JPH0467573A

JPH0467573A - 燃料電池発電システム

Info

Publication number: JPH0467573A
Application number: JP2177244A
Authority: JP
Inventors: Takashi Amamiya; 隆雨宮
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-07-06
Filing date: 1990-07-06
Publication date: 1992-03-03

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】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、燃料電池発電システムに係り、特に、圧力容
器内のパージ手段に改良を施した燃料電池発電システム
に関するものである。

（従来の技術）近年、燃料の有しているエネルギーを直接電気的エネル
ギーに変換するものとして燃料電池発電システムが知ら
れている。この燃料電池発電システムは、通常、電解質
を挟んで一対の多孔質電極を配置して燃料電池単位セル
を構成すると共に、一方の電極である燃料極の背面に水
素等の燃料を接触させ、また、他方の電極である空気極
の背面に空気等の酸化剤を接触させ、このとき起こる電
気化学的反応を利用して、上記電極間から電気エネルギ
ーを取り出すようにしたものであり、この様な単位セル
を多数枚積層配置して燃料電池スタックを構成し、これ
に前記燃料と酸化剤が供給されている限り、高い変換効
率で電気エネルギーを取り出すことができるものである
。

また、前記の電気化学的反応は、高温・高圧条件下で良
好な効率が得られるため、前記燃料電池スタックを密閉
形圧力容器内に収納して、高圧下での運転が行えるよう
にすると共に、冷却水を燃料電池スタック内に設けられ
た冷却器に導入し、一定の高温運転条件が保持できるよ
うに構成するのが一般的である。

この様な従来の燃料電池発電システムの構成を第４図に
示した。即ち、燃料極１ａ、空気極１ｂ。

冷却器１ｃより成る燃料電池スタック１ｄが、圧力容器
１ｅの内部に収納されて燃料電池本体１が構成されてい
る。なお、燃料電池スタック１ｄは、前述した様に単位
セルの多数枚積層体であるが、図中ではこれを簡略化し
、全て一対の要素で示している。

この様な燃料電池の発電状態においては、燃料極１ａに
、燃料供給装置２より燃料弁３を介して高濃度水素ガス
等の燃料が供給される。また、空気極１ｂへは、空気供
給装置４より空気弁５を介して、空気等の酸化剤ガス（
以下の例では空気とする）が供給される。さらに、燃料
電池スタック１ｄの冷却器１ｃへは、冷却水ループを介
して冷却水が供給され、電池で発生した熱を吸収したの
ち、冷却器１ｃより排出される。排出された高温水乃至
高温２相流水は気水分離器６へ導入され、水蒸気６ａと
漬水６ｂに分離される。燃料電池スタックの冷却器ＩＣ
出口が高温水の場合も、冷却器１ｃと気水分離器６の間
に適当な減圧手段を設けることて、気水分離器６内で水
蒸気６ａを分離することができる。また、水蒸気６ａは
熱回収系７に送られ、その熱は種々の目的に利用される
。

一方、気水分離された後の漬水６ｂは再び冷却水ループ
に入り、熱交換器８で温度調節されたのち、冷却水ポン
プ９によって燃料電池スタック１ｄの冷却器ＩＣに導入
される。また、給水系１０より給水弁１１を介して、蒸
気として放出された冷却水の不足分を外部より給水して
補っている。さらに、燃料電池スタック１ｄの圧力容器
１ｅ内部へは、窒素等の不活性ガス供給装置１２より、
不活性ガス供給弁１３を介して、窒素等の不活性ガスを
流入させて圧力容器内を適時パージし、その後、窒素等
の不活性ガスをパージ放出ライン１４より外部に放出し
ている。

上述した圧力容器内のパージの目的は、次の通りである
。即ち、燃料電池スタックの製作に当つては、積層され
た各単位セルの燃料極、空気極それぞれに十分なガスシ
ール性を持たせてはいるものの、長期運転に伴う経年劣
化や何らかの原因による急激な運転圧力変化等により、
電池運転中に多少のガスリークが生じることが考えられ
る。この様な場合に、圧力容器内に燃料ガスと空気とが
混合して滞留し、爆鳴ガス条件に至った場合は爆発等の
危険を生じる。この様な危険性をなくすために、不活性
ガスによる圧力容器内のパージを、常時または周期的に
行なっているのである。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、上記の様に構成された従来の燃料電池発
電システムにおいては、以下に述べるような解決すべき
課題があった。即ち、例えば多数本の燃料電池スタック
を有する大形の発電システムにおいては、各スタックの
圧力容器パージを常時乃至は周期的に行なおうとすると
、窒素ガス等の不活性ガスの消費量は、長期の運転を考
えると相当量必要となり、発電システム全体としてのラ
ンニングコストを大きいものにしていた。また、不活性
ガスの貯蔵、供給装置（例えば、液体窒素の蒸発器など
）への初期投資も必要であるため、設備コスト及び設備
スペース上でも不利であり、窒素等の不活性ガスを用い
ない圧力容器のパージ手段の開発が切望されていた。

本発明は、上記の欠点を解消するために提案されたもの
で、その目的は、燃料電池の圧力容器内のパージを、よ
り安価な手段で行なうことを可能とし、また、設置スペ
ースの縮小化を可能とした燃料電池発電システムを提供
することにある。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明は、単位電池を多数個積層して成るセルスタック
を密閉圧力容器内に収納した燃料電池と、この燃料電池
を冷却する冷却水ループと、この冷却水ループの燃料電
池出口側に配置されて水蒸気を放出する気水分離器とを
有して成る燃料電池発電システムにおいて、前記気水分
離器より放出される水蒸気の一部を、燃料電池の圧力容
器内に導入し、容器内パージを行なうようにしたことを
特徴とするものである。

（作用）本発明の燃料電池発電システムによれば、従来の窒素等
の不活性ガスに替えて、気水分離器より放出される水蒸
気の一部をパージガスとして利用することができるので
、従来必要であった窒素ガス等の不活性ガスの貯蔵及び
供給設備を不要とし、あるいは縮小することができる。

（実施例）以下、本発明の実施例を第１図乃至第３図に基づいて具
体的に説明する。なお、第４図に示した従来型と同一の
部材については、同一の符号を付して、説明を省略する
。

■第１実施例本実施例においては、第１図に示した様に、気水分離器
６によって分離された水蒸気６ａの一部を、圧力容器１
ｅに導入するためのパージ用水蒸気ライン２０が設けら
れている。このパージ用水蒸気ライン２０は、気水分離
器６と熱回収系７をつなぐ水蒸気ラインから分岐して設
けられ、ノ々−ジ用水蒸気供給弁２１を介して電池圧力
容器１ｅに接続されている。また、前記パージ用水蒸気
供給弁２１は、常時、一定のパージ用水蒸気を圧力容器
１ｅに供給できるように、その開度が調節されている。

なお、周期的にパージ用水蒸気供給弁２１を開いてパー
ジを行なうようにしても良いし、あるいは、圧力容器内
に燃料極からガスリークが生じた場合に、これをガスセ
ンサ等で検出して、そのデータに基づいて適宜パージ用
水蒸気供給弁２１を開いて水蒸気パージを行なうように
構成することもできる。また、圧力容器１ｅ内において
、パージ用水蒸気が多量に凝縮しないように、適切な容
器圧力を保持することができるように、パージ用水蒸気
供給弁２１のサイズを選ぶことが望ましい。

例えば、２００℃、５ａｔａの運転条件で燃料電池の発
電運転を行なっている場合、冷却水ループ系の圧力を約
１５．９ａｔａで運転すれば、電池スタック内で２相流
冷却が行なわれる。従って、気水分離器６より得られる
水蒸気は、この圧力に近い飽和水蒸気となっている。こ
の水蒸気の一部をパージ用水蒸気供給弁２１で５．５ａ
ｔａに減圧して圧力容器に導入しようとする場合には、
水蒸気の等エンタルピ変化のため、パージ用水蒸気の温
度は約１７０℃に低下するが、凝縮温度の１５５℃に対
しては余裕があるため、圧力容器内では運転温度の２０
０℃近くまでパージ水蒸気温度が上昇することを考慮す
れば、圧力容器内で凝縮してしまうことはない。

この様な構成を有する本実施例の燃料電池発電システム
は、以下に述べる様に作用する。即ち、常時あるいは適
時に、パージ用水蒸気供給弁２１を開くことにより、気
水分離器６によって分離された水蒸気６ａの一部を、パ
ージ用水蒸気ライン２０によって圧力容器１ｅ内に導入
することができるので、水蒸気６ａによって電池スタッ
クの圧力容器１ｅの内部のパージを行なうことができる
。

その結果、従来、圧力容器のパージに用いられていた窒
素等の不活性ガスが不要となり、また、これら不活性ガ
スを多量に貯蔵しておく必要もなくなる。従って、機器
の設置スペースを縮小でき、また、コストの削減が可能
となる。

■第２実施例本実施例においても、第２図に示した様に、気水分離器
６によって分離された水蒸気６ａの一部を、圧力容器１
ｅに導入するためのパージ用水蒸気ライン２０が設けら
れている。このパージ用水蒸気ライン２０は、気水分離
器６と熱回収系７をつなぐ水蒸気ラインから分岐して設
けられ、パージ用水蒸気供給弁２１及びその下流側に設
けられた熱交換器２２を介して、圧力容器１ｅに接続さ
れている。また、前記熱交換器２２は、気水分離器６に
よって分離された高温の電池冷却水６ｂと熱交換するよ
うに構成されている。その他の構成は、第１実施例と同
様である。

この様な構成を有する本実施例の燃料電池発電システム
は、以下に述べる様に作用する。即ち、常時あるいは適
時に、パージ用水蒸気供給弁２１を開くことにより、気
水分離器６によって分離された水蒸気６ａの一部を、パ
ージ用水蒸気ライン２０によって圧力容器１ｅ内に導入
するが、その際、パージ用水蒸気はパージ用水蒸気供給
弁２１で減圧され、等エンタルピ変化によりその温度が
低下する。しかし、本実施例においては、パージ用水蒸
気ライン２０上に、気水分離器６によって分離された高
温の電池冷却水６ｂと熱交換する熱交換器２２が設けら
れているため、温度が低下したパージ用水蒸気は高温の
電池冷却水６ｂによって加熱され、再び高温の水蒸気と
なって圧力容器１ｅ内に導入される。その結果、パージ
用水蒸気の温度は凝縮温度レベルより十分に高くなり、
例えば、約２００℃の電池運転温度下において、圧力容
器内の圧力が１０ａ　ｔ　ａ近くであっても、パージ用
水蒸気が容器内で凝縮しないようにすることが可能とな
る。従って、燃料電池の運転圧力条件が１Ｑａｔａ程度
の高圧であっても、容器内パージを水蒸気によって行な
うことが可能となる。

一般に、燃料電池運転圧力は高いほど発電効率が良くな
るので、以上の様な高圧運転時においても、容器パージ
が水蒸気で行えることは非常に好ましいことである。

この様に、本実施例においても、水蒸気を用いて燃料電
池スタックの圧力容器１ｅの内部のパージを行なうこと
ができるので、従来、圧力容器のパージに用いられてい
た窒素等の不活性ガスか不要となり、また、これら不活
性ガスを多量に貯蔵しておく必要もなくなる。従って、
機器の設置スペースを縮小でき、また、コストの削減が
可能となる。

■第３実施例第３図に示した様に、本実施例においては第１実施例と
同様に、気水分離器６と熱回収系７をつなく水蒸気ライ
ンから分岐してパージ用水蒸気ライン２０が設けられ、
パージ用水蒸気供給弁２１を介して電池圧力容器１ｅに
接続されている。また、前記パージ用水蒸気ライン２０
には、不活性ガス供給弁１３を介して窒素等の不活性ガ
ス供給装置１２が接続され、圧力容器１ｅのパージを水
蒸気あるいは不活性ガスのいずれによっても行えるよう
に構成されている。

さらに、本実施例においては、燃料電池本体１の空気極
１ｂの排出ライン２５側に、凝縮器２４と気水分離器２
３が設けられている。また、圧力容器１ｅから導出され
るパージ放出ライン１４か、空気極１ｂの排出ライン２
５に合流されている。

なお、凝縮器２４及び気水分離器２３では、電池の発電
動作に伴い空気極１ｂにおいて生成・放出される水蒸気
を凝縮して水分回収を行なうか、本構成ではさらに電池
圧力容器１ｅより排出されるパージ用水蒸気の凝縮と水
分回収をも行えるように構成している。

この様な構成を有する本実施例の燃料電池発電システム
は、以下に述べる様に作用する。即ち、通常の電池発電
運転時においては、容器内パージは、パージ用水蒸気供
給弁２１を開いて水蒸気を圧力容器１ｅに導入すること
によって行なわれる。

一方、発電開始前または発電停止後のように、電池発熱
による水蒸気生成が行なわれない場合においては、不活
性ガス供給弁１３を開いて、窒素等の不活性ガスを圧力
容器１ｅに導入することによって電池容器内パージが行
なわれる。ただし、窒素等の不活性ガスの貯蔵量及び供
給量は、従来と比べ小さくすることができる。さらに、
本実施例においては、パージ放出ライン１４から放出さ
れたパージ用水蒸気は、凝縮器２４及び気水分離器２３
において凝縮され、水分として回収することができ、再
び電池冷却水ループへの補給水として利用することがで
きる。

この様に、本実施例においては、燃料電池の発電運転中
には、パージ用水蒸気によって圧力容器１ｅのパージを
行なうことができ、一方、パージ用水蒸気が十分に得ら
れない発電停止中等においては、従来通り窒素等の不活
性ガスを圧力容器パージに用いることができるので、ど
の様な運転状況下でも安全な容器内パージが可能となる
。

なお、本実施例においては、燃料電池空気極１ｂの出口
側に凝縮器２４と気水分離器２３を設けているが、これ
らを燃料極１ａの出口側に設け、容器の水蒸気パージの
放出ライン１４を燃料極排出ラインに合流させて、パー
ジ用水蒸気を凝縮器で凝縮させ、水分を回収するように
構成しても同様の効果が得られる。

［発明の効果］以上述べた様に、本発明によれば、電池冷却水ループに
配設される気水分離器より放出される水蒸気の一部を、
燃料電池の圧力容器に導入して、容器内パージを行なう
ようにしたことにより、燃料電池の圧力容器内のパージ
を、より安価な手段で行なうことができ、また、設置ス
ペースの縮小化を可能とした燃料電池発電システムを提
供することかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の燃料電池発電システムの第１実施例を
示す構成図、第２図は本発明の第２実施例を示す構成図
、第３図は本発明の第３実施例を示す構成図、第４図は
従来の燃料電池発電システムの一例を示す構成図である
。１・・・燃料電池本体、１ａ・・・燃料極、１ｂ・・・
空気極、ＩＣ・・・冷却器、１ｄ・・・燃料電池スタッ
ク、１ｅ・・・圧力容器、２・・・燃料供給装置、３・
・・燃料弁、４・・・空気供給装置、５・・・空気弁、
６・・・気水分離器、６ａ・・・水蒸気、６ｂ・・・漬
水、７・・・熱回収系、８・・・熱交換器、９・・・冷
却水ポンプ、１０・・・給水系、１１・・給水弁、１２
・・・不活性ガス供給装置、１３・・。不活性ガス供給弁、１４・・・パージ放出ライン、２０
０．、パージ用水蒸気ライン、２１・・・パージ用水蒸
気供給弁、２２・・・熱交換器、２３・・・気水分離器
、２４・・・凝縮器、２５・・・排出ライン。

Claims

【特許請求の範囲】単位電池を多数個積層して成るセルスタックを密閉圧力
容器内に収納した燃料電池と、この燃料電池を冷却する
冷却水ループと、この冷却水ループの燃料電池出口側に
配置されて水蒸気を放出する気水分離器とを有して成る
燃料電池発電システムにおいて、前記気水分離器より放出される水蒸気の一部を、前記燃
料電池の圧力容器内に導入し、容器内パージを行なうよ
うにしたことを特徴とする燃料電池発電システム。