JPH0541229A - 燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は水処理装置の負担を軽くし、高品質の
熱エネルギとして回収することができるコンパクトなプ
ラントを実現することにある。 【構成】燃料電池本体１と、この燃料電池本体の燃料極
１Ａに供給する燃料を改質する燃料改質器２と、燃料電
池の反応熱により加熱された冷却水を気相と水相に分離
する気水分離器３と、この気水分離器で分離された冷却
水を燃料電池本体の冷却水系１Ｃを通して循環させ熱エ
ネルギを吸収する一次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３の水相出口下流に蒸気
発生器４を設け、この蒸気発生器４に気水分離器３で発
生した蒸気のうち燃料改質器２に利用される水蒸気を除
く余剰の蒸気を供給すると共に、気水分離器３より得ら
れる熱水を一次側熱交換部４Ａとしてバイパスさせ、且
つ蒸気発生器４より発生する蒸気を排熱利用のための蒸
気として系外の二次冷却水系より取出す。

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
供給する燃料電池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、最近では特に電気・熱併給システム
（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、
環境問題に融和してその有効性をさらに発揮し得るから
である。

【０００３】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、高品質の熱エネルギとは、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。

【０００４】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。

【０００５】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方式の一例を図２
により説明する。

【０００６】図２において、燃料極１Ａおよび空気極１
Ｂを有する燃料電池本体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、この二相流は気水分離器３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３で分離された水は
燃料電池冷却水ポンプ１２により、燃料電池冷却水冷却
器９を通して燃料電池本体１の冷却水系１Ｃに送られ
る。

【０００７】この冷却水系１Ｃに送られる冷却水はその
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９を流れる熱水の流量をバイパス流
量調節弁２５によって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、燃料電池冷却水冷却器９の
出口側に温度検出器２４を設け、この温度検出器２４の
温度検出信号に基づいてバイパス流量調節弁２５を調節
して熱水バイパス流量を制御している。

【０００８】ここで、燃料電池冷却水冷却器９の二次側
９Ａには適当な低温流体を使用すれば良く、この冷却器
冷却媒体が持ち去る熱量は低品質の熱エネルギーとして
回収することができる。また、燃料電池冷却水は高純度
の水質保持が必要であるため、燃料電池冷却水の一部は
ブローダウン水冷却器１５の一次側を通して燃料電池発
電プラント内の水処理装置６に送られ、浄化される。

【０００９】また、気水分離器３で分離された水蒸気は
流量調節弁１９を介して燃料供給ライン３２に送られ、
この燃料供給ライン３２に導入された天然ガス等の燃料
と混合されて改質器２内の改質触媒が充填された改質管
２Ｂに導かれ、ここで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。この場合、気水分離器３より燃料
供給ライン３２に供給される蒸気量は、改質用水蒸気流
量検出器１８により検出され、その検出信号に基づいて
流量調節弁１９を調節して蒸気流量を制御している。

【００１０】一方、空気取入れライン３３より導入され
る空気は、空気ブロア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に入り、ここで燃料電池生
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排出ライン３４を通して排出
されると共に、凝縮水は水処理装置６に戻される。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。

【００１１】また、気水分離器３で分離された水蒸気の
うち余剰の水蒸気は、燃料電池発電システムの外部に設
置される吸収式冷凍機５に圧力調節弁２１を通して供給
され、この吸収式冷凍機５を駆動している。この吸収式
冷凍機５を通った水蒸気は凝縮水となって水蒸気凝縮器
８内の排熱回収熱交換器８Ａを通って気水分離器３に戻
される。この場合、気水分離器３より吸収式冷凍機５に
供給される蒸気量は気水分離器３の蒸気圧を検出する圧
力検出器２０の検出信号に基づいて圧力調節弁２１によ
り制御されている。

【００１２】さらに、水処理装置６で浄化された水は水
処理系循環ポンプ１３によりブローダウン水冷却器１５
の二次側および流量調節弁２３を介して気水分離器３と
冷却水ポンプ１２とを結ぶ燃料電池冷却水ラインに供給
され、レベル検出器２２により検出された気水分離器３
の水位検出信号に基づいて調節される流量調節弁２３に
より気水分離器３の水位が適当な位置に保持されるよう
に制御される。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】このように図２に示す
構成の燃料電池発電システムにおいては、燃料電池本体
１の冷却水入口温度は燃料電池冷却水冷却器９により制
御されており、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することができない。

【００１４】また、図２において、燃料電池冷却水は燃
料電池本体冷却ループを循環するだけでなく、燃料電池
発電システムの外部に設置される吸収式冷凍機５および
改質器２や図示されていない一酸化炭素変成器等を含む
燃料処理系の機器、排熱回収熱交換器８Ａ等の排ガス系
の機器等を循環している。このため、燃料電池冷却水は
高純度の水質を必要とするので、このような広い範囲の
機器・配管を循環した回収水を浄化するには高性能の水
処理装置が必要となる。

【００１５】本発明はこのような水処理装置の負担を軽
くし、高品質の熱エネルギとして回収することができる
コンパクトなプラントが実現可能な燃料電池発電システ
ムを提供することを目的とする。

【００１６】

【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、空気極に酸素が供給され燃料極に水素が供
給される燃料電池本体と、燃料を改質して前記燃料電池
本体の燃料極に供給する水素ガスを生成する燃料改質器
と、前記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ための気水分離器
と、この気水分離器で分離された冷却水を前記燃料電池
冷却水系を通して循環させ熱エネルギを吸収する一次冷
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に蒸気発生器を設け、この蒸
気発生器に前記気水分離器で発生した蒸気のうち前記燃
料改質器に供給される水蒸気を除く余剰の蒸気を供給す
ると共に、前記気水分離器の水相出口より得られる熱水
を一次側熱交換部としてバイパスさせ、且つ前記蒸気発
生器より発生する蒸気を排熱利用のための蒸気として系
外の二次冷却水系より取出すようにしたものである。

【００１７】

【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、燃料電池冷却水系の一次冷却水系は気水分離器、
蒸気発生器の一次側および循環ポンプ等の限られた範囲
の機器のみの閉じた系で構成されているので、高純度の
水質を維持することが可能である。

【００１８】また、系外は従来通りの多種の機器で構成
されているが、二次冷却水系はもともと一次冷却水系に
比べて必要とされる水質基準が低いので、二次冷却水系
の水処理装置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可能とな
る。

【００１９】

【実施例】以下本発明の実施例を図面を参照して説明す
る。

【００２０】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２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に示すように気水
分離器３の水相出口下流に蒸気発生器４を設けて、電池
冷却水循環ポンプ１２側に流れる熱水流をバイパス流量
弁２７を介して一次側熱交換部４Ａに流入させて熱を受
取り、二次側の気水分離部４Ｂより低温（低圧）の水蒸
気を発生させるものである。この場合、燃料電池本体１
の燃料電池本体１の冷却水系１Ｃの入口温度を温度検出
器２６によって検出し、その検出値をもとにバイパス流
量調節弁２７を調節して気水分離器３から蒸気発生器４
の一次側熱交換部４Ａへ流入する熱水の流量を制御し、
燃料電池本体１の冷却水系１Ｃの入口温度が所定の温度
になるようにしている。

【００２１】また、蒸気発生器４には気水分離器３で発
生した水蒸気のうち、水蒸気改質に利用される水蒸気分
を除いた余剰の水蒸気が導入される。この場合、蒸気発
生器４に導入される蒸気は圧力検出器２０により検出さ
れる気水分離器３の蒸気圧に基づいて調節される調節弁
２１により制御されるようになっている。

【００２２】この蒸気発生器４で二相分離された水は、
ブローダウン水冷却器１６の二次側を通して水処理装置
６に供給され、また蒸気発生器４の二次側気水分離部４
Ｂで発生した蒸気は吸収式冷凍機５に送られ、この吸収
式冷凍機５より水蒸気凝縮器８の排熱回収熱交換器部８
Ａを通して蒸気発生器４に戻す二次冷却系を構成してい
る。この場合、蒸気発生器４より吸引式冷凍機５に供給
される蒸気は圧力検出器３０により検出される蒸気発生
器４の蒸気圧に基づいて調節される圧力調節弁３１によ
り制御されるようになっている。

【００２３】さらに、水処理装置６で処理された水は水
処理系循環ポンプ１３により流量調節弁２９およびブロ
ーダウン水冷却器１６の一次側を通して蒸気発生器４に
送込まれると共に、流量調節弁２３を介して高純度水処
理装置７に送込まれ、ここで処理された水を燃料電池本
体１の一次冷却水系に供給するようにしている。この場
合、高純度水処理装置７に流入する水はレベル検出器２
２により検出される気水分離器３のレベル検出値に基づ
いて調節される流量制御弁２３により制御されるように
なっている。

【００２４】なお、上記では燃料電池本体１の冷却水系
１Ｃの入口温度を検出してバイパス流量調節弁２７を調
節するようにしたが、燃料電池本体１の冷却水系の出口
温度を検出してバイパス流量調節弁２７を調節し、燃料
電池本体１の冷却水系１Ｃの出口温度が所定の温度にな
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。

【００２５】燃料電池本体１の冷却水系１Ｃにおいて、
燃料電池の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気水分離器３に導かれる。
気水分離器３内の圧力は圧力検出器２０によって検知さ
れ、その検出信号によって流量制御弁２１を調節して気
水分離器３より蒸気発生器４に流れる蒸気流量が制御さ
れる。これにより、気水分離器３の蒸気圧が所定の圧
力、例えば１５気圧に制御される。この場合、気水分離
器３の圧力（又は温度）を制御することは燃料電池本体
１の冷却水系１Ｃの冷却水の温度を制御することと等価
である。

【００２６】なお、図では燃料電池本体１の冷却水系１
Ｃの入口温度を制御する場合を示しているが、出口温度
を制御する場合には温度検出器２６の設置位置を燃料電
池冷却水系１Ｃの出口側に移し、この温度検出器２６の
検出値により流量調節弁２７を制御して調節することも
できる。

【００２７】一方、蒸気発生器４は燃料電池本体１の冷
却水系の気水分離器３の水相出口下流に設置され、熱水
から熱を受け取っている。また、この蒸気発生器４は、
気水分離器３で発生した蒸気を圧力調節弁２１を介して
導入している。気水分離器３で発生した蒸気は、発電シ
ステムの燃料として天然ガス等が使用される場合は、流
量調節弁１９を経て水蒸気改質の水蒸気源として利用さ
れるが、余剰の水蒸気は圧力調節弁２１を介して蒸気発
生器４へ送られる。気水分離器３からの熱水は蒸気発生
器４で冷却され、燃料電池冷却水として燃料電池本体１
へ送られる。このとき燃料電池本体１の冷却水系１Ｃの
入口温度を温度検出器２６によって検出し、所定の温度
になるように蒸気発生器４の一次側熱変換部４Ａへ流れ
る熱水の流量が制御される。

【００２８】この蒸気発生器４の二次側の気水分離部４
Ｂを含む二次冷却水系の圧力は、上記一次冷却系よりも
低い圧力、例えば１０気圧に設定されている。二次冷却
水系の圧力は、圧力検出器３０により検出され、例えば
図に示すように圧力調節弁３１を制御することにより、
吸収式冷凍機５側の背圧を基準に一定値に制御すること
ができる。蒸気発生器４の一次側熱変換部４Ａで気水分
離器３からの熱水を冷却することにより得られた水蒸気
は、蒸気発生器４の二次側の気水分離部４Ｂで分離さ
れ、燃料電池発電プラントの外部に設置される吸収式冷
凍機５へ導かれて、その熱源として利用される。

【００２９】吸収式冷凍機５からの戻り水は、排熱回収
熱交換器により電池および改質系排ガスから熱エネルギ
を回収し、蒸気発生器４へ戻される。また、蒸気発生器
４で分離された熱水は、ブローダウン水冷却器１６の二
次側を通して水処理装置６へ送られ、浄化される。この
浄化された水は、水処理循環ポンプ１３によりブローダ
ウン水冷却器１６で加熱されて二次冷却水系に戻される
と共に、高純度水処理装置７を通して一次冷却水系に戻
される。一次冷却系および二次冷却系の供給水量の制御
は、一次冷却系では気水分離器３の水位検出器２２の、
二次冷却系では蒸気発生器４の水位検出器２８の検出信
号がそれぞれ流量調節弁２３，２９にフィードバックさ
れ、それぞれの水位が一定となるように制御される。

【００３０】このように本実施例では、燃料電池の一次
冷却水系に存する気水分離器３の水相出口下流に蒸気発
生器４を設け、この蒸気発生器４に気水分離器３出口側
から流出する熱水を一次側熱変換部４Ａに温度検出器２
６により検出される燃料電池本体１の冷却水系１Ｃの入
口温度検出値に基づいて調節されるバイパス流量調節弁
２７を通して送込み、また気水分離器３より発生する蒸
気のうち改質器に利用される蒸気以外の余剰の蒸気を圧
力検出器２０により検出される気水分離器３の蒸気力値
に基づいて調節される圧力調節弁２１を通して供給する
ようにしたので、燃料電池本体１の冷却水系１Ｃの入口
温度を所定の温度に制御することができ、また蒸気発生
器４からは低温（低圧）の水蒸気を得ることができる。
これにより図２に示した燃料電池冷却水冷却器９を除去
することができるので、多量の高温蒸気を系外へ取出し
て吸収式冷凍機５の熱源として活用することができる。

【００３１】一方、燃料電池冷却水の二次冷却水系は高
純度の水質を必要としないため、水処理装置６は高性能
である必要がなく、装置のコンパクト化、低コスト化を
図ることが可能となる。また、燃料電池冷却水の一次冷
却水系への補給水をさらに浄化する高純度水処理装置７
は、高度の水質管理を行う必要があるが、その処理量は
少ないため、装置としてはコンパクトである。このよう
に燃料電池冷却水系を一次冷却水系と二次冷却水系とに
分離し、水処理装置を２つ設置することにより、システ
ム全体の水質管理を容易にし、システムの信頼性を高め
ることができる。

【００３２】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、水処
理装置の負担を軽くし、高品質の熱エネルギとして回収
することができるコンパクトなプラントが実現可能な燃
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一実施例
を示す構成説明図。

【図２】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……
気水分離器、４……蒸気発生器、４Ａ……一次側熱交換
部、４Ｂ……二次側気水分離部、５……吸収式冷凍機、
６……水処理装置、７……高純度水処理装置、８……排
ガス含有水蒸気凝縮器、８Ａ……排熱回収熱交換器、８
Ｂ……凝縮用交換器部、１１……空気ブロア、１２……
冷却水循環ポンプ、１３……水処理系循環ポンプ、１４
……改質器バーナ空気予熱器、１５，１６……ブローダ
ウン水冷却器、１８……流量検出器、１９，２３，２９
……流量調節弁、２０，３０……圧力検出器、２２，２
８……レベル検出器、２４，２６……温度検出器、２
５，２７……バイパス流量調節弁、３１……圧力調節
弁、３２……燃料取入れライン、３３……空気取入れラ
イン、３４……排ガス排出ライン。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 空気極に酸素が供給され燃料極に水素が
   供給される燃料電池本体と、燃料を改質して前記燃料電
   池本体の燃料極に供給する水素ガスを生成する燃料改質
   器と、前記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ための気水分離器
   と、この気水分離器で分離された冷却水を前記燃料電池
   冷却水系を通して循環させ熱エネルギを吸収する一次冷
   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に蒸気発生器を設け、この蒸
   気発生器に前記気水分離器で発生した蒸気のうち前記燃
   料改質器に供給される水蒸気を除く余剰の蒸気を供給す
   ると共に、前記気水分離器の水相出口より得られる熱水
   を一次側熱交換部としてバイパスさせ、且つ前記蒸気発
   生器より発生する蒸気を排熱利用のための蒸気として系
   外の二次冷却水系より取出すようにしたことを特徴とす
   る燃料電池発電システム。