JP2000294262A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池の廃熱利用のための蒸気発生装置を
備えた燃料電池発電装置において、熱伝達効率の高いコ
ンパクトな熱交換器を用いて低コスト化を図るととも
に、圧力変動や温度変動のない燃料電池発電装置を提供
する。 【解決手段】 蒸気発生装置を、複数の伝熱プレートを
水平方向に積層し，蒸気発生用の補給水の通流流路と燃
料電池冷却水の通流流路とを伝熱プレート間鉛直方向に
交互に形成してなるプレート型熱交換器３０とし、蒸気
発生用の補給水をこのプレート型熱交換器の水平方向上
方に設けた補給水入口ノズル３１から導入し、発生蒸気
を水平方向下方に設けた蒸気出口ノズル３５から排出す
るものとする。また、補給水が補給水通流流路の水平方
向全幅にわたって均等に流れるようにするための補給水
分配器３２を、プレート型熱交換器の補給水導入部に備
える。

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、燃料電池の廃熱
を外部の熱利用設備へ有効に熱供給するために、燃料電
池から受けた冷却水の熱を回収して蒸気を発生する蒸気
発生装置を備えた燃料電池発電装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池発電装置に組み込まれる燃料電
池としては、電解質の種類、改質原料の種類等によって
異なる種々のタイプがあるが、例えば、天然ガスを改質
した二酸化炭素を含むガスを精製せずにそのまま使用で
きる等の利点を持っているリン酸高濃度水溶液を電解質
として用いたリン酸型燃料電池が知られている。

【０００３】このリン酸型燃料電池は、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、燃料電池の燃料極および空気極にそれ
ぞれ供給し、電気化学反応に基づいて発電を行う。原燃
料を燃料ガスに改質するには、原燃料としてのメタンに
水蒸気を加えて、水とメタンとの反応を触媒で促進して
行う燃料改質装置が用いられる。従って、燃料改質装置
には、燃料の改質に使用した水蒸気量に対応して水を補
給する必要がある。この水にはイオン交換式の水処理装
置等で不純物を除去したイオン交換水が用いられる。

【０００４】また、燃料電池発電装置に組み込まれるリ
ン酸型燃料電池では、発電時に熱を発生するため、冷却
する必要があるが、この冷却は、空冷または水冷により
行っている。水冷式の燃料電池発電装置では、熱を冷却
水により除去することによって、燃料電池本体を冷却
し、運転温度を維持しており、この冷却で得た熱の一部
を熱交換器で回収してユーザに供給している。

【０００５】図４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の例である（特開
平１０−６４５６６号公報参照）。

【０００６】図４において、燃料電池本体１は、模式的
に示され、図示しないリン酸電解質層を挟持する燃料極
２と空気極３と、これらからなる単位セルの複数個を重
ねる毎に配設される冷却管４を有する冷却板５とから構
成される。

【０００７】一方、燃料改質器７は、燃料供給系８を経
て供給される天然ガス等の原燃料を、後述する水蒸気分
離器２１で分離されて水蒸気供給系１０を経て供給され
る水蒸気とともに、改質触媒下にて、図示しないバーナ
での後述するオフガスの燃焼による燃焼熱により加熱し
て、水素に富むガスに改質して改質ガスを生成する。

【０００８】前記燃料電池本体１と燃料改質器７とに
は、燃料改質器７で生成された改質ガスを燃料電池本体
１の燃料極２に供給する改質ガス供給系１１と、燃料極
２から電池反応に寄与しない水素を含むオフガスを燃料
改質器７のバーナに燃料として供給するオフガス供給系
１２とが接続されている。

【０００９】また、燃料改質器７のバーナへは、燃焼空
気供給用のブロア１７が接続されており、燃料改質器７
から出た燃焼排ガスは、燃焼排ガス系１８により生成水
回収器４１へと送られる。

【００１０】また、燃料電池本体１には、空気極３に空
気を供給する反応空気ブロア１３を備えた空気供給系１
４と、電池反応後の空気を前記生成水回収器４１へ供給
する空気排出系１５とが接続されている。

【００１１】燃料電池本体１の冷却板５の冷却管４に
は、燃料電池本体１の発電時に冷却水を循環するため、
水蒸気分離器２１、冷却水循環ポンプ２２および冷却水
冷却器としての蒸気発生装置（ケトル型熱交換器）２４
を備えた冷却水循環系２０が、接続されている。

【００１２】前記水蒸気分離器２１では、燃料電池本体
１の冷却管４から排出される蒸気との二相流となった冷
却水を、水蒸気と冷却水とに分離する。ここで分離され
た水蒸気は、前記燃料改質器７に向かう原燃料に混入す
るように、前記水蒸気供給系１０を経て、送出される。
その際、元圧の低い原燃料との混合を行うために、エゼ
クタポンプ９を使用している。このエゼクタポンプ９
は、蒸気を駆動流体とするとともに、原燃料を被駆動流
体とする。

【００１３】前記蒸気発生装置（ケトル型熱交換器）２
４は、燃料電池を冷却して戻ってきた冷却水から熱を奪
って冷却し、回収した熱を、すなわち、燃料電池の発電
時に発生した熱の一部を、蒸気として外部の廃熱利用設
備を介してユーザに供給する。熱媒が蒸気の場合には、
蒸気炊きの吸収式冷温水機が運転できるため、効率の高
い熱利用ができる。

【００１４】また、前記生成水回収器４１には、燃焼排
ガス系１８、空気排出系１５、プロセス排気系１９が接
続されている。この生成水回収器４１には、その他に、
回収水循環ポンプ４２、回収水冷却器４３およびノズル
４４からなる回収水生成循環系が接続されている。前記
回収循環ポンプ４２は、該回収器４１の底部に接続さ
れ、該底部に貯留された回収水の一部を回収し、回収水
冷却器４３に送り込む。回収水冷却器４３にはユーザ側
冷却水系４５が熱回収系として挿入されており、冷却さ
れた回収水をノズル４４に供給する。ノズル４４は、前
記冷却回収水を生成水回収器４１の上部から散布して、
生成水回収器４１内の生成水を含む反応空気と、燃焼生
成水を含む燃焼排ガスとに冷却水を作用させて、気中の
回収水を直接的に冷却して、それぞれの生成水を該回収
器４１の底部に生成させる。

【００１５】前述のようにして生成水回収器４１の底部
に貯留した回収水は、補給ポンプ４６、水処理装置４７
が設けられた回収系を経て、前記水蒸気分離器２１に供
給される。

【００１６】回収水冷却器４３には、前述のように、回
収水を冷却するためにユーザ側冷却水４５が接続されて
いるが、生成水を回収するためには、この冷却水の温度
は、４０℃以下にすることが望ましいために、熱エネル
ギーとしての価値は低く、通常は冷却塔やラジエータで
外気に放出して処理している。

【００１７】なお、図４中、符号２６は、冷却水循環系
２０において、冷却管４と冷却水冷却器２４の流路と、
蒸気発生装置２４と水蒸気分離器２１との間の流路とを
短絡するバイパス配管であり、符号２７はそのための三
方調節弁である。また、符号２８は、水蒸気分離器２１
内の気圧を測定する圧力計である。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、燃料電
池の発電時に発生した熱の一部を、蒸気として外部の廃
熱利用設備を介してユーザに供給するための蒸気発生装
置として、従来、ケトル型熱交換器を使用している。こ
のケトル型熱交換器は、シェル・アンド・チューブ型熱
交換器の一つで、胴の上部側に蒸発に適する空積部を設
けて蒸発室としたタイプの熱交換器であり、比較的簡単
な設備であることから、大型プラントの廃熱を利用して
安価な蒸気を得るのに広く用いられているものである
が、燃料電池発電装置に適用した場合には、コンパクト
性に欠け高価であり、燃料電池発電装置のコンパクト化
および低コスト化を阻害している。

【００１９】この発明は、上記問題点を解消するために
なされたもので、この発明の課題は、熱伝達効率の高い
コンパクトな熱交換器を用いて低コスト化を図るととも
に、圧力変動や温度変動のないシステムとして安定した
燃料電池発電装置を提供することにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
めに、この発明は、燃料電池における発生熱を除去冷却
するために，冷却水を通流する冷却管を有する冷却板を
備えた燃料電池本体と、前記冷却板から排出される冷却
水を水蒸気と水とに分離する水蒸気分離器と、前記燃料
電池本体と水蒸気分離器との間に設けられ，前記冷却板
から排出された冷却水を冷却するとともに，燃料電池か
ら受けた冷却水の熱を回収して蒸気を発生し，外部の廃
熱利用設備へ熱供給するための蒸気発生装置とを備えた
燃料電池発電装置において、前記蒸気発生装置は、複数
の伝熱プレートを水平方向に積層し，蒸気発生用の補給
水の通流流路と前記燃料電池冷却水の通流流路とを前記
伝熱プレート間鉛直方向に交互に形成してなるプレート
型熱交換器とし、前記蒸気発生用の補給水をこのプレー
ト型熱交換器の水平方向上方に設けた補給水入口ノズル
から導入し、発生蒸気を水平方向下方に設けた蒸気出口
ノズルから排出するものとする（請求項１）。

【００２１】また、上記のものにおいて、プレート型熱
交換器は、蒸気発生用の補給水が，プレート型熱交換器
における補給水通流流路の水平方向全幅にわたって均等
に流れるようにするための補給水分配器を、補給水導入
部に設けたもの（請求項２）が望ましい。例えば、補給
水分配器としては、補給水入口ノズルの内径より小さい
外径を有し，プレート型熱交換器における補給水通流流
路の水平方向の略全幅にまたがって配設されたパイプの
水平方向に複数個開口した小穴を備えたものとし，この
小穴から補給水を補給水通流流路の水平方向全幅にわた
って分配するようにしたもの（請求項３）が好適であ
る。

【００２２】補給水分配器の構造は、上記の構造に限定
されるものではなく、例えば、パイプの水平方向に給水
通流流路の水平方向全幅にわたって流体抵抗を均一にす
るようなスリットを設けた構造を採用したものなど、こ
の発明の技術思想の範囲内において、種々の構造が採用
できる。

【００２３】上記により、蒸気発生装置を小型で安価な
ものとすることができ、さらに、単にプレート型熱交換
器を適用した場合に問題となっていた蒸気発生の脈動の
問題が解消できる。その結果、燃料電池冷却水循環系の
温度変動や水蒸気分離器の圧力変動が生ずることのない
小型低コストの燃料電池発電装置が提供できる。

【００２４】

【発明の実施の形態】図面に基づき、本発明の実施の形
態について以下にのべる。

【００２５】図１は、本発明の実施例を示す図であり、
図４と同じ部材には同一の番号を付して説明を省略す
る。また、図１においては、燃料電池本体１，水蒸気分
離器２１，蒸気発生装置３０を含む冷却水循環系２００
およびその周辺機器のみを記載し、他は省略した。図４
との相違点は、図４における蒸気発生装置２４を、ケル
ト型熱交換器から、この発明に係るプレート型熱交換器
３０に変えた点である。

【００２６】プレート型熱交換器の一般的構造は、機械
工学便覧などにその細部構造が紹介されているように、
複数の伝熱プレートを水平方向に積層し，熱交換すべき
二つの流体の通流流路を前記伝熱プレート間鉛直方向に
交互に形成したものである。

【００２７】この発明に係るプレート型熱交換器３０の
構造を図２および図３に示す。図２および図３は、説明
の便宜上、概念的に簡略化して示し、図２は、プレート
型熱交換器の斜視図を、図３は、蒸気発生用の補給水お
よび発生蒸気の経路の模式的断面図を示す。

【００２８】この発明におけるプレート型熱交換器は、
図２および図３に示すように、蒸気発生用の補給水の通
流流路と前記燃料電池冷却水の通流流路とを伝熱プレー
ト３４間鉛直方向に交互に形成してなるプレート型熱交
換器とし、蒸気発生用の補給水をこのプレート型熱交換
器の水平方向上方に設けた補給水入口ノズル３１から導
入し、発生蒸気を水平方向下方に設けた蒸気出口ノズル
３６から排出する。また、燃料電池冷却水は、図２に示
すように、燃料電池冷却水入口ノズル３６から導入し、
同冷却水出口ノズル３７から排出する。ちなみに、燃料
電池冷却水入口温度および圧力は、約１６０℃，６．３
気圧（絶対圧）であり、発生蒸気の温度と圧力は廃熱利
用設備の仕様によって異なるが、例えば、１４０℃，４
気圧（絶対圧）である。

【００２９】図３において、網かけをした伝熱プレート
３４に囲まれた部分は、燃料電池冷却水が流れる流路部
分を示す。一方、網かけのない部分は、蒸気発生用の補
給水の通流流路および発生蒸気の流路を示し、分配器３
２に設けた小穴３３から供給された補給水が、燃料電池
冷却水により、伝熱プレートを介してまんべんなく加熱
され、矢印で示すような経路を経て、発生蒸気としてノ
ズル３５から排出されて外部の熱利用設備に供給され
る。

【００３０】図３において、補給水の通流から蒸気発生
に到るまでの流路は、紙面左側の流路の方が右側に比べ
て短いので、分配器３２としては、流体抵抗を補給水通
流流路の水平方向全幅にわたって均等にするような構成
のものが最適である。ただし、補給水が蒸発する際に、
急激な膨張により液体の流れを抑制する作用があるの
で、分配器３２を設けなくとも、ある程度の均等分配効
果は期待できる。

【００３１】しかしながら、分配器３２を設けた方が、
蒸気発生がより安定化し、蒸気発生の脈動がなくなる。
その結果、燃料電池の冷却水循環系の温度変動や水蒸気
分離器の圧力変動が生ずることがなくなり、システム全
体の安定化が図れる。

【００３２】

【発明の効果】上記のとおり、この発明によれば、燃料
電池の廃熱利用のための蒸気発生装置を備えた燃料電池
発電装置において、この蒸気発生装置の構成を、複数の
伝熱プレートを水平方向に積層し，蒸気発生用の補給水
の通流流路と燃料電池冷却水の通流流路とを伝熱プレー
ト間鉛直方向に交互に形成してなるプレート型熱交換器
とし、蒸気発生用の補給水をこのプレート型熱交換器の
水平方向上方に設けた補給水入口ノズルから導入し、発
生蒸気を水平方向下方に設けた蒸気出口ノズルから排出
するもの（請求項１）とし、また、上記のものにおい
て、プレート型熱交換器は、蒸気発生用の補給水が，プ
レート型熱交換器における補給水通流流路の水平方向全
幅にわたって均等に流れるようにするための補給水分配
器を、補給水導入部に備えたもの（請求項２）とし、例
えば、補給水分配器としては、補給水入口ノズルの内径
より小さい外径を有し，プレート型熱交換器における補
給水通流流路の水平方向の略全幅にまたがって配設され
たパイプの水平方向に複数個開口した小穴を備えたもの
とし，この小穴から補給水を補給水通流流路の水平方向
全幅にわたって分配するもの（請求項３）としたことに
より、蒸気発生装置を小型で安価なものとすることがで
きる。

【００３３】ちなみに、従来のケルト型熱交換器を用い
た蒸気発生装置と比較して、本件発明の蒸気発生装置
は、占有体積は約１／１０，コストは約１／４となる。

【００３４】さらに、単にプレート型熱交換器を適用し
た場合に問題となっていた蒸気発生の脈動の問題が解消
でき、その結果、燃料電池冷却水循環系の温度変動や水
蒸気分離器の圧力変動が生ずることのない燃料電池発電
装置が提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の燃料電池発電装置の実施例を示す図
である。

【図２】この発明のプレート型熱交換器の斜視図を示す
図である。

【図３】この発明のプレート型熱交換器の補給水および
発生蒸気の経路を模式的に示す断面図である。

【図４】従来の燃料電池発電装置の概略システム構成を
示す図である。

【符号の説明】

１：燃料電池本体、２１：水蒸気分離器、３０：プレー
ト型熱交換器、３１：蒸気発生用の補給水入口ノズル、
３２：分配器、３３：小穴、３４：伝熱プレート、３
５：発生蒸気出口ノズル、３６：燃料電池冷却水入口ノ
ズル、３７：燃料電池冷却水出口ノズル。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料電池における発生熱を除去冷却する
   ために，冷却水を通流する冷却管を有する冷却板を備え
   た燃料電池本体と、前記冷却板から排出される冷却水を
   水蒸気と水とに分離する水蒸気分離器と、前記燃料電池
   本体と水蒸気分離器との間に設けられ，前記冷却板から
   排出された冷却水を冷却するとともに，燃料電池から受
   けた冷却水の熱を回収して蒸気を発生し，外部の廃熱利
   用設備へ熱供給するための蒸気発生装置とを備えた燃料
   電池発電装置において、前記蒸気発生装置は、複数の伝
   熱プレートを水平方向に積層し，蒸気発生用の補給水の
   通流流路と前記燃料電池冷却水の通流流路とを前記伝熱
   プレート間鉛直方向に交互に形成してなるプレート型熱
   交換器とし、前記蒸気発生用の補給水をこのプレート型
   熱交換器の水平方向上方に設けた補給水入口ノズルから
   導入し、発生蒸気を水平方向下方に設けた蒸気出口ノズ
   ルから排出するようにし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記載のものにおいて、プレート型
   熱交換器は、蒸気発生用の補給水が，プレート型熱交換
   器における補給水通流流路の水平方向全幅にわたって均
   等に流れるようにするための補給水分配器を、補給水導
   入部に備えたことを特徴とする燃料電池発電装置。
3. 【請求項３】請求項２記載のものにおいて、補給水分配
   器は、補給水入口ノズルの内径より小さい外径を有し，
   プレート型熱交換器における補給水通流流路の水平方向
   の略全幅にまたがって配設されたパイプの水平方向に複
   数個開口した小穴を備えたものとし，この小穴から補給
   水を補給水通流流路の水平方向全幅にわたって分配する
   ようにしたことを特徴とする燃料電池発電装置。