JP2001283883A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

燃料電池発電装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】装置を複雑化することなく、水冷式の半導体素
子を用いた電力変換装置で生じた熱を有効に回収可能な
高効率で運転できる燃料電池発電装置を得る。 【解決手段】前記補給水タンクと前記水処理装置との間
を連結する水処理系配管に、前記水処理系配管を通流す
る水の一部を前記電力変換装置の冷却器に供給する配管
が接続されてなる分流点と前記冷却器を通流した後の冷
却水を前記水処理系配管に還流する配管が接続されてな
る合流点とを形成し、前記分流点を前記合流点よりも前
記水処理系配管の下流側に設ける構成とする。

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、水冷式の半導体
素子を用いた電力変換装置を備える燃料電池発電装置に
係わり、特に電力変換装置での発熱を効果的に回収する
燃料電池発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】水冷式の半導体素子を用いた電力変換装
置を備えた燃料電池発電装置として、特開平9-213355号
公報や特開平9-161829号公報に記載されたものがある。
図２には、特開平9-213355号公報に記載された水冷式半
導体素子を用いた電力変換装置を備えた燃料電池発電装
置における反応ガス系および冷却水系の模式系統図を示
す。図において、１は模式的に表示した燃料電池本体、
２は原燃料改質器、３はエゼクタ、４は水蒸気分離器、
５は補給水タンク、６は水処理装置、２１〜２３は冷却
用熱交換器、３１は電力変換装置、４０は排熱回収装置
である。
【０００３】外部より供給される原燃料は、エゼクタ３
において、水蒸気分離器４より供給される水蒸気と混合
され、原燃料改質器２へと送られる。原燃料改質器２へ
送られた混合ガスは、バーナ７に供給される燃焼ガスと
空気との燃焼反応により加熱されて水素濃度の高い改質
水素ガスに改質され、冷却用熱交換器２１を通流して冷
却され含まれる水分を凝縮させたのち、燃料電池本体１
の燃料極へと供給され電気化学反応に供される。残存水
素を含む燃料極からの排出ガスはバーナ７へと送られ、
原燃料改質器２の加熱に用いられている。また、原燃料
改質器２の加熱に用いられたのち排出される高温の排出
ガスは、冷却用熱交換器２３を通流させて冷却したのち
外部へと排気される。
【０００４】燃料電池本体１の空気極にはブロア１２に
より空気が供給される。空気極から排出される高温の排
出ガスは、電気化学反応により生じた水分を含んでお
り、冷却用熱交換器２２に送られて冷却され、水分を凝
縮して、生成水を補給水タンク５に貯液し、排気され
る。補給水タンク５に貯液された反応生成水は、適宜外
部より補給される補給水とともにポンプ１４により水処
理装置６へと送られ、高純度水に処理されたのち、水蒸
気分離器４へ供給される。水蒸気分離器４においては、
加熱器８で加熱することにより水蒸気を発生し、原燃料
の改質に際して混合するための水蒸気をエゼクタ３へと
供給している。また水蒸気分離器４の貯水は、ポンプ１
３により燃料電池本体１に組み込まれた冷却板へと送ら
れ、燃料電池本体１の冷却に用いられている。送られた
貯水は燃料電池本体１によって加熱されて気液二相流と
なり、水蒸気分離器４へ還流される。
【０００５】燃料電池本体１で電気化学反応により生じ
る直流電力は、液冷式半導体素子を用いた電力変換装置
３１によって、使用電力形態に変換され、負荷あるいは
電力系統に供給される。ここで、変換に際して半導体素
子で生じる発熱は、液冷用の冷却器３２中を通流する冷
媒により取り除かれる。この冷却器３２中を通流する冷
媒は、水処理装置６と水蒸気分離器４との間に設けられ
た加熱用熱交換器２４を経由して循環し、加熱用熱交換
器２４で水処理装置６で高純度化した反応生成水あるい
は補給水と熱交換して前記反応生成水あるいは補給水を
加熱する。このような構成により、電力変換装置３１で
生じた熱を有効に利用して水蒸気分離器4に付設された
加熱器８の所要投入電力を低減して発電効率を上げてい
る。
【０００６】また、上記の熱交換器２１、２２、２３の
冷却用配管は、いずれも冷却水を還流する配管を介して
排熱回収装置４０に連結されており、各冷却用熱交換器
に低温の冷却水を送り各冷却用熱交換器で加熱されて得
られた高温水を還流することにより排熱の回収を行って
いる。一方、特開平9-161829号公報には、電力変換装置
で生じる熱を電池冷却水系の電池冷却水を利用して冷却
する構成が開示されている。図３にその冷却水系統を示
す。本従来例では、電池冷却水系統の電池冷却水ポンプ
１４の下流側の電池冷却水供給配管６４には、電池冷却
水を分流する分流点が設けられ、この分流点には電力変
換装置３１に冷却水を供給する配管が接続されており、
電力変換装置３１から冷却水を排出する配管は、補給水
タンク５の上流側部分に設けられた合流点に接続されて
いる。このような構成において、電池冷却水系統の水処
理装置６で処理された電池冷却水は、分流点で分流して
電力変換装置３１に供給される。そして、電力変換装置
３１で生じた熱を吸収した冷却水は放熱用冷却塔５０で
放熱された後、電池冷却水系統の冷却水と合流する。
【０００７】このように従来、液冷式半導体素子を用い
た電力変換装置を備えた燃料電池発電装置において、電
力変換装置の半導体素子で生じる熱を有効に利用する構
成や、電力変換装置の冷却水として、燃料電池発電装置
の電池冷却水を利用する構成などが提案されていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかし、図２に示す特
開平9-213355号の構成においては、電力変換装置３１の
冷却器３２で冷媒が吸収した熱を水蒸気分離器４に供給
する反応生成水及び補給水の昇温に利用するために、加
熱用熱交換器２４および冷媒を循環させるためのポンプ
１５を新たに設ける必要が生じる。
【０００９】一方、電池冷却水の水処理装置にはイオン
交換樹脂膜が使われている為、樹脂の性能維持のために
適正流量の水を常時通水しておく必要がある。そして、
水処理装置の適正流量に比べて電力変換装置の冷却器に
必要な冷却水の流量が大きいため、図３の特開平9-1618
29号公報の冷却水系統のように電力変換装置の冷却器と
水処理装置とを直列に配列すると、水処理装置には電力
変換装置の冷却器が必要とする流量の水を通流すること
となり、水処理装置の適正流量を大きく上回ることとな
る。このため、水処理装置のイオン交換樹脂の性能が悪
化するほか、水処理装置の圧力損失値が増大してポンプ
の消費動力が大きくなるという問題があった。
【００１０】本発明の目的は、上記問題を解決するとと
もに、さらに、水冷式の半導体素子を用いた電力変換装
置で生じる熱も有効に回収して利用され、高効率で運転
できる燃料電池発電装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明においては、燃料電池本体と、燃料電池本体
の空気極からの排ガス中の水分を貯液する補給水タンク
と、前記補給水タンクからの水を純化する水処理装置
と、水冷式半導体素子を用いた電力変換装置を備えた燃
料電池発電装置において、前記補給水タンクと前記水処
理装置との間を連結する水処理系配管に、前記水処理系
配管を通流する水の一部を前記電力変換装置の冷却器に
供給する配管が接続されてなる分流点と前記冷却器を通
流した後の冷却水を前記水処理系配管に還流する配管が
接続されてなる合流点とを形成し、前記分流点を前記合
流点よりも前記水処理系配管の下流側に設けることとし
た。
【００１２】上記のような構成により、電力変換装置の
冷却器へ供給される水は、水処理装置の上流側の水処理
系配管で分流され、この分流点よりもさらに上流側で合
流し、水処理装置の上流側の水処理系配管の一部を介し
て循環する。また、前記水処理系配管の前記合流点と前
記分流点の間に熱交換器を設け、この熱交換器の冷媒が
吸収した熱を排熱回収装置により回収する構成とするこ
とにより、冷却器に供給される水はこの熱交換器を通流
する際に降温し、冷却器で生じた熱も回収される。
【００１３】さらに、前記水処理系配管の前記分流点よ
りも上流側に水処理装置により処理された純水の一部を
還流する配管を接続することにより、補給水タンクから
補給される純度の低い水が水処理装置により処理された
純水により希釈され、冷却器へ供給される水として用い
られる。
【００１４】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の燃料電池発電装
置の反応ガス系および冷却水系の模式系統図である。図
１において、図２及び３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が付されており、重複する説
明は省略する。
【００１５】図１中、補給水戻り配管６２は、常時一定
流量の水を水処理装置６に通水させてイオン交換樹脂の
性能を維持するために、水処理装置６で処理された反応
生成水または補給水の一部を還流させる配管である。ま
た、熱交換器２５は、水処理装置６へ流入する水の温度
を低下させるための冷却用熱交換器であり、これは、水
処理装置６のイオン交換樹脂には高温での使用に対する
制約があるため従来から設けられていたものである。
【００１６】本発明の構成と従来技術との差異は、補給
水タンク５と水処理装置６との間を連結する水処理系配
管６１に、電力変換装置３１の冷却器３２を通流した後
の冷却水を通流させる配管が接続された合流点Ｘと、合
流点Ｘよりも下流側に電力変換装置３１の冷却器３２へ
と冷却水を供給するための配管が接続された分流点Ｙと
が設けられ、熱交換器２５が合流点Ｘと分流点Ｙとの間
に配設されている点にある。
【００１７】本発明の燃料電池発電装置においては、水
処理系配管６１を通流する冷却水の一部は、分流点Ｙで
電力変換装置冷却水系６３へと分流し、電力変換装置３
１の冷却器３２で電力変換装置３１内の半導体素子で生
じた熱を吸収して昇温された後合流点Ｘへと還流し、補
給水タンク５からの反応生成水または補給水、及び補給
水戻り配管６２により還流された純水と合流する。合流
点Ｘを通過した混合水は熱交換器２５で降温された後、
分流点Ｙで一部が電力変換装置冷却水系６３へ、残りは
水処理装置６へと通流される。水処理装置６で純化され
た水は、補給水戻り配管６２により全部が還流される
か、又は、水蒸気分離器４内の貯水が所定水位を下回っ
た場合に一部がポンプ１６により水蒸気分離器４へと供
給される。さらに、熱交換器２５の冷媒が前記混合水か
ら吸収した熱は、排熱回収装置４０により回収され、有
効利用される。
【００１８】上述の構成においては、水処理系配管６１
の水処理装置６よりも上流側に分流点Ｙを設けることに
より、電力変換装置３１の冷却器３２へ供給する冷却水
を水処理装置６の手前で分流させて水処理装置６に適正
流量の水を通流させることができる。また、電力変換装
置冷却水系６３を通流した冷却水が水処理系配管６１に
流入する合流点Ｘを補給水タンク５の下流側に設けたこ
とにより、電力変換装置３１の冷却器３２を通流した冷
却水は、補給水タンク５中に貯水された純度の低い反応
生成水又は補給水の全量と混合されることなく補給水タ
ンク５から水蒸気分離４へ補給される流量分の反応生成
水又は補給水とのみ混合され、さらに補給水戻り配管６
２により還流された純水も合流し混合されるので、電力
変換装置３１の冷却器３２に要求される水質を維持する
ことができる。また、熱交換器２５の冷媒が吸収した熱
を排熱回収装置４０で回収する構成としたので、電力変
換装置３１で発生した熱も回収され有効利用できる。
【００１９】なお、図１に示す実施例では、補給水戻り
配管６２を通流した純水は、合流点Ｘと補給水タンク５
との間の水処理系配管６１に還流する構成としている
が、これに限られず、分流点Ｙよりも上流側で水処理系
配管６１に還流させる構成であれば、合流点Ｘよりも下
流側の水処理系配管６１に還流させる構成としてもよ
い。
【００２０】
【発明の効果】上述のように、本発明の請求項１に係る
発明の構成とすることにより、電力変換装置の冷却器へ
供給される水は水処理装置の上流側で分流されるので、
水処理装置には過大な流量の水を供給することなく適正
流量の水を通流することが可能となった。これにより、
水処理装置のイオン交換樹脂の性能が悪化することなく
長時間の使用が可能となり、さらに水処理装置の圧力損
失を小さくできるのでポンプの消費動力の省力化ができ
た。また、補給水タンクの下流側に電力変換装置の冷却
器を通流した冷却水を還流することにより、前記冷却水
が補給水タンク内の純度の低い貯水の全量と混合するこ
となく適宜補給水タンクから補給される流量分のみと混
合するので、水質低下が小さく抑えられ、水処理装置の
上流側で電力変換装置の冷却器へ冷却水を分流すること
が可能となる。
【００２１】さらに、本発明の請求項２に係る発明の構
成とすることにより、従来水処理装置を通流させる水の
温度をイオン交換樹脂の使用可能温度まで低減させるた
めに設けられていた熱交換器を利用して新たな機器を追
加することなく電力変換装置で生じた熱も有効に回収し
利用に供することが可能となり、装置の複雑化を招くこ
となく高効率で運転できる燃料電池発電装置が得られ
る。
【００２２】またさらに、本発明の請求項３に係る発明
の構成とすることにより、補給タンクから補給される純
度の低い水が、電力変換装置の冷却水に加えて水処理装
置で処理された純水により希釈され、電力変換装置に純
度の高い冷却水を循環することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池発電装置の実施の形態を示す
反応ガス系および冷却水系の模式系統図
【図２】従来の燃料電池発電装置の反応ガス系および冷
却水系の第１構成例の模式系統図
【図３】従来の燃料電池発電装置の冷却水系の第２構成
例の模式系統図
【符号の説明】
１ 燃料電池本体 ２ 原燃料改質器 ３ エゼクタ ４ 水蒸気分離器 ５ 補給水タンク ６ 水処理装置 ７ バーナ ８ 加熱器 １１ ブロア １２ ブロア １３ ポンプ １４ ポンプ １５ 熱媒体用ポンプ １６ ポンプ ２１ 冷却用熱交換器 ２２ 冷却用熱交換器 ２３ 冷却用熱交換器 ２４ 加熱用熱交換器 ２５ 冷却用熱交換器 ３１ 電力変換装置 ３２ 冷却器 ４０ 排熱回収装置 ５０ 放熱用冷却塔 ６１ 水処理系配管 ６２ 補給水戻り配管 ６３ 電力変換装置冷却水系 ６４ 電池冷却水供給配管

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】燃料電池本体と、燃料電池本体の空気極か
    らの排ガス中の水分を貯液する補給水タンクと、水処理
    装置と、水冷式半導体素子を用いた電力変換装置を備え
    た燃料電池発電装置であって、 前記補給水タンクと前記水処理装置との間を連結する水
    処理系配管に、前記水処理系配管を通流する水の一部を
    前記電力変換装置の冷却器に供給する配管が接続されて
    なる分流点と前記冷却器を通流した後の冷却水を前記水
    処理系配管に還流する配管が接続されてなる合流点とを
    有し、前記分流点が前記合流点よりも前記水処理系配管
    の下流側にあることを特徴とする燃料電池発電装置。
  2. 【請求項２】前記水処理系配管の前記合流点と前記分流
    点の間に設けられた熱交換器により前記水処理系配管を
    通流する水を降温するとともに、前記熱交換器の冷媒が
    吸収した熱を排熱回収装置により回収することを特徴と
    する請求項１記載の燃料電池発電装置。
  3. 【請求項３】前記水処理系配管の前記分流点よりも上流
    側に、水処理装置により処理された水の一部を還流する
    配管が接続されてなることを特徴とする請求項１または
    ２に記載の燃料電池発電装置。
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