JPH11233130A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】水蒸気分離器の冷却水放出回路を簡便で適正に
作動するものとし、低コストで、長期間安定して運転で
きる燃料電池発電装置を得る。 【解決手段】複数の単位セルと冷却板１ａとを積層した
燃料電池本体１、原燃料を改質して単位セルの燃料電極
に送る燃料ガスを得る燃料改質器２、冷却板１ａへ冷却
水を送り排出される二相流を回収する水蒸気分離器３、
反応および燃焼に伴う生成水を回収する生成水回収装置
６、ならびに回収水を水蒸気分離器３に補給できるよう
処理する水処理装置１０を備えるものにおいて、生成水
回収装置６の底面に接してブロ─ダウン制御弁７Ａを連
結し、この制御弁と水蒸気分離器３の底部とを配管で接
続して冷却水放出用のブロ─ダウン回路とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、主としてりん酸
型の燃料電池発電装置に係わり、特に、燃料電池本体の
冷却に用いられる冷却水を内蔵する水蒸気分離器の冷却
水放出回路の構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】図４は、従来より用いられているこの種
の燃料電池発電装置のガス系統および冷却水系統の要部
の構成を示す系統図である。りん酸型の燃料電池本体１
は、りん酸を保持したマトリックスを燃料電極と空気電
極で挟持してなる単位電池と冷却板１ａとの積層体から
なり、燃料電極に燃料改質器２で改質された燃料ガスを
供給し、空気電極に空気を供給することにより電気化学
反応に基づいて発電がおこなわれる。電気化学反応は全
体として発熱反応であり、効率のよい運転温度に保持す
るためには冷却することが必要である。したがって、水
蒸気分離器３に内蔵された冷却水を冷却水循環ポンプ４
により冷却板１ａへ供給することにより燃料電池本体１
を冷却し、冷却板１ａで加熱されて排出される気液二相
流を再び水蒸気分離気３へと導入する方法が用いられて
いる。

【０００３】メタン等の原燃料の燃料ガスへの改質に
は、原燃料に水蒸気を混合して燃料改質器２に送り、水
とメタンとの反応を改質触媒により促進させて水素濃度
の高い燃料ガスとする方法が採られており、改質に用い
られる水蒸気には水蒸気分離器３の水蒸気の一部が用い
られている。なお、燃料改質器２における改質反応は吸
熱反応であり、効率的に改質を行うには高温度に保持す
る必要があるので、燃料電池本体１の燃料電極から排出
される燃料オフガスを燃焼室２ａへ導入し、残存する酸
素を別途導入した燃焼用空気中の酸素と反応させて燃焼
させ、加熱する方法が採られている。

【０００４】上述のように水蒸気分離器３の水蒸気の一
部は改質に用いられるので、水蒸気分離器３の冷却水の
量を一定に維持するためには、改質に用いた水蒸気に対
応して純水を補給する必要がある。このため、燃料電池
本体１の空気電極から排出される空気オフガスに含まれ
る反応生成水、ならびに燃料改質器２の燃焼室２ａより
排出される燃焼排ガスに含まれる燃焼生成水を生成水回
収装置６で回収し、得られた回収水を前処理フィルター
９と後処理フィルター１１を備えた水処理装置１０で処
理し、得られた純水を三方弁１３で切り換えて、水蒸気
分離器３の冷却水が不足したとき補給水として供給する
よう構成されている。なお、ポンプ８は系が負圧になる
のを防ぐためのポンプ、またポンプ１２は補給水を水蒸
気分離器３へと供給するためのポンプである。

【０００５】このように水蒸気分離器３の冷却水の量を
一定に維持するために水処理装置１０で処理して得られ
た純水を補給水として補給すると、補給水に含まれるシ
リカ等の微量の不純物が水蒸気分離器３の内部で濃縮さ
れ、運転時間の経過とともに冷却水の不純物濃度が徐々
に増加する。水蒸気分離器３の底部と生成水回収装置６
との間を連結するブローダウン制御弁７と熱交換器１４
を備えた配管系は、水蒸気分離器３の内部の不純物濃度
の上昇を抑制するための系統であり、ブローダウン制御
弁７の操作により水蒸気分離器３に貯留された冷却水の
一部を、適宜、生成水回収装置６へと放出させることに
より、貯留水の不純物濃度の上昇を抑え、燃料電池本体
１へ送られる冷却水の電気伝導度の上昇を抑えている。

【０００６】なお、本配管系に組み込まれているブロー
ダウン水熱交換器１４は、放出水が気化し、内部に含ま
れるシリカ等が析出して、ブローダウン制御弁７が閉塞
する事態となるのを防止するために、放出水を冷却して
気化を生じない低温に保持するための熱交換器であり、
二次側の低温の冷却水には、生成水回収装置６で回収さ
れ水処理装置１０へと送られる回収水や、系の外部より
供給される冷却水が用いれれる。また、ブローダウン水
熱交換器１４の二次側の冷却水系には出口温度を測定す
る温度センサー１５が備えられており、温度の異常上昇
を検知することによりブローダウン制御弁７の閉塞状態
を検知して制御装置１６より警報を発するよう構成され
ている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記のごとく、従来の
燃料電池発電装置においては、ブローダウン制御弁７を
組み込んだ配管系を水蒸気分離器３の底部と生成水回収
装置６との間に備え、ブローダウン制御弁７を操作して
冷却水を適宜放出することにより水蒸気分離器３の水質
の維持を図っている。

【０００８】しかしながら、ブローダウン制御弁７を組
み込んだ配管系を用いるものにおいては、ブローダウン
制御弁７のみならず、前述のごとく、ブローダウン制御
弁７のシリカ等による閉塞を防止するためのブローダウ
ン水熱交換器１４、本熱交換器の二次側冷却水の供給
系、さらには異常検出用の温度センサー１５、警報発生
機能を備えた制御装置１６等をあわせて組み込む必要が
あるので、系の構成が複雑となり、広い設置スペースが
必要で、かつコストも高くなるという難点があった。

【０００９】本発明の目的は、上記のごとき従来技術の
難点を解消し、水蒸気分離器の冷却水の放出回路を簡便
な構成で適正に作動するものとし、低コストで、長期に
わたり安定して使用できる燃料電池発電装置を提供する
ことにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明においては、複数の単位セルと冷却板とを
積層してなる燃料電池本体と、外部より供給される原燃
料を単位セルの燃料電極に供給する燃料ガスへと改質す
る燃料改質器と、循環ポンプにより内蔵された冷却水を
燃料電池本体の冷却板に供給し、排出された気液二相流
を導入する水蒸気分離器と、単位セルの空気電極より排
出される空気オフガス及び燃料改質器より排出される燃
焼排ガスに含まれる生成水を回収する生成水回収装置
と、生成水回収装置で回収された回収水中の不純物を除
去し、水蒸気分離器へ供給する補給水を得る水処理装置
を備えてなる燃料電池発電装置において、 （１）上記の水蒸気分離器に、生成水回収装置の生成水
貯留部に接して連結された流量制御弁、例えば生成水回
収装置の底面あるいは側面に連結された流量制御弁と、
この流量制御弁と水蒸気分離器の冷却水貯留部とを連結
する配管とからなる冷却水放出用のブローダウン回路を
備えることとする。

【００１１】（２）さらに、上記のブローダウン回路の
流量制御弁と水蒸気分離器の冷却水貯留部とを連結する
配管に、内部を流れる放出水の温度を測定する温度セン
サーを組み込むとともに、この温度センサーの検出信号
を入力し、基準値に満たないとき警報を発する温度警報
器を備えることとする。生成水回収装置で冷却、回収さ
れた生成水は、通常、約５０℃に保持して貯留されてい
る。したがって、生成水回収装置の生成水貯留部に接し
て流量制御弁を連結すれば、流量制御弁は貯留された生
成水によって冷却され、低温に維持されるので、この部
分においては通流する放出水の気化は生じない。したが
って、上記の（１）のごとく、水蒸気分離器に、生成水
回収装置の生成水貯留部に接して連結された流量制御弁
と、この流量制御弁と水蒸気分離器の冷却水貯留部とを
連結する配管とからなる冷却水放出用のブローダウン回
路を備えれば、水蒸気分離器より上記の配管を通して放
出された放出水は、流量制御弁においては低温になり、
気化し難くなるので、シリカ等の析出の危険性が抑制さ
れる。したがって、このブローダウン回路を用いれば、
流量制御弁の閉塞を引き起こすことなく安定して放出さ
せることができる。

【００１２】また、上記の（２）のごとく、ブローダウ
ン回路の流量制御弁と水蒸気分離器の冷却水貯留部とを
連結する配管に温度センサーを組み込み、内部を流れる
放出水の温度を測定することとすれば、放出水が正常に
放出されている際には、高温度の放出水の通流により高
い温度が検知されるが、万が一流量制御弁の閉塞が生じ
ると、放出水の通流が停止し温度センサーは低温度を示
すので、この温度センサーにより流量制御弁の閉塞状態
を検知することができる。したがって、さらに、この温
度センサーの検出信号を入力し、基準値に満たないとき
警報を発する温度警報器を備えれば、流量制御弁の閉塞
状態の発生が的確に検知され、適切な補修作業の実施が
可能となるので、安全に運転できることとなる。

【００１３】

【発明の実施の形態】＜実施例１＞図１は、本発明の燃
料電池発電装置の第１の実施例のガス系統および冷却水
系統の要部の構成を示す系統図である。図において、図
４に示した従来例と同一機能を有する構成部品には同一
符号を付し、重複する説明は省略する。

【００１４】本実施例の構成の従来例との差異は、水蒸
気分離器３の底部より生成水回収装置６へと接続された
冷却水放出用のブローダウン回路の構成にあり、本構成
の特徴は、水蒸気分離器３の底部に接続された配管を、
生成水回収装置６の底部、すなわち生成水貯留部に接し
て連結された流量制御用のブローダウン制御弁７Ａに連
結することによりブローダウン回路を構成していること
にある。

【００１５】本構成では、ブローダウン制御弁７Ａが、
生成水回収装置６の内部に約５０℃に保持して貯留され
ている生成水によって冷却され、低温に保持される。し
たがって、水蒸気分離器３より放出された放出水は、ブ
ローダウン制御弁７Ａで低温になり、気化し難くなるの
で、シリカ等の析出が抑制されることとなる。すなわ
ち、このブローダウン回路においては、ブローダウン制
御弁７Ａや配管の閉塞を引き起こすことなく、水蒸気分
離器３の冷却水を安定して放出させることができる。

【００１６】＜実施例２＞図２は、本発明の燃料電池発
電装置の第２の実施例のガス系統および冷却水系統の要
部の構成を示す系統図である。本図の構成の第１の実施
例との差異は、ブローダウン回路のブローダウン制御弁
７Ｂが、生成水回収装置６の底部でなく、常時生成水が
貯留される部分の側面に接して連結されている点にあ
り、連結の自由度が高いのが利点である。

【００１７】本構成においても、第１の実施例の構成と
同様に、ブローダウン制御弁７Ｂが生成水回収装置６の
内部に貯留されている生成水によって冷却され、低温に
保持されるので、ブローダウン回路の弁あるいは配管が
シリカ等の析出により閉塞する危険性が抑制される。し
たがって、水蒸気分離器３からの放出水を安定して放出
することができる。

【００１８】＜実施例３＞図３は、本発明の燃料電池発
電装置の第３の実施例のガス系統および冷却水系統の要
部の構成を示す系統図である。本図の構成の特徴は、第
２の実施例のブローダウン回路のブローダウン制御弁７
Ｂの上流側に配された配管に、内部を通流する放出水の
温度を計測する温度センサー１５Ａを組み込み、さらに
この温度センサー１５Ａの出力を入力して作動する温度
警報器１７を備えた点にあり、温度警報器１７は、ブロ
ーダウン制御弁７Ｂが開状態で、かつ温度センサー１５
Ａの検出温度が基準値に満たないとき警報を発するよう
構成されている。

【００１９】したがって、万が一、シリカ等の析出によ
りブローダウン制御弁７Ｂあるいは配管の閉塞が生ずる
と、ブローダウン制御弁７Ｂを開いても放出水が流れな
くなり、温度センサー１５Ａも高温の放出水の通流によ
る温度上昇を観測しない。したがって、温度警報器１７
が警報を発することとなり、容易に、かつ的確にブロー
ダウン回路の閉塞状態の発生が検知され、早期に修復作
業を行うことが可能となる。

【００２０】なお、本構成例では第２の実施例の構成に
温度センサー１５Ａと温度警報器１７を付加して構成し
ているが、第１の実施例の構成と同様に温度センサー１
５Ａと温度警報器１７を付加して構成しても、同様な効
果が得られることは例示するまでもなく明らかである。

【００２１】

【発明の効果】上述のように、本発明によれば、複数の
単位セルと冷却板とを積層してなる燃料電池本体と、外
部より供給される原燃料を単位セルの燃料電極に供給す
る燃料ガスへと改質する燃料改質器と、循環ポンプによ
り内蔵された冷却水を燃料電池本体の冷却板に供給し、
排出された気液二相流を導入する水蒸気分離器と、単位
セルの空気電極より排出される空気オフガス及び燃料改
質器より排出される燃焼排ガスに含まれる生成水を回収
する生成水回収装置と、生成水回収装置で回収された回
収水中の不純物を除去し、水蒸気分離器へ供給する補給
水を得る水処理装置を備えてなる燃料電池発電装置にお
いて、 （１）上記の水蒸気分離器に、生成水回収装置の生成水
貯留部に接して連結された流量制御弁、例えば生成水回
収装置の底面あるいは側面に連結された流量制御弁と、
この流量制御弁と水蒸気分離器の冷却水貯留部とを連結
する配管とからなる冷却水放出用のブローダウン回路を
備えることとしたので、水蒸気分離器のブローダウン回
路が簡便な構成で適正に作動することとなり、低コスト
で、長期にわたり安定して使用できる燃料電池発電装置
が得られることとなった。

【００２２】（２）さらに、上記のブローダウン回路の
流量制御弁と水蒸気分離器の冷却水貯留部とを連結する
配管に、内部を流れる放出水の温度を測定する温度セン
サーを組み込むとともに、この温度センサーの検出信号
を入力し、基準値に満たないとき警報を発する温度警報
器を備えることとすれば、水蒸気分離器のブローダウン
回路が簡便な構成で適正に作動するばかりでなく、万が
一回路の閉塞が生じても的確に検知され早期修復が可能
となるので、低コストで、長期にわたり安定して使用で
きる燃料電池発電装置としてより好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池発電装置の第１の実施例のガ
ス系統および冷却水系統の要部の構成を示す系統図

【図２】本発明の燃料電池発電装置の第２の実施例のガ
ス系統および冷却水系統の要部の構成を示す系統図

【図３】本発明の燃料電池発電装置の第３の実施例のガ
ス系統および冷却水系統の要部の構成を示す系統図

【図４】従来の燃料電池発電装置のガス系統および冷却
水系統の要部の構成を示す系統図

【符号の説明】

１ 燃料電池本体 １ａ 冷却板 ２ 燃料改質器 ２ａ 燃焼室 ３ 水蒸気分離器 ４ 冷却水循環ポンプ ６ 生成水回収装置 ７Ａ，７Ｂ ブローダウン制御弁 １０ 水処理装置 １５Ａ 温度センサー １７ 温度警報器

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の単位セルと冷却板とを積層してなる
   燃料電池本体と、 外部より供給される原燃料を単位セルの燃料電極に供給
   する燃料ガスへと改質する燃料改質器と、 循環ポンプにより内蔵された冷却水を燃料電池本体の冷
   却板に供給し、排出された気液二相流を導入する水蒸気
   分離器と、 単位セルの空気電極より排出される空気オフガス及び燃
   料改質器より排出される燃焼排ガスに含まれる生成水を
   回収する生成水回収装置と、 生成水回収装置で回収された回収水中の不純物を除去
   し、水蒸気分離器へ供給する補給水を得る水処理装置を
   備えてなる燃料電池発電装置において、 前記水蒸気分離器が、生成水回収装置の生成水貯留部に
   接して連結された流量制御弁と、該流量制御弁と水蒸気
   分離器の冷却水貯留部とを連結する配管とからなる冷却
   水放出用のブローダウン回路を備えたことを特徴とする
   燃料電池発電装置。
2. 【請求項２】請求項１に記載の燃料電池発電装置におい
   て、生成水回収装置の生成水貯留部に接する流量制御弁
   の連結部が、生成水回収装置の底面であることを特徴と
   する燃料電池発電装置。
3. 【請求項３】請求項１に記載の燃料電池発電装置におい
   て、生成水回収装置の生成水貯留部に接する流量制御弁
   の連結部が、生成水回収装置の側面であることを特徴と
   する燃料電池発電装置。
4. 【請求項４】請求項１、２または３に記載の燃料電池発
   電装置において、ブローダウン回路の流量制御弁と水蒸
   気分離器の冷却水貯留部とを連結する配管に、内部を流
   れる放出水の温度を測定する温度センサーを有し、かつ
   該温度センサーの検出信号を入力し、基準値に満たない
   とき警報を発する温度警報器を備えてなることを特徴と
   する燃料電池発電装置。