JPH05159792A - 燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、燃料電池発電システムのプラント設
備を小形化し、且つ安価にして排熱利用の多様化に対応
させることにある。 【構成】燃料極１ａ、空気極１ｂおよび冷却器１ｃを備
えた燃料電池本体１と、この燃料電池本体１の反応熱に
より加熱され二相流化した冷却水を気相と水相に分離す
る気水分離器２およびこの気水分離器２で分離された冷
却水を冷却器１ｃを通して循環させる電池冷却水循環ポ
ンプ３により構成された燃料電池冷却水系とを備えた燃
料電池発電システムにおいて、気水分離器の水相出口下
流側に電池冷却水系の余剰熱により燃料電池冷却水系と
分離された二次蒸気発生系の水を飽和水になるまで加熱
する排熱回収系予熱器４と、その下流側に排熱回収系予
熱器より供給される飽和水をさらに加熱して蒸気を発生
させる蒸気発生器５とを設け、この蒸気発生器５より発
生する蒸気を排熱利用装置１５に供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【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、特に排熱を利用した蒸気および温水供給システム
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池発電システムは、都市ガスやプ
ロパンガス等の燃料に有する化学エネルギーを電気エネ
ルギーに変換するもので、燃料電池本体および都市ガス
やプロパンガス等の燃料から水素を生成する装置、燃料
電池本体で発電される直流出力を交流に変換する変換装
置、燃料電池本体の動作や水素生成に適した温度に作動
ガスの温度を保つための熱交換器等により構成されてい
る。燃料電池本体は水素生成装置により生成された水素
ガスと、空気中の酸素の結合エネルギーを直接電気エネ
ルギーに変換するが、その際熱も発生する。

【０００３】このように燃料電池発電システムは、化学
反応による発電のため、発電効率が高く、また大気汚染
物質の排出が少なく、しかも騒音も小さいクリーンな発
電システムとして評価されている。

【０００４】ところで、燃料電池本体の電気化学反応を
効率よく行なわせるためには、燃料電池本体の温度を一
定の温度レベルに保つ必要があり、冷却水等で適切な温
度に冷却する。この冷却水系は気水分離器、ポンプ、熱
交換器等で構成され、熱交換器から取出される排熱は様
々な用途の熱利用がなされている。この排熱は一般的に
温水として取出されているが、近年では排熱利用の用途
の範囲を拡大するために蒸気取出しの要求が強くなって
いる。

【０００５】図４は燃料電池発電システムの一般的な発
電負荷と総合熱効率の関係を示す特性図である。この特
性図から分かるように、発電負荷に対する発電効率は４
０％であるが、温水レベルの低温排熱回収分および蒸気
レベルの高温排熱回収分をすべて利用した場合の総合効
率は８０％以上になる。このように燃料電池発電システ
ムは、発電のみならず排熱を系外で有効に利用すること
ができ、特に排熱のうち蒸気レベルの高温排熱は、吸収
式冷凍機の駆動源、蒸気タービンの駆動源等の用途とし
て利用価値が高い。従来、かかる排熱利用システムを取
入れた燃料電池発電システムとしては、図２に示すよう
な構成のものがある。

【０００６】図２に示すように、燃料極２１ａ、空気極
２１ｂおよび電池冷却器２１ｃを備えた燃料電池本体２
１で発生した反応熱を電池冷却器２１ｃ内の電池冷却水
と熱交換させることで取出し、その電池冷却水は気液二
相流となって高温排熱回収用熱交換器２２に導かれ、さ
らに気水分離器２３に導入される。この気水分離器２３
では気液二相流の蒸気２３ａを液化して冷却水２３ｂと
し、これを電池冷却水循環ポンプ２４により排熱回収用
熱交換器２５および電池冷却水電気ヒータ２６を通して
冷却器２１ｃに導く電池冷却水系を構成している。

【０００７】このような構成の燃料電池発電システムに
おいては、高温排熱回収用熱交換器２２を気水分離器２
３の手前に設置しているので、高温排熱を間接的に取出
すことは可能である。しかし、電池冷却器２１ｃを出た
電池冷却水は気液二相流となっており、発電負荷の変動
等による電池の発電量の変化により電池冷却水の気液混
合比が変るため、高温排熱回収量が変動し、安定した高
温排熱の取出しや利用方法が難しいという問題がある。

【０００８】一方、上記とは異なる燃料電池発電システ
ムとして、気水分離器より余剰分の蒸気を直接取出すよ
うにした図３に示すような構成のものがある。すなわち
図３に示すように、燃料極３１ａ、空気極３１ｂおよび
冷却器３１ｃを備えた燃料電池本体３１で発生した反応
熱を冷却器３１ｃ内の電池冷却水と熱交換させることで
取出し、その電池冷却水は気液二相流となって気水分離
器３２に導入される。この気水分離器３２では気液二相
流の蒸気３２ａを液化して冷却水３２ｂとし、この冷却
水を電池冷却水循環ポンプ３３により排熱回収用熱交換
器３４および電池冷却水電気ヒータ３５を通して冷却器
３１ｃに戻す電池冷却水系を構成している。また、気水
分離器３２内の余剰蒸気を蒸気供給配管３６を通して排
熱利用装置３７に導入し、ここで液化した冷却水の一部
は循環ポンプ３８により凝縮水戻り配管３９を通して気
水分離器３２の下流側に戻され、さらに排熱利用装置３
７で液化した冷却水の他の一部は水処理装置４０に導入
され、ここで水処理された冷却水を気水分離器３２の下
流側に戻す構成としている。

【０００９】このような構成の燃料電池発電システムに
おいては、気水分離器３２より余剰分の蒸気を直接排熱
回収装置３７に導入しているため、温度レベルの高い蒸
気を取出せる利点はあるが、電池冷却水系と排熱利用装
置３７が同一の配管系であるため、排熱利用装置３７に
漏洩防止対策や水質汚染対策が必要となり、使用装置、
材料の高級化、水処理装置４０の容量アップとなり、こ
れもまたプラント設備が大きくなり、コストも高くなる
という問題がある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】このように従来の燃料
電池発電システムは、高温排熱を回収できる構成になっ
ているが、上述したような排熱利用装置を利用しようと
すると、プラント設備の容量アップによる大型化、コス
トアップにつながるという問題があった。

【００１１】さらに、電池冷却水系から高温排熱を取出
す形態として常に高温蒸気のみを必要とするばかりでな
く、高温水として取出す場合もあるが、従来のシステム
ではこれら高温蒸気と高温水を同時に取出すことができ
ず、排熱利用の多様化に対応することは困難である。本
発明は、プラント設備を小形化し、且つ安価にして排熱
利用の多様化に対応させ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。

【００１２】

【課題を解決するための手段】燃料極、空気極および冷
却器を備えた燃料電池本体と、この燃料電池本体の反応
熱により加熱され二相流化した冷却水を気相と水相に分
離する気水分離器およびこの気水分離器で分離された冷
却水を前記燃料電池本体の冷却器を通して循環させる電
池冷却水循環ポンプにより構成された燃料電池冷却水系
とを備えた燃料電池発電システムにおいて、前記気水分
離器の水相出口下流側に前記電池冷却水系の余剰熱によ
り前記燃料電池冷却水系と分離された二次蒸気発生系の
水を飽和水になるまで加熱する排熱回収系予熱器を設け
ると共に、その下流側に前記飽和水を前記電池冷却水系
の余剰熱により加熱して蒸気を発生させる蒸気発生器を
設け、この蒸気発生器より発生する蒸気を排熱利用装置
に供給するようにしたものである。

【００１３】

【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、電池冷却水系とは分離した状態で、気水分離器か
ら流出する電池冷却水により排熱回収系予熱器の二次蒸
気発生系の低温水を飽和水になるまで加熱し、この飽和
水を蒸気発生器に供給してさらに電池冷却水により加熱
して蒸気を発生させることにより、この蒸気を排熱利用
装置に供給することができると共に、排熱回収系予熱器
で水−水熱交換なので、これら排熱回収系予熱器および
蒸気発生器の小形化が可能となり、プラント設備のコン
パクト化とコストダウンを図ることができる。

【００１４】また、排熱回収系予熱器に温水供給系を接
続して蒸気量分以外の余剰飽和水を取出すことにより、
必要に応じて排熱利用装置に高温水を供給することがで
き、排熱利用の多様化に対応することができる。

【００１５】

【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。

【００１６】図１は本発明による燃料電池発電システム
の構成図である。図１において、１は燃料極１ａ、空気
極１ｂおよび冷却器１ｃを備えた燃料電池本体で、この
燃料電池本体１で発生した反応熱は電池冷却器１ｃ内の
電池冷却水と熱交換させることで取出され、その二相流
化した電池冷却水は気水分離器２に導入され、蒸気２ａ
と冷却水２ｂとに分離される。この気水分離器２で分離
された冷却水２ｂは、電池冷却水循環ポンプ３により気
水分離器２の水相出口下流側にそれぞれ設けられた排熱
回収系予熱器４の一次側（高温側）および蒸気発生器５
の一次側（高温側）を順次通して温度調整用熱交換器６
に導入し、さらにこの温度調整用熱交換器６で温度調整
された冷却水を電池冷却水電気ヒータ７を通して電池冷
却器１ｃに戻す電池冷却水系を構成している。この場
合、排熱回収系予熱器４と蒸気発生器５とを結ぶ配管ラ
イン８には入口制御弁９が設けられる。また、これら入
口制御弁９および蒸気発生器４をバイパスして、排熱回
収系予熱器４の一次側（高温側）を通って流れる気相分
離器２からの冷却水２ｂを電池冷却水循環ポンプ３側に
流すバイパス配管ライン１０が設けられ、このバイパス
配管ライン１０にバイパス制御弁１１が設けられる。

【００１７】ここで、排熱回収系予熱器４は、気水分離
器２より流出する電池冷却水により、二次側（低温側）
の二次温水発生系の低温水を飽和水まで加熱するもの
で、ここで加熱された排熱回収系の温水は蒸気発生器５
の低温側に制御弁１２ａを介して流入させる。

【００１８】また、蒸気発生器５は、排熱回収系予熱器
４の一次側を通して流れる電池冷却水により、排熱回収
系予熱器４で飽和水まで加熱された二次蒸気発生系の水
を加熱して蒸気を発生させるもので、この蒸気発生器５
で発生した蒸気５ａは蒸気供給配管１３を通り、圧力調
整弁１４を介して排熱利用装置１５に供給される。そし
て、この排熱利用装置１５で利用後の凝縮水は、凝縮水
循環ポンプ１６により凝縮水戻り配管１７を通して排熱
回収系予熱器４の二次側に戻される。

【００１９】なお、図中１８は蒸気発生器５内の蒸気圧
力を検出する圧力検出器、また１９は蒸気発生器５の圧
力を所定値に保つように圧力調整弁１４の開度を調節す
る圧力コントローラである。さらに、蒸気発生器４の凝
縮水は、ブロー用ラインを通して水処理装置２０に導入
され、ここで水処理された水は電池冷却水系に導入され
る。次にこのように構成された燃料電池発電システムの
動作を述べる。

【００２０】いま、排熱回収が行われていない状態で燃
料電池本体１が運転されているときは、バイパス配管ラ
イン１０の制御弁１１が開で、入口制御弁９が閉の状態
にある。このような状態にあるとき蒸気発生器５より蒸
気を発生させて排熱回収運転を行うには、バイパス配管
ライン１０の制御弁１１を閉じ、入口制御弁９を開の状
態にすると、排熱回収系予熱器４の一次側を通して流れ
る電池冷却水により二次温水発生系の低温水が飽和水ま
で加熱され、この飽和水は蒸気発生器５の低温側に制御
弁１２ａを介して流入する。すると、この蒸気発生器５
では二次蒸気発生系の飽和水が電池冷却水系の余剰熱に
より加熱されて蒸気を発生し、この蒸気は圧力調整弁１
４を介して排熱利用装置１５に供給され、排熱利用後の
凝縮水は凝縮水循環ポンプ１６により排熱回収系予熱器
４の二次温水発生系に戻される。この場合、圧力調整弁
１４は圧力コントローラ１９により開度制御され、蒸気
発生器５内の蒸気圧力が一定に保持される。また、蒸気
発生器５内の凝縮水の一部はブロー用ラインを通して水
処理装置２０導入され、ここで処理された水は電池冷却
水系に供給される。

【００２１】さらに、排熱利用装置１５において、温水
を必要とする場合には、排熱回収系予熱器４の二次温水
発生系と排熱利用装置１５との間を接続する温水供給配
管に設けられた制御弁１２ｂを開制御することにより、
飽和温度に加熱された温水が排熱利用装置１５に供給さ
れる。

【００２２】このように本実施例では、気水分離器２の
下流側に排熱回収系予熱器４および蒸気発生器５をそれ
ぞれ設けて、排熱回収系予熱器４により二次蒸気発生系
の水を電池冷却水系の余剰熱で飽和水になるまで加熱す
ると共に、この飽和水を蒸気発生器５に供給してさらに
電池冷却水系の余剰熱により蒸気を発生させて排熱利用
装置１５に供給するようにしたものである。

【００２３】したがって、排熱回収系予熱器４は高温側
流体が蒸気になる前の飽和水の状態で水と水との熱交換
であるため、熱交換器の高温側、低温側ともに熱伝達率
がよく、排熱回収系予熱器４を小さな容積に抑えること
ができる。また、一般のシェルとチューブ式熱交換器、
プレート式熱交換器等で対応できるため、コスト、容積
ともに小さくすることができる。

【００２４】また、蒸気発生器５は排熱回収系予熱器４
で排熱回収された水は、飽和水まで加熱されているた
め、蒸気発生器（例えばケトル式ボイラ）の容積として
は排熱回収系予熱器４を設けないで蒸気発生器だけを設
ける場合に比してその容積を相当小さくすることができ
る。このことにより、排熱回収系予熱器４も小さな熱交
換器で済むため、気水分離器２の下流側に蒸気発生器５
だけを設置する場合よりも総合的な容積が小さくでき、
プラント設備のコンパクト化およびコストダウンを図る
上で大きな効果がある。

【００２５】さらに、必要に応じて制御弁１２ｂを開制
御して蒸気発生器５の凝縮水を排熱利用装置１５に温水
として同時に供給できるので、排熱の多様化に対応させ
ることができる。

【００２６】一方、電池冷却水循環ポンプ３は、例えば
配管等による電池冷却水系の圧損が大きい場合、水の飽
和蒸気圧以下に下がるとキャビテーションを起こす心配
があり、このことはポンプが騒音、振動を起こして性能
の低下につながる。しかし、上述したように排熱回収系
予熱器４および蒸気発生器５を冷却水循環ポンプ３の手
前に設置することにより、燃料電池本体１の反応熱で高
温になった電池冷却水が冷却（アンダクール）されるの
で、ポンプの有効利用ＮＰＳＨ（正味吸込水頭）を大き
くでき、ポンプにとって有効に作用する。この場合、排
熱回収系予熱器４および蒸気発生器５での電池冷却水系
の圧損による圧力降下は、上記アンダクール分に比較す
ると微小である。

【００２７】したがって、電池冷却水系から蒸気が間接
的に取出せると同時に、排熱回収系予熱器４および蒸気
発生器５で冷却される電池冷却水のアンダクール相当分
の圧損の大きな排熱回収系予熱器４および蒸気発生器４
５を設置できるため、両熱交換器の容積を小形化でき、
また冷却水循環ポンプ３の動力も小さくでき、これによ
ってプラント設備の小形化と、コストダウンを図ること
ができる。

【００２８】また、蒸気発生器４の入口側に設けられた
入口制御弁９と、これらをバイパスする配管ライン１０
にバイパス制御弁１１を設けてあるので、プラント起動
時の電池冷却水系のヒートアップ時に入口制御弁９を開
にすることにより、蒸気発生器５の二次側の温度上昇を
早めることができ、一方プラント運転中に排熱利用装置
での負荷を上げたり下げたりする場合には、入口制御弁
９およびバイパス制御弁１１を制御することにより、排
熱利用装置の運転が変動したり、起動や停止の場合でも
発電特性に影響を与えることなく、安定したプラントの
運転が可能となる。なお、上記実施例では蒸気発生器５
としてケトル式ボイラのイメージ図を示したが、別の形
態の蒸気発生器でも同様の排熱回収を行うことができ
る。

【００２９】また、蒸気発生器５は運転中に器内にスケ
ールや錆等が蓄積し、蒸気発生器の性能を低下させる可
能性があり、しかも蒸気発生器５から一時的、或いは連
続的に微量ずつ水がブローすることがあるが、このよう
な場合にはこのブロー水を単に外部へ排出するだけでな
く、水処理装置２０へ注入して水処理した後電池冷却水
系へ戻すようにしてもよい。

【００３０】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、電池
冷却水系の余剰熱を電池冷却水系とは分離した形で間接
的に熱利用価値の高い蒸気として取出すようにしたの
で、プラント設備の小形化とコストダウンを図ることが
できると共に、排熱利用装置の負荷変動や排熱利用の多
様化に対応させ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
を示す構成図。

【図２】従来の燃料電池発電システムの一例を示す構成
図。

【図３】従来の燃料電池発電システムの他の例を示す構
成図。

【図４】燃料電池発電システムの発電負荷と総合熱効率
の関係を示す特性図。

【符号の説明】 １……燃料電池本体、１ａ……燃料極、１ｂ……空気
極、１ｃ……冷却器、２……気水分離器、３……電池冷
却水循環ポンプ、４……排熱回収系予熱器、５……蒸気
発生器、６……電池冷却水温度調整用熱交換器、６……
電池冷却水電気ヒータ、１５……排熱利用装置、１６…
…凝縮水循環ポンプ、２０……水処理装置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料極、空気極および冷却器を備えた燃
   料電池本体と、この燃料電池本体の反応熱により加熱さ
   れ二相流化した冷却水を気相と水相に分離する気水分離
   器およびこの気水分離器で分離された冷却水を前記燃料
   電池本体の冷却器を通して循環させる電池冷却水循環ポ
   ンプにより構成された燃料電池冷却水系とを備えた燃料
   電池発電システムにおいて、前記気水分離器の水相出口
   下流側に前記電池冷却水系の余剰熱により前記燃料電池
   冷却水系と分離された二次蒸気発生系の水を飽和水にな
   るまで加熱する排熱回収系予熱器を設けると共に、その
   下流側に前記飽和水を前記電池冷却水系の余剰熱により
   加熱して蒸気を発生させる蒸気発生器を設け、この蒸気
   発生器より発生する蒸気を排熱利用装置に供給すること
   を特徴とする燃料発電システム。