JP2000215906A - 燃料電池発電プラント - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 排ガスからの熱回収、電池本体からの排熱回
収を効率よく行ない、二熱源駆動型吸収式冷凍機を作動
させることができるレベルの高温排熱及び低温排熱を取
り出す。 【解決手段】 燃料極に燃料ガスを、空気極に空気を供
給し、両者の電気化学反応により発電を行なう燃料電池
本体１と、改質ガスを生成して燃料極に供給する改質器
３と、改質器３から排出される燃焼排ガス及び空気極か
ら排出される空気排ガスが有する排熱を温水として回収
する排熱回収熱交換器１９と、燃料電池本体１を冷却す
る冷却水７を冷却する冷却器１０と、前記燃料電池本体
の冷却水出口に設置され、電池冷却水を水蒸気と水とに
分離する水蒸気分離器８と、前記排熱回収熱交換器１９
で回収され、さらに前記冷却器１０で加温された温水、
及び前記水蒸気分離器８からの蒸気を供給することによ
り作動する二熱源駆動型の吸収式冷凍機２１を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、改質器のバーナ側
から排出される燃焼排ガスと、燃料電池本体の空気極か
ら排出される空気排ガスが有する排熱、及び、燃料電池
本体からの排熱蒸気が有する熱を回収することができる
燃料電池発電プラントに係り、特に、燃焼排ガス及び空
気排ガスが有する排熱を回収した温水を、電池冷却水の
余剰熱で再加熱することによって昇温させ、低温水とし
ての利便性を向上させることを可能とした燃料電池発電
プラントに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】リン酸型燃料電池発電プラントは、電解
質としてリン酸を用い、天然ガス等の原燃料を改質して
得られる水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させ
て直接発電を行なうものであり、高い発電効率を得るこ
とができるものである。しかも、このリン酸型燃料電池
発電プラントは、大気汚染物質の排出が少なく、騒音も
小さいという、環境性に極めて優れた発電プラントとし
て評価されてきている。

【０００３】図２は、従来から用いられているリン酸型
燃料電池発電プラントの一例を示すシステム構成図であ
る。すなわち、図２において、燃料電池本体１は、電解
質としてのリン酸を含浸させたマトリックス（図示せ
ず）を、燃料ガスが供給される燃料極１ａと空気が供給
される空気極１ｂとで挟持して単位セルを形成し、この
単位セルを多数枚積層して構成したものであり、この燃
料電池本体１における燃料ガスと空気との電気化学反応
により、直接発電が行われるように構成されている。

【０００４】また、天然ガス等の原燃料２は、改質器３
の反応部３ａに供給され、改質反応により水素リッチの
改質ガス４となり、燃料電池本体１の燃料極１ａに供給
される。一方、反応用空気５は、ブロワ等の空気供給装
置６により、燃料電池本体１の空気極１ｂに供給され
て、前記燃料電池本体１において、改質ガス４中の水素
と反応用空気５中の酸素とが反応して電気が発電される
ように構成されている。

【０００５】さらに、燃料電池本体１では、発電と同時
に反応熱が生じるため、燃料電池本体１の反応温度を適
正温度（約２００℃程度）に保つことを目的として、燃
料電池本体１に冷却板１ｃを設置し、この冷却板１ｃ中
を流れる電池冷却水７によって、燃料電池本体１を冷却
するように構成されている。すなわち、燃料電池本体１
の冷却板１ｃに供給された電池冷却水７は、燃料電池本
体１の出口では二相流となり、水蒸気分離器８において
蒸気と水とに分離される。そして、水蒸気分離器８で分
離された電池冷却水７は、ポンプ９により加圧された
後、冷却器１０で冷却されて、再び燃料電池本体１に供
給される。なお、冷却器１０の二次側には高温水１７が
循環しており、燃料電池本体１の反応熱を回収して高温
となった電池冷却水７より熱回収を行った後、プラント
外部に供給され、利用できるように構成されている。

【０００６】また、燃料電池本体１の燃料極１ａで反応
を終えた改質ガス４には、未反応分の水素が残っている
ため、反応を終えた改質ガス４は再度改質器３に戻さ
れ、改質器３のバーナ部３ｂで燃焼させることにより、
反応部３ａの加熱源とされた後、燃焼排ガス１１として
改質器３より排出される。一方、燃料電池本体１の空気
極１ｂで反応を終えた反応用空気５は、空気排ガス１２
として、燃料電池本体１より排出される。

【０００７】これらの燃焼排ガス１１と空気排ガス１２
は、共に排ガス凝縮器１３に供給され、この排ガス凝縮
器１３で冷却された後、プラント排ガス１４と凝縮水１
５とに分離される。そして、プラント排ガス１４は、通
常そのまま大気放出されるが、凝縮水１５はプラントで
再利用されるように構成されている。なお、排ガス凝縮
器１３の二次側には、低温水１６が通水されており、燃
焼排ガス１１及び空気排ガス１２から熱回収し、昇温さ
れた後、プラント外で利用可能な構成となっている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たような従来のリン酸型燃料電池発電プラントにおいて
は、排ガス凝縮器１３が、燃焼排ガス１１及び空気排ガ
ス１２中の水蒸気の凝縮回収を主目的としているため、
二次冷却水である低温水１６の流量を減少させることが
困難であり、排熱利用のために低温水１６としてプラン
ト外部に供給できる温水温度は６０℃程度が限度であ
り、その利用範囲は限定されてしまうという問題点があ
った。特に、６０℃程度の温度では、排熱を利用した冷
熱への変換装置である吸収式冷凍機を動作させることは
できなかった。なお、上記の問題点は、同様の構成を有
する燃料電池発電プラントに共通するものである。

【０００９】本発明は、上述したような従来技術の問題
点を解決するために提案されたものであり、その目的
は、排ガスから熱回収した低温水を、さらに電池冷却水
系で加熱昇温し、電池冷却水系から直接回収可能な水蒸
気供給と併せて、排熱の有効利用を図った燃料電池発電
プラント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、請求項１に記載の発明は、電解質を含浸させたマ
トリックスを挟んで配設された燃料極に燃料ガスを、空
気極に空気を供給して発電を行なう燃料電池本体と、前
記燃料ガスとなる改質ガスを生成して、前記燃料極に供
給する改質器と、前記燃料電池本体を冷却する電池冷却
水を冷却する冷却器と、前記燃料電池本体の冷却水出口
側に設置され、前記電池冷却水を水蒸気と水とに分離す
る水蒸気分離器とを備えた燃料電池発電プラントにおい
て、前記改質器から排出される燃焼排ガスと、前記燃料
電池本体の空気極から排出される空気排ガスが有する排
熱を温水として回収する排熱回収熱交換器と、前記排熱
回収熱交換器によって回収され、さらに前記冷却器によ
って加温された温水が供給される低温再生器と、前記水
蒸気分離器によって分離された水蒸気が供給される高温
再生器とを有する二熱源駆動型の吸収式冷凍機を備えて
成ることを特徴とするものである。

【００１１】上記の構成を有する請求項１に記載の燃料
電池発電プラントによれば、水蒸気分離器から得られる
高温の水蒸気と、改質器から排出される燃焼排ガス及び
燃料電池本体の空気極から排出される空気排ガスが有す
る排熱を回収した低温水を、さらに電池冷却水によって
加熱昇温して得られる温水とを、二熱源駆動型の吸収式
冷凍機に供給することによって、水蒸気から回収される
熱と温水から回収される熱の２種類の回収熱を利用する
ことができるので、燃料電池発電プラントから回収され
る排熱を効率よく利用することが可能となる。また、低
温再生器に供給される温水は、排熱回収熱交換器によっ
て回収され、さらに冷却器によって加温されているた
め、吸収冷凍サイクルを駆動するのに十分な温度レベル
まで加熱昇温されているので、十分な能力を発揮するこ
とができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態（以
下、実施形態という）について、図面を参照して具体的
に説明する。なお、本実施形態は従来型として説明した
リン酸型燃料電池発電プラントに本発明を適用したもの
であり、図２に示した従来型と同一部材には同一の符号
を付して、説明は省略する。

【００１３】［１．構成］本実施形態においては、図１
に示したように、低温再生器２１ａ及び高温再生器２１
ｂを備えた二熱源駆動型の吸収式冷凍機２１が設けら
れ、また、従来用いられていた排ガス凝縮器１３に代え
て、排熱回収熱交換器１９が設けられている。そして、
水蒸気分離器８によって分離された蒸気３０を、前記二
熱源駆動型の吸収式冷凍機２１の高温再生器２１ｂに供
給し、この吸収式冷凍機２１に熱を供給した後の蒸気戻
り凝縮水３１を、再び水蒸気分離器８に戻すように構成
されている。そして、水蒸気分離器８に戻された凝縮水
３１は、電池冷却水として利用され、冷却器１０で冷却
されて、再び燃料電池本体１に供給されるように構成さ
れている。

【００１４】一方、排熱回収熱交換器１９においては、
改質器３からの燃焼排ガス１１と、燃料電池本体１から
の空気排ガス１２が有する排熱を高温熱源として、６０
℃程度の温水２０が取り出されるように構成されてい
る。そして、この温水２０は、燃料電池本体１の反応温
度を適正値に維持するために設けられている冷却器１０
に供給され、ここでさらに燃料電池本体１の排熱を回収
して、８５℃程度に昇温されるように構成されている。
その後、８５℃程度に昇温された温水２０は、前記二熱
源駆動型の吸収式冷凍機２１の低温再生器２１ａに供給
され、吸収式冷凍機２１に熱を供給した後、ポンプ２９
を介して、再度排熱回収熱交換器１９に戻され、循環す
るように構成されている。

【００１５】すなわち、本実施形態においては、水蒸気
分離器８、吸収式冷凍機２１の高温再生器２１ｂ及び冷
却器１０を循環する第１の熱交換系と、排熱回収熱交換
器１９、冷却器１０及び吸収式冷凍機２１の低温再生器
２１ａを循環する第２の熱交換系が設けられている。

【００１６】［２．作用］次に、以上のような構成を有
する本実施形態のリン酸型燃料電池発電プラントの作用
について説明する。すなわち、図１において、排熱回収
熱交換器１９においては、改質器３からの燃焼排ガス１
１及び燃料電池本体１からの空気排ガス１２が有する排
熱を高温熱源として、６０℃程度の温水２０が取り出さ
れる。そして、この温水２０は、冷却器１０に供給さ
れ、ここでさらに燃料電池本体１の排熱を回収して、８
５℃程度に昇温され、吸収式冷凍機２１の低温再生器２
１ａに供給されて、熱利用された後、ポンプ２９を介し
て、再度排熱回収熱交換器１９に戻される。そして、排
熱回収熱交換器１９において、再度、前記燃焼排ガス１
１及び空気排ガス１２が有する排熱を高温熱源として、
６０℃程度の温水２０とされ、冷却器１０に供給され
る。

【００１７】一方、水蒸気分離器８によって分離された
約１６０℃の蒸気は、配管３０を介して、直接、吸収式
冷凍機２１の高温再生器２１ｂに供給されて、熱利用さ
れた後、凝縮水３１となって水蒸気分離器８に戻され
る。そして、水蒸気分離器８に戻された凝縮水３１は、
ポンプ９によって冷却器１０に供給され、冷却器１０で
冷却された後、燃料電池本体１の冷却板１ｃに供給さ
れ、燃料電池本体１の出口で二相流となり、再び水蒸気
分離器８において蒸気と水とに分離される。

【００１８】［３．効果］上述したように、本実施形態
のリン酸型燃料電池発電プラントにおいては、燃料電池
本体からの反応熱により加温された電池冷却水を、水蒸
気と水とに分離する水蒸気分離器から得られる約１６０
℃の水蒸気と、改質器のバーナ側から排出される燃焼排
ガス及び燃料電池本体の空気極から排出される空気排ガ
スが有する排熱を回収した低温水を、さらに電池冷却水
によって加熱昇温して得られる温水とを、二熱源駆動型
の吸収式冷凍機２１に供給することによって、水蒸気か
ら回収される熱と、温水から回収される熱の２種類の回
収熱を利用することが可能となる。その結果、燃料電池
発電プラントから回収される排熱を、効率よく冷熱に変
換することが可能となる。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の燃料電池
発電プラントによれば、改質器のバーナ側から排出され
る燃焼排ガス及び燃料電池本体の空気極から排出される
空気排ガスが有する排熱、及び、燃料電池本体からの排
熱蒸気を回収することにより、二熱源駆動型の吸収式冷
凍機を作動させることができるレベルの高温熱回収及び
温水熱回収を実現することができるので、熱回収利用の
利便性に優れた燃料電池発電プラントを提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるリン酸型燃料電池発電プラントの
一実施形態を示すシステム構成図

【図２】従来のリン酸型燃料電池発電プラントの一例を
示すシステム構成図

【符号の説明】

１…燃料電池本体 １ａ…燃料極 １ｂ…空気極 １ｃ…冷却板 ２…原燃料 ３…改質器 ３ａ…反応部 ３ｂ…バーナ部 ４…改質ガス ５…反応用空気 ６…空気供給装置 ７…電池冷却水 ８…水蒸気分離器 ９…ポンプ １０…冷却器 １１…燃焼排ガス １２…空気排ガス １４…プラント排ガス １５…凝縮水 １７…排熱利用熱交換器 １９…排熱回収熱交換器 ２０…温水 ２１…二熱源型吸収式冷凍機 ２１ａ…低温再生器 ２１ｂ…高温再生器 ２２…ポンプ ２４…排ガス ３０…蒸気 ３１…蒸気戻り凝縮水

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 元洋 神奈川県横浜市鶴見区末広町二丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 石沢 真樹 東京都新宿区西新宿三丁目19番２号 日本 電信電話株式会社内 (72)発明者 山本 昌樹 東京都新宿区西新宿三丁目19番２号 日本 電信電話株式会社内 (72)発明者 岡田 茂 東京都新宿区西新宿三丁目19番２号 日本 電信電話株式会社内 (72)発明者 植草 常雄 東京都港区芝浦三丁目４番１号 株式会社 エヌ・ティ・ティファシリティーズ内 (72)発明者 藁谷 至誠 東京都港区芝浦三丁目４番１号 株式会社 エヌ・ティ・ティファシリティーズ内 Ｆターム(参考） 5H027 AA04 BA01 CC06 DD00 DD06

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電解質を含浸させたマトリックスを挟ん
   で配設された燃料極に燃料ガスを、空気極に空気を供給
   して発電を行なう燃料電池本体と、 前記燃料ガスとなる改質ガスを生成して、前記燃料極に
   供給する改質器と、 前記燃料電池本体を冷却する電池冷却水を冷却する冷却
   器と、 前記燃料電池本体の冷却水出口側に設置され、前記電池
   冷却水を水蒸気と水とに分離する水蒸気分離器とを備え
   た燃料電池発電プラントにおいて、 前記改質器から排出される燃焼排ガスと、前記燃料電池
   本体の空気極から排出される空気排ガスが有する排熱を
   温水として回収する排熱回収熱交換器と、 前記排熱回収熱交換器によって回収され、さらに前記冷
   却器によって加温された温水が供給される低温再生器
   と、前記水蒸気分離器によって分離された水蒸気が供給
   される高温再生器とを有する二熱源駆動型の吸収式冷凍
   機を備えて成ることを特徴とする燃料電池発電プラン
   ト。