JP2002246060A - 燃料電池発電装置およびその運転方法 - Google Patents

燃料電池発電装置およびその運転方法

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JP2002246060A JP2001044538A JP2001044538A JP2002246060A JP 2002246060 A JP2002246060 A JP 2002246060A JP 2001044538 A JP2001044538 A JP 2001044538A JP 2001044538 A JP2001044538 A JP 2001044538A JP 2002246060 A JP2002246060 A JP 2002246060A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】コンパクトで安価な生成水回収系を備え、効果
的に水利用が行われる発電装置を得る。 【解決手段】空調設備１３を備えた特定建造物の発電設
備として設置される燃料電池発電装置で、燃料電池本体
３で生じた反応生成水と燃料改質器１で生じた燃焼生成
水を回収して適宜電池冷却水系へと送る生成水回収系を
備えるものにおいて、冷房運転時に空調設備１３より排
出される除湿水の一部を生成水回収系へ供給して電池冷
却水系への補給水として使用する。また、冬季に空冷式
熱交換器９Ａの性能向上に伴って過剰となる回収水の一
部を空調設備１３の加湿器１３ａへと送り、空調設備１
３の加湿運転に用いる。

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、据付け型の燃料
電池発電装置、特に空調設備を備えたビル等の特定建造
物に、使用電力を賄うための発電設備として設置される
燃料電池発電装置、ならびにその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】図２は、従来のこの種の燃料電池発電装
置の反応ガス系と冷却水系の基本構成例を示すフロー図
である。図において、１は燃料改質器、２はＣＯ変成
器、３は燃料電池本体、４は水蒸気分離器、５は電池冷
却水循環ポンプ、６は生成水回収装置、７は回収水循環
ポンプ、８は熱回収装置、９は水回収用空冷式熱交換器
であり、１０は回収水ポンプ、１１は水処理装置、１２
は給水ポンプである。
【０００３】図に見られるように、外部から導入した原
燃料を水蒸気分離器４から供給される水蒸気と混合して
燃料改質器１に送り、水蒸気改質して水素濃度の高い改
質ガスとし、さらにＣＯ変成器２でＣＯ濃度を低減させ
る処理を行って得られた燃料ガスが、燃料電池本体３の
燃料極に供給される。
【０００４】また、燃料電池本体３の空気極には図示し
ないブロアーにより取り込まれた空気が供給される。燃
料極より排出された燃料極オフガスは、燃料改質器１の
燃焼器へと送られ、燃焼させて改質触媒の加熱に用いら
れる。燃焼生成水を含んだ約200℃の高温の燃焼排ガス
は生成水回収装置６へと送られ、生成水が回収される。
また、空気極より排出される約 160℃の空気極オフガス
には電気化学反応に伴う反応生成水が含まれており、こ
の反応生成水を回収するために、空気極オフガスも生成
水回収装置６へと送られる。電気化学反応は発熱反応で
あり、発電運転に伴って熱が発生する。
【０００５】このため、水蒸気分離器４の電池冷却水を
電池冷却水循環ポンプ５によって燃料電池本体３の冷却
機構へと送って冷却し、燃料電池本体３の温度を所定の
温度に保持している。電池冷却水は、燃料電池本体３の
発熱を吸収して高温の気液二相流となって水蒸気分離器
４へ戻され、電池冷却水と水蒸気とに分離される。分離
された水蒸気は上記の改質用水蒸気として用いられる。
本燃料電池発電装置は、外部から補給水を持ち込まなく
とも連続運転の可能な水自立式の装置として構成されて
おり、生成水回収装置６へ送られた燃焼排ガスに含まれ
る燃焼生成水および空気極オフガスに含まれる反応生成
水を回収し、その一部を電池冷却水循環系へ送って、水
蒸気改質用として使用される水蒸気量に相当する水量を
補っている。
【０００６】すなわち、生成水回収装置６においては、
凝縮水タンク６ｂに凝縮された約 50 ℃の回収水を、回
収水循環ポンプ７によって水回収用空冷式熱交換器９に
送り、大気冷却によって約 40 ℃に冷却したのち凝縮水
タンク６ｂの上部に備えられた排ガス冷却器６ａに送り
込み、約 200℃の燃焼排ガスや約 160℃の空気極オフガ
スと直交流で接触させることにより、これらのガスを約
50 ℃に冷却し、この温度降下によってガスに含まれる
水蒸気を凝縮させて回収水を取出している。取出された
回収水の一部は、回収水ポンプ１０によって水処理装置
１１へ送られて純化され、そののち給水ポンプ１２によ
って昇圧されて電池冷却水循環系へと送られており、こ
の純水の供給によって水蒸気改質用として使用された水
蒸気量に相当する水量が補われている。
【０００７】なお、回収水循環系の水回収用空冷式熱交
換器９の前段に組み込まれた熱回収装置８は、ユーザー
の要求に対応して適宜外部へ熱を取出すための装置で、
二次系に流れる外部からの水を加熱して利用するもので
ある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】上記のごとき従来の燃
料電池発電装置は、冷却水系が水自立式として構成され
ているため、外部から補給水を持ち込まなくとも連続し
て運転できるという優れた特徴を持つ。水自立式にする
ためには生成水を含んだ高温の燃焼排ガスおよび／ある
いは空気極オフガスを冷却して回収水を取出す必要があ
り、図２に示したごとく、水回収用空冷式熱交換器９を
備えた回収水循環系を通流させることによって回収水を
冷却する方法が採られている。
【０００９】しかしながら回収水を冷却するためには多
量の熱を外部へ取出す必要があり、組み込まれる水回収
用空冷式熱交換器９は大型の熱交換器となる。特に、こ
の空冷式の熱交換器は、大気温度によって性能が変化
し、大気温度が高いほど性能が低下するので、大気温度
が高くなる夏場の温度条件を基準に設計、製作されてい
る。このため、熱交換器はより大型となり、かつ高価と
なるという問題点がある。さらに、大気温度が低くなる
冬場には熱交換器の性能が上昇し、回収水量が過剰とな
るので、余剰の回収水は外部へ排出せざるをえないとい
う不具合を生じている。
【００１０】本発明の目的は、上記のごとき従来技術の
難点を解消し、大型の水回収用空冷式熱交換器を用いな
くとも電池冷却水量が適正に保持され、さらには、余剰
の回収水が有効に使用され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】上記の目的を達成するた
めに、本発明においては、燃料ガスと空気を導入して電
気化学反応により発電を行う燃料電池本体と、原燃料を
水蒸気改質して燃料ガスを得る燃料改質器と、燃料電池
本体に電池冷却水を循環供給するとともに燃料ガスの水
蒸気改質に用いられる水蒸気を供給する電池冷却水系
と、燃料電池本体で生じた反応生成水と燃料改質器で生
じた燃焼生成水のうち少なくともいずれか一方を凝縮さ
せて回収し、適宜電池冷却水系へと供給する生成水回収
系とを備える燃料電池発電装置で、かつ、空調設備を備
えた特定建造物の発電設備として設置されるものにおい
て、 （１）冷房運転時に上記の空調設備より排出される除湿
水の少なくとも一部を、空調設備より生成水回収系へと
供給する配管を備えることとする。
【００１２】（２）また、得られた回収水の一部を、生
成水回収系より空調設備の加湿器へと供給する配管を備
えることとする。 （３）さらに、（１）のごとく構成した燃料電池発電装
置を、空調設備の冷房運転時には、生成水を凝縮して得
た回収水の電池冷却水系への供給を停止し、空調設備の
除湿水の少なくとも一部を生成水回収系を介して電池冷
却水系へと導入して燃料電池発電装置を運転し、空調設
備の冷房運転が行われない時には、空調設備の除湿水の
供給を停止し、生成水を凝縮して得た回収水を生成水回
収系より電池冷却水系へと導入して燃料電池発電装置を
運転することとする。
【００１３】（４）また、（２）のごとく構成した燃料
電池発電装置を、空調設備の加湿運転時には、回収水の
少なくとも一部を生成水回収系より空調設備の加湿器へ
と供給して燃料電池発電装置を運転し、空調設備の加湿
運転が行われない時には、生成水回収系より空調設備の
加湿器への回収水の供給を停止して燃料電池発電装置を
運転することとする。
【００１４】空調設備を備えた特定建造物の発電設備と
して設置される燃料電池発電装置は、例えば 100 kW の
りん酸型燃料電池発電装置の場合、最大 50kW 相当の熱
エネルギーを冷房用として空調設備に供給することがで
きる。この空調設備で冷房運転を行うと、冷凍機の効率
は約 70 ％であるので、約 35kW の冷凍出力が得られ
る。この出力で冷房運転を行うと、冷却風量 120 m3/mi
n を吐出して約 400 m2の空調面積の室内温度を 35 ℃
から 20 ℃まで降下させることができる。このとき室内
空気の湿度を 75 ％（東京の８月の平均湿度）とすれ
ば、温度降下によって除湿されて凝縮する水の量は約 9
7 kg/hとなる。一方、100 kWのりん酸型燃料電池発電装
置を水自立方式により運転する際に電池冷却水循環系に
補給しなければならない回収水の量は 65 kg/hであるか
ら、上記の空調設備で冷房運転に伴って生じる除湿水を
用いれば、電池冷却水循環系への補給水が十分に賄え、
生成水回収系からの回収水の供給は不要となる。なお、
上記では50ｋＷを空調設備の冷房用に使用するものとし
ているが、約 35 kWの発電電力、したがって約 25 kWの
冷凍出力によって所要補給水量に相当する約 65 kg/hの
除湿水が得られるので、冷房用の電力がこの値以上であ
れば、生成水回収系からの回収水の供給は不要となる。
【００１５】したがって、上記（１）のごとく燃料電池
発電装置を構成し、さらに上記（３）のごとき方法によ
り運転することとすれば、生成水回収系は、空調設備の
冷房運転が行われない時期、すなわち大気の温度が低
く、空冷式熱交換器の効率の高い時期にのみ運転すれば
よいので、生成水回収系に用いる空冷式熱交換器の所要
伝熱面積は従来装置に比べて大幅に低減され、小型で安
価な空冷式熱交換器を組み込めばよいこととなる。
【００１６】また、生成水回収系に用いる空冷式熱交換
器は大気の温度が低くなればなるほど効率が高まり回収
される凝縮水の量も増大する。特に低温となる冬季には
凝縮水量が過剰となる。したがって、上記（２）のごと
く燃料電池発電装置を構成し、さらに上記（３）のごと
き方法により運転することとすれば、余剰の凝縮水が空
調設備の加湿運転に有効に使用され、水道使用料が低減
されることとなる。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下、本発明を実施例を用いて説
明する。図１は、本発明の燃料電池発電装置の反応ガス
系と冷却水系の基本構成例を示すフロー図である。本実
施例の構成の図１に示した従来例の構成との相違点の第
１は、生成水回収装置６の凝縮水タンク６ｂに凝縮され
た回収水を電池冷却水循環系へと送る配管に、冷房運転
時に空調設備１３より排出される除湿水を供給する配管
が連結されていることにあり、第２の相違点は、回収水
を電池冷却水循環系へと送る配管に、回収水の一部を空
調設備１３の加湿器１３ａへと送る分岐管が連結されて
いること、第３の相違点は、回収水循環系に組み込まれ
ている水回収用空冷式熱交換器９Ａが、従来例の構成の
水回収用空冷式熱交換器９に比べて大幅に小型化されて
いる点にある。
【００１８】すなわち、本実施例の構成では、夏季に空
調設備１３の冷房運転により得られる除湿水を除湿水タ
ンク１４に送りこみ、さらに除湿水回収ポンプ１５で除
湿水専用凝縮水タンク１６へと送りこんだのち、電池冷
却水循環系へと送っている。既に述べたように、冷房運
転で得られる除湿水の量は電池冷却水循環系が必要とす
る補給水量を賄うに十分な水量であるため、生成水回収
装置６の凝縮水タンク６ｂに凝縮された回収水を水を電
池冷却水循環系に送る必要はない。したがって、空調設
備１３の冷房運転時には、凝縮水タンク６ｂの回収水の
温度を通常運転時の約 50 ℃に限定する必要はなく、ユ
ーザー側の使用する熱回収装置８の要求に対応して、最
大100 ℃の範囲内で変更することができる。それゆえ、
水回収用空冷式熱交換器９Ａは、空調設備１３の冷房運
転時、すなわち大気温度が高く効率が低下する夏季には
回収水を低温へ冷却する必要がなく、大気温度が低く熱
交換器の効率が向上するシーズンにのみ回収水を低温へ
冷却すればよいので、従来例の構成で用いられていた水
回収用空冷式熱交換器９に比べて伝熱面積が半分以下の
小型の水回収用空冷式熱交換器９Ａにより所定の冷却が
可能となる。
【００１９】水回収用空冷式熱交換器９は、上記のよう
に大気温度が低下するとともに効率が向上し、特に温度
が低くなる冬季には効率が高くなる。したがって、多量
の回収水が凝縮水タンク６ｂに凝縮することとなる。回
収水を電池冷却水循環系へと送る配管と空調設備１３の
加湿器１３ａとの間に連結された分岐管は、冬季に余剰
となる凝縮水の一部を加湿器１３ａへと導入して室内の
乾燥防止に使用するためのものであり、給水ポンプ１２
で昇圧後の水が分岐、供給されている。
【００２０】なお、図１に示した実施例の構成では、除
湿水を除湿水タンク１４、さらに除湿水回収ポンプ１５
を用いて除湿水専用凝縮水タンク１６へと送りこんだの
ち、電池冷却水循環系へ供給するように構成している
が、空調設備１３から生成水回収装置６の凝縮水タンク
６ｂへ送ることとしてもよい。すなわち、凝縮水タンク
６ｂは大気開放タンクであるので、空調設備１３が凝縮
水タンク６ｂより高い位置にあれば、空調設備１３から
凝縮水タンク６ｂへ直接送ることとすればよく、空調設
備１３がほぼ同レベルか低い位置にある場合には、除湿
水タンク１４に一旦受けたのち除湿水回収ポンプ１５に
よって凝縮水タンク６ｂへ送ることとすればよい。
【００２１】
【発明の効果】上述のごとく、本発明においては、 （１）請求項１に記載のごとく燃料電池発電装置を構成
し、さらに請求項３に記載のごとき方法により運転する
こととしたので、生成水回収系に組み込まれる空冷式熱
交換器が小型となり、コンパクトで低コストの燃料電池
発電装置が得られることとなった。
【００２２】（２）また、請求項２に記載のごとく燃料
電池発電装置を構成し、さらに請求項４に記載のごとき
方法により運転することとすれば、余剰の回収水が空調
設備の加湿運転に有効に使用され、水道使用料が低減さ
れるので、運転コストの安い燃料電池発電装置として好
適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池発電装置の反応ガス系と冷却
水系の基本構成例を示すフロー図
【図２】従来のこの種の燃料電池発電装置の反応ガス系
と冷却水系の基本構成例を示すフロー図
【符号の説明】
１ 燃料改質器 ３ 燃料電池本体 ４ 水蒸気分離器 ５ 電池冷却水循環ポンプ ６ 生成水回収装置 ６ａ 排ガス冷却器 ６ｂ 凝縮水タンク ７ 回収水循環ポンプ ８ 熱回収装置 ９，９Ａ 水回収用空冷式熱交換器 １０ 回収水ポンプ １１ 水処理装置 １２ 給水ポンプ １３ 空調設備 １３ａ 除湿器 １４ 除湿水タンク １５ 除湿水回収ポンプ １６ 除湿水専用凝縮水タンク

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】燃料ガスと空気を導入して電気化学反応に
    より発電を行う燃料電池本体と、原燃料を水蒸気改質し
    て燃料ガスを得る燃料改質器と、燃料電池本体に電池冷
    却水を循環供給するとともに燃料ガスの水蒸気改質に用
    いられる水蒸気を供給する電池冷却水系と、燃料電池本
    体で生じた反応生成水と燃料改質器で生じた燃焼生成水
    のうち少なくともいずれか一方を凝縮させて回収し、適
    宜電池冷却水系へと供給する生成水回収系とを備える燃
    料電池発電装置で、かつ、空調設備を備えた特定建造物
    の発電設備として設置されるものにおいて、 冷房運転時に前記の空調設備より排出される除湿水の少
    なくとも一部を、空調設備より前記の生成水回収系へと
    供給する配管が備えられていることを特徴とする燃料電
    池発電装置。
  2. 【請求項２】燃料ガスと空気を導入して電気化学反応に
    より発電を行う燃料電池本体と、原燃料を水蒸気改質し
    て燃料ガスを得る燃料改質器と、燃料電池本体に電池冷
    却水を循環供給するとともに燃料ガスの水蒸気改質に用
    いられる水蒸気を供給する電池冷却水系と、燃料電池本
    体で生じた反応生成水と燃料改質器で生じた燃焼生成水
    のうち少なくともいずれか一方を凝縮させて回収し、適
    宜電池冷却水系へと供給する生成水回収系とを備える燃
    料電池発電装置で、かつ、空調設備を備えた特定建造物
    の発電設備として設置されるものにおいて、 得られた回収水の一部を、前記の生成水回収系より前記
    の空調設備の加湿器へと供給する配管が備えられている
    ことを特徴とする燃料電池発電装置。
  3. 【請求項３】請求項１に記載の燃料電池発電装置の運転
    方法において、 空調設備の冷房運転時には、生成水を凝縮して得た回収
    水の電池冷却水系への供給を停止し、空調設備の除湿水
    の少なくとも一部を生成水回収系を介して電池冷却水系
    へと導入して燃料電池発電装置を運転し、 空調設備の冷房運転が行われない時には、空調設備の除
    湿水の供給を停止し、生成水を凝縮して得た回収水を生
    成水回収系より電池冷却水系へと導入して燃料電池発電
    装置を運転することを特徴とする燃料電池発電装置の運
    転方法。
  4. 【請求項４】請求項２に記載の燃料電池発電装置の運転
    方法において、 空調設備の加湿運転時には、回収水の少なくとも一部を
    生成水回収系より空調設備の加湿器へと供給して燃料電
    池発電装置を運転し、 空調設備の加湿運転が行われない時には、生成水回収系
    より空調設備の加湿器への回収水の供給を停止して燃料
    電池発電装置を運転することを特徴とする燃料電池発電
    装置の運転方法。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006049040A (ja) * 2004-08-03 2006-02-16 Ebara Ballard Corp 燃料電池発電システム
JP2009105055A (ja) * 2008-12-19 2009-05-14 Fuji Electric Holdings Co Ltd 燃料電池発電装置の排熱利用方法および装置
CN108711658A (zh) * 2018-04-10 2018-10-26 北京长城华冠汽车科技股份有限公司 电动车辆的动力电池加热方法及装置
JP2020046102A (ja) * 2018-09-18 2020-03-26 シャープ株式会社 空気調和機
CN113465024A (zh) * 2021-06-15 2021-10-01 青岛海尔空调电子有限公司 组合式空调器室内机

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