JP2002280033A

JP2002280033A - 燃料電池発電装置の排熱処理方法および装置

Info

Publication number: JP2002280033A
Application number: JP2001082827A
Authority: JP
Inventors: Shigemasa Suzuki; 茂政鈴木
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2001-03-22
Filing date: 2001-03-22
Publication date: 2002-09-27
Anticipated expiration: 2021-03-22
Also published as: JP4453211B2

Abstract

(57)【要約】【課題】空冷式冷却器のコンパクト化，省電力化及び
コストの低減を図った燃料電池発電装置の排熱処理方法
および装置を提供する。【解決手段】燃料電池と、炭化水素と水蒸気との改質
反応により水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質器
と、前記燃料電池および燃料改質器から排出される熱
を、温度レベルの異なる冷却水により熱交換して排出す
る低温水用熱交換器６１と高温水用熱交換器６２とを備
えた燃料電池発電装置の排熱処理をするに当り、前記低
温水用熱交換器および高温水用熱交換器における温度レ
ベルの異なる冷却水を、空冷ファン６７により一括冷却
する空冷式冷却器１００における低温水用冷却器６５お
よび高温水用冷却器６６にそれぞれ循環して冷却し、空
冷式冷却器における冷却空気を、低温水用冷却器側から
高温水用冷却器側に通流して冷却する。

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、燃料電池発電装
置の排熱処理方法および排熱処理装置、特に空冷式冷却
器を用いた方法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のとおり、リン酸型燃料電池，固体
高分子電解質型燃料電池，溶融炭酸塩型燃料電池など
は、反応ガスとしての燃料ガスおよび酸化剤ガスを電極
触媒層を備えた燃料電極および酸化剤電極に連続的に供
給して、燃料のもつエネルギーを電気化学的に電気エネ
ルギーに変換するものである。

【０００３】これらの燃料電池においては、その電解質
の性質から、二酸化炭素を含んだ燃料ガスや酸化剤ガス
を使用することが可能である。そこで通常、これらの燃
料電池においては、空気を酸化剤ガスとし、メタノール
や天然ガス等の炭化水素系原燃料を燃料改質器により水
蒸気改質して得られる水素リッチな改質ガスを燃料ガス
として用いている。

【０００４】図４は、従来のリン酸型燃料電池発電装置
の概略システム構成の一例を示す。

【０００５】図４において、燃料電池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。

【０００６】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。

【０００７】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。

【０００８】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。

【０００９】また、燃料電池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１７
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。

【００１０】燃料電池１の冷却板４の冷却管には、燃料
電池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。

【００１１】前記水蒸気分離器２１では、燃料電池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、エジェ
クタ６を使用している。このエジェクタ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。

【００１２】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。

【００１３】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、補給水ポンプ４６によっ
て、イオン交換式水処理装置４７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。

【００１４】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、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（空間速度１
／ｈ）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４
８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。

【００１５】なお、固体高分子電解質型燃料電池発電装
置の場合には、通常、前記ＣＯ変成器から導出した改質
ガスを、ＣＯ変成器の後段に設けたＣＯ除去器に導入
し、ＣＯを酸化して、改質ガス中のＣＯ濃度を１０ｐｐ
ｍ程度まで低減する。

【００１６】図４は、標準的なシステム構成例を示した
が、システム構成はニーズに応じて種々の形態があり、
燃料電池発電装置の排熱処理方法に限定した場合におい
ても、種々の形態が存在する。例えば、図５は、燃料電
池の排熱を有効に利用し、かつ水回収装置から排出され
る排ガスの白煙化の防止を図っるために、同一出願人に
よって提案され、特願２０００−２８５７９６号に記載
された構成例を示す。

【００１７】図５においては、図４における水処理装置
等の一部の構成部材は省略して示し、また、図４と同一
構成部材には同一番号を付して説明を省略する。

【００１８】図５において、水回収装置５２は、水回収
用の排ガス冷却器５３の上方に、水回収された排空気お
よび燃焼排ガスを加熱するための排気ガス加熱用熱交換
器５２を備える。また、水蒸気分離器２１から導出した
冷却水を、排熱利用熱交換装置５４に通流して冷却した
後、排気ガス加熱用熱交換器５２に通流してさらに冷却
し、この冷却された水を、水蒸気分離器２１から導出し
た水と合流する冷却水循環回路５５を備える。

【００１９】水蒸気分離器２１は圧力計３２を備え、ま
た、冷却水循環回路５５は、前記圧力計３２の計測値に
基づいて水蒸気分離器２１内の圧力を一定に制御する流
量調節弁３３を備える。３０は電池冷却水循環用ポン
プ、３１は補給水ポンプを示す。

【００２０】上記構成において、電池冷却水の一部が分
岐され、排熱利用熱交換装置５４に通流して冷却した
後、前記排気ガス加熱用熱交換器５２に通流してさらに
冷却することにより、燃料電池における発熱量と熱除去
量のバランスをとることができる。ちなみに、図５にＴ
１〜Ｔ１０で示す各部の温度を例示すると、下記のとお
りである。下記温度において、括弧内に示す数値は、代
表温度である。

【００２１】Ｔ１：１６０〜１７０℃（１６０℃），Ｔ
２：１４０〜１７０℃（１４５℃）Ｔ３：８５〜９５℃（９５℃），Ｔ４：５０〜
９０℃（６０℃）Ｔ５：７０〜８５℃（８５℃），Ｔ６：８０〜
９５℃（９０℃）Ｔ７：３０〜４０℃（４０℃），Ｔ８：４０〜
６０℃（５０℃）Ｔ９：４０〜４５℃（４５℃），Ｔ10：４５〜
５５℃（５０℃）上記のように、水回収装置５１において冷却され、水回
収された排ガスの温度Ｔ９は４０〜４５℃であるが、こ
の排ガスを、排気ガス加熱用熱交換器５２により冷却水
の余剰熱によって加熱し、その温度Ｔ10を、４５〜５５
℃とすることにより、排ガス中の水蒸気が外気にさらさ
れても直ちに、水蒸気の白煙が生成することがなくな
り、排ガスの白煙化が防止できる。

【００２２】ところで、上記図４および図５に示すよう
に、一般に、燃料電池発電装置においては、燃料電池
と、炭化水素と水蒸気との改質反応により水素リッチな
改質ガスを生成する燃料改質器と、前記燃料電池および
燃料改質器から排出される熱を、温度レベルの異なる冷
却水により熱交換して排出する低温水用熱交換器と高温
水用熱交換器とを備え、空冷式冷却器により最終的な排
熱処理が行なわれる。

【００２３】前記図５に示すシステムにおいて、排ガス
冷却器５３が低温水用熱交換器に該当し、排熱利用熱交
換装置５４が高温水用熱交換器に該当する。図４に示す
システムにおいては、水回収用凝縮器４１および燃料電
池冷却水廃熱回収用熱交換器２３が、それぞれ低温水用
熱交換器および高温水用熱交換器に該当する。図４にお
いても、代表温度は、図５における低温水用熱交換器お
よび高温水用熱交換器と同等レベルの温度である。

【００２４】本発明の説明の便宜上、前記従来の排熱処
理システムの構成に関わる簡略化したシステム系統図を
図３に示す。

【００２５】図３において、６１は、燃料電池発電装置
内で発生した熱を、低温水として外部に取り出すための
低温水用熱交換器で、６２は、燃料電池発電装置内で発
生した熱を、高温水として外部に取り出すための高温水
用熱交換器である。６３は、低温水を循環させるための
低温水ポンプで、６４は、高温水を循環させるための高
温水ポンプである。６５は、６７の空冷ファンで低温水
を冷却するための冷却器で、６６も、６７の空冷ファン
で高温水を冷却するための冷却器である。６９は、低温
水を制御するための温度センサーで、７０も高温水を制
御するための温度センサーである。なお、図３におい
て、８１，８２は、それぞれ、低温冷却水循環路および
高温冷却水循環路を示し、１０１，１０２は、それぞ
れ、低温水用および高温水用の空冷式冷却器を示す。

【００２６】低温用熱交換器６１における低温水は、循
環ポンプ６３で冷却器５に送られ、温度センサー６９と
図示しない制御装置とにより、空冷ファン６７の風量制
御を行って設定温度となるように制御される。同様に、
高温用熱交換器６２における高温水は、循環ポンプ６４
で冷却器６６に送られ、温度センサー７０と図示しない
制御装置とにより、空冷ファン６７の風量制御を行って
設定温度となるように制御される。

【００２７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前述のよう
な従来の燃料電池発電装置の排熱処理方法および装置に
おいては、下記のような問題があった。

【００２８】燃料電池発電装置の排熱の冷却に空冷式冷
却器を用いた場合、図３に示すように、低温水と高温水
の冷却を、それぞれ別々の空冷ファンと冷却器とを用い
て冷却水の温度制御を行っていた。そのため、空冷式冷
却器の部品数，寸法，重量等が増大し、また電力消費量
も増大して、設備コストおよび運転コストの増大を招い
ていた。

【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、空冷式冷却器のコ
ンパクト化，省電力化及びコストの低減を図った燃料電
池発電装置の排熱処理方法および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、燃料電池と、炭化水素と水蒸気との
改質反応により水素リッチな改質ガスを生成する燃料改
質器と、前記燃料電池および燃料改質器から排出される
熱を、温度レベルの異なる冷却水により熱交換して排出
する低温水用熱交換器と高温水用熱交換器とを備えた燃
料電池発電装置の排熱処理方法において、前記低温水用
熱交換器および高温水用熱交換器における温度レベルの
異なる冷却水を、空冷ファンにより一括冷却する空冷式
冷却器における低温水用冷却器および高温水用冷却器に
それぞれ循環して冷却し、前記空冷式冷却器における冷
却空気を、前記低温水用冷却器側から高温水用冷却器側
に通流して冷却することとする（請求項１の発明）。

【００３１】前記請求項１の発明によれば、従来に比較
して空冷ファンの台数が減少し、空冷式冷却器が全体と
してコンパクト化できる。これにより、省電力化及びコ
ストの低減が可能となる。

【００３２】また、前記請求項１の発明の実施態様とし
ては、下記請求項２ないし３の発明が好適である。即
ち、前記請求項１記載の排熱処理方法において、前記低
温水用熱交換器および高温水用熱交換器の入口冷却水温
度をそれぞれ計測し、所定の各設定温度と比較して空冷
の増強の要否を判定し、少なくとも一方が空冷の増強要
と判定された際に、前記空冷ファンの風量を増大する
（請求項２の発明）。

【００３３】さらに、前記請求項２記載の排熱処理方法
において、前記空冷の増強要と判定された以外の熱交換
器（他の熱交換器）における冷却水の過冷却を防止する
ために、前記他の熱交換器における冷却水の少なくとも
一部を、前記他の熱交換器に対応する低温水用冷却器ま
たは高温水用冷却器をバイパスさせて循環冷却する（請
求項３の発明）。これにより、冷却水の過冷却を防止
し、合理的な冷却水の温度制御が実現できる。

【００３４】また、前記請求項３記載の排熱処理方法を
実施するための好ましい燃料電池発電装置の排熱処理装
置としては、燃料電池と、燃料改質器と、低温水用熱交
換器および高温水用熱交換器と、低温水用冷却器および
高温水用冷却器を有し空冷ファンにより一括冷却する空
冷式冷却器と、前記低温水用熱交換器と低温水用冷却器
との間に設けた低温冷却水循環路と、前記高温水用熱交
換器と高温水用冷却器との間に設けた高温冷却水循環路
とを備え、さらに、前記低温冷却水循環路および高温冷
却水循環路は、それぞれ前記バイパスさせて循環冷却す
るためのバイパス管路および三方弁と、各熱交換器入口
冷却水の温度測定用の温度センサーと、前記冷却水の過
冷却を防止するための制御装置とを備えるものとする
（請求項４の発明）。

【００３５】さらに省電力化を図るために、請求項４記
載の排熱処理装置において、前記空冷ファンは、風量を
調節するためのＶＶＶＦインバータを備えるものとする
（請求項５の発明）。

【００３６】

【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。

【００３７】図１ないし図２は、この発明の実施例を示
す図であり、図３と同じ機能部材には同一の番号を付し
て説明を省略する。

【００３８】図１と図３とのシステム構成上の基本的な
相違は、図１においては、低温水用熱交換器６１および
高温水用熱交換器６２における温度レベルの異なる冷却
水を、空冷式冷却器１００における低温水用冷却器６５
および高温水用冷却器６６にそれぞれ循環して冷却し、
１台の空冷ファン６７により一括冷却する構成とし、か
つ前記空冷式冷却器１００における冷却空気を、前記低
温水用冷却器６５側から高温水用冷却器６６側に通流し
て冷却する構成とした点である。

【００３９】上記構成において、前記低温水用熱交換器
６５および高温水用熱交換器６６の入口冷却水温度６
９，７０をそれぞれ計測し、所定の各設定温度と比較し
て空冷の増強の要否を、図示しない制御装置により判定
し、少なくとも一方が空冷の増強要と判定された際に、
前記空冷ファン６７の風量を増大する制御を行う。空冷
ファン６７は、ＯＮ／ＯＦＦ運転もしくは、ＶＶＶＦイ
ンバータ６８を用いて回転数制御を行なうことにより、
風量調節を行って冷却水の温度制御を行なう。

【００４０】次に、図２の実施例について説明する。図
１と図２の実施例の相違は、図２においては、前記低温
冷却水循環路８１および高温冷却水循環路８２は、それ
ぞれバイパスさせて循環冷却するためのバイパス管路８
３，８４および三方弁９１，９２と、各熱交換器入口冷
却水の温度測定用の温度センサー６９，７０の計測値を
入力し、冷却水の過冷却を防止するために前記三方弁を
制御する図示しない制御装置とを備える点である。

【００４１】上記実施例により、前述のように、冷却水
の過冷却を防止して、リーズナブルな冷却水の温度制御
を行なうことができる。

【００４２】

【発明の効果】上記のとおり、この発明によれば、燃料
電池と、炭化水素と水蒸気との改質反応により水素リッ
チな改質ガスを生成する燃料改質器と、前記燃料電池お
よび燃料改質器から排出される熱を、温度レベルの異な
る冷却水により熱交換して排出する低温水用熱交換器と
高温水用熱交換器とを備えた燃料電池発電装置の排熱処
理をするに当り、前記低温水用熱交換器および高温水用
熱交換器における温度レベルの異なる冷却水を、空冷フ
ァンにより一括冷却する空冷式冷却器における低温水用
冷却器および高温水用冷却器にそれぞれ循環して冷却
し、前記空冷式冷却器における冷却空気を、前記低温水
用冷却器側から高温水用冷却器側に通流して冷却する構
成としたので、空冷式冷却器のコンパクト化，省電力化
及びコストの低減を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の燃料電池発電装置の排熱処理装置の
実施例を示す図

【図２】この発明の図１とは異なる実施例を示す図

【図３】従来の燃料電池発電装置の排熱処理装置の概略
構成の一例を示す図

【図４】従来のリン酸型燃料電池発電装置の概略システ
ム構成の一例を示す図

【図５】図４とは異なる従来の燃料電池発電装置の概略
システム構成を示す図

【符号の説明】

６１：低温水用熱交換器、６２：高温水用熱交換器、６
５：低温水用冷却器、６６：高温水用冷却器、６７：空
冷ファン、６８：ＶＶＶＦインバータ、６９，７０：温
度センサー、８１：低温冷却水循環路、８２：高温冷却
水循環路、８３，８４：バイパス管路、９１，９２：三
方弁、１００：空冷式冷却器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料電池と、炭化水素と水蒸気との改質
反応により水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質器
と、前記燃料電池および燃料改質器から排出される熱
を、温度レベルの異なる冷却水により熱交換して排出す
る低温水用熱交換器と高温水用熱交換器とを備えた燃料
電池発電装置の排熱処理方法において、前記低温水用熱交換器および高温水用熱交換器における
温度レベルの異なる冷却水を、空冷ファンにより一括冷
却する空冷式冷却器における低温水用冷却器および高温
水用冷却器にそれぞれ循環して冷却し、前記空冷式冷却器における冷却空気を、前記低温水用冷
却器側から高温水用冷却器側に通流して冷却することを
特徴とする燃料電池発電装置の排熱処理方法。
【請求項２】請求項１記載の排熱処理方法において、
前記低温水用熱交換器および高温水用熱交換器の入口冷
却水温度をそれぞれ計測し、所定の各設定温度と比較し
て空冷の増強の要否を判定し、少なくとも一方が空冷の
増強要と判定された際に、前記空冷ファンの風量を増大
することを特徴とする燃料電池発電装置の排熱処理方
法。
【請求項３】請求項２記載の排熱処理方法において、前
記空冷の増強要と判定された以外の熱交換器（他の熱交
換器）における冷却水の過冷却を防止するために、前記
他の熱交換器における冷却水の少なくとも一部を、前記
他の熱交換器に対応する低温水用冷却器または高温水用
冷却器をバイパスさせて循環冷却することを特徴とする
燃料電池発電装置の排熱処理方法。
【請求項４】請求項３記載の排熱処理方法を実施するた
めの燃料電池発電装置の排熱処理装置において、前記燃
料電池と、燃料改質器と、低温水用熱交換器および高温
水用熱交換器と、低温水用冷却器および高温水用冷却器
を有し空冷ファンにより一括冷却する空冷式冷却器と、
前記低温水用熱交換器と低温水用冷却器との間に設けた
低温冷却水循環路と、前記高温水用熱交換器と高温水用
冷却器との間に設けた高温冷却水循環路とを備え、さら
に、前記低温冷却水循環路および高温冷却水循環路は、
それぞれ前記バイパスさせて循環冷却するためのバイパ
ス管路および三方弁と、各熱交換器入口冷却水の温度測
定用の温度センサーと、前記冷却水の過冷却を防止する
ための制御装置とを備えることを特徴とする燃料電池発
電装置の排熱処理装置。
【請求項５】請求項４記載の排熱処理装置において、
前記空冷ファンは、風量を調節するためのＶＶＶＦイン
バータを備えることを特徴とする燃料電池発電装置の排
熱処理装置。