JP2002008689A - 燃料電池発電システムおよびその運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 設備コストおよび運転コストの削減が可能と
なる燃料電池発電システムを提供する。 【解決手段】 冷却水循環系を有する燃料電池１と、こ
の燃料電池１の冷却水となる給水を貯留する給水貯留槽
２と、この給水貯留槽２の給水を処理して冷却水として
燃料電池１に供給する水処理系３と、水を加温する加温
手段４と、この加温手段４により得られた温水を貯留す
る温水貯留槽５と、温水貯留槽５内の温水からの水蒸気
を凝縮させた凝縮水を給水貯留槽２に供給する凝縮水供
給系６を備えた燃料電池発電システム。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、天然ガス等の燃料
を水蒸気改質して水素ガスを含む燃料ガスを生成させ、
この燃料ガスを空気中の酸素等の酸化性ガスと電気化学
的に反応させて発電を行う燃料電池を用いた発電システ
ムおよびその運転方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、燃料電池発電システムでは、燃
料電池における発電効率を高く維持するために、燃料電
池内の温度を調整する冷却水が用いられる。冷却水は、
通常、予め脱塩などの処理が施されて使用される。図５
は、従来の燃料電池発電システムを示すもので、この燃
料電池発電システムは、燃料電池１と、燃料電池１の冷
却水となる給水を貯留する給水貯留槽２と、給水貯留槽
２の給水を浄化処理して冷却水として燃料電池１に供給
する水処理系３と、燃料電池１の排熱を利用して水を加
温する排熱回収熱交換器４と、熱交換器４を用いて得ら
れた温水を貯留する温水貯留槽５と、給水貯留槽２に補
給水を供給する補給水供給経路４１とを備えている。

【０００３】燃料電池１は、燃料電池１から排出される
排ガス中の水蒸気を凝縮水として回収する排ガス凝縮水
回収熱交換器１７を備えている。水処理系３は、イオン
交換式脱塩処理装置等の水処理装置１９と、送液ポンプ
Ｐ１とを備えている。温水貯留槽５は、槽内の温水を熱
利用設備（図示略）に供給することができるように構成
されている。

【０００４】上記燃料電池発電システムにおいては、燃
料電池１において、天然ガス等の燃料を水蒸気改質して
水素ガスを含む燃料ガスを生成させ、この燃料ガスを空
気中の酸素等の酸化性ガスと電気化学的に反応させて発
電を行うとともに、排ガス凝縮水回収熱交換器１７にお
いて、排ガス中の水蒸気を冷却して凝縮させて回収し、
給水貯留槽２に貯留する。また給水貯留槽２内には、必
要に応じて市水などの補給水を補給水供給経路４１を通
して供給する。給水貯留槽２内には、市水などの補給水
等に由来するイオン（炭酸イオン、金属イオン等）や固
形物等の不純物が混入するため、給水貯留槽２内の給水
は、水処理系３の水処理装置１９によって不純物を除去
した後に、冷却水として燃料電池１に供給する。これに
よって冷却水循環経路におけるスケール発生等を防ぐこ
とができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記燃
料電池発電システムでは、水処理装置１９に与えられる
負荷が大きいため水処理装置１９として複雑かつ大型の
ものを使用する必要があり、設備コストが高騰する問題
があった。またイオン交換式脱塩装置を使用する場合等
には再生処理コストなどの運転コストが嵩むという問題
があった。本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、
設備コストおよび運転コストの削減が可能となる燃料電
池発電システムおよびその運転方法を提供することを目
的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の燃料電池発電シ
ステムは、冷却水循環系を有する燃料電池と、この燃料
電池の冷却水となる給水を貯留する給水貯留槽と、この
給水貯留槽の給水を処理して冷却水として燃料電池に供
給する水処理系と、水を加温する加温手段と、この加温
手段により得られた温水を貯留する温水貯留槽と、温水
貯留槽内の温水からの水蒸気を凝縮させた凝縮水を給水
貯留槽に供給する凝縮水供給系を備えていることを特徴
とする。加温手段は、燃料電池において発電時に生成す
る熱を利用して水を加温できるように構成することがで
きる。凝縮水供給系は、温水貯留槽内の温水からの水蒸
気を凝縮させて回収する凝縮水回収熱交換器と、この熱
交換器において回収された凝縮水を給水貯留槽に供給す
る凝縮水供給経路を備え、凝縮水回収熱交換器が、温水
貯留槽内の温水からの水蒸気を、温水貯留槽への補給水
により冷却して凝縮させることができるようにされた構
成とすることができる。また温水貯留槽内に、槽内を複
数の槽内空間に区画する隔壁が設けられ、この隔壁が、
加温手段で加温された温水が前記槽内空間のうち１つに
導入され、かつこの槽内空間内の温水からの水蒸気が凝
縮水供給系に供給される構成を採用することができる。
また本発明では、上記燃料電池発電システムを運転する
にあたり、温水貯留槽内の温水からの水蒸気を凝縮させ
た凝縮水を給水貯留槽に供給する運転方法を採ることが
できる。

【０００７】

【発明の実施の形態】図１および図２は、本発明の燃料
電池発電システムの第１の実施形態を示すもので、ここ
に示す燃料電池発電システムは、燃料電池１と、燃料電
池１の冷却水となる給水を貯留する給水貯留槽２と、給
水貯留槽２の給水を浄化処理して冷却水として燃料電池
１に供給する水処理系３と、燃料電池１の排熱を利用し
て水を加温する加温手段である排熱回収熱交換器４と、
熱交換器４を用いて得られた温水を貯留する温水貯留槽
５と、温水貯留槽５内の温水からの水蒸気を凝縮させた
凝縮水を給水貯留槽２に供給する凝縮水供給系６を備え
ている。

【０００８】図２に示すように、燃料電池１は、燃料電
池本体１１と、燃料を水蒸気改質する改質器１２と、燃
料電池本体１１を冷却する冷却水を循環させる冷却水循
環経路１３と、改質器１２で利用される水蒸気の供給源
となる水蒸気分離器１４と、冷却水を冷却する熱交換器
１５と、この熱交換器１５において冷却水と熱交換する
系内水の循環経路１６と、燃料電池１から排出される排
ガス中の水蒸気を凝縮させて回収する排ガス凝縮水回収
熱交換器１７とを主な構成要素とする。

【０００９】燃料電池本体１１は、燃料極２１と空気極
２２とが電解質２３を挟むように電極板２４、２５を介
して配置されて構成されている。水蒸気分離器１４は、
冷却水循環経路１３に設けられ、冷却水から水蒸気を分
離することができるようになっている。改質器１２は、
燃料供給経路２６から供給された燃料を、水蒸気分離器
１４から水蒸気供給経路２７を通して供給された水蒸気
によって改質し、水素を含む燃料ガスを生成させること
ができるようになっている。

【００１０】排ガス凝縮水回収熱交換器１７は、系内水
循環経路１６に設けられており、改質器１２および空気
極２２から排出経路２８、２９を通して排出された排ガ
ス中の水蒸気を、系内水により冷却して凝縮させて回収
することができるようになっている。

【００１１】図１に示すように、水処理系３は、水処理
装置１９と、送液ポンプＰ１を備えている。水処理装置
１９としては、イオンや固形物などの不純物を除去する
処理装置を用いることができ、イオン交換樹脂を用いた
イオン交換式脱塩処理装置、逆浸透膜を用いた膜分離式
脱塩装置、限外ろ過膜を用いた膜分離装置等が使用可能
である。

【００１２】図１および図２に示すように、排熱回収熱
交換器４は、系内水循環経路１６に設けられており、温
水貯留槽５から温水循環経路３０の供給経路３０ａを通
して供給された水を、系内水によって加温することがで
きるようになっている。

【００１３】温水貯留槽５は、槽内の温水を熱利用設備
（図示略）に供給することができるようになっている。
図１に示すように、温水貯留槽５には、温水貯留槽５内
に補給水を供給する補給水供給経路３６が接続されてお
り、熱利用設備（図示略）への温水供給によって温水貯
留槽５内の水量が不足した場合に、温水貯留槽５内に補
給水を供給することができるようになっている。

【００１４】本実施形態の燃料電池発電システムにおい
て、凝縮水供給系６は、温水貯留槽５内の温水からの水
蒸気を凝縮させて回収する温水凝縮水回収熱交換器７
と、熱交換器７において回収された凝縮水を給水貯留槽
２に供給する凝縮水供給経路８とを備えている。温水凝
縮水回収熱交換器７は、温水貯留槽５に補給水を供給す
る補給水供給経路３６に設けられており、貯留槽５上部
の導出経路３７を通して導出される温水貯留槽５内ガス
中の水蒸気を、補給水供給経路３６を流れる補給水によ
り冷却して凝縮させ、凝縮水として回収することができ
るようになっている。

【００１５】以下、上記燃料電池発電システムの使用方
法について説明する。図２に示すように、この燃料電池
発電システムにおいては、脱硫された天然ガス、ナフサ
等の燃料を、燃料供給経路２６を通して改質器１２に供
給し、この燃料を、水蒸気分離器１４から水蒸気供給経
路２７を通して供給された水蒸気によって改質し、水素
を含む燃料ガスを生成させる。この燃料ガスを、燃料ガ
ス供給経路３１を通して一酸化炭素変成器等（図示略）
を経て燃料電池本体１１の燃料極２１に供給するととも
に、空気などの酸化性ガスを、酸化性ガス供給経路３２
を通して空気極２２に供給し、これら燃料ガスと酸化性
ガスとを電気化学的に反応させ、発電を行う。

【００１６】改質器１２からの燃料系排ガスは、排出経
路２８を通して排ガス凝縮水回収熱交換器１７を経由し
て系外に排出される。また空気極２２からの酸化系排ガ
スは、排出経路２９を通して排出経路２８内の燃料系排
ガスに合流し、凝縮水回収熱交換器１７を経て系外に排
出される。

【００１７】冷却水循環経路１３では、冷却水が循環す
ることによって、燃料電池本体１１が予め設定された温
度を維持するように冷却され、この際、冷却水は加温さ
れて高温となり水蒸気分離器１４に導入される。水蒸気
分離器１４では、冷却水から水蒸気が分離され、その一
部が水蒸気供給経路２７を通して改質器１２に供給され
る。水蒸気分離器１４を経た冷却水は、熱交換器１５に
おいて、系内水循環経路１６を流れる系内水と熱交換し
て冷却された後、再び燃料電池本体１１へ導入され、以
後、この循環過程が繰り返される。

【００１８】系内水循環経路１６を流れる系内水は、熱
交換器１５において冷却水を冷却するとともに、排ガス
凝縮水回収熱交換器１７において、排出経路２８中の燃
料系および酸化系の排ガスを冷却し、排ガス中の水蒸気
を凝縮させる。排ガス凝縮水回収熱交換器１７において
回収された凝縮水は、凝縮水回収経路３３を通して給水
貯留槽２に送られる。

【００１９】熱交換器１５、１７において加温された系
内水は、排熱回収熱交換器４において、送液ポンプＰ２
により供給経路３０ａから供給された水を加温する。加
温された温水は、返送経路３０ｂを通して温水貯留槽５
に送られる。このように、排熱回収熱交換器４において
は、燃料電池本体１１で発電時に生成する熱（排熱）で
高温となった冷却水により加温された系内水との熱交換
により水の加温が行われる。

【００２０】また、熱利用設備（図示略）への温水供給
によって温水貯留槽５内の水量が不足した場合には、補
給水供給経路３６を通して温水貯留槽５内に市水などの
補給水を供給する。

【００２１】冷却水循環経路１３を流れる冷却水は、そ
の一部が水蒸気分離器１４において水蒸気として分離さ
れ、経路２７を通して冷却水循環経路１３から導出され
るため、これにより不足した冷却水を補給する必要があ
る。このため、給水貯留槽２内の給水を、送液ポンプＰ
１によって水処理装置１９に導入して不純物を除去し、
得られた処理水を冷却水補給経路３５を通して冷却水と
して冷却水循環経路１３に供給する。

【００２２】本実施形態の燃料電池発電システムでは、
冷却水の補給を行うことによって給水貯留槽２内の水量
が減少した際に、凝縮水供給系６を用いて次のようにし
て給水貯留槽２内への水の補給を行う。温水貯留槽５内
の水は温水であるため、温水貯留槽５内の気相における
水蒸気圧は高く、導出経路３７を通して導出される温水
貯留槽５内ガスは、多量の水蒸気を含むものとなる。こ
の水蒸気含有ガスが導出経路３７を通して温水凝縮水回
収熱交換器７に導入されると、ガス中の水蒸気は、補給
水供給経路３６を流れる補給水（市水など）に冷却され
凝縮する。

【００２３】この凝縮水を、凝縮水供給経路８を通して
補給水として給水貯留槽２に供給する。この凝縮水は、
イオンなどの不純物濃度が低い蒸留水であるため、給水
貯留槽２内への不純物混入量が最小限に抑えられ、給水
貯留槽２内の不純物濃度が低くなり、水処理装置１９に
与えられる脱塩処理等の負荷が軽減される。従って、水
処理装置１９の処理能力を低く設定することができ、水
処理系３に要する設備コストを削減し、しかもイオン交
換樹脂の再生処理コストなどの運転コストを低く抑える
ことができる。また水処理装置１９の処理能力を低く設
定することができることから、装置を小型化し、その設
置スペースを小さくすることができる。

【００２４】また排熱回収熱交換器４は、燃料電池１に
おいて発電時に生成する熱を排熱として利用して水を加
温できるように構成されているので、排熱を有効に利用
して温水を得ることができ、エネルギー効率の向上が可
能となる。

【００２５】また、凝縮水供給系６の温水凝縮水回収熱
交換器７が、温水貯留槽５内ガス中の水蒸気を、補給水
供給経路３６を流れる補給水により冷却して凝縮させる
ことができるように構成されているので、凝縮水供給系
６において水蒸気を凝縮させるにあたって、別途冷却媒
体を使用する必要がなくなり、運転コストをいっそう低
く抑えることができる。

【００２６】図３は、本発明の燃料電池発電システムの
第２の実施形態を示すもので、ここに示す燃料電池発電
システムでは、温水貯留槽５に、槽内を２つの槽内空間
である上部および下部空間５ａ、５ｂに区画する隔壁２
０が設けられている。

【００２７】隔壁２０は、上部空間５ａ内の温水の温度
を高く維持し、温水凝縮水回収熱交換器７に導入される
水蒸気量を高めるためのもので、上部空間５ａと下部空
間５ｂとの間の温水の流通を可能とする流通口２０ａを
有する。この流通口２０ａの内径は、下部空間５ｂ内の
水が上部空間５ａ内に流入するのを制限することができ
るように設定される。隔壁２０は、ステンレス鋼などの
金属や、ポリ塩化ビニルなどの合成樹脂からなるものと
することができる。特に、断熱性能に優れた合成樹脂を
用いるのが好ましい。

【００２８】温水循環経路４０の供給経路４０ａおよび
返送経路４０ｂは、それぞれ温水貯留槽５の下部および
上部に接続されており、排熱回収熱交換器４によって加
温された水が返送経路４０ｂを通して上部空間５ａに導
入された後、流通口２０ａを通って下部空間５ｂに流
れ、下部空間５ｂから供給経路４０ａに流れるようにさ
れている。温水貯留槽５の下部には、下部空間５ｂ内に
補給水を供給する補給水供給経路３８が接続されてお
り、熱利用設備（図示略）への温水供給によって温水貯
留槽５内の水量が不足した場合に、下部空間５ｂ内に補
給水を供給することができるようになっている。

【００２９】この燃料電池発電システムでは、排熱回収
熱交換器４で加温され返送経路４０ｂを通して温水貯留
槽５に返送された高温の温水が、隔壁２０より上部の上
部空間５ａ内に導入される。上部空間５ａに導入された
高温の温水が蒸発した水蒸気は導出経路３７を通して温
水凝縮水回収熱交換器７に導入され、凝縮水となって凝
縮水供給管路８を通して給水貯留槽２に供給される。

【００３０】上部空間５ａ内の温水は、温水循環経路４
０における循環流に従い、流通口２０ａを通過して下部
空間５ｂに流入する。温水貯留槽５内の温水は、外気に
より冷却されその温度が徐々に低下するため、温水貯留
槽５内における温水循環流の下流側に相当する下部空間
５ｂでは、上流側に相当する上部空間５ａに比べ温水の
温度が低くなる。比較的低温となった下部空間５ｂ内の
温水は供給経路４０ａを通して排熱回収熱交換器４に供
給される。

【００３１】本実施形態の燃料電池発電システムでは、
上記第１の実施形態の燃料電池発電システムと同様に、
水処理系３に供給される給水中の不純物濃度を低くし、
水処理系３に与えられる負荷を軽減し、装置の小型化を
図ることができ、設備コストおよび運転コストを低く抑
えることができる。さらに、本実施形態の燃料電池発電
システムでは、温水貯留槽５内を上部および下部空間５
ａ、５ｂに区画する隔壁２０を設けることによって、上
部空間５ａ内の温水の温度を高く維持し、上部空間５ａ
内の気相における水蒸気圧を高くし、温水凝縮水回収熱
交換器７に導入されるガス中の水蒸気含有量を高め、熱
交換器７における凝縮水の回収効率を向上させることが
できる。よって、不純物濃度が低い蒸留水である凝縮水
の給水貯留槽２への供給量を高め、給水貯留槽２内の不
純物濃度を低くし、水処理装置１９に与えられる脱塩処
理等の負荷を軽減することができる。従って、水処理装
置１９の処理能力を低く設定することができ、いっそう
の設備コストおよび運転コストの削減を図ることができ
る。

【００３２】なお、上記実施形態の燃料電池発電システ
ムでは、加温手段として、燃料電池１の排熱を利用する
排熱回収熱交換器４を設けたが、本発明の燃料電池発電
システムでは、熱利用設備に供給するべき水を加温する
加温手段は、燃料電池１の排熱を利用するものに限定さ
れない。例えば、図４に示すように、排熱回収熱交換器
４に代えて、温水貯留槽５に、槽内の水を加温するヒー
タ５１を設けることもできる。

【００３３】また上記実施形態の燃料電池発電システム
では、排ガス凝縮水回収熱交換器１７で回収された給水
を冷却水として利用し得る構成を示したが、本発明の燃
料電池発電システムはこれに限らず、排ガス中の水蒸気
の回収を行わず、市水などの補給水を専ら給水として利
用する構成とすることも可能である。また、本発明の燃
料電池発電システムでは、水処理系に供給される供給水
中の不純物濃度を低く維持することができるため、水処
理系を省いた構成とすることができる。また、本発明で
は、冷却水循環経路を、冷却水が燃料電池本体１１、水
蒸気分離器１４を経て凝縮水回収経路３３を通して給水
貯留槽２に導入されるように構成することもできる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の燃料電池
発電システムは、温水貯留槽内の温水からの水蒸気を凝
縮させた凝縮水を給水貯留槽に供給する凝縮水供給系を
備えているので、イオンや固形物等の不純物の濃度が低
い蒸留水である凝縮水を補給水として給水貯留槽に供給
することができ、水処理系に与えられる脱塩処理等の負
荷を軽減することができる。従って、水処理系の処理能
力を低く設定することができ、設備コストおよび運転コ
ストを低く抑えることができる。

【００３５】また加温手段を、燃料電池において発電時
に生成する熱を利用して水を加温できるように構成する
ことによって、燃料電池で生成する排熱を有効に利用し
て温水を得ることができ、エネルギー効率の向上が可能
となる。

【００３６】また凝縮水供給系を、温水からの水蒸気を
凝縮させて回収する凝縮水回収熱交換器と、回収された
凝縮水を給水貯留槽に供給する凝縮水供給経路を備え、
凝縮水回収熱交換器が、温水からの水蒸気を、温水貯留
槽への補給水により冷却して凝縮させることができるよ
うに構成することによって、凝縮水供給系において水蒸
気を凝縮させるにあたって、別途冷却媒体を使用する必
要がなくなり、運転コストをいっそう低く抑えることが
できる。

【００３７】また温水貯留槽内に、槽内を複数の槽内空
間に区画する隔壁が設けられ、この隔壁が、加温手段で
加温された温水が前記槽内空間のうち１つに導入され、
かつこの槽内空間内の温水からの水蒸気が凝縮水供給系
に供給される構成を採用することによって、凝縮水供給
系に水蒸気が供給される槽内空間内の温水の温度を高く
維持し、この槽内空間内の気相における水蒸気圧を高く
し、凝縮水供給系に導入されるガス中の水蒸気含有量を
高め、凝縮水の回収効率を向上させることができる。従
って、不純物濃度が低い凝縮水の給水貯留槽への供給量
を多くし、水処理系に与えられる脱塩処理等の負荷を軽
減し、いっそうの設備コストおよび運転コスト削減を図
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システムの第１の実
施形態を示す構成図である。

【図２】 図１に示す燃料電池発電システムの燃料電
池を示す構成図である。

【図３】 本発明の燃料電池発電システムの第２の実
施形態を示す構成図である。

【図４】 本発明の燃料電池発電システムの第３の実
施形態を示す構成図である。

【図５】 従来の燃料電池発電システムの一例を示す
構成図である。

【符号の説明】

１・・・燃料電池、２・・・給水貯留槽、３・・・水処理系、４・
・・排熱回収熱交換器（加温手段）、５・・・温水貯留槽、
５ａ・・・上部空間（槽内空間）、５ｂ・・・下部空間（槽内
空間）、６・・・凝縮水供給系、７・・・温水凝縮水回収熱交
換器（凝縮水回収熱交換器）、８・・・凝縮水供給経路、
１３・・・冷却水循環経路、２０・・・隔壁、５１・・・ヒータ
（加温手段）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷却水循環系を有する燃料電池と、こ
   の燃料電池の冷却水となる給水を貯留する給水貯留槽
   と、この給水貯留槽の給水を処理して冷却水として燃料
   電池に供給する水処理系と、水を加温する加温手段と、
   この加温手段により得られた温水を貯留する温水貯留槽
   とを備えた燃料電池発電システムにおいて、 温水貯留槽内の温水からの水蒸気を凝縮させた凝縮水を
   給水貯留槽に供給する凝縮水供給系を備えていることを
   特徴とする燃料電池発電システム。
2. 【請求項２】 加温手段は、燃料電池において発電時
   に生成する熱を利用して水を加温できるように構成され
   ていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電シ
   ステム。
3. 【請求項３】 凝縮水供給系は、温水貯留槽内の温水
   からの水蒸気を凝縮させて回収する凝縮水回収熱交換器
   と、この熱交換器において回収された凝縮水を給水貯留
   槽に供給する凝縮水供給経路を備え、 凝縮水回収熱交換器が、温水貯留槽内の温水からの水蒸
   気を、温水貯留槽への補給水により冷却して凝縮させる
   ことができるように構成されていることを特徴とする請
   求項１または２記載の燃料電池発電システム。
4. 【請求項４】 温水貯留槽内に、槽内を複数の槽内空
   間に区画する隔壁が設けられ、 この隔壁は、加温手段で加温された温水が前記槽内空間
   のうち１つに導入され、かつこの槽内空間内の温水から
   の水蒸気が凝縮水供給系に供給されるように構成されて
   いることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項
   記載の燃料電池発電システム。
5. 【請求項５】 冷却水循環系を有する燃料電池と、こ
   の燃料電池の冷却水となる給水を貯留する給水貯留槽
   と、この給水貯留槽の給水を処理して冷却水として燃料
   電池に供給する水処理系と、水を加温する加温手段と、
   この加温手段により得られた温水を貯留する温水貯留槽
   とを備えた燃料電池発電システムを運転する方法であっ
   て、 温水貯留槽内の温水からの水蒸気を凝縮させた凝縮水を
   給水貯留槽に供給することを特徴とする燃料電池発電シ
   ステムの運転方法。