JPH0817455A - 燃料電池発電装置の排熱回収装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】圧力変動が微小で、燃料改質器へ安定して水蒸
気が供給できる水蒸気分離器となる排熱回収装置とす
る。また低消費電力で回収効率の高い補給水回収器とな
る排熱回収装置とする。 【構成】蒸気流量を調整する圧力調整弁５１と、蒸気を
外部の冷却系に連結した熱媒循環回路２５と熱交換され
る蒸気凝縮器５２と、凝縮水タンク５３と、凝縮水タン
ク５３の貯液を水蒸気分離器２１へ送る給水ポンプ５４
とを配管を介して直列に連結して排熱回収装置を構成
し、水蒸気分離器２１に連結して蒸気凝縮水の循環回路
を形成する。また、補給水回収器４１の排熱回収装置の
構成を、回収水を冷却水回路４５により外部に設置の冷
却装置に送って熱回収し、再びノズル４４を通して補給
水回収器４１に戻し、反応排出空気と燃焼排ガスを冷却
する構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、燃料電池発電装置の
発電時の反応熱および燃焼排ガスの熱を回収するための
燃料電池発電装置の排熱回収装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】リン酸型燃料電池は、電解液にリン酸を
用い、メタンガス等の原燃料を水蒸気改質して得られた
燃料ガス中の水素と空気中の酸素とを、それぞれ燃料極
と空気極とに供給し、電気化学反応により発電を行うも
ので、リン酸型燃料電池を組み込んだ燃料電池発電装置
では、発電時に発生する熱を冷却水を供給して除去し、
燃料電池本体の運転温度を一定に維持するとともに、発
生熱を回収して有効活用している。

【０００３】また、原燃料を燃料ガスへ改質するに際し
ては、原燃料に水蒸気を加え燃料改質装置で触媒により
改質を促進する方法が採られているが、改質を定常的に
行うには所要の水蒸気量を定常的に補給する必要があ
り、水蒸気の供給装置には、これに対応した水を常時補
給する必要がある。使用する水は、高純度の水であるこ
とが必要があり、イオン交換式の水処理装置で不純物を
除去したイオン交換水が用いられるのが通例である。一
方、燃料電池の電気化学反応では発電生成水が生じ、ま
た燃料改質器では後述のように加熱用の燃焼に伴い燃焼
生成水が生じるが、これらの生成水は通常の水道水に比
べて不純物が少なく、これらの生成水を燃料改質器への
原水として用いればイオン交換式の水処理装置の負荷を
軽減することができるので、補給水回収装置を付加し
て、これらの生成水を回収する方法が採られている。

【０００４】図３は、従来のこの種の燃料電池発電装置
のガス系、冷却水系の基本的な系統図である。本図で
は、燃料電池本体１は模式的に示されており、図示しな
いリン酸電解質層を燃料極２と空気極３とで挟持して単
位セルを構成し、この単位セルを複数個重ねる毎に冷却
管を有する冷却板４を配設することにより構成されてい
る。

【０００５】メタンガス等の原燃料は、燃料供給回路８
から供給され、後述する水蒸気分離器２１から水蒸気供
給回路１０を通して送られた高圧の水蒸気とエゼクタポ
ンプ９によって混合され、燃料改質器７へと送られる。
燃料改質器７では、改質触媒下において、燃料極２から
排出されオフガス供給回路１２を通して送られたオフガ
スと燃焼空気供給回路１６から供給された空気との燃焼
により加熱されて、水素に富んだガスに改質されたの
ち、改質ガス供給回路１１を通して燃料電池本体１の燃
料極２へと供給され、電気化学反応を起こす。

【０００６】一方、反応空気は、反応空気供給回路１４
より供給され燃料電池本体１の空気極３へと送られて電
気化学反応を起こす。燃料電池本体１で電気化学反応を
生じたのち排出されるガスのうち、燃料極２より排出さ
れるオフガスは電気化学反応に寄与しなかった水素を含
んでおり、既に述べたように燃料改質器７へと送られて
燃焼、加熱に使用される。燃焼後の水分を含んだ排出ガ
スは、燃焼排ガス回路１８を通して補給水回収器４１へ
と送られ、燃焼生成水が回収される。一方、空気極３よ
り排出される空気には電気化学反応で生じた水分が含ま
れており、反応空気排出回路１５を通して、上記の燃焼
排ガスと同様に補給水回収器４１へと送られ、発電生成
水が回収される。

【０００７】燃料電池本体１の冷却板４に設けられた冷
却管には、水蒸気分離器２１からの冷却水が冷却水循環
ポンプ２２により冷却水循環回路２０を通して送られ
る。発電による生成熱を冷却し、その熱を得て高温とな
った蒸気と水の二相流からなる排出水は、熱回収用熱交
換器２３に送られたのち、水蒸気分離器２１へ戻され、
水蒸気と冷却水とに分離される。分離された水蒸気は、
水蒸気供給回路１０を通して燃料改質に供され、冷却水
は再び燃料電池本体１の冷却板４に設けられた冷却管へ
と送られる。燃料改質に供された水蒸気に対応して減少
した冷却水はイオン交換式の水処理装置４７を通して送
られる補給水により補償される。

【０００８】熱回収用熱交換器２３は、高温の排出水に
蓄えられた熱を回収するためのもので、熱媒循環回路２
５で供給される熱媒を高温の排出水と熱交換させて昇温
し、排出水を冷却するとともに、外部へと熱を回収し有
効活用するものである。なお、熱回収用熱交換器２３に
はバイパス配管２６と三方調整弁２７が設けられてお
り、三方調整弁２７の操作によりバイパス配管２６と熱
回収用熱交換器２３の流量を調整して、圧力計２８で知
られる水蒸気分離器２１の圧力を一定に制御し、水蒸気
分離器２１から燃料改質器７へと送られる水蒸気量の変
動を抑制している。

【０００９】反応空気排出回路１５を通して空気極３よ
り排出される空気と、燃焼排ガス回路１８からの燃焼後
の水分を含んだ排出ガスとを供給された補給水回収器４
１においては、これらのガスを、底部に貯留された回収
水と直接接触させて冷却し、回収水循環ポンプ４２、回
収水冷却器４３、ノズル４４によって循環して、それぞ
れの生成水を回収している。生成水回収後の排ガスは、
ガス排気回路１９を通して外部へと排出される。

【００１０】回収水冷却器４３には、冷却水回路４５が
組み込まれており、回収水を冷却するとともに熱を外部
に取り出し有効活用している。一方、補給水回収器４１
の底部に貯留された回収水は、必要に応じて、補給水ポ
ンプ４６によりイオン交換式の水処理装置４７を介して
水蒸気分離器２１へと供給され、すでに述べたように燃
料改質に供された水蒸気に対応して減少した冷却水の補
給水として用いられる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来の
燃料電池発電装置では、燃料電池本体１の冷却板４の冷
却管から排出される二相流の排出水を水蒸気分離器２１
で水蒸気と冷却水に分離し、分離した水蒸気を水蒸気供
給回路１０を介してエゼクタポンプへ送り原燃料と混合
して燃料改質に供しているが、水蒸気分離器２１の圧力
が変動するとエゼクタポンプへ供給される水蒸気量が変
動するので、水蒸気と原燃料の混合割合が変動したり、
あるいは燃料ガスの圧力が変動したりするので、燃料極
２へ送られる改質ガスの組成、圧力にも影響を及ぼし、
ひいては燃料電池の運転条件が変動することにより燃料
電池の寿命短縮につながることとなる。したがって、水
蒸気分離器２１の圧力をできるだけ一定に保つことが必
要である。

【００１２】従来の燃料電池発電装置では、前述のよう
に、熱回収用熱交換器２３にバイパス配管２６を設け、
三方調整弁２７により熱回収用熱交換器２３へ流れる流
量を調整して水蒸気分離器２１の圧力を一定に保持する
方策が採られている。すなわち、水蒸気分離器２１の圧
力が設定値より高くなった場合には、バイパス配管２６
を流れる流量を減少させ熱回収用熱交換器２３に流れる
流量を増加させて、水蒸気分離器２１へ戻る冷却水中の
水蒸気の割合を少なくして圧力を下げ、反対に圧力が設
定値より低くなった場合には、バイパス配管２６を流れ
る流量を増加させ熱回収用熱交換器２３に流れる流量を
減少させて、水蒸気分離器２１へ戻る冷却水中の水蒸気
の割合を多くして圧力を上げる制御が行われている。

【００１３】この方法により、水蒸気分離器２１の圧力
変動を一定範囲に抑制することができるが、本方式では
戻りの冷却水中の蒸気量の増減で圧力制御を行う方式で
あるので、三方調整弁２７の動きに対する水蒸気分離器
２１の圧力変化の応答性が遅く、水蒸気分離器２１の圧
力変動を±0.05〔kg/cm³〕以下に抑えることが困難であ
るという難点がある。

【００１４】また上述のように、従来の燃料電池発電装
置では、発電生成水を含む反応排出空気と燃焼生成水を
含む燃焼排ガスを貯留された回収水に直接接触させて冷
却する、直接接触式の補給水回収器４１が用いられてい
る。この方式の補給水回収器は、反応排出空気と燃焼排
ガスを熱交換器を介して間接的に冷却する間接熱交換式
の補給水回収器に比較して、回収器そのものが安価であ
り、燃焼排ガス中の溶融炭酸ガスを効率的に除去できる
等の利点を持っているが、一方、本方式においては、回
収水循環ポンプ４２の所要動力が余分に必要となるこ
と、また排熱を回収する冷却水回路４５の温度と補給水
回収器４１の底部に貯留された回収水の温度との差が大
きくなることによって、回収水量が低下し、さらに補給
水の高温化に伴って水処理装置４７のイオン交換樹脂の
寿命が低下する難点があった。

【００１５】本発明は、上記の如き問題点を考慮してな
されたもので、その目的は、 (1) 燃料電池発電装置の水蒸気分離器に連結する排熱回
収装置として、水蒸気分離器の圧力制御の応答性が速
く、圧力変動を±0.05〔kg/cm³〕以下の微小な範囲に抑
制できる排熱回収装置を提供する。 (2) また、燃料電池発電装置の補給水回収器に連結する
排熱回収装置として、補給水回収器を、安価で、燃焼排
ガス中の溶融炭酸ガスを効率的に除去でき、かつ、回収
水の温度を低く抑えて回収効率の高いものとする排熱回
収装置を提供する。

【００１６】ことにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記の問題点を解決する
ために、本発明においては、 (1) 燃料電池本体へ冷却水を又燃料改質器へ水蒸気を供
給し、加熱排出される二相流の冷却排出水を導入して水
蒸気と水とに分離する水蒸気分離器に、圧力調整弁と、
外部の冷却回路に連結した熱媒循環回路と熱交換させる
蒸気凝縮器と、この蒸気凝縮器に一体化接続あるいは配
管のみにて接続され、略大気圧に保持された凝縮水タン
クと、凝縮水タンクの貯液を水蒸気分離器に送る給水ポ
ンプとを配管を介して直列に接続して構成される排熱回
収装置を連結し、水蒸気分離器との間に蒸気凝縮水の循
環回路を形成するものとする。

【００１８】(2) また、燃料電池本体から排出される反
応排出空気と燃料改質器から排出される燃焼排ガスを、
補給水回収器に直接導き、底部の回収水と直接接触させ
て水分を回収するとともに、この回収水を燃料電池発電
装置の外部の冷却装置の熱交換器との間を循環させて熱
回収を行う排熱回収装置を設けるものとする。

【００１９】

【作用】上記のように、 (1) 圧力調整弁と、外部の冷却装置に連結した熱媒循環
装置と熱交換させる蒸気凝縮器と、この蒸気凝縮器に一
体化接続あるいは配管のみにて接続され略大気圧に保持
された凝縮水タンクと、凝縮水タンクの貯液を水蒸気分
離器に送る給水ポンプとを配管を介して直列に接続して
構成される排熱回収装置を、水蒸気分離器に連結し蒸気
凝縮水の循環回路を形成することとすれば、水蒸気分離
器の圧力が設定値より高くなった場合には、圧力調整用
のバルブの開度を上げれば水蒸気分離器から蒸気凝縮器
への蒸気流量が増加して、水蒸気分離器の圧力は直ちに
下がり、反対に、水蒸気分離器の圧力が設定値より低く
なった場合には、前記バルブの開度を下げれば水蒸気分
離器から蒸気凝縮器への蒸気流量が減少して、水蒸気分
離器の圧力は直ちに上がるので、従来の制御方法に比べ
て応答の速い圧力調整が可能となり、圧力変動を±0.05
〔kg/cm³〕以下の微小な範囲に抑制することが容易とな
る。

【００２０】なお、蒸気凝縮器で外部の熱媒循環回路へ
と回収される熱量は、蒸気流量の増大とともに増加す
る。したがって、熱媒循環回路の流量を一定に保持すれ
ば、熱媒の蒸気凝縮器熱交換器の入口および出口での温
度の差は蒸気流量の増大とともに増加する。 (2) また、燃料電池本体から排出される反応排出空気と
燃料改質器から排出される燃焼排ガスを、補給水回収器
に直接導き、底部の回収水と直接接触させて水分を回収
するとともに、この回収水を燃料電池発電装置の外部の
冷却装置の熱交換器との間を循環させて熱回収を行う排
熱回収装置を設けるものとすれば、回収水は外部の冷却
装置で冷却された低温の冷却水で直接冷却されるので、
従来の回収水冷却器を介して冷却する場合に比べて低い
温度に保持することができ、回収効率が向上する。ま
た、冷却水を外部の冷却装置の熱交換器との間を循環さ
せることとしたので、回収水冷却器を用いた場合のよう
な回収水循環ポンプを設置する必要がなく、低消費電力
で安価な補給水回収器とすることができる。

【００２１】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面に基づいて説
明する。図１は、この発明の第１の実施例の排熱回収装
置を組み込んだ燃料電池発電装置のガス系、冷却水系の
基本的な系統図である。図３の従来例と同一の機能をも
つ構成部品については同一の符号を付して説明を省略す
る。

【００２２】本実施例の従来例との相違点は、 (1) 燃料電池本体１を冷却する冷却水循環回路２０の戻
り配管が水蒸気分離器２１の蒸気空間に連結されてお
り、かつ、従来の熱回収用熱交換器２３および三方調整
弁２７で構成された系の代わりに、水蒸気分離器２１の
圧力を調整する目的で蒸気流量を調整する圧力調整弁５
１と、外部の冷却装置に連結した熱媒循環装置２５と熱
交換をさせる蒸気凝縮器５２と、この蒸気凝縮器５２に
配管のみにて接続された凝縮水タンク５３と、凝縮水タ
ンク５３の貯液を水蒸気分離器２１に送る給水ポンプ５
４とを配管を介して直列に接続して構成される排熱回収
装置が連結され、水蒸気分離器２１との間に蒸気凝縮水
の循環回路を形成している。なお、凝縮水タンク５３は
補給水回収器４１と接続されており略大気圧に保持され
ている。

【００２３】(2) また、燃料電池本体１から排出される
反応排出空気と燃料改質器７から排出される燃焼排ガス
を直接導き、底部の回収水と直接接触させて水分を回収
する補給水回収装置４１において、この回収水を、冷却
水回路４５により燃料電池発電装置の外部の冷却装置と
の間を循環させて熱回収する方式の排熱回収装置を設け
ている。

【００２４】ことにある。(1) の構成にしたことによっ
て、水蒸気分離器２１の圧力が設定値よりずれを生じた
場合、圧力調整弁５１の開度調整により水蒸気分離器２
１から蒸気凝縮器５２への蒸気流量を変えて、水蒸気分
離器２１の圧力を直ちに設定値に戻すことが可能であ
り、従来の制御方法に比べて応答の速い圧力調整が可能
となる。したがって、水蒸気分離器２１の圧力を精度よ
く制御できるので、燃料改質器７へ水蒸気量を安定して
供給でき、安定した燃料電池発電装置の運転ができる。
また、(2) の構成にしたことによって、回収水を低い温
度に保持することができ、回収効率が向上する。また、
回収水循環ポンプを設置する必要がなく、低消費電力で
安価な補給水回収装置とすることができる。

【００２５】図２は、この発明の第２の実施例の排熱回
収装置を組み込んだ燃料電池発電装置のガス系、冷却水
系の基本的な系統図である。第１の実施例との差は、水
蒸気分離器２１に設置した排熱回収装置の蒸気凝縮器５
２と凝縮水タンク５３を一体化したことにあり、その機
能は第１の実施例と同一である。図４は、図２に示した
この発明の第２の実施例における蒸気分離器２１に設け
た排熱回収装置の熱媒循環回路２５と、補給水回収器４
１に設けた排熱回収装置の冷却水回路４５の具体的な構
成例を示したものである。

【００２６】熱媒循環回路２５においては、例えば８５
℃の高温水を送り、蒸気凝縮器５２での熱交換により加
熱されて例えば９０℃に昇温した高温水を、クーリング
タワー６３を循環する冷却水ならびにファンコイルユニ
ット６２を循環する冷温水と組み合わされた蒸気焚冷温
水器６１により冷却し、所定の温度として再び蒸気凝縮
器５２へと循環させている。また、冷却水回路４５にお
いては、例えば５０℃となった回収水を、クーリングタ
ワー６６を循環する冷却水と熱交換器６５で熱交換させ
て例えば４０℃に冷却し、ノズル４４より補給水回収器
４１に導き、反応排出空気と燃焼排ガスに直接接触させ
て水分を回収している。なお、熱交換器６５で熱交換さ
れた回収水の一部は、必要に応じて、調節弁６７で流量
調整して熱交換器６４に送られ、熱媒循環回路２５の冷
却に使用される。このように二つの排熱回収装置を連結
して効果的に使用するためには、熱媒循環回路２５に供
給される高温水の温度が補給水回収器４１の冷却水回路
４５の供給水の温度より高いことが必要であり、供給さ
れる高温水の温度を６０℃以上として用いれば、より効
果的である。

【００２７】なお、図５は補給水回収器４１に設けた排
熱回収装置を従来方式とした場合の系統を示したもので
ある。この方式においても水蒸気分離器の圧力の応答の
速い制御ができ、有効な排熱回収が可能であるが、この
方式に比べて、前述の方式では、さらに回収水冷却器４
３と回収水循環ポンプ４２が不要となり、設備的にも、
消費電力的にも、また回収水の低温化の点からみても有
利である。

【００２８】

【発明の効果】この発明によれば、燃料電池発電装置に
用いられる排熱回収装置において、 (1) 水蒸気分離器に連結し、蒸気凝縮水の循環回路を形
成する排熱回収装置を、水蒸気分離器の内部圧力を調整
する圧力調整弁と、蒸気を外部の冷却装置に連結した熱
媒循環回路と熱交換させる蒸気凝縮器と、この蒸気凝縮
器に一体化接続あるいは配管のみにて接続され、略大気
圧に保持された凝縮水タンクと、凝縮水タンクの貯液を
水蒸気分離器に送る給水ポンプとを、配管を介して直列
に接続して構成することとしたので、水蒸気分離器の圧
力の応答の速い制御が可能となり、水蒸気分離器の圧力
を精度よく一定に保持することができるので、燃料改質
器への水蒸気量が安定して制御でき、燃料電池本体へ送
られる燃料改質ガスの圧力、流量が安定化され、燃料電
池発電装置を安定して運転することができる。

【００２９】なお、さらに本構成においては、水蒸気分
離器の蒸気および水を閉回路中に循環させながら外部に
熱を回収する方式としているので、蒸気および水の品質
が外部の設備に影響されることなく安定に保つことがで
きる。 (2) 空気極からの反応排出空気と燃料改質器からの燃焼
排ガスを導入してこれらの水分を回収する補給水回収器
に用いる排熱回収装置を、この回収水を燃料電池発電装
置の外部に設置の冷却装置に供給して熱回収し、冷却し
て再び補給水回収装置に戻し、前記の反応排出空気と燃
焼排ガスに直接接触させてこれらを冷却する構成とした
ので、補給水回収器が安価に構成でき燃焼排ガス中の溶
融炭酸ガスが効率的に除去できるのみならず、回収水の
循環ポンプが不要となるので消費電力を小さくすること
ができ、かつ、回収水が外部の冷却装置で直接冷却され
るので、回収水温度を低い温度に設定することが可能で
あり回収効率を上げることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施例の排熱回収装置を組み
込んだ燃料電池発電装置のガス系、冷却水系の基本的な
系統図

【図２】この発明の第２の実施例の排熱回収装置を組み
込んだ燃料電池発電装置のガス系、冷却水系の基本的な
系統図

【図３】従来のこの種の燃料電池発電装置のガス系、冷
却水系の基本的な系統図

【図４】この発明の第２の実施例における蒸気分離器に
設けた排熱回収装置の熱媒循環系と、補給水回収器に設
けた排熱回収装置の冷却水系の具体的な構成図

【図５】蒸気分離器に設けたこの発明の第２の実施例に
おける排熱回収装置の熱媒循環系と、補給水回収器に設
けた従来の排熱回収装置の冷却水系の具体的な構成図

【符号の説明】

１ 燃料電池本体 ４ 冷却板 ７ 燃料改質器 ８ 燃料供給回路 ９ エゼクタポンプ １０ 水蒸気供給回路 １４ 反応空気供給回路 １５ 反応空気排出回路 １６ 燃焼空気供給回路 １８ 燃焼ガス排出回路 １９ ガス排気回路 ２０ 冷却水循環回路 ２１ 水蒸気分離器 ２５ 熱媒循環回路 ４１ 補給水回収器 ４４ ノズル ４５ 冷却水回路 ４６ 補給水ポンプ ４７ 水処理装置 ５１ 圧力調整弁 ５２ 蒸気凝縮器 ５３ 凝縮水タンク ５４ 給水ポンプ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料電池本体へ冷却水を又燃料改質器へ水
   蒸気を供給し、燃料電池本体で加熱排出された二相流の
   冷却排出水を導入して蒸気と水とに分離する水蒸気分離
   器に連結され、蒸気凝縮水の循環回路を形成する排熱回
   収装置において、水蒸気分離器の内部圧力を調整する圧
   力調整弁と、蒸気を外部の冷却装置に連結した熱媒循環
   回路と熱交換させる蒸気凝縮器と、この蒸気凝縮器に一
   体化接続あるいは配管のみにて接続され、略大気圧に保
   持された凝縮水タンクと、凝縮水タンクの貯液を水蒸気
   分離器に送る給水ポンプとを、配管を介して直列に接続
   して構成したことを特徴とする燃料電池発電装置の排熱
   回収装置。
2. 【請求項２】燃料電池本体の空気極から排出される反応
   排出空気と、さらには燃料改質器から排出される燃焼排
   ガスを導入し、冷却してこれらに含まれる水分を回収水
   として回収する燃料電池発電装置の補給水回収器に用い
   る排熱回収装置において、前記回収水を、前記補給水回
   収器と燃料電池発電装置の外部に設置の冷却装置で冷却
   される熱交換器との間を循環させて熱回収することを特
   徴とする燃料電池発電装置の排熱回収装置。