JP2005158660A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】空冷式冷却器の大型化の問題の解消およびインバータの安定冷却は実現しつつも、回収水タンク内の回収水温度の上昇を抑制し、かつ装置構成の簡略化を図った燃料電池発電装置を提供する。
【解決手段】改質装置から排出される燃焼排ガスと燃料電池から排出される排空気等の排気ガスを冷却して回収水タンクに水を回収する生成水回収装置41と、回収水純化用の水処理装置47と、回収水の空冷式冷却器55と、水冷インバータ70と、インバータ冷却用水を回収水により冷却するための中間熱交換器58とを備えた燃料電池発電装置において、インバータ冷却用水の温度を測定する温度計62と、インバータ冷却水温度を所定値以下に保持するために、前記温度計の温度計測値が所定の上限温度に到達した際に、インバータ冷却用水を市水64で補助的に冷却する補助冷却器59とを設ける。
【選択図】図1

Description

この発明は生成水回収装置と回収水を冷却する空気式冷却器と冷却された回収水によりインバータを冷却する熱交換器を有する回収水循環ラインとを備えた燃料電池発電装置に関する。
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。
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装置が用いられる。従って燃料改質装置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。
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することも行なわれている。
図7は従来のこの種の燃料電池発電装置のガス系冷却水系の基本的な系統図の例である(特許文献1および特許文献2参照)。
図7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4を有する冷却板5とから構成される。
一方燃料改質装置7は燃料供給系8を経て供給される天然ガス等の原燃料を後述する水蒸気分離器21で分離されて水蒸気供給系10を経て供給される水蒸気とともに改質触媒下にて図示しない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。
前記燃料電池1と燃料改質装置7とには燃料改質装置7で生成された改質ガスを燃料電池1の燃料極2に供給する改質ガス供給系11と燃料極2から電池反応に寄与しない水素を含むオフガスを燃料改質装置7のバーナに燃料として供給するオフガス供給系12とが接続されている。
また燃料改質装置7のバーナへは燃焼空気供給用のブロア17が接続されており燃料改質装置7から出た燃焼排ガスは燃焼排ガス系18により生成水回収装置41へと送られる。
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13を備えた空気供給系14と電池反応後の空気を前記生成水回収装置41へ供給する空気排出系15とが接続されている。
燃料電池1の冷却板5の冷却管4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22および冷却水冷却器としての例えば蒸気発生装置(ケトル型熱交換器)24を備えた冷却水循環系20が接続されている。
前記水蒸気分離器21では燃料電池1の冷却管4から排出される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装置7に向かう原燃料に混入するように前記水蒸気供給系10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9を使用している。このエゼクタポンプ9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。
前記蒸気発生装置(ケトル型熱交換器)24は燃料電池を冷却して戻ってきた冷却水から熱を奪って冷却し回収した熱をすなわち燃料電池の発電時に発生した熱の一部を蒸気として外部の廃熱利用設備を介してユーザに供給する。熱媒が蒸気の場合には蒸気炊きの吸収式冷温水機が運転できるため効率の高い熱利用ができる。
また前記生成水回収装置41には燃焼排ガス系18空気排出系15プロセス排気系19が接続されている。この生成水回収装置41にはその他に回収水循環用のポンプ42回収水冷却器43およびノズル44からなる回収水生成循環系が接続されている。前記回収水循環用のポンプ42は該回収装置41の底部に接続され該底部に貯留された回収水の一部を回収し回収水冷却器43に送り込む。回収水冷却器43にはユーザ側冷却水系45が熱回収系として挿入されており冷却された回収水をノズル44に供給する。ノズル44は前記冷却回収水を生成水回収装置41の上部から散布して生成水回収装置41内の生成水を含む反応空気と燃焼生成水を含む燃焼排ガスとに冷却水を作用させ好ましくは図示しない後述する冷却水直接接触式凝縮器において気中の回収水を直接的に冷却してそれぞれの生成水を該回収装置41の底部に生成させる。
このように反応空気オフガス中に含まれる水分(発電生成水)や燃料改質装置のバーナの燃焼排ガス中に含まれる水分(燃焼生成水)を凝縮した回収水を水蒸気改質用の補給水として用いることにより水道水より不純物が少なくイオン交換式水処理装置の負荷を軽減できる利点がある。
前述のようにして生成水回収装置41の底部に貯留した回収水は補給ポンプ46水処理装置47が設けられた回収系を経て前記水蒸気分離器21に供給される。
回収水冷却器43には前述のように回収水を冷却するためにユーザ側冷却水45が接続されているが生成水を回収するためにはこの冷却水の温度は40℃以下にすることが望ましいために熱エネルギーとしての価値は低く通常は冷却塔やラジエータで外気に放出して処理している。この回収水の冷却システム例に関しては後に詳述する。
なお図7中符号26は冷却水循環系20において冷却管4と冷却水冷却器24の流路と蒸気発生装置24と水蒸気分離器21との間の流路とを短絡するバイパス配管であり符号27はそのための三方調節弁である。また符号28は水蒸気分離器21内の気圧を測定する圧力計である。
次に図6により回収水の冷却システムの従来例に関して説明する。図6において図7に示したシステム系統図における同一機能部材には同一番号を付して詳細説明を省略する。まず図6における燃料電池周辺部について説明する。この図6は図7の生成水回収装置41を詳しく示したものである。図6に示す生成水回収装置41は下方に回収水41cを収容する回収タンク41aを有しこの回収タンクに連通してオーバーフロー管41dを備えさらにノズルの下方に前述の冷却水直接接触式凝縮器41bを備えている。
前記回収タンク41a内の回収水41cは回収水循環ポンプ42により空気式冷却器55の冷却管56に通流して冷却されさらに中間熱交換器58を経て生成水回収装置41に還流する。この中間熱交換器58にはインバータ70の変換素子冷却用の二次冷却水がポンプ72によって通流される。なお図6において60は回収水循環ライン60aは空気冷却器への回収水導入ライン60bは生成水回収装置への戻りライン54は空気式冷却器用の冷却ファンである。
前記冷却水直接接触式凝縮器41bはラシヒリング等の充填層からなり水蒸気を含む反応空気オフガスと燃焼排ガスを充填層下部から上方に通流し一方上部から外部冷却設備50および中間熱交換器60で冷却された40℃程度の回収水を散水して充填層部分でガスと冷却水を直接接触させながらガス中の水蒸気分を凝縮・回収するものであり簡単な構造で回収効率が向上する利点がある。
生成水回収装置41の底部には図6には図示していないが図7と同じく補給水ポンプ46で水蒸気分離器21に供給し水蒸気改質用の補給水として用いるラインが接続されている。図6のオーバーフロー管41dはこの水蒸気改質用の補給水と水回収装置41においてガス中の水蒸気分を回収した量の差分である余剰回収水を系外に排出する機能を有する。
また図6、図7に図示してはいないが余剰回収水がない場合は各回収水タンク41aの水位が下がりすぎ補給水ポンプ46が空引きするのでボールタップ式あるいはオン、オフ式の水位計を設け、水位が下限に到達した際には外部から市水を供給する。
次に前記空気式冷却器による回収水の冷却とインバータの冷却に関して以下に詳述する。前述の回収水の外部冷却設備としては下記の3つの冷却方式がある。回収水と空気を充填層で直接接触させて冷却する開放式クーリングタワー方式や回収水をチューブ内に通水し外部水をチューブに散布してチューブ外壁の水の蒸発で熱を奪う密閉式クーリングタワー方式及び回収水をフィン付チューブ内に通水し送風機によりチューブ外部を強制風冷する空冷式冷却方式などである。
この内空冷式冷却方式は冷却する水をフィン付きチューブ内に通水しチューブの外部に送風機による強制通風を行って風冷するので上記開放式クーリングタワー方式のような冷却する水の汚染の問題は無くまた上記密閉式クーリングタワー方式のような外部散水の汚染の問題もないので前二者に比べてメンテナンスが大幅に低減されまた必要な補給水量も開放式シスターンタンクを採用した場合でも蒸発量の補充程度でよく前二者に比べて大幅に低減する。したがって空冷式冷却方式はランニングコストの大幅低減が可能であり特にメンテナンスフリーを要求されるサイトや病院などレジオネラ菌対策が必要となるサイトでは冷却設備に空冷式冷却器が好んで採用される。
次に前記図6および7とは一部異なるシステム構成を示す図5について述べる。図5において前記図6および7と同一機能を備える部材には同一番号を付して示す。図5においては中間熱交換器58が前記回収水タンク41bから回収水を水処理装置47に通流するライン上に設けられインバータ70の冷却用水は生成水回収装置41への回収水の戻りライン60bからバイパスさせた回収水により中間熱交換器58において冷却するように構成している。なお図5において7aは改質装置7の周辺装置としての脱硫器およびCO変成器を示し46aは回収水ポンプ46bは給水ポンプを示す。

ところで前記空冷式冷却器55は乾き冷却であり外気温により冷却性能が大きく変動する欠点がある。また水冷式冷却設備の場合でもフェーン現象により外気温が異常上昇した場合設計条件から外れ十分な冷却性能が得られない場合がある。
しかしながらフェーン現象などの異常気象は通常年間数日程度であり且つ温度が40℃弱まで上昇するのは通常1日5時間程度であることから冷却設備を40℃の周囲温度条件で計画するのは設備が大型化しコスト高になる。
一方燃料電池の直流出力を交流に変換するインバータ70は直交変換の損失分が内部発熱するため変換素子の冷却が必要でありインバータの冷却方法としては環境要因に左右されない水冷式が望ましい。水冷式インバータの発熱量は前述の生成水回収水の除熱量の1割程度であることから生成水回収器装置用冷却設備を水冷式インバータの冷却と兼用して前記中間熱交換器58によりインバータ冷却用の二次冷却水を冷却することによりシステム全体を簡素化することが可能となる。
ところで前述の空冷式冷却器と水冷インバータを備える従来の燃料電池発電装置においては以下のような問題があった。
空冷式冷却器の冷却能力がフェーン現象などの外気温上昇により不足した場合回収水の戻り温度が上昇することになる。一方インバータの冷却方式として水冷式を採用する場合インバータの変換素子の過熱を防止するためにはその冷却水入口温度は所定温度例えば45℃程度以下に保つ必要がある。
そのため空冷式冷却器の冷却能力が不足した場合回収水の戻り温度の上昇により前記所定温度との差が減少して中間熱交換器による二次水の冷却ひいてはインバータの変換素子の冷却が不十分となりその結果発電装置の出力低減運転が必要となったり発電継続が困難となったりする問題がある。
そこで本願出願人は前記問題を解消するために「通常仕様の適正サイズの回収水冷却用の空冷式冷却器を用いた場合であって夏期の外気温が通常仕様の定格温度より高い場合に安定した水冷インバータの冷却が可能でありかつインバータ冷却用中間熱交換器の小型化もしくは回収水循環ポンプの駆動動力の低減を図ることを目的とした燃料電池発電装置」を特許文献2により出願している。
図4は特許文献2の図1として記載された燃料電池発電装置の概略構成図であって前記図5と図4との相違点は図4においては回収水の戻りライン60bの空冷式冷却器55と中間熱交換器58との間に温度センサ80を設け回収水循環ライン60の空冷式冷却器への回収水導入ライン60aには破線で示した流量制御弁42bを設けるもしくは前記回収水循環ポンプ42は流量制御用のVVVF42aを備えるものとしさらに前記温度センサ80の温度計測値に基づき流量制御弁42bもしくはVVVF42aを制御して回収水の循環流量を調節する制御装置82を備えるものとした点である。なお84は流量計であり必要に応じて設ける。
上記装置によりインバータ冷却水温度を所定値以下に保持するために前記温度センサ80の温度計測値が所定の上限温度に到達した際に回収水の循環流量を減少させ中間熱交換器58への回収水入口温度を低下させることができる。
特開平10−64566号公報 特開2003−115306号公報(第3−6頁図1,4,5)
ところで前記特許文献2に記載された前記図4の構成の場合には前記空冷式冷却器55の大型化の問題の解消およびインバータの安定冷却は実現できるものの下記のような問題点がある。
前述のように回収水の循環流量を減少させた場合空冷式冷却器55における冷却量が低減するのでその分回収水タンク41a内の温度が漸増する。回収水の温度が上昇した場合には前記図5から明らかなように電池冷却水の温度が上昇する水処理装置に導入される回収水温度が上昇する等回収水を利用する後段の機器に悪影響がでる。特に水処理装置に使用されるイオン交換樹脂の温度の最適温度は45度以下であり前記回収水の温度上昇は好ましくない。
さらに空冷式冷却器や回収水循環ポンプなどの構成機器の定格能力は100%使用可能としかつより簡素なシステムが望ましい。
この発明は上記の点に鑑みてなされたもので本発明の課題は空冷式冷却器の大型化の問題の解消およびインバータの安定冷却は実現しつつも回収水タンク内の回収水温度の上昇を抑制しかつ装置構成の簡略化を図った燃料電池発電装置を提供することにある。
上記課題は以下により達成される。即ち請求項1の発明によれば原燃料を水蒸気で改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質装置とこの改質ガスと酸化剤ガス(空気)とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池と前記改質装置から排出される燃焼排ガスと燃料電池から排出される排空気等の排気ガスを冷却して回収水タンクに水を回収する生成水回収装置と前記回収水を通流して純化する水処理装置と前記回収水を冷却管内に通流して冷却管の外側から空気により冷却する空冷式冷却器と回収水循環ポンプにより回収水を前記空冷式冷却器に通流し冷却された回収水を前記生成水回収装置に還流する回収水循環ラインと前記回収水または回収水により冷却された水で冷却され燃料電池の直流電流を交流に変換する水冷インバータと前記インバータ冷却用水を前記還流する回収水により冷却するための中間熱交換器とを備えた燃料電池発電装置において前記インバータ冷却用水の温度を測定する温度計と前記インバータ冷却水温度を所定値以下に保持するために前記温度計の温度計測値が所定の上限温度に到達した際に前記インバータ冷却用水を市水で補助的に冷却する補助冷却器とを設けたことを特徴とする。
前記構成によれば夏場の外気温度が上昇し前記温度計の温度計測値が所定の上限温度に到達した際に補助冷却器に市水を通流してインバータ冷却水を一時的に冷却できるので空冷式冷却器の大型化の問題解消,インバータの安定冷却の実現,回収水タンク内の回収水温度上昇の抑制および装置構成の簡略化が達成できる。なお上記市水としては水道水の他に工業用水を使用することもできる。
上記請求項1の発明の実施態様としては下記請求項2ないし5の発明が好ましい。即ち前記請求項1に記載の燃料電池発電装置において前記中間熱交換器は前記回収水タンクから回収水を前記水処理装置に通流するライン上に設けかつ前記補助冷却器は前記ライン上の中間熱交換器と水処理装置との間に設けたことを特徴とする(請求項2)。
上記によればインバータおよび水処理装置に導入される回収水の温度が共通的に最適化できシステムとして合理的である。
また前記請求項1または2に記載の燃料電池発電装置において前記回収水タンクは補給水供給ラインを有してなり前記補助冷却器に通流された市水の排出ラインを前記補給水供給ラインにバイパスして接続したことを特徴とする(請求項3)。これにより市水使用量の節減が可能となる。
さらに下記のような実施態様によっても前記態様と同様の目的が達成できる。即ち前記請求項2に記載の燃料電池発電装置において前記補助冷却器は前記ライン上の中間熱交換器と水処理装置との間に設けることに代えて前記回収水循環ライン上に設けさらに前記インバータ冷却用水の温度を測定する温度計に代えて前記回収水循環ライン上の回収水の温度を測定する温度計を設け前記補助冷却器は前記回収水温度を所定値以下に保持するために前記温度計の温度計測値が所定の上限温度に到達した際に市水で補助的に冷却するものとしたことを特徴とする(請求項4)。
さらにまた請求項4に記載の燃料電池発電装置において前記補助冷却器は前記市水で補助的に冷却する回路と並列的に温水利用設備から導入する水により冷却する回路を備えかつ前記両回路の切替手段を備えたことを特徴とする(請求項5)。
この発明によれば生成水回収装置と回収水を冷却する空気式冷却器と冷却された回収水によりインバータを冷却する熱交換器を有する回収水循環ライン等を備えた燃料電池発電装置において空冷式冷却器の大型化の問題の解消およびインバータの安定冷却は実現しつつも生成水回収装置における回収水タンク内の回収水温度の上昇を抑制しかつ装置構成の簡略化を図ることが可能となる。
次にこの発明の実施形態に関して図5のシステム構成をベースとした図1ないし図3に基いて説明する。なお図1ないし図3において図5と同一機能部材には同一番号を付してその詳細説明を省略する。図1は中間熱交換器58を回収水タンク41aから回収水を水処理装置47に通流するライン上に設けかつ補助冷却器59を前記ライン上の中間熱交換器58と水処理装置47との間に設けた前記請求項2に係る実施形態を示す。なお前記補助冷却器59は前記図6におけるインバータ冷却ラインに設ける構成とすることもできる。
図1において62はインバータ冷却用水の温度を測定する温度計63はインバータ冷却水温度を所定値以下に保持するために前記温度計62の温度計測値が所定の上限温度に到達した際に市水64を補助冷却器59に通流するために設けた制御用の遮断弁である。
上記構成により夏場の外気温度が上昇し前記温度計の温度計測値が所定の上限温度に到達した際に補助冷却器59に市水を通流してインバータ冷却水を一時的に冷却できるので空冷式冷却器55の大型化の問題解消,インバータ70の安定冷却の実現,回収水タンク41a内の回収水温度上昇の抑制が可能となる。またインバータ70および水処理装置47に導入される回収水の温度は45℃以下の最適温度に制御できる。さらに図4の構成に比較して装置構成が簡略となる。なお市水64としては水道水の他に工業用水を使用することができる。
次に図2について述べる。図2は前記請求項3に係る実施形態を示す。即ち図1と図2との相違点は図2の場合補助冷却器59に通流された市水64の排出ラインを補給水65の供給ラインにバイパスして接続したことを特徴とする。これにより市水使用量の節減が可能となる。なおこの場合の市水64としては補給水に要請される純度の関係で工業用水は好ましくない。また前記市水のバイパスは補給水が必要な時に限定されるので補給水供給ラインおよび市水64の排出ラインには図2においては図示を省略する切替弁が必要である。
次に図3について述べる。図3は前記請求項4および5に係る実施形態を示す。即ち図1と図3との相違点は図3の場合補助冷却器59aを図1のように中間熱交換器と水処理装置との間に設けることに代えて回収水循環ライン60上に設けさらにインバータ冷却用水の温度を測定する温度計に代えて前記回収水循環ライン上の回収水の温度を測定する温度計62aを設けた点さらに前記補助冷却器59aは市水64で補助的に冷却する回路と並列的に温水利用設備66から導入する水により冷却する回路を備えかつ前記両回路の切替手段(63aの遮断弁等)を備えた点である。なお温水利用設備66が稼動していない時や温水利用設備66から導入する水の温度が高すぎる場合には市水64を通流する。またこの場合の市水は工業用水でもよい。
上記図3の構成においても夏場の外気温度が上昇し前記温度計62aの温度計測値が所定の上限温度に到達した際に補助冷却器59aに市水64または温水利用設備66からの水を通流して回収水を一時的に冷却できるので空冷式冷却器55の大型化の問題解消,インバータ70の安定冷却の実現,水処理装置47へ導入される回収水温度上昇の抑制が可能となる。
この発明の実施形態に関わる燃料電池発電装置のシステム構成図。 この発明の図1とは異なる燃料電池発電装置のシステム構成図。 この発明の図1とはさらに異なる燃料電池発電装置のシステム構成図。 特許文献2に開示された改良形の燃料電池発電装置のシステム構成図。 従来の燃料電池発電装置の一例のシステム構成図。 特許文献2に開示された従来の燃料電池発電装置の一例のシステム構成図。 従来の異なる燃料電池発電装置の一例のシステム構成図。
符号の説明
1 燃料電池
7 改質装置
41 生成水回収装置
41a 回収水タンク
42 回収水循環ポンプ
47 水処理装置
55 空気式冷却器
58 中間熱交換器
59 補助冷却器
60 回収水循環ライン
60b 戻りライン
62,62a 温度計
63,63a 遮断弁
64 市水
66 温水利用設備
70 インバータ

Claims (5)

  1. 原燃料を水蒸気で改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質装置と、この改質ガスと酸化剤ガス(空気)とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池と、前記改質装置から排出される燃焼排ガスと燃料電池から排出される排空気等の排気ガスを冷却して回収水タンクに水を回収する生成水回収装置と、前記回収水を通流して純化する水処理装置と、前記回収水を冷却管内に通流して冷却管の外側から空気により冷却する空冷式冷却器と、回収水循環ポンプにより回収水を前記空冷式冷却器に通流し、冷却された回収水を前記生成水回収装置に還流する回収水循環ラインと、前記回収水または回収水により冷却された水で冷却され燃料電池の直流電流を交流に変換する水冷インバータと、前記インバータ冷却用水を前記還流する回収水により冷却するための中間熱交換器とを備えた燃料電池発電装置において、
    前記インバータ冷却用水の温度を測定する温度計と、前記インバータ冷却水温度を所定値以下に保持するために、前記温度計の温度計測値が所定の上限温度に到達した際に、前記インバータ冷却用水を市水で補助的に冷却する補助冷却器とを設けたことを特徴とする燃料電池発電装置。
  2. 請求項1に記載の燃料電池発電装置において、前記中間熱交換器は、前記回収水タンクから回収水を前記水処理装置に通流するライン上に設け、かつ前記補助冷却器は、前記ライン上の中間熱交換器と水処理装置との間に設けたことを特徴とする燃料電池発電装置。
  3. 請求項1または2に記載の燃料電池発電装置において、前記回収水タンクは、補給水供給ラインを有してなり、前記補助冷却器に通流された市水の排出ラインを、前記補給水供給ラインにバイパスして接続したことを特徴とする燃料電池発電装置。
  4. 請求項2に記載の燃料電池発電装置において、前記補助冷却器は、前記ライン上の中間熱交換器と水処理装置との間に設けることに代えて、前記回収水循環ライン上に設け、さらに、前記インバータ冷却用水の温度を測定する温度計に代えて、前記回収水循環ライン上の回収水の温度を測定する温度計を設け、前記補助冷却器は、前記回収水温度を所定値以下に保持するために、前記温度計の温度計測値が所定の上限温度に到達した際に、市水で補助的に冷却するものとしたことを特徴とする燃料電池発電装置。
  5. 請求項4に記載の燃料電池発電装置において、前記補助冷却器は、前記市水で補助的に冷却する回路と並列的に、温水利用設備から導入する水により冷却する回路を備え、かつ前記両回路の切替手段を備えたことを特徴とする燃料電池発電装置。
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