JPH0676843A - 燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、１次冷却水系の水質を高品質に保ち
かつ電池本体冷却板を通過して流れる冷却水量を安定化
させる燃料電池発電システムを提供すること。 【構成】本発明は、燃料電池本体と、この電池本体を冷
却した冷却媒体を気相と液相とに分離させる気液分離器
と、この気液分離器で分離された冷却液を電池本体の冷
却板を通して循環させる１次冷却水系とを備えた燃料電
池発電システムにおいて、前記燃料電池本体をバイパス
する冷却ラインを前記１次冷却水系に設けるとともにこ
の冷却ラインと前記１次冷却水系の各々に独立した循環
ポンプを設けているので、電池本体の運転範囲を最適な
らしめるように、１次冷却水によりその運転温度を適切
に制御するとともに、気水分離器で発生する蒸気量を適
切な量に制御することが可能となり、これにより１次冷
却水系の水質を高品位に保つことが容易になった。しか
も気水分離器で発生していた余剰蒸気を附加的な装置が
無くても処理できるので、発電システムのスペースが少
くてすむ。

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の両方を供
給する燃料電池発電システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池発電システムは高効率の発電方
式であると共に、熱利用としても優れたポテンシャルを
有していることは、よく知られている。最近では、環境
問題に対応し、燃料電池発電システムの有効性を更に発
揮するために、電力および熱を供給するシステムいわゆ
るコジェネレーションシステムとしての有用性が強く求
められてきている。

【０００３】しかしながら、従来の燃料電池発電システ
ムは、排熱を効果的に回収し、高品質の熱エネルギーを
供給するという点では、必ずしも満足できるものではな
かった。ここでいう高品質の熱エネルギーとは、１６０
℃以上の蒸気で二重効用型の吸収式冷凍機を作動できる
ような熱をいう。

【０００４】ところで、従来の燃料電池発電システムに
おいて、高温蒸気を取り出す例はあまり見られなかっ
た。図５は電池冷却水系から高温蒸気を直接取り出す熱
回収方式の一例を示しているが、この図において、燃料
電池本体１は、燃料極１Ａおよび空気極１Ｂを有し、か
つ発電時の発熱を吸収する電池冷却板１Ｃを備えてい
る。電池冷却板１Ｃを通って流れる冷却水は、電池本体
１の発電に伴う発熱により加熱されて２相流となり、気
水分離器２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２で分離された水は１次冷却水系の冷却
水循環ポンプ３により、電池入口温度まで冷却する冷却
器４を通して電池本体１の電池冷却板１Ｃに送られる。
冷却器４の冷却には、その２次側４Ａに適当な低温流体
を使用すればよい。この冷却器の２次側４Ａの低温冷却
媒体が持ち去る熱は、一般に低品質の熱エネルギーとし
て回収される。

【０００５】一方、気水分離器２で分離された水蒸気
は、制御弁５を介して図示していない燃料改質系に送ら
れ、主原燃料の改質等に用いられる。また、余剰の水蒸
気は制御弁６を通して２次冷却水系に設置された吸収式
冷凍機７に供給される。吸収式冷凍機７を駆動した後で
は水蒸気は凝縮水となり、供給ポンプ８により冷却水循
環ポンプ３の入口に送られる。

【０００６】上述した燃料発電システムは、高温排熱を
１次冷却水系から直接に蒸気として利用する直接取出法
の例である。このような直接取出法では、１次系から清
浄な水が２次系へ送られ、２次系から比較的に水質の悪
い水が１次系に戻される。このため１次系の水質が著し
く低下して運転に支障を来す恐れがあった。水質を高品
位に保つためには水処理装置の能力アップが必要である
が、これはコスト高になるので、１次系と２次系とを完
全に分離した完全間接法による高温排熱取出法を用いた
燃料電池発電システムの開発が望まれていた。

【０００７】そこで、図６に示す如き電池本体をバイパ
スする冷却ラインを設けた完全間接法による燃料電池発
電システムが提案されている。なお、図５の燃料電池発
電システムと同一部分には同一符号を付して説明する。

【０００８】この図において、燃料電池本体１は、燃料
極１Ａおよび空気極１Ｂを有し、かつ発電時の発熱を吸
収する電池冷却板１Ｃを備えている。電池冷却板１Ｃを
通して流れる冷却水は電池本体１の発電に伴う発熱によ
り加熱されて２相流となり、ライン１１を経て気水分離
器２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２で分離された水は熱交換器３１を通って１次
冷却水系の冷却水循環ポンプ３により、ライン１０及び
制御弁１３を経て電池本体１の電池冷却板１Ｃと、電池
本体１をバイパスするライン２０及び制御弁２３を経て
気水分離器２に送られる。

【０００９】熱交換器３１の２次側には制御弁３３、吸
収式冷凍機７及び冷却水循環ポンプ３２からなる２次冷
却水系３０が設けられている。この熱交換器３１で生じ
た水蒸気は制御弁３３を通して２次冷却水系に設置され
た吸収式冷凍機７に供給される。吸収式冷凍機７を駆動
した後では、水蒸気は凝縮水となり、冷却水循環ポンプ
３２により熱交換器３１に送られる。

【００１０】一方、気水分離器２で分離された水蒸気は
制御弁５を介して図示していない燃料改質系に送られ、
主原燃料の改質等に用いられる。また、気水分離器２に
設けられた温度または圧力検出器１５、制御弁１３の入
口側に設けた流量検出器１４、熱交換器３１に設けられ
た温度または圧力検出器３４で検出された各信号及びプ
ラント特性信号４１は、制御装置４０に入力され、この
制御装置４０により各ラインに設けられた制御弁５，１
３，２３，３３が制御されるように構成されている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】図６に示す流量制御系
において、冷却水循環ポンプ３はポンプ特有のＱ−Ｈカ
ーブを有しており、電池本体１を通過して流れる流量
と、電池本体１をバイパスして流れるバイパスライン２
０の流量の流量配分は、各々の流路の圧力損失が同一と
なるように決定され、この圧力損失に対応して合計流量
がポンプのＱ−Ｈカーブから決定される。したがって、
電池本体１の排熱が増加し、電池本体の冷却板１Ｃおよ
び電池出口から気水分離器２までの配管内の２相流比が
増加してこのラインの圧力損失が増加すると、電池本体
１を流れる流量が減少し、更にこのラインの二相流比が
増加し、流量が減少する傾向となるため、制御弁１３及
び２３には時定数の短かい高速で動作する制御弁が必要
である。また、電池本体１を流れる流量と、バイパスラ
イン２０を流れる流量とは互いに関連性を有しているた
め、高度な演算機能をもつ制御装置４０により２つの制
御弁１３，２３を制御する必要があり、単純な制御系で
は、電池本体の冷却板１Ｃを通過して流れる電池冷却水
量が変動し、不安定となる傾向があった。

【００１２】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的は１次冷却水系の水質を高品質に保ちかつ
電池本体冷却板を通過して流れる冷却水量を安定化させ
る燃料電池発電システムを提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は燃料極と空気極と電解質とで単位セルを構
成し、これを多数積層し、冷却媒体を循環させて単位セ
ルから発生する熱を吸収する冷却板を前記積層間に配し
てなる電池本体と、この電池本体を冷却した冷却媒体を
気相と液相とに分離させる気液分離器と、この気液分離
器で分離された冷却液を前記冷却板を通して循環させる
１次冷却水系とを備えた燃料電池発電システムにおい
て、前記電池本体をバイパスする冷却ラインを前記１次
冷却水系に設けるとともにこの冷却ラインと前記１次冷
却水系の各々に独立した循環ポンプを設けたことを特徴
とする。

【００１４】

【作用】本発明の燃料電池発電システムによると、電池
本体の運転範囲を最適ならしめるように、１次冷却水に
よりその運転温度を適切に制御するとともに、気水分離
器で発生する蒸気量を適切な量に制御することが可能と
なり、これにより１次冷却水系の水質を高品位に保つこ
とが容易になった。したがって、気水分離器で発生して
いた余剰蒸気を附加的な装置が無くても処理できるの
で、発電システムのスペースが少くて済む。

【００１５】

【実施例】本発明の実施例を図を参照して説明する。

【００１６】図１は本発明の第１実施例の構成図であ
る。本実施例が既に説明した図６の燃料電池発電システ
ムと相違する点は、燃料電池本体冷却板１Ｃを通過する
１次冷却水ライン１０，１１と、燃料電池本体１Ｃをバ
イパスするバイパスライン２０とにそれぞれ専用の冷却
水循環ポンプ３，４２を設けた構成のみであり、その他
の構成は同一であるので、同一部分には同一符号を付し
てその説明は省略する。

【００１７】本実施例においては、電池本体の冷却板１
Ｃを通過して循環する循環ライン専用の循環ポンプ３を
設置することにより、この循環ラインの流量は専用循環
ポンプ３のＱ−Ｈカーブと電池本体および制御弁１３の
圧力損失のみで決定し、バイパスライン２０を流れる流
量や圧力損失の影響がなくなるため、電池本体の冷却板
１Ｃを通過して流れる流量を安定化することができる。

【００１８】図２は本発明の第２実施例の構成図であ
る。本実施例が上記第１実施例と相違する点は、燃料電
池本体の冷却板１Ｃを通過するライン中には熱交換器３
１を設けず、燃料電池本体１をバイパスするライン２０
に熱交換器３１を設け、この熱交換器３１から改質器用
蒸気を取り出している点のみであり、その他の構成は同
一であるので、同一部分には同一符号を付してその説明
は省略する。

【００１９】本実施例においては、燃料電池本体１へ流
入する冷却水の入口温度と出口温度はほぼ等しくなり、
燃料電池本体１の排熱は電池冷却水が二相流化すること
により除去される。一方、電池本体１をバイパスするラ
イン２０には熱交換器３１が設置され、気水分離器２の
温度圧力は燃料電池本体出口の二相流比の大きな冷却水
とバイパスライン２０の冷却された冷却水との熱平衡に
より決定される。したがって、電池本体へ流入する冷却
水の入口温度と出口温度はぼ同一であり、燃料電池全体
をほぼ均一に冷却できる。また、燃料電池本体へ供給さ
れる冷却水は大きな熱容量をもつ気水分離器２から直接
供給されるため、冷却水入口温度の変化はゆるやかであ
り、燃料電池本体に与える繰り返し熱応力の影響を低減
できる。さらに燃料電池本体を通過する１次冷却水ライ
ン１０，１１と燃料電池本体をバイパスするライン２０
とは各々独立した循環ポンプ３，４２により動作してお
り、第１実施例と同様に電池本体の冷却板１Ｃを通過し
て流れる流量を安定化することができる。図３は本発明
の第３実施例の構成図である。

【００２０】本実施例が上記第２実施例と相違する点
は、気水分離器２と熱交換器３１とを複合一体化し、そ
れに伴ってバイパスライン２０の構成を改善した点のみ
であり、その他の構成は同一であるので、同一部分には
同一符号を付してその説明は省略する。

【００２１】本実施例では気水分離器２と熱交換器３１
とを複合一体化しており、それに伴ってバイパスライン
２０は熱交換器３１から循環ポンプ４２，制御弁２３を
経て気水分離器２の中の伝熱管を通って再び熱交換器３
１に戻る径路となっている。また、制御装置４０へは燃
料電池本体の流入冷却水の流量検出器１４、気水分離器
２の温度または圧力検出器１５，熱交換器３１の温度ま
たは圧力検出器３４及びプラント特性信号４１からの信
号が入力され、これらの信号に基づいて制御弁５，１３
を制御してその流量が制御される。

【００２２】本実施例では気水分離器２内に配設された
伝熱管により直接気水分離器２を冷却し、気水分離器内
に流れ込んだ２相流を単独流に戻している。また、気水
分離器２と熱交換器３１とを複合一体化しているので、
システムが全体としてコンパクト化され、しかも放熱量
も少なくすることができる。図４は本発明の第４実施例
の構成図である。

【００２３】本実施例が上記第２実施例と相違する点
は、燃料電池本体の冷却板１Ｃを通る冷却水ループの制
御弁に代えて固定オリフィス４４を採用している点と電
池本体をバイパスするバイパスライン２０の構成と制御
装置４０の構成であり、その他の構成は同一であるの
で、同一部分には同一符号を付してその説明は省略す
る。

【００２４】図に示すように、バイパスライン２０は、
気水分離器２から循環ポンプ４２、高温側熱交換器３１
と三方弁２４、低温側熱交換器２６と三方弁２５を経て
気水分離器２に至るラインで構成されている。また、電
池本体の冷却盤１Ｃを流れる冷却水の流量は制御弁に代
えて固定オリフィス４４を使用しており、さらにバイパ
スライン２０の循環ポンプ４２の流量制御は制御弁では
なく、ポンプモーターをインバーター４３にて制御して
いる。

【００２５】また制御装置４０は制御装置４０ａ，４０
ｂを統括している。すなわち、気水分離器２の温度また
は圧力検出信号とプラント特性信号を入力して制御装置
４０ａ，４０ｂを制御すると共に制御弁５およびインバ
ータ４３を制御している。制御装置４０ａは制御装置４
０からの指令と熱交換器３１の温度または圧力検出信号
により三方弁２４を調整し、制御装置４０ｂは制御装置
４０からの指令と検出器４５の低温側熱交換器２６の出
口温度検出信号により三方弁２５を調整している。

【００２６】本実施例では、燃料電池本体および燃料電
池出口から気水分離器２までの圧力損失は燃料電池の出
力により変化するが、その圧力損失の変化量よりも十分
大きな圧力損失をもつ固定オリフィス４４を用いれば、
電池冷却水流量はほぼ一定の安定値に保つことができ
る。また、吸収式冷凍機７の負荷により、高温側熱交換
器３１の圧力，温度は変動を受けるが、この圧力，温度
は検出器３４により検出され、制御装置４０ａを介して
三方弁２４を調整する。低温側熱交換器２６の出口温度
は検出器４５により検出し、制御装置４０ｂにより三方
弁２５を調整し低温排熱熱交換の負荷調整を行ってい
る。

【００２７】なお、制御弁に代えて固定オリフィス４４
を使用しても、また制御弁に代えてインバーター４３で
ポンプ４２の回転数を変え流量制御をしても第２実施例
と同一な作用を有する。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
燃料電池本体の運転範囲を最適ならしめるように、１次
冷却水によりその運転温度を適切に制御するとともに、
気水分離器で発生する蒸気量を適切な量に制御すること
が可能となった。したがって、１次冷却水系の水質を高
品位に保つことが容易になったので、気水分離器で発生
していた余剰蒸気を附加的な装置が無くても処理できる
ようになり、発電システム本体のスペースが少くてすむ
という効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の構成図。

【図２】本発明の第２実施例の構成図。

【図３】本発明の第３実施例の構成図。

【図４】本発明の第４実施例の構成図。

【図５】従来の燃料電池発電システムの構成図。

【図６】従来の他の燃料電池発電システムの構成図。

【符号の説明】

１…電池本体、１Ａ…燃料極、１Ｂ…空気極、１Ｃ…冷
却板、２…気水分離器、３…冷却水循環ポンプ、１３…
制御弁、１４…流量検出器、１５…温度または圧力検出
器、２０…冷却水電池バイパスライン、２３…制御弁、
２４，２５…三方弁、２６…熱交換器、３０…２次冷却
水系、３１…熱交換器、３２…循環ポンプ、３３…制御
弁、３４…温度または圧力検出器、４０，４０ａ，４０
ｂ…制御装置、４１…プラント特性信号、４２…冷却水
循環ポンプ、４３…インバータ、４４…オリフィス。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料極と空気極と電解質とで単位セルを
   構成し、これを多数積層し、冷却媒体を循環させて単位
   セルから発生する熱を吸収する冷却板を前記積層間に配
   してなる電池本体と、この電池本体を冷却した冷却媒体
   を気相と液相とに分離させる気液分離器と、この気液分
   離器で分離された冷却液を前記冷却板を通して循環させ
   る１次冷却水系とを備えた燃料電池発電システムにおい
   て、前記電池本体をバイパスする冷却ラインを前記１次
   冷却水系に設けるとともにこの冷却ラインと前記１次冷
   却水系の各々に独立した循環ポンプを設けたことを特徴
   とする燃料電池発電システム。