JP2001035520A - 燃料電池発電装置の廃熱利用装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 水蒸気分離器内の圧力制御を適正に行いつつ
も、水処理装置の負荷を低減し、かつ装置の簡素化とコ
スト低減を図った燃料電池発電装置の廃熱利用装置を提
供する。 【解決手段】 水蒸気分離器21で発生した水蒸気の内、
水蒸気改質に用いた残余の水蒸気の熱を回収する蒸気廃
熱回収用熱交換器31と、この熱交換器での凝縮水を回収
する蒸気凝縮水タンク32と、燃料電池で生成した蒸気お
よび改質器7における燃焼排ガス中の蒸気の凝縮水を回
収する生成水等回収タンク44と、蒸気凝縮水タンク32お
よび生成水等回収タンク44に回収された水を高純度にし
た後，前記水蒸気分離器21に還流するための水処理装置
47とを備えた燃料電池発電装置の廃熱利用装置におい
て、蒸気凝縮水タンク32と生成水等回収タンク44とを連
通配管37により，両タンク内の水位が実質的に同水位と
なるように接続したものとする。

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、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する燃料電池発電装置の
廃熱利用装置に関する。

【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
行う燃料改質器が用いられる。従って、燃料改質器に
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】燃料電池の発電生成水や、改質器バーナの
燃焼生成水を凝縮した回収水の方が、市水や工水よりも
不純物が少ない為、回収水を利用した方が水処理装置の
イオン負荷を軽減でき、ランニングコストが低減でき
る。その為、水回収用凝縮器を付加し、燃料電池のオフ
ガスや改質器の燃焼排ガスから水回収を行っており、回
収水は水処理装置を用いて純水化した後、再利用してい
る。

【０００５】一方、改質器の燃焼排ガスは炭酸ガス濃度
が高い為、回収水中に炭酸ガスが数十PPM程度含まれる
場合がある。この場合には、水処理装置のアニオン負荷
が増大し、水処理寿命が短かくなる為、回収水の脱炭酸
処理を行い、回収水中の炭酸ガス濃度を数PPMまで下げ
て、アニオン負荷を低減するのが一般的である。

【０００６】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。

【０００７】図４は、従来のこの種の燃料電池発電装置
の廃熱利用装置の基本的な系統図の例である。

【０００８】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を有する冷却板４とから構成
される。

【０００９】一方、燃料改質器７は、原燃料供給系９を
経て供給される天然ガス等の原燃料を、水蒸気分離器２
１で分離されて水蒸気供給系２２を経て供給される水蒸
気とともに、改質触媒下にて、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。

【００１０】燃料改質器７で生成された上記改質ガス
は、ＣＯ変成器８を有する改質ガス供給系１１を経由し
て燃料電池本体１の燃料極２に供給され、一方、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が、オ
フガス供給系１２を経て燃料改質器７のバーナに燃料と
して供給される。

【００１１】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１３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１５により水回収
用凝縮器４１へと送られ、水回収後、排出される。

【００１２】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１６を備えた空気供給系１
７と、電池反応後の空気を前記水回収用凝縮器４１へ供
給する空気排出系１８とが接続されている。

【００１３】燃料電池本体１の冷却板４の冷却管には、
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２４および燃料電池冷
却水廃熱回収用熱交換器２３を備えた冷却水循環系２０
が、接続されている。冷却水循環系２０は、冷却水調節
弁２５を備え、必要に応じて廃熱回収用熱交換器２３へ
の冷却水の流通を調節できるようにしている。

【００１４】前記水蒸気分離器２１では、燃料電池本体
１の冷却管から排出された水と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に向かう原燃料と混入
するように、前記水蒸気供給系２２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６を使用している。このエゼクタポンプ
６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。原燃料供給系９は、一般に、脱硫器５を備
える。

【００１５】前記水回収用凝縮器４１には、前述のよう
に、燃焼排ガス系１５，空気排出系１８が接続され、こ
の水回収用凝縮器４１には、生成水等回収タンク４４を
有する凝集水回収系４２が接続されている。

【００１６】前記回収水は、脱炭酸塔４３で空気接触さ
せて脱炭酸処理をした後に、回収水供給系４５が備えた
補給水ポンプ４６によって、イオン交換式水処理装置４
７に導入して、純水化した後に、給水ポンプ４９により
水蒸気分離器２１へ還流供給され、原燃料の水蒸気改質
に必要な水として利用される。

【００１７】水処理装置４７は吸着速度の関係から、通
水速度は一定量が必要であり、純水製造の場合には、１
０〜３０程度のＳＶ（空間速度１／ｈ）が適している。

【００１８】樹脂塔の内容積は、２０Ｌ〜７０Ｌ程度で
ある為、水処理装置には、２００ L/hから２１００ L/h
の通水量が必要となる。しかしながら、燃料電池の発電
において水蒸気改質により消費する純水の量は、水処理
装置の必要通水量より少ない場合が一般的である。例え
ば、１００kW出力機の場合には、必要純水量は１００L/
h以下である。そのため、水処理装置に水が循環して流
れる閉回路を設けて、常時一定流量を水処理装置に通水
可能として、所定のＳＶ値を維持するのが一般的であ
る。この場合、図４に示すように、水処理装置４７は処
理水の再循環用配管４８を備え、水処理された水の内、
一部は給水ポンプ４９によって水蒸気分離器２１に供給
され、残りの純水は、再循環用配管４８を経由して再び
水処理装置４７に戻される。

【００１９】次に、廃熱利用装置の系統に関して、以下
に詳述する。

【００２０】燃料電池冷却水廃熱回収用熱交換器２３
は、燃料電池の余剰発熱分を冷却して水蒸気分離器２１
の圧力を制御する為の冷却器としての機能と、外部へ１
００℃未満の温水を供給し、給湯や温水焚冷温水器等の
熱源として利用する熱回収器としての機能を合わせ持
つ。

【００２１】温水供給には、温水を循環させる為のポン
プ３４が必要となるため、配管経路が長い場合には、ポ
ンプ動力の増加や放熱冷却などの問題を考慮する必要が
ある。

【００２２】また、熱回収用熱交換器２３で水蒸気分離
器２１の圧力の制御を行う場合には、燃料電池や配管系
統の熱容量や内容積による時間遅れが発生するため、急
峻な水蒸気分離器の圧力変動に対応できない問題があ
る。

【００２３】前述のように、水蒸気分離器２１内の圧力
が変動すると、水蒸気と原燃料の混合割合が変動した
り、燃料ガスの圧力が変動するために、燃料電池へ供給
される燃料ガスの組成、圧力にも影響を及ぼすことにな
る。また、電池冷却水温度も変動して電池運転温度にも
影響がでる為、水蒸気分離器２１内の圧力は一定に制御
する必要がある。

【００２４】そこで図４に示すように、水蒸気分離器２
１で発生した水蒸気の内、水蒸気改質に用いた残りの水
蒸気を、調節弁３０を介して外部の廃熱利用設備へ熱供
給するための蒸気廃熱回収用熱交換器３１に送り、水蒸
気分離器２１から蒸気を直接取り出して圧力制御を行う
ことにより、水蒸気分離器２１内の急峻な圧力変動に対
しても、応答性の良い圧力制御ができるようにしてい
る。

【００２５】蒸気廃熱回収用熱交換器３１において凝縮
された水は、蒸気凝縮水タンク３２に回収し、連絡管３
８を経て凝縮水還流用ポンプ３３により、生成水等回収
タンク４４に注入し、水処理装置４７により純水化した
後、水蒸気分離器２１へ還流するように構成している。
なお、蒸気凝縮水タンク３２および生成水等回収タンク
４４は、それぞれ水位計６２および６３を備え、水位制
御がなされている。

【００２６】

【発明が解決しようとする課題】前述のような従来の燃
料電池発電装置の廃熱利用装置においては、下記のよう
な問題点があった。前述のように、改質器の燃焼排ガス
は炭酸ガス濃度が高く、回収水中に炭酸ガスが数十PPM
程度含まれる場合がある。これは水処理装置のアニオン
負荷となって水処理寿命を短かくするため、回収水の脱
炭酸処理を脱炭酸塔４３において行い、回収水中の炭酸
ガス濃度を数PPMまで下げてアニオン負荷を低減するよ
うにしているが、生成水等回収タンク４４には、まだア
ニオン負荷が残留している。

【００２７】これに対して、蒸気凝縮水タンク３２に回
収された水の純度は高い。この純度の高い水を、連絡管
３８を経て凝縮水還流用ポンプ３３により、生成水等回
収タンク４４に注入すると、改質器の燃焼排ガス中の回
収水を含む生成水等との混合により純度が低下する。そ
のため、水処理装置４７は、純度の高い水を受け入れて
水蒸気分離器２１へ還流する場合に比較して、余分の純
化作業を強いられることとなり、水処理装置４７のラン
ニングコストの増大と寿命の低下をまねく。この種の燃
料電池発電装置の場合、蒸気凝縮水タンク３２に回収さ
れる水量の方が、生成水等回収タンク４４に回収される
水量に比較して多いので、なおさらである。

【００２８】また、蒸気凝縮水タンク３２および生成水
等回収タンク４４は、それぞれ水位計６２および６３を
備えて水位制御がなされており、部品点数とコストの増
大をもたらしている。

【００２９】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、水蒸気分離器内の
圧力制御を適正に行うことを維持しつつも、水処理装置
の負荷を低減し、かつ装置の簡素化とコスト低減を図っ
た燃料電池発電装置の廃熱利用装置を提供することにあ
る。

【００３０】

【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、この水蒸
気分離器で発生した水蒸気の一部を用いて原燃料を水蒸
気改質した改質ガスを燃料電池に供給する改質器と、残
余の水蒸気の熱を回収して外部の廃熱利用設備へ熱供給
するための蒸気廃熱回収用熱交換器と、この熱交換器で
凝縮した水を回収する蒸気凝縮水タンクと、発電反応に
より燃料電池で生成した水蒸気および前記改質器におけ
る燃焼排ガス中の水蒸気の凝縮水を回収する生成水等回
収タンクと、前記蒸気凝縮水タンクおよび生成水等回収
タンクに回収された水を高純度にした後，前記水蒸気分
離器に還流するための水処理装置とを備えた燃料電池発
電装置の廃熱利用装置において、前記蒸気凝縮水タンク
と生成水等回収タンクとを連通配管により，両タンク内
の水位が実質的に同水位となるように接続したものとす
る（請求項１）。

【００３１】上記構成によれば、蒸気凝縮水タンク３２
および生成水等回収タンク４４は、一方のタンクのみに
水位計を設けて水位制御すればよく、部品点数とコスト
の低減が図れる。また、蒸気凝縮水タンク３２に回収さ
れた純度の高い水は、低純度の生成水等回収タンクの下
方の水と多少混合するのみで水処理装置に導入されるた
め、水処理装置の負荷が従来よりも低減する。

【００３２】また、請求項２の発明のように、前記連通
配管を、両タンク下方からそれぞれ導出されたものと
し、蒸気凝縮水タンクから導出した連通配管の他端は、
実質的に前記水処理装置の入口近傍に直接接続し、生成
水等回収タンクから導出した連通配管の他端は、前記蒸
気凝縮水タンクから導出した連通配管に接続したものと
することにより、高純度の水と低純度の水の混合は図１
のものより少なくなり、水処理装置の負荷はより低減す
る。

【００３３】さらに、請求項３の発明のように、前記水
処理装置は処理水の一部を水処理装置に再循環するため
の再循環用配管を備え、前記連通配管は、両タンク下方
からそれぞれ導出されたものとし、蒸気凝縮水タンクか
ら導出した連通配管の他端は、前記再循環用配管の水処
理装置出口側である上流側に接続し、生成水等回収タン
クから導出した連通配管の他端は、前記再循環用配管の
下流側に接続したものとすることにより、前記蒸気凝縮
水タンク内の純度の高い水の管路は、常に水処理された
高純度の水の管路とのみ接続されることとなり、水処理
装置の負荷はさらに低減する。

【００３４】さらにまた、請求項１ないし３のいずれか
に記載のものにおいて、前記燃料電池本体と水蒸気分離
器との間に、燃料電池冷却水廃熱回収用熱交換器を備え
たものとする（請求項４）ことにより、廃熱利用効率は
さらに向上する。

【００３５】

【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。

【００３６】図１は、請求項１の発明に関わる実施例を
示す系統図であり、図４と同じ機能を有する部材には同
一の番号を付して説明を省略する。図１と図４との相違
点は、図４における連絡管３８を、図１では連通配管３
７に置き換え、また図１においては、凝縮水還流ポンプ
３３と蒸気凝縮水タンク３２における水位計６２を省い
た点である。

【００３７】上記図１の構成により、前述の理由によ
り、図４の構成と比較して部品点数とコストの低減を図
ることができ、また水処理装置の負荷を低減することが
できる。

【００３８】図２は、請求項２の発明に関わる実施例を
示す系統図であり、図１と同じ機能を有する部材には同
一の番号を付して説明を省略する。図１と図２との相違
点は、連通配管の構成に関し、図２の場合には、連通配
管は、両タンク下方からそれぞれ導出されたものとし、
蒸気凝縮水タンク３２から導出した連通配管３６の他端
は、ポンプ４６を経由するものの、実質的には水処理装
置４７の入口近傍に直接的に接続され、生成水等回収タ
ンク４４から導出した連通配管５６の他端は、前記蒸気
凝縮水タンクから導出した連通配管３６に接続してあ
る。連通配管４５の接続位置は、この発明の思想の範囲
内で適宜変えることができる。

【００３９】上記図２の構成によれば、純度の高い蒸気
凝縮水タンクの回収水が、直接的に水処理装置４７に導
入されるので、図１の構成よりも、水処理装置４７の負
荷がより軽減する。

【００４０】図３は、請求項３の発明に関わる実施例を
示す系統図であり、図１と同じ機能を有する部材には同
一の番号を付して説明を省略する。図３の場合には、連
通配管は、図２と同様に両タンク下方からそれぞれ導出
されたものとし、蒸気凝縮水タンクから導出した連通配
管３９の他端は、水処理装置が備える再循環用配管４８
の上流側に接続し、生成水等回収タンク４４から導出し
た連通配管５９の他端は、前記再循環用配管４８の下流
側に接続してある。なお、前記連通配管５９の他端は、
水処理装置４７の入口近傍であって、ポンプ４６の入口
近傍に接続してもよい。

【００４１】前記図３の構成によれば、純度の高い蒸気
凝縮水タンクの回収水が、常に水処理された高純度の水
とのみ混合されることとなり、水処理装置の負荷はさら
に低減する。

【００４２】

【発明の効果】上記のとおり、この発明によれば、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、この水蒸気分離器で発生した水蒸
気の一部を用いて原燃料を水蒸気改質した改質ガスを燃
料電池に供給する改質器と、残余の水蒸気の熱を回収し
て外部の廃熱利用設備へ熱供給するための蒸気廃熱回収
用熱交換器と、この熱交換器で凝縮した水を回収する蒸
気凝縮水タンクと、発電反応により燃料電池で生成した
水蒸気および前記改質器における燃焼排ガス中の水蒸気
の凝縮水を回収する生成水等回収タンクと、前記蒸気凝
縮水タンクおよび生成水等回収タンクに回収された水を
高純度にした後，前記水蒸気分離器に還流するための水
処理装置とを備えた燃料電池発電装置の廃熱利用装置に
おいて、前記蒸気凝縮水タンクと生成水等回収タンクと
を連通配管により，両タンク内の水位が実質的に同水位
となるように接続したもの（請求項１）とし、また、上
記のものにおいて、前記連通配管を、両タンク下方から
それぞれ導出されたものとし、蒸気凝縮水タンクから導
出した連通配管の他端は、実質的に前記水処理装置の入
口近傍に直接接続し、生成水等回収タンクから導出した
連通配管の他端は、前記蒸気凝縮水タンクから導出した
連通配管に接続したもの（請求項２）とし、さらに、上
記請求項１のものにおいて、前記水処理装置は処理水の
一部を水処理装置に再循環するための再循環用配管を備
え、前記連通配管は、両タンク下方からそれぞれ導出さ
れたものとし、蒸気凝縮水タンクから導出した連通配管
の他端は、前記再循環用配管の水処理装置出口側である
上流側に接続し、生成水等回収タンクから導出した連通
配管の他端は、前記再循環用配管の下流側に接続したも
の（請求項３）としたことにより、水蒸気分離器内の圧
力制御を適正に行うことを維持しつつも、水処理装置の
負荷を低減し、水処理装置のランニングコストの低減と
寿命の向上を図り、かつ装置の簡素化とコスト低減を図
った燃料電池発電装置の廃熱利用装置を提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例を示す系統図

【図２】この発明の異なる実施例を示す系統図

【図３】この発明のさらに異なる実施例を示す系統図

【図４】従来の燃料電池発電装置の廃熱利用装置の系統
図

【符号の説明】

１：燃料電池本体、６：スチームエゼクタ、７：改質
器、２１：水蒸気分離器、２３：燃料電池冷却水廃熱回
収用熱交換器、３１：蒸気廃熱回収用熱交換器、３２：
蒸気凝縮水用タンク、３６，３７，３９，５６，５９：
連通配管、４１：水回収用凝縮器、４３：脱炭酸塔、４
４：生成水等回収水タンク、４７：水処理装置、４８：
再循環用配管。

【手続補正書】

【提出日】平成１１年１１月２２日（１９９９．１１．
２２）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１５】前記水回収用凝縮器４１には、前述のよう
に、燃料排ガス系１５、空気排出系１８が接続され、こ
の水回収用凝縮器４１には、生成水等回収タンク４４を
有する凝縮水回収系４２が接続されている。

Claims (4)

【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、この水蒸気分
   離器で発生した水蒸気の一部を用いて原燃料を水蒸気改
   質した改質ガスを燃料電池に供給する改質器と、残余の
   水蒸気の熱を回収して外部の廃熱利用設備へ熱供給する
   ための蒸気廃熱回収用熱交換器と、この熱交換器で凝縮
   した水を回収する蒸気凝縮水タンクと、発電反応により
   燃料電池で生成した水蒸気および前記改質器における燃
   焼排ガス中の水蒸気の凝縮水を回収する生成水等回収タ
   ンクと、前記蒸気凝縮水タンクおよび生成水等回収タン
   クに回収された水を高純度にした後，前記水蒸気分離器
   に還流するための水処理装置とを備えた燃料電池発電装
   置の廃熱利用装置において、前記蒸気凝縮水タンクと生
   成水等回収タンクとを連通配管により，両タンク内の水
   位が実質的に同水位となるように接続したことを特徴と
   する燃料電池発電装置の廃熱利用装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載のものにおいて、前記連通
   配管は、両タンク下方からそれぞれ導出されたものと
   し、蒸気凝縮水タンクから導出した連通配管の他端は、
   実質的に前記水処理装置の入口近傍に直接接続し、生成
   水等回収タンクから導出した連通配管の他端は、前記蒸
   気凝縮水タンクから導出した連通配管に接続したことを
   特徴とする燃料電池発電装置の廃熱利用装置。
3. 【請求項３】 請求項１記載のものにおいて、前記水処
   理装置は処理水の一部を水処理装置に再循環するための
   再循環用配管を備え、前記連通配管は、両タンク下方か
   らそれぞれ導出されたものとし、蒸気凝縮水タンクから
   導出した連通配管の他端は、前記再循環用配管の水処理
   装置出口側である上流側に接続し、生成水等回収タンク
   から導出した連通配管の他端は、前記再循環用配管の下
   流側に接続したことを特徴とする燃料電池発電装置の廃
   熱利用装置。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれかに記載のも
   のにおいて、前記燃料電池本体と水蒸気分離器との間
   に、燃料電池冷却水廃熱回収用熱交換器を備えたことを
   特徴とする燃料電池発電装置の廃熱利用装置。