池冷却水が流入すると、この汽水分離器２
で発生した蒸気は改質器の蒸気供給ライン２２を経て、
天然ガス等を燃料とする場合はその燃料と混合されて改
質器へ導入されると共に、余剰の蒸気は減圧調整弁９で
減圧されて系外の二重効用吸収式冷凍機３へ導入される
。

【００１９】また、汽水分離器２で分離された熱水は共
通ライン３２へ送られると共に、蒸発器７に減圧調整弁
８を介して流入する。この蒸発器７ではより低温の熱水
と蒸気を発生させ、その蒸気は汽水分離器２で発生した
余剰の蒸気と合体して系外の二重効用吸収式冷凍機３へ
導入される。この場合、蒸発器７では例えば温度を１６
０　℃、圧力を６．３ａｔａに減圧している。

【００２０】一方、この蒸発器７で得られた低温の熱水
は冷却水ライン３１を通して共通ライン３２に流れ、こ
こで汽水分離器２から熱水と混合されて燃料電池本体１
の電池冷却系１１に流れる。このときの電池冷却系１１
の温度は、汽水分離器２からの高温の熱水と蒸発器７か
らのより低温の熱水の混合比を変えることにより制御さ
れる。例えば燃料電池本体１の冷却水系１１の入口温度
（または出口温度）が所定の温度より高い場合には、制
御装置４５に温度検出器４０および検知信号発信器４１
（または温度検出器４６および検知信号発信器４７）よ
り温度検出信号が伝送されてくると、この制御装置４５
ではこの温度検出信号に基いて減圧調整弁８の弁開度を
求め、その制御信号により減圧調整弁８の開度を増加さ
せる。

【００２１】従って、この減圧調整弁８の開度が増加す
ると、汽水分離器２より蒸発器７に流れ込む熱水量が増
加するので、蒸発器７での蒸気発生量が増加すると共に
、冷却水循環ポンプ３０を介して冷却水循環ライン３１
に流れる低温の熱水量を増やすことができる。この場合
、冷却水循環ライン２１と３１に流れる熱水量の和を一
定に制御する必要があるが、そのために必要な調整弁等
は図示していない。ここで、本実施例の効果として１０
０ｋｗ　級の典型的な燃料電池発電システムの場合につ
いて定量的に説明する。 （１）１００ｋｗ　級の典型的な燃料電池コージェネシ
ステム　　燃料：ＣＨ４　（メタン）（　熱量：２．１
２８　×１０５　ｋｃａｌ／ｋｇｍｏｌ）　　電池本体
発電効率：５０％ 　　システム発電効率：３５％ 　　スチーム／カーボン比（水蒸気とＣＨ４　のモル数
比）：３．０　　　電池冷却水入口温度：１６５　℃（
比エンタルピ１６６．５　ｋｃａｌ／ｋｇ）　　電池冷
却水出口温度：１８０　℃（液相部比エンタルピ１８２
．３　ｋｃａｌ／ｋｇ，気相部比エンタルピ６６３．１
ｋｃａｌ／ｋｇ 　　電池冷却水出口乾き度：８　％ （２）冷却水量の計算図１，図３の冷却水循環ライン２
１に示す電池冷却水量をＦｋｇ／ｈとすると、　　電池
入口熱量：１．６６５　×１０２　ｋｃａｌ／ｈ…（イ
）　　電池出口熱量：（１．８２３　×１０２　×０．
９２＋６．６３１×１０２　×０．０８）　・Ｆ…（ロ
）　　　　　　　　　　　　　　　　＝２２０．７６Ｆ
ｋｃａｌ／ｈ　　電池発電量（発電効率が５０％なので
発電量と同量の熱（１００ｋＷ）が発生する）　　　　
　　　　　　　　　　　　　　：１００　×８６０　＝
８．６　×１０４　ｋｃａｌ／ｈ…（ハ）　　システム
入熱量：１００　×８６０　／　０．３５＝２．．４５
７×１５５　ｋｃａｌ／ｈ…（ニ）上記（イ）〜（ハ）
の条件よりＦを求めると、Ｆ＝８．６　×１０４　／（
２２０．７６−１６６．５）　＝１．５８５　×１０３
　ｋｇ／ｈとなる（電池の放熱は無視している）。 （３）改質器に必要な蒸気量の計算 　　ＣＨ４　の必要流量：２．４５７　×１０５　／（
２．１２８×１０５　）＝１．１５５ｋｇ　・ｍ０ｌ／
ｈ　　必要蒸気量：１．１５５　×３．０（スチーム／
カーボン比）×１８（水のグラム当量）　　　　　　　
　　　　　　　＝６．２３７　×１０ｋｇ／ｈ （４）従来方式（図３）における吸収式冷凍機（３）で
取出し得る熱量の上限の計算冷却器４で持出される熱量
は、 　　（１．８２３−１．６６５）×１０２　×１．５８
５　×１０３　＝　２．５０４　×１０４　ｋｃａｌ／
ｈ 　　改質器蒸気（ライン２２）として持出される熱量は
、同量で常温（１５　℃）の水がライン２３で系内に戻
るものとすると、 　　（６６．３１　×１０−１．５０３×１０）　×６
．２３７　×１０）×６．２３７　×１０＝４．０４２
×１０４　ｋｃａｌ／ｈ 　　従って、冷凍機３に供給し得る熱量の上限は　　８
．６　×１０４　−２．５０４×１０４　−４．０４２
×１０４　＝２．０４５×１０４　（入熱に対して８．
３　％）（５）本実施例（図１）における吸収式冷凍機
３で取出し得る熱量の上限の計算この場合、改質器で持
出される蒸気の熱量は 　　（６６．３１×１０−１．５０３×１０）　×６．
２３７　×１０＝４．０４２×１０４　ｋｃａｌ／ｈ 　　従って、冷凍機に供給し得る熱量の上限は　　８．
６　×１０４　−４．０４２×１０４　＝４．５５８×
１０４　（入熱に対して１８．６％）以上の結果により
理想的な条件下で本方式は従来方式の８．３　％に対し
て、１８．６％の１６０　℃の蒸気を取出し得ることが
分かる。

【００２２】なお、ここでは電池冷却水の排熱のみ考慮
したが、実際にはプロセス系や排ガス系の熱量の一部も
高温蒸気として取出し得るので、上記１８．６％は実際
上の上限というわけではない。

【００２３】このように本実施例では汽水分離器２に減
圧調整弁８を介して蒸発器７を連結し、この減圧調整弁
８の開度を電池冷却系の温度に応じて制御することによ
り、汽水分離器２より共通ライン３２に流れる温度の高
い熱水に対し、蒸発器７より共通ライン３２に流れる温
度のより低い熱水の混合比を変えて電池冷却水系１１の
温度を制御するようにしたものである。従って、従来の
ように汽水分離器２より電池冷却水系１１に流れる熱水
の温度を下げるために用いていた冷却器を除去すること
ができので、多量の高温蒸気を系外へ取り出すことが可
能となり、二重効用吸収式冷凍機の熱源として活用する
ことができる。

【００２４】尚、上記実施例では余剰蒸気の利用例とし
て二重効用吸収式冷凍機について述べたが、これに限定
されるものではなく、例えば蒸気タービンによる動力の
回収を目的としたものでもよい。

【００２５】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、冷却
器を用いずに電池冷却系の温度を安定に制御可能にした
ので、高品質の熱エネルギを多量に供給することができ
る燃料電池発電システムを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による燃料電池発電システムの一実施例
を示す構成説明図。

【図２】同実施例における燃料電池冷却水系の温度設定
条件を示す図。

【図３】従来の燃料電池発電システムの一例を示す構成
説明図。

【符号の説明】

１……燃料電池本体、２……汽水分離器、３……二重効
用吸収式冷凍機、５，６，３０……冷却水循環ポンプ、
７……蒸発器、８，９……減圧調整弁、１１……冷却水
系、１２……電池燃料極、１３……電池空気極、２１，
３１……冷却水循環ライン、２２……改質器の蒸気供給
ライン、２４，２５……流量調節弁、４０，４６……温
度検出器、４１，４７……検知信号発信器、４５……制
御装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　燃料電池本体と、この燃料電池本体の
   冷却媒体として使用され、燃料電池本体の反応熱により
   加熱された電池冷却水を汽相と水相に分離する汽水分離
   器とを備え、前記汽水分離器で分離された蒸気を高品質
   の熱エネルギとして利用すると共に、前記汽水分離器で
   分離された水を前記燃料電池本体の電池冷却系に冷却水
   として供給するようにした燃料電池発電システムにおい
   て、前記汽水分離器で分離された水を減圧調整弁を介し
   て供給される蒸発器を設け、この蒸発器より得られる水
   を前記汽水分離器より前記燃料電池本体の電池冷却系に
   供給される水と混合するようにしたことを特徴とする燃
   料電池発電システム。