JPH044572A - 燃料電池発電システムの水蒸気発生器 - 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〕 本発明は、水冷式燃料電池の冷却水源を兼ねて燃料電池
の冷却水循環ラインに接続した燃料電池発電システムの
水蒸気発生器に関する。

［従来の技術］ 液冷式燃料電池の冷却方式として加圧水冷使方式が従来
より知られている。この冷却方式は、燃料電池のセルス
タック内に組み込んだ冷却板に加圧した純水を外部より
循環通水して燃料電池の電池反応に伴う発生熱を系外に
除熱し、燃料電池を所定の動作温度に維持するようＣご
したものである。

また、この場合に通常の燃料電池発電ソステ１゜では、
燃料電池の発生熱を回収して有効活用するために、燃料
電池の冷却水循環ラインに水蒸気発生器を接続しておき
、水を熱媒としで水蒸気発生器に住した水蒸気を燃料ガ
ス改質器用水蒸気、そのほかコジェネレーションシステ
ムなどに使用し、て発電システム全体での熱効率の向上
を図るようにしている。

第２図は前記の従来構成の水蒸気発生器を中心に表した
燃料電池発電システムのフロー図であり、図において１
は天然ガスを原料として水素リッチな燃料ガスに改質す
る水蒸気改質器、２は燃料電池、３は燃料電池２のセル
スタックに組み込まれた冷却板、４が水蒸気発生器であ
り、該水蒸気発生器４と燃料電池２の冷却板３との間に
は循環ポンプ５．熱回収用の熱交換器６を含む冷却水循
環ライン７が配管されている。

ここで、水蒸気発生器４は胴肉の上部に水蒸気発生空間
を有する単一の圧力タンクであり、その内部には純水８
を加熱する電熱ヒータ９を備えるとともに、タンクの頂
部には水蒸気８ａを外部に抽出して発電システム内に供
給する水蒸気供給弁１０゜並びにタンク内圧の圧力調整
弁１１を装備している。

なお、１２はタンクの液面計、１３は純水８の純度を監
視する電導度肝である。また、水蒸気発生器４には純水
処理装置１４．純水タンク１５．給水ポンプ１６を含む
純水補給系が接続されている。

かかる構成で、燃料電池２の起動時には水蒸気発生器４
に所定水位の純水８を供給した状態で、ヒータ加熱によ
り水蒸気発生器４内の純水８を加熱昇温させながら純水
を循環ポンプ５により燃料電池２の冷却板３に循環通水
し、燃料電池２の温度を所定動作温度（りん酸型燃料電
池では１６０〜１７０°Ｃ）まで予熱する。

また、燃料電池２の発電開始後は、冷却水の循環通水に
より、燃料電池２の発生熱を冷却水循環ライン７に介装
した熱交換器６に放熱して除熱しつつ、一方では水蒸気
発生器４に発生した水蒸気８ａを水蒸気供給弁１０を通
じて改質器１の入口側へ供給し、天然ガスに混合させる
。また、電池反応により燃料電池に生じた生成水は空気
極の排気空気を復水器１７に導いて復水させた上で、そ
の回収水を純水補給系に戻し、純水処理装置１４で浄化
処理した上で純水タンク】５に貯えておき、水蒸気発生
器４の水位が低下した際に給水ポンプ１６を通じて水蒸
気発生器に補給する。なお、燃料電池２の運転中は水蒸
気発生器４の圧力、つまり水蒸気の飽和温度を圧力調整
弁１１の弁開度により制御し、純水８の温度、水蒸気圧
を所定の制御範囲に調整するようにしている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、前記した従来の水蒸気発生器では次記のよう
な問題点がある。

（１）水蒸気発生器４に収容されている純水８の温度は
水蒸気発生器の内圧、つまり水蒸気８ａの飽和温度に依
存して変わり、かつ純水の水温は燃料電池２の運転温度
を決定して電池出力に影響を及ぼす。したがって、例え
ば第２図における冷却水循環ライン７に介装した熱回収
用熱交換器６への冷水の給水開始時、ないしその流量の
変動、あるいは水蒸気発生器４から取り出す水蒸気の抽
出量の増減などの外乱が加わると、その外乱の影響が直
接冷却水の水温変化として現れ、燃料電池の運転温度、
ひいては電池出力を変動させる。また、水蒸気供給弁１
０．圧力調整弁１１の弁開度が大となりで水蒸気発生器
４の内圧が急激に降下すると、冷却水循環ライン７にお
ける循環ポンプ５の吸込圧が一時的に許容値以下となっ
て吐出流量が大きく低下し、この結果として燃料電池２
の温度が異常に上昇し、電極の触媒層を劣化させるよう
な事態を引き起こす。

（２）燃料電池の冷却板に循環通水する冷却水は純度の
高い純水（電気抵抗が大）であることが必要条件であり
、純水に不純物が混入するなどして電気抵抗が低下する
と、燃料電池の内部で単セル間を短絡するリーク電流、
あるいは対アース間のリーク電流が増加して電池出力が
低下する。

かかる点、従来の水蒸気発生器の構成では、熱回収用の
熱交換器６を含めた冷却水循環ライン７゜純水処理装置
１４を含む純水の補給系などが全て単一の圧力容器に接
続配管されているので、例えば熱交換器６の内部で冷却
水側の配管が水中の溶存酸素などにより腐食してピンホ
ールが生したり、純水処理装置１４の浄化機能が低下し
たりすると、このことが原因で燃料電池に循環通水する
冷却水の純水としての純度が低下し、燃料電池に前記の
ようなリーク電流増大の障害を引き起こす。

（３）従来の配管系では、熱回収用の熱交換器６が水蒸
気発生器４とは別に独立して冷却水循環ライン７に設置
されているため、その配管系を含めた設備費、並びに熱
交換器の液漏れ（ピンホール発注）などに対する予防保
全に大きな経費がかかる。

本発明は、上記の点にかんがみなされたものであり、水
蒸気発生器の構造を改良することにより、前記した従来
の問題点を解消できるようにした燃料電池発電システム
の水蒸気発生器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〕

上記課題を解決するために、本発明は、燃料電池との間
に閉ループの冷却水循環ラインを配管した加熱手段内蔵
の加圧水溜部と、該加圧水溜部と伝熱的に結合した水蒸
気発生部とに二分割して水蒸気発生器を構成するものと
する。

また、前記構成の水蒸気発生器において、加圧水溜部と
水蒸気発生部との間の伝熱性を高めるために、両者の間
をヒートパイプを介して伝熱的に結合することができる
７ さらに、熱回収系の構造簡略化を図るために、前記構成
の水蒸気発生器において、水蒸気発生部に熱回収用熱交
換器を組み込んで構成することができる。

〔作用〕

上記の構成で、加圧水溜部は燃料電池の冷却水源として
機能し、ここに貯えられた純水が閉ループの冷却水循環
ラインを通して燃料；池との間で循環通水される。これ
に対して水蒸気発生部はそのタンク胴の内部に水蒸気発
生空間を形成した水蒸気分離器として機能し、ここで生
成した水蒸気は水蒸気改質器、そのほかのコジェネレー
ションシステムなどに供給され、その水蒸気の消費に伴
う補給水は直接水蒸気発生部に導入される。しかも両者
の間は互いに隔絶されていて水が混入し合うことがない
。したがって、燃料電池の冷却水として使用する加圧水
溜部側の純水は、水蒸気発生部側での急激な圧力、温度
変化などの外乱、並びに水蒸気発生部側に生じた水質汚
染の影響を直接受けることがなく、高純度を維持して安
定よく燃料電池との間で循環通水できる。

また、加圧水溜部と水蒸気発生部との間に配したヒート
パイプは加圧水溜部側の熱を水蒸気発生部側へ伝熱する
よう機能する。これにより、燃料電池より奪った回収熱
を効率よく加圧水溜部から水蒸気発生部側へ伝熱して除
熱できる。

さらに、水蒸気発生部に組み込んだ熱回収用の熱交換器
に対しては、外部から工業水などを通水して熱回収し、
コジェネレーションシステムなどで有効利用される。こ
のように熱回収用の熱交換器を水蒸気発生部に直接組み
込むことで、熱交換器に対する接続配管を省略できるほ
か、接続配管からの放熱による熱損失分もなくなる。

〔実施例〕

第１図は本発明実施例による水蒸気発生器の構成ととも
に表した燃料電池発電システムのフロー図であり、第２
図に対応する同一部材には同じ符号が付しである。

すなわち、本発明により水蒸気発生器４は加圧水溜部１
８と水蒸気発生部１９となる各独立した二つのタンクを
上下に積み重ねて構成されており、かつ両タンクの間に
またがって複数本の伝熱用ヒートパイプ２０が設置しで
ある。

また、前記の加圧水溜部１８と燃料電池２の冷却板３と
の間には循環ポンプ５を含む閉ループの冷却水循環ライ
ン７が配管されている。これに対して水蒸気発生部１９
には、水蒸気供給弁１０．圧力調整分１１のほかに、そ
のタンク胴肉には熱回収用の熱交換器１７が直接組み込
まれている。さらに、純水補給系の給水ポンプ１６より
引出した給水配管は、加圧水溜部１８に内蔵した純水予
熱用の熱交換器２１゜給水弁２２．２３を介してそれぞ
れ加圧水溜部Ｊ８．および水蒸気発生部１９に分岐接続
されている。

次に上記構成の動作について説明する。まず、水蒸気発
生器４に対し、外部からの補給水を純水処理装置１４で
高純度な純水に浄化した上で、給水ポンプ１６により給
水弁２２．２３を通して加圧水溜部１８、水蒸気発生部
１９に給水する。この場合に、加圧水溜部１８に対して
は殆ど残余空間を残すことなく満水状態とし、水蒸気発
生部１９では胴内上部に水蒸気発生空間を残して熱交換
器１７が水没する所定水位に設定する。

次に、燃料電池２の起動時には、ヒータ９により加圧水
溜部１８に収容されている純水８を加熱昇温しつつ、循
環ポンプ５により閉ループの冷却水循環ライン７を通じ
て純水８を燃料電池２の冷却板３に循環通水し、燃料電
池２の温度を所定の動作温度まで予熱する。同時に加圧
水溜部１８で加熱された純水８の保有熱はタンク胴の隔
壁１並びにヒートパイプ２０を介して水蒸気発生部１９
に伝熱され、ここに貯えられている純水８を加熱昇温さ
せる。そして、水蒸気発生部１９の貯留水が圧力調整弁
１１で設定した圧力に対応した飽和温度まで上昇すると
水蒸気８ａが発生し、水蒸気供給弁１０を通じて水蒸気
が改質器、その他に供給される。

一方、燃料電池２の運転時には、熱回収用の熱交換器１
７に対し外部から工業水を通水し、図示されてないコジ
ェネレーションシステムなどで熱回収する。これにより
、燃料電池２の発生熱は冷却水循環ライン７の通流水を
熱媒として燃料電池から除熱され、さらに加圧水溜部１
８よりヒートパイプ２０などを介して水蒸気発生器１９
側に伝熱された後に熱交換器１７で熱回収され、コジェ
ネレーションシステムなどで有効利用される。また、燃
料電池２の電池反応に伴う生成水は水回収装置２４で復
水１回収され、純水に浄化処理した上で純水タンク１５
に貯えられており、水蒸気８ａの抽出（水蒸気供給弁１
０．圧力調整弁１１からの抽出分）により水蒸気発生部
１９の液面が基準水位より低下すれば、給水ポンプ１６
により加圧水溜部１８に設けた熱交換器２１．給水弁２
３を通して水蒸気発生部１９に純水が補給される。なお
、加圧水溜部１８の貯留水は燃料電池２の冷却板３との
間で閉ループの冷却水循環ライン７を循環通水するだけ
で水量が減少せず、運転開始当初、ないし定期的なメン
テナンス時に行うタンク内洗浄などの場合を除き、燃料
電池の運転中には純水の補給は必要ない。

なお、図示実施例の水蒸気発生器は加圧水溜部と水蒸気
発生部とをそれぞれ独立したタンクで構成したものを示
したが、１基のタンクを中間隔壁でと部の水蒸気発生部
と下部の加圧水溜部とに仕切って構成することも可能で
ある。

〔発明の効果］ 本発明による燃料電池発電システムの水蒸気発生器は、
以上説明したように構成されているので、次記の効果を
奏する。

（１）水蒸気発生器を、燃料電池との間に閉ループの冷
却水循環ラインを配管した加熱手段内蔵の加圧水溜部と
１．該加圧水溜部と伝熱的に結合した水蒸気発生器とに
二分割して構成したことにより、燃料電池との間で循環
通水する加圧水溜部の貯留水と、水蒸気発生部の貯留水
とは互いに隔離して混合し合うことがなく、水蒸気発生
部側の系で圧力、温度、および純水の純度低下などの外
乱が加わっても、この外乱の影響が加圧水溜部側の系に
直接及ぶことがない。したがって、純度の高い純水を燃
料電池との間で循環通水しつつ、燃料電池を所定の動作
温度に安定維持して高出力運転することができる。

（２）加圧水溜部と水蒸気発生部との間の伝熱手段とし
て伝熱効率の高いヒートパイプを採用したことにより、
加圧水溜部と水蒸気発生部の間で高い伝熱性を確保でき
る。

（３）また、熱回収用熱の交換器を水蒸気発生部に組み
込んで構成したことにより、配管系が簡素化できる他、
配管系での熱損失分も少なくして熱回収効率の向上化が
図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例の水蒸気発生器とともに表した燃
料電池発電システムのフロー図、第２図は従来構成の水
蒸気発生器を含む燃料電池発電システムのフロー図であ
る。図において、′Ｌ：改譬器、２：燃料電池、３：冷
却板、４：水蒸気発生器、５：冷却水循環ポンプ、７；
冷却水循環ライン、８：純水、８ａ：水蒸気、９：純水
加熱ヒータ、１７：熱回収用熱交換器、１８：加圧水溜
部、１９．水蒸気発生部、２０：ヒートパイプ。 ぐ了＼ 、″ｉ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）水冷式燃料電池の冷却水循環ラインに接続した水蒸
   気発生器であって、燃料電池との間に閉ループの冷却水
   循環ラインを配管した加熱手段内蔵の加圧水溜部と、該
   加圧水溜部との間を仕切って伝熱的に結合した水蒸気発
   生部とに二分割して構成したことを特徴とする燃料電池
   発電システムの水蒸気発生器。 ２）請求項１に記載の水蒸気発生器において、加圧水溜
   部と水蒸気発生部との間をヒートパイプを介して伝熱的
   に結合したことを特徴とする燃料電池発電システムの水
   蒸気発生器。 ３）請求項１に記載の水蒸気発生器において、水蒸気発
   生部に熱回収用の熱交換器を組み込んだことを特徴とす
   る燃料電池発電システムの水蒸気発生器。