JPH09306529A - 燃料電池発電設備 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 設備内の排熱を温度レベルに見合った用途に
使用し、熱エネルギーの損失を抑えて排熱の利用効率を
高めた燃料電池発電設備を提供する。 【解決手段】 水冷式の燃料電池４と、燃料電池４に冷
却水を循環させる一次冷却水系５と、冷却水を冷却して
これを一次冷却水系５へ供給する二次冷却水系１０と、
冷却水よりも温度の低い低温水を予熱してから一次冷却
水系５に供給する給水予熱器１１とを備えた燃料電池発
電設備において、給水予熱器１１を二次冷却水系１０に
配置したことを特徴としている。このような本発明で
は、給水予熱器１１の熱源として二次冷却水系１０を利
用するため、従来低温水の予熱に使用していた一次冷却
水系５の熱エネルギーを排熱回収効率の向上のために用
いることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気エネルギーと
熱エネルギーの両方を取出す水冷式の燃料電池発電設備
に係り、特に、燃料電池本体に循環させる冷却水よりも
温度の低い低温水を予熱する給水予熱器を備えた燃料電
池発電設備に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

［燃料電池の概要］従来より、燃料の持つ化学エネルギ
ーを直接、電気エネルギーに変換する装置として燃料電
池が提案されている。燃料電池は燃料極であるアノード
と酸化剤極であるカソードとの間に電解質を保持する電
解質層を挟み、アノードの背面に燃料を接触させると共
に、カソードの背面に酸化剤を接触させることによって
電気化学反応を生じさせ、この反応を利用して電気エネ
ルギーを取出す装置である。このような燃料電池は内部
に燃焼サイクルを持つ必要がないため、公害要因となる
ＳＯｘ、ＮＯｘの排出が少なく、しかも低振動、低騒音
である。さらに燃料電池では電気化学反応に伴って多量
の排熱が発生するので、これを回収して給湯や冷暖房の
熱源として利用することが可能である。これらの長所を
持つ燃料電池は、環境問題やエネルギー問題が深刻化す
る現在、大きな注目を集めており、燃料電池を用いた発
電設備の研究、開発が積極的に進められている。

【０００３】［燃料電池発電設備の構成］燃料電池発電
設備には、燃料電池本体に燃料を循環させる燃料系統、
燃料電池本体に酸化剤を循環させる酸化剤系統、燃料電
池本体から発生した電気を回収する電気回収系統のほ
か、燃料電池本体を冷却する電池冷却系統や燃料電池本
体から発生した排熱を回収する排熱回収系統が設けられ
ている。

【０００４】ここで図６を参照して、燃料電池発電設備
の一例について具体的に説明する。図６では設備におけ
る燃料電池４、電池冷却系統である一次冷却水系５およ
び二次冷却水系１０および排熱回収系統１７を示してい
る。

【０００５】まず、燃料電池４の構成およびその動作温
度について説明する。燃料電池４はアノード１、カソー
ド２および冷却板３から構成されている。このような燃
料電池４の動作温度は、電解質としてリン酸を用いたリ
ン酸型の場合で１８０〜２１０度が適正温度であり、こ
の適正温度の範囲を外れると、燃料電池の寿命が短縮化
するおそれがある。すなわち、燃料電池４の動作温度が
適正温度よりも高くなると、電解質であるリン酸の蒸気
圧が高くなって蒸発や消失が増加し、材料の劣化が進む
ことになる。また、燃料電池４の動作温度が適正温度よ
りも低くなると、電極の反応速度が遅くなり、且つ電極
触媒に対するＣＯ被毒の影響が大きくなる。

【０００６】そこで、燃料電池発電設備には燃料電池４
の動作温度を適正な温度に保つことを目的として電池冷
却系統が設けられている。電池冷却系統は燃料電池４の
冷却板３に冷却水を循環させて燃料電池４から発生した
熱を除去する一次冷却水系５と、燃料電池４から出た冷
却水を冷却してこれを一次冷却水系５へ再度供給する二
次冷却水系１０とから構成されている。

【０００７】一次冷却水系５には気水分離器６が設置さ
れており、気水分離器６にはポンプ７および蒸気ライン
８が接続されている。ポンプ７は一次冷却水系５に冷却
水を循環させるためのものであり、気水分離器６から凝
縮された水分が供給されるようになっている。また、蒸
気ライン８は気水分離器６から改質蒸気や排熱蒸気を取
出すように構成されている。さらに燃料電池発電設備に
は排熱回収系統１７が設けられている。排熱回収系統１
７には吸収式冷凍機やヒートポンプあるいは冷暖房設備
といった排熱利用設備（図６では図示せず）が組込まれ
ている。

【０００８】ところで、一次冷却水系５には冷却水の温
度よりも低い低温水が供給されることがある。具体的に
は、水質を向上させた水、補給水、回収水といった３種
類の低温水がある。以下、これらの低温水について詳し
く説明する。

【０００９】［水質を向上させた水］まず、水質を向上
させた水について述べる。一次冷却水系５を流れる冷却
水は、燃料電池４の絶縁保護のために高い水質を維持し
なくてはならない。したがって、一次冷却水系５にはイ
オン交換樹脂や逆浸透膜といった水処理設備や小ループ
が設置されており、水質維持が図られている。ただし、
現在のイオン交換樹脂は高温での使用は課題が多い。そ
のため、一次冷却水系５から冷却水の一部を取出し、こ
れを一度冷却してから水質を向上させ、その後、再び一
次冷却水系５へ戻すのが一般的である。つまり、水質を
向上させた水は一次冷却水系５を流れる冷却水よりもか
なり低温（４〜５０度）となる。

【００１０】［補給水］燃料電池発電設備では排熱の取
出しなどの過程で水の収支が均衡せず、一次冷却水系５
の包含水量が減少することがある。そこで、燃料電池発
電設備には外部から水を補給する給水タンク９が設置さ
れている。この給水タンク９からの補給水の温度は通
常、数度から３０度前後であり、一次冷却水系５を流れ
る冷却水よりもかなり低い。

【００１１】［回収水］排熱利用設備の気水分離器や一
次冷却水系５の気水分離器６を通じて凝縮水が回収され
るが、これらの回収水もまた一次冷却水系５を流れる冷
却水の温度よりもかなり低いものである。

【００１２】以上のような低温水（水質向上水、補給
水、回収水）がそのまま一次冷却水系５に流れ込むと、
一次冷却水系５の温度が下がり過ぎて燃料電池４の動作
温度が適正な温度より低下する。前述したように、燃料
電池４の動作温度が低下すると、電極の反応速度が遅く
なる、電極触媒に対するＣＯ被毒の影響が大きくなると
いった不具合が生じることになる。

【００１３】そこで従来では、図６に示すように給水予
熱器１１が排熱回収系統１７に設けられている。この給
水予熱器１１は、排熱回収系統１７から回収した排熱を
利用して低温水を予熱し、予熱した水を一次冷却水系５
に供給するように構成されている。給水予熱器１１によ
り予熱を終えた際の出口側給水温度は、運転条件、プラ
ント設計方針などによって千差万別であるが、一次冷却
水系５全体として温度が低下しないように設定されてい
る。

【００１４】このような給水予熱器１１によれば、低温
水を所定の温度にまで予熱した後、これを一次冷却水系
５に供給するので、一次冷却水系５の温度が著しく低下
することがない。したがって電極の反応速度の低下やＣ
Ｏ被毒の影響といった不具合を防ぐことができる。な
お、給水予熱器１１の高温熱源として一次冷却水系５が
用いられることもある。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
技術には次のような課題があった。すなわち、上述した
低温水を一次冷却水系５や排熱回収系統１７を用いて予
熱する場合、低温水の温度に対して高温熱源側である一
次冷却水系５や排熱回収系統１７の温度が高過ぎる。そ
のため、燃料電池発電設備における熱エネルギーの損失
が大きかった。燃料電池発電設備では、発電効率を高め
るだけではなく排熱の利用効率を高めることも強く望ま
れており、設備内の排熱を温度レベルに見合った用途に
使用して、熱エネルギーの損失を最小限に抑えることが
求められていた。

【００１６】本発明は、このような課題を解消するため
に提案されてものであり、その目的は、設備内の排熱を
温度レベルに見合った用途に使用し、熱エネルギーの損
失を抑えて排熱の利用効率を高めた燃料電池発電設備を
提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、電池本体に冷却水を循環させて電池本体
から発生した熱を吸収する水冷式の燃料電池本体と、前
記燃料電池本体に前記冷却水を循環させる一次冷却水系
と、前記冷却水を冷却してこれを前記一次冷却水系へ供
給する二次冷却水系と、前記冷却水よりも温度の低い低
温水を予熱してから前記一次冷却水系に供給する給水予
熱器とを備えた燃料電池発電設備において、前記給水予
熱器を前記二次冷却水系に配置したことを特徴とする。

【００１８】以上のような構成の本発明においては、給
水予熱器が二次冷却水系の持つ熱エネルギーを利用して
低温水を予熱することができる。そのため、低温水では
なく冷却水に近い温度で一次冷却水系に供給することが
でき、一次冷却水系の温度低下を防ぐことができる。し
かも、給水予熱器の熱源として二次冷却水系を利用して
いるので、従来低温水の予熱に使用していた一次冷却水
系や排熱回収系統の熱エネルギーを排熱回収効率の向上
のために転用することが可能となる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の一例
として第１〜第５の実施の形態を図１〜図５を参照して
具体的に説明する。なお、各実施の形態において図６に
示した従来例と同一の部材に関しては同一符号を付し、
説明は省略する。また、各実施の形態における相違点は
給水予熱器１１が予熱する低温水の種類にあり、第１の
実施の形態では補給水、第２および第３の実施の形態で
は水質向上水、第４および第５の実施の形態では回収水
を低温水としており、これら低温水を給水予熱器１１が
予熱するという構成は各実施の形態とも共通である。

【００２０】（第１の実施の形態）…図１参照 第１の実施の形態では、給水予熱器１１が二次冷却水系
１０に配置されると共に給水タンク９に接続されてい
る。給水予熱器１１には給水タンク９からの補給水が流
れ込むようになっている。また、給水予熱器１１は二次
冷却水系１０からの熱エネルギーを受け取り、この熱エ
ネルギーを利用して給水予熱器１１内に送水された水を
予熱し、これを一次冷却水系５に送り出すように構成さ
れている。なお、給水予熱器１１の出口側給水温度は、
一次冷却水系５全体として温度が低下しないように設定
されている。この点は以下の実施の形態も同様である。

【００２１】以上のような構成の第１の実施の形態にお
いては、給水予熱器１１が二次冷却水系１０の持つ熱エ
ネルギーを利用して、給水タンク９からの補給水を予熱
することができる。そのため、補給水の温度を冷却水に
近い温度にまで上昇させてから一次冷却水系５に供給す
ることになる。したがって、補給水を一次冷却水系５に
送水しても一次冷却水系５の温度が適正温度を下回るほ
どに低下することがない。この結果、電極の反応速度の
低下やＣＯ被毒の影響といった不具合が生じることがな
い。

【００２２】さらに、給水予熱器１１は二次冷却水系１
０の熱エネルギーを利用しているため、従来補給水の予
熱に使用していた一次冷却水系５や排熱回収系統１７の
熱エネルギーを排熱回収効率の向上のために転用するこ
とが可能となる。すなわち、給水予熱器１１の熱源とし
ては二次冷却水系１０の熱エネルギーで十分であり、設
備内の排熱を温度レベルに見合った用途に使用すること
が可能となる。これにより、燃料電池発電設備における
熱エネルギーの損失量が低減し、排熱を有効に利用する
ことができる。

【００２３】（第２の実施の形態）…図２参照 第２の実施の形態では、給水予熱器１１が二次冷却水系
１０に配置されると共に水質を向上させる水処理装置１
２に接続されている。水処理装置１２は一次冷却水系５
から小ループに分離して設置されており、給水予熱器１
１に水質向上水を送り出すように構成されている。ま
た、給水予熱器１１の上流側には熱交換器１５が設置さ
れている。熱交換器１５は一次冷却水系５から冷却水の
一部を取出し、それを水質が向上し易い温度にまで冷却
して水処理装置１２に送水するようになっている。

【００２４】以上のような構成の第２の実施の形態にお
いては、給水予熱器１１が水処理装置１２からの水質向
上水を予熱するため、水質向上水を一次冷却水系５に供
給しても、一次冷却水系５の温度が適正温度を下回るほ
どに低下しない。また、給水予熱器１１の熱源として二
次冷却水系１０を利用しているので、一次冷却水系５を
利用するよりも熱エネルギーの損失が少なく、排熱の利
用効率を高めることができる。

【００２５】（第３の実施の形態）…図３参照 第３の実施の形態では、上記水処理装置１２に代えて、
水質を高めるイオン交換樹脂槽１４を設置したことを特
徴としている。第３の実施の形態は、イオン交換樹脂槽
１４からの水質向上水を給水予熱器１１によって予熱す
るものであり、その作用効果は前記第２の実施の形態と
同様である。

【００２６】（第４の実施の形態）…図４参照 第４の実施の形態では、給水予熱器１１が二次冷却水系
１０に配置されると共に排熱利用設備１３に接続されて
いる。排熱利用設備１３は吸収式冷凍機やヒートポンプ
あるいは冷暖房設備などから成り、気水分離器を通じて
凝縮水が回収されてこれを給水予熱器１１に送り出すよ
うになっている。

【００２７】以上のような構成の第４の実施の形態にお
いては、給水予熱器１１が排熱利用設備１３からの回収
水を予熱するため、回収水を一次冷却水系５に供給して
も、一次冷却水系５の温度低下を防止でき、しかも、給
水予熱器１１の熱源として二次冷却水系１０を利用する
ので、一次冷却水系５を利用するよりも熱エネルギーの
損失が少なく、排熱を有効に利用することができる。

【００２８】（第５の実施の形態）…図５参照 第５の実施の形態では、上記排熱利用設備１３に加え
て、一次冷却水系５に蒸気発生器１６を設置し、この蒸
気発生器１６を排熱利用設備１３に接続したことを特徴
としている。第５の実施の形態では、蒸気発生器１６か
ら発生した蒸気が排熱利用設備１３に送られ、ここで熱
エネルギーを消費された後、凝縮されて排熱利用設備１
３からの回収水となって給水予熱器１１へ送水される。
そして、給水予熱器１１がこの回収水を予熱し、前記第
４の実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。

【００２９】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、冷
却水よりも低温の水を予熱する給水予熱器を二次冷却水
系に配置するといった極めて簡単な構成により、一次冷
却水系の温度低下を防ぐと共に、給水予熱器の熱源とし
て二次冷却水系を利用したので、従来低温水の予熱に使
用していた一次冷却水系や排熱回収系統の熱エネルギー
を排熱回収効率の向上のために用いることが可能とな
り、設備内の排熱を温度レベルに見合った用途に使用
し、熱エネルギーの損失を抑えて排熱の利用効率を高め
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の燃料電池発電設備
のシステム構成図

【図２】本発明の第２の実施の形態の燃料電池発電設備
のシステム構成図

【図３】本発明の第３の実施の形態の燃料電池発電設備
のシステム構成図

【図４】本発明の第４の実施の形態の燃料電池発電設備
のシステム構成図

【図５】本発明の第５の実施の形態の燃料電池発電設備
のシステム構成図

【図６】従来の燃料電池発電設備のシステム構成図

【符号の説明】

１…アノード ２…カソード ３…冷却板 ４…燃料電池 ５…一次冷却水系 ６…気水分離器 ７…ポンプ ８…蒸気ライン ９…給水タンク １０…二次冷却水系 １１…給水予熱器 １２…水処理装置 １３…排熱利用設備 １４…イオン交換樹脂槽 １５…熱交換器 １６…蒸気発生器 １７…排熱回収系統

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電池本体に冷却水を循環させて電池本体
   から発生した熱を吸収する水冷式の燃料電池本体と、前
   記燃料電池本体に前記冷却水を循環させる一次冷却水系
   と、前記冷却水を冷却してこれを前記一次冷却水系へ供
   給する二次冷却水系と、前記冷却水よりも温度の低い低
   温水を予熱してから前記一次冷却水系に供給する給水予
   熱器とを備えた燃料電池発電設備において、 前記給水予熱器を前記二次冷却水系に配置したことを特
   徴とする燃料電池発電設備。