JPH04363870A

JPH04363870A - 燃料電池発電システム

Info

Publication number: JPH04363870A
Application number: JP3137758A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiko Masunaga; 増永　信彦; Mitsuo Sato; 光雄佐藤; Hiroyuki Narita; 成田　寛行
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1991-06-10
Filing date: 1991-06-10
Publication date: 1992-12-16

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を
供給する燃料発電システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、新しい高効率の発電方式として燃
料電池発電システムが脚光を浴びつつある。これまでの
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、最近では特に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。こ
のコージェネシステムは、電気、熱併給システムとして
適用した場合、さらに環境問題に融和し、その有効性を
発揮し得るからである。しかし、従来システムにおいて
は、排熱を効果的に回収し、高品質の熱エネルギを多量
に供給するという点では必ずしも満足すべき状態ではな
かった。ここで、熱エネルギとは、二重効用型の吸収式
冷凍機が使用可能な１６０℃程度以上の高温蒸気として
の熱エネルギを意味している。

【０００３】従来、燃料電池プラントにおいて、高温蒸
気を取出す例は殆どなかったが、希に見る例としては燃
料電池の冷却系から発生する蒸気を直接取出す方式があ
った。しかし、この直接高温取出方式では、蒸気利用後
の戻り水の水質管理に問題があり、蒸気を間接的に効率
よく取出す方式があれば、その方が利用性に優れている
といえる。

【０００４】ところで、この間接型高温蒸気取出し方式
としては、従来殆ど例を見ないが、ここで排熱回収方式
として考えられる間接型高温蒸気取出し方式の一例を図
５により説明する。

【０００５】図５において、燃料極１Ａおよび空気極１
Ｂを有する燃料電池１の冷却水系１Ｃは通常燃料電池本
体１の発電に伴う発熱により加熱されて二相流化し、こ
の二相流は起動時に燃料電池本体１を昇温するための起
動用ボイラ９等の加熱器および高温排熱取出し用蒸気発
生器２５を通して気水分離器４に流入し、ここで水蒸気
と水に分離される。この気水分離器４で分離された水は
燃料電池冷却水ポンプ１３により、燃料電池冷却水冷却
器２７を通して燃料電池本体１に送られる燃料電池本体
冷却水ループを形成している。尚、起動用ボイラ９等の
加熱器は２次冷却水系に設置されることもある。

【０００６】高温排熱取出し用蒸気発生器２５は、燃料
電池本体の排熱を高温蒸気の形で取出して吸引式冷凍機
を駆動し、効率の高いコージェネシステムを構成するよ
うにしている。この蒸気発生器２５にはバイパス流量調
節弁２６が設けられ、このバイパス流量調節弁２６を制
御することにより、気水分離器４の発生蒸気量を燃料改
質に必要な量に制御すると共に、燃料電池冷却水の出口
温度を適当な温度に保つようにしている。また、燃料電
池本体１の冷却水はその出入口の温度を最適温度に保つ
必要があるが、図では燃料電池冷却水冷却器２７を流れ
る水量をバイパス流量調節弁２８を調節して燃料電池冷
却水入口温度を制御している。この場合、冷却器２７の
２次側２７Ａには適当な低温流体を使用すれば良い。

【０００７】一方、気水分離器４で分離された水蒸気は
、ライン３０から導入された天然ガス等の燃料と混合さ
れ、改質器２内の改質触媒が充填された改質管２Ｂに導
かれて水素に富んだガスに転化され、燃料電池本体１の
燃料極１Ａを通って改質器２の改質バーナ２Ａに供給さ
れる。

【０００８】また、ライン３１より導入される空気は、
ブロア１１により燃料電池本体１の空気極１Ｂに供給さ
れると共に、空気予熱器１４により加熱され、改質器バ
ーナ２Ａに燃焼空気として供給される。燃料電池本体１
の空気極１Ｂを通った排ガスは反応生成水を含んでおり
、この空気極排ガスは改質器２の排ガスと合流した後、
水蒸気凝縮器８により燃料電池生成水および改質に利用
された余剰の水蒸気が回収され、その水分回収後の排ガ
スはライン３２を通して排出されると共に、水処理装置
６に戻される。

【０００９】この水蒸気凝縮器８内には上流側に排熱回
収熱交換器８Ａと、その下流側に低温排熱回収器８Ｂが
それぞれ設置され、排熱回収熱交換器８Ａにより排ガス
の温度を下げると共に、この排ガスが有する熱量を回収
して燃料電池冷却水系に戻し、より多くの高温排熱を回
収できるようにしている。また、水処理装置６で浄化さ
れた水は補給水ポンプ３３により流量調節弁２４を通し
て気水分離器４より冷却水ポンプ１３への燃料電池冷却
水ラインに供給され、流量調節弁２４により気水分離器
４の水位が適当な位置に保持されるように制御される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】このように図５に示す
構成の燃料電池発電システムにおいては、流量調節弁２
６のみで、常に過不足なく改質器に燃料改質用水蒸気を
供給すると共に燃料電池冷却水系の出口温度を最適値に
保持することには困難を伴う。また、燃料電池冷却水冷
却器２７により、電池冷却水入口温度を制御することは
冷却器冷却媒体が持ち去る熱量が高品質の熱エネルギと
して回収できない。

【００１１】一方、燃料電池冷却水が燃料電池本体１の
冷却ループを循環するだけでなく、改質器２８や図示さ
れていない一酸化炭素変成器等を含む燃料処理系機器お
よび排ガス含有水凝縮器等の排ガス系を循環しており、
また若干のリン酸をも含む燃料電池生成水を取込んでい
る。

【００１２】したがって、燃料電池冷却水は高純度の水
質が必要となるので、このような広い範囲の機器、配管
を通り抜けた回収水を浄化するには高性能の水処理装置
６が必要となる。

【００１３】本発明はこのような水処理装置の負担を軽
くし、コンパクトで効率のよい高温蒸気を取出すことが
可能なプラントを実現できる燃料発電システムを提供す
ることを目的とする。

【００１４】

【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、燃料電池本体の発電反応に伴って発生する
熱エネルギを冷却液を循環させて吸収する燃料電池冷却
液循環系を備えた燃料電池発電システムにおいて、前記
燃料電池冷却液循環系を系外と物質の出入りのない閉じ
た系として構成すると共に、この燃料電池冷却液循環系
に少なくとも該系内で発生した蒸気を凝縮する凝縮器を
設け、この凝縮器の２次冷却液系に２次冷却液の流量ま
たは温度を調節する調節手段を設けて前記燃料電池冷却
液循環系の圧力または温度を制御するようにしたもので
ある。

【００１５】また、燃料電池本体の発電反応に伴って発
生する熱エネルギを冷却液を循環させて吸収する燃料電
池冷却液循環系を備えた燃料電池発電システムにおいて
、前記燃料電池冷却液循環系を系外と物質の出入りのな
い閉じた系として構成すると共に、この燃料電池冷却液
循環系に少なくとも気水分離器と該気水分離器で分離さ
れた蒸気を凝縮する凝縮器を設け、この凝縮器の２次冷
却液系に２次冷却液の流量または温度を調節する調節手
段を設けて前記燃料電池冷却液循環系の圧力または温度
を制御するようにしたものである。

【００１６】

【作用】このような構成の燃料電池発電システムにあっ
ては、燃料電池冷却液系が系外と物質の出入りの少ない
閉じた系に構成されているので、この系を流れる冷却液
の液質を高純度に維持することが可能となり、高性能の
冷却液処理装置が不要となる。また、逆に２次冷却液系
においては高純度の水質を必要としないので、高能力の
液処理装置を用いる必要がなく、コンパクト化、低コス
ト化を図ることができる。さらに、凝縮器の２次冷却液
系に設けられた調節手段により２次冷却液の流量または
温度を調節して燃料電池冷却液循環系の圧力または温度
を制御しているので、燃料電池冷却液系から高温の蒸気
を回収することが可能となり、信頼性のあるコンパクト
で安価なシステムとなし得る。

【００１７】

【実施例】以下本発明の実施例を図面を参照して説明す
る。

【００１８】図１は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図であり、図５と同一部分には同
一記号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分
について述べる。本実施例では、図１に示すように燃料
電池冷却水系を１次冷却水系と２次冷却水系に分離し、
燃料電池本体冷却系を含む１次冷却水系は物質の出入り
のない閉じた系とするものである。

【００１９】１次冷却水系は燃料電池本体１の発電に伴
う発熱により加熱される燃料電池冷却水系１Ｃで二相流
化した二相流を起動時に燃料電池本体１を昇温するため
の起動用ボイラ９等の加熱器を介して水蒸気凝縮用冷却
器３Ａと燃料電池冷却水冷却器３Ｂを有する凝縮器／気
水分離器３に供給し、この凝縮器／気水分離器３で分離
された熱水を１次冷却水ポンプ１２により燃料電池冷却
水系１Ｃに戻す系とすると共に、１次冷却水ポンプ１２
と燃料電池冷却水系１Ｃとの間の冷却水経路を分岐して
１次冷却水を冷却水浄化用冷却器１０に送り、これより
デミネライザ７を介して１次冷却水ポンプ１２により循
環させている。

【００２０】また、２次冷却水系には気水分離器４を設
置すると共に、２次冷却水ポンプ１３により送られる冷
却水を凝縮器／気水分離器３の水蒸気凝縮用冷却器３Ａ
および燃料電池冷却水冷却器３Ｂなどを経て気水分離器
４に戻る系とするものである。そして、気水分離器４で
分離された蒸気は改質器２に送られ、余剰の蒸気は吸収
式冷凍機５に送り、この吸収式冷凍機５で液化した凝縮
水を水処理装置６へ供給するようにしている。

【００２１】この場合、気水分離器４より凝縮器／気水
分離器３の水蒸気凝縮用冷却器３Ａに２次冷却水ポンプ
１３により送られる冷却水は、気水分離器の１次側圧力
を検出する圧力検出器１５の圧力検出信号に応じて調節
される流量調節弁１６により制御され、また燃料電池冷
却水冷却器３Ｂに２次冷却水ポンプ１３により送られる
冷却水は、燃料電池冷却水系１Ｃの入口側の温度を検出
する温度検出器１７の温度検出信号に応じて調節される
流量調節弁１８により制御される。

【００２２】また、気水分離器４より改質器２へ送込ま
れる蒸気は流量検出器１９により検出された流量検出信
号に応じて調節される流量調節弁２０により制御され、
気水分離器４より吸収式冷凍機５に送込まれる余剰蒸気
は、気水分離器４の蒸気圧を検出する圧力検出器２１の
圧力検出信号に応じて調節される流量制御弁２２により
制御される。

【００２３】なお、流量調節弁１６は圧力検出器１５に
より検出された気水分離器の１次側圧力の検出信号によ
り制御しているが、温度検出器により気水分離器の１次
側温度を検出して制御するようにしてもよい。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を述べ
る。

【００２４】燃料電池冷却水系１Ｃにおいて、燃料電池
発電反応に伴って発生する熱エネルギを吸収した冷却水
は二相流となって凝縮器／気水分離器３に導かれる。こ
のとき凝縮器内の圧力は圧力検出器１５によって検知さ
れ、その検出信号は凝縮器内に流れる２次冷却水系の流
量制御弁１６にフィードバックされて所定の圧力（例え
ば１５気圧）に制御される。また、気水分離器／凝縮器
３の下方（下流）の凝縮水中には燃料電池冷却水冷却器
３Ｂが設置されており、燃料電池冷却水系１Ｃの入口に
取付けられた温度検出器１７の検出値が所定の値になる
ように流量制御弁１８によって燃料電池冷却水冷却器３
Ｂに流れる水量が制御される。

【００２５】一方、気水分離器４を含む２次冷却水系は
、上記１次冷却水系よりも低い圧力（例えば１０気圧）
に設定されている。この２次冷却水系の圧力は圧力検出
器２１により検知され、例えば図に示すように圧力調節
弁２２を調節することにより、吸収式冷凍機６側の背圧
を一定の基準値に制御することができる。水蒸気凝縮用
冷却器３Ａにおいて、冷却水が加熱されると２次冷却水
系の設定圧力の飽和温度で蒸発が始まって二相流となり
、気水分離器４に導かれる。燃料電池冷却水冷却器３Ｂ
により加熱された２次冷却水は上記の例のように１次冷
却水系および２次冷却水系の温度差が大きい場合、同様
に二相流化して気水分離器４に導かれる。この気水分離
器４で分離された蒸気は、図に示すように改質器２に導
かれ、天然ガス等の燃料改質原料水蒸気として利用され
ると共に、燃料電池プラント系外に設置される吸収式冷
凍機５に導かれ、その熱源として利用される。この吸収
式冷凍機５からの戻り水は燃料電池プラント内の水処理
装置６に戻され、浄化される。ここで浄化された水は水
処理系循環ポンプ３３により２次冷却水系に戻されるが
、この場合気水分離器４の水位検出器２３の検出信号が
流量調節弁２４にフィードバックされ、この水位が一定
に保持されるように制御される。

【００２６】このように本実施例では、燃料電池冷却水
系を凝縮器／気水分離器３、１次冷却水ポンプ１２、デ
ミネライザ７、冷却水浄化用冷却器１０等の限られた範
囲の機器を含み、系外とは物質の出入りのない閉じた系
を構成しているので、水質汚染がなく、小型で簡単なデ
ミネライザやフィルタで高純度の水質を維持することが
できる。

【００２７】一方、２次冷却水系は従来通りの多種の機
器を含む広範囲の循環ループを有しているが、２次冷却
水系はもともと燃料電池冷却水系１Ｃに比較して必要と
される水質基準が低いので、２次冷却水系の水処理装置
６も従来型に比べて高性能である必要がなく、コンパク
ト化、低コスト化を図ることができる。

【００２８】また、２次冷却水系の蒸気圧は燃料電池冷
却水系１Ｃとは無関係に自由に設定できるので、低圧の
蒸気を改質器２に供給することができ、従って起動時間
を短縮することができる。

【００２９】さらに、凝縮器／気水分離器３内の蒸気圧
を圧力検出器１５により検出して水蒸気凝縮用冷却器３
Ａの流量調節弁１６を調節して蒸気圧が一定に保持され
ているので、制御性が良く、燃料電池冷却水系１Ｃの出
口温度を一定に保つことができる。また、燃料電池冷却
水系１Ｃの入口温度を温度検出器１７により検出し、そ
の検出信号に応じて燃料電池冷却水冷却器３Ｂの流量調
節弁１８を調節するようにしているので、燃料電池冷却
水系１Ｃの入口温度を一定に制御することができる。次
に本発明の他の実施例について説明する。

【００３０】図２は本発明の第２の実施例の要部を示す
ものである。第２の実施例では、図２に示すように燃料
電池本体１の冷却水循環系に燃料電池本体１から二相流
が流入する気水分離器３００とこの気水分離器３００に
より分離された蒸気を凝縮して気水分離器３００にフィ
ードバックする凝縮器３１０を設け、気水分離器３００
内の下流側に有する燃料電池冷却水冷却器３００Ｂによ
り熱交換された冷却水を１次冷却水ポンプ（図示せず）
により燃料電池冷却水系（図示せず）に戻して系外との
物質の出入りのない閉じた系を構成し、また気水分離器
４で分離された２次冷却水は２次冷却水ポンプ１３によ
り燃料電池冷却水冷却器３００Ｂおよび凝縮器３１０内
の水蒸気凝縮用冷却器３１０Ａを通して循環する２次冷
却水系を構成するようにしたものである。この場合、気
水分離器３００から水蒸気凝縮用冷却器３１０Ａに流入
する蒸気供給ラインに気水分離器３００の蒸気圧を検出
する圧力検出器１５の圧力検出信号に応じて調節される
流量調節弁１６が設けられ、また気水分離器３００の燃
料電池冷却水冷却器３００Ｂの冷却水流入ラインには第
１の実施例同様に燃料電池冷却水系の入口側の温度を検
出する温度検出器１７の温度検出信号に応じて調節され
る流量調節弁１８が設けられる。

【００３１】このような構成とすれば、上記第１の実施
例と同様の作用効果が得られるのに加えて、気水分離器
３００と凝縮器３１０とを分離して凝縮器用２次冷却水
の流量を加減し、燃料電池冷却水系の圧力または温度を
制御することにより、燃料電池冷却水系の出口温度の制
御特性を向上させることができる。

【００３２】図３は本発明の第３の実施例の要部を示す
ものである。第３の実施例では、図３に示すように燃料
電池冷却水系の入口温度を制御するための燃料電池冷却
水系冷却器を図１の凝縮器／気水分離器３または図２に
示す気水分離器３００から分離し、気水分離器３２０と
燃料電池冷却水系冷却器３３０とに独立して設けるよう
にしたものである。

【００３３】このような構成とすれば、上記第１の実施
例と同様の作用効果が得られるのに加えて、気水分離器
と燃料電池冷却水系冷却器とが一体化した場合に比べ、
燃料電池冷却水系の入口温度制御の不安定性を改善する
ことができる。

【００３４】図４は本発明の第４の実施例の要部を示す
ものである。第４の実施例では、図３に示す１次冷却系
に燃料電池冷却水系冷却器３３０を設けないで、その燃
料電池冷却水冷却器３３０Ｂと気水分離器４とを一体化
して２次冷却水系に蒸気発生器／気水分離器３４０を設
けるようにしたもので、このようにしても上記第１の実
施例と同様の作用効果が得られる。この他、本発明は上
記し且つ図面に示す実施例に限定されるものではなく、
その要旨を変更しない範囲内で種々変形して実施できる
ことはいうまでもない。

【００３５】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、燃料
電池冷却水系を１次系と２次系とに分離し、燃料電池本
体冷却系を含む１次冷却水系を物質の出入りの少ない閉
じた系に構成したので、高純度の水質が維持できると共
に、高性能の水処理装置が不要となり、逆に２次冷却水
系においては高純度の水質を必要としないので、高能力
の水処理装置を用いる必要がなく、コンパクト化、低コ
スト化を図ることができ、また燃料電池冷却水系から高
温の蒸気を回収することができるので、信頼性のあるコ
ンパクトで安価な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第１の実
施例を示す構成説明図。

【図２】本発明の第２の実施例の要部を示す構成説明図
。

【図３】本発明の第３の実施例の要部を示す構成説明図
。

【図４】本発明の第４の実施例の要部を示す構成説明図
。

【図５】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、１Ａ……燃料極、１Ｂ……空気極
、１Ｃ……燃料電池冷却水系、２……改質器、３……凝
縮器／気水分離器、３Ａ……水蒸気凝縮用冷却器、３Ｂ
……燃料電池冷却水冷却器、４……気水分離器、５……
吸収式冷凍機、６……水処理装置、７……デミネライザ
、８……排ガス含有水蒸気凝縮器、８Ａ……排ガス含有
水蒸気凝縮器、８Ｂ……低温排熱回収器、９……起動ボ
イラ、１０……冷却水浄化用冷却器、１１……空気ブロ
ア、１２……１次冷却水ポンプ、１３……２次冷却水ポ
ンプ、１４……改質器バーナ空気予熱器、１５，２１…
…圧力検出器、１６，１８，２０，２４，２６，２８…
…流量調節弁、１７……温度検出器、１９……流量検出
器、２２……圧力調節弁、２３……レベル検出器、２５
……高温排熱回収用蒸気発生器、２７……燃料電池冷却
水冷却器、３０……燃料取入れライン、３１……空気取
入れライン、３２……排ガス排出ライン、３３……水処
理系循環ポンプ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　燃料電池本体の発電反応に伴って発生
する熱エネルギを冷却液を循環させて吸収する燃料電池
冷却液循環系を備えた燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料電池冷却液循環系を系外と物質の出入りのない
閉じた系として構成すると共に、この燃料電池冷却液循
環系に少なくとも該系内で発生した蒸気を凝縮する凝縮
器を設け、この凝縮器の２次冷却液系に２次冷却液の流
量または温度を調節する調節手段を設けて前記燃料電池
冷却液循環系の圧力または温度を制御するようにしたこ
とを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】　　燃料電池本体の発電反応に伴って発生
する熱エネルギを冷却液を循環させて吸収する燃料電池
冷却液循環系を備えた燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料電池冷却液循環系を系外と物質の出入りのない
閉じた系として構成すると共に、この燃料電池冷却液循
環系に少なくとも気水分離器と該気水分離器で分離され
た蒸気を凝縮する凝縮器を設け、この凝縮器の２次冷却
液系に２次冷却液の流量または温度を調節する調節手段
を設けて前記燃料電池冷却液循環系の圧力または温度を
制御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。