JP2811905B2 - 燃料電池発電システムの水蒸気発生器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、水冷式燃料電池の冷却水源を兼ねて燃料電
池の冷却水循環ラインに接続した燃料電池発電システム
の水蒸気発生器に関する。

〔従来の技術〕

液冷式燃料電池の冷却方式として加圧水冷却方式が従
来より知られている。この冷却方式は、燃料電池のセル
スタック内に組み込んだ冷却板に加圧した純水を外部よ
り循環通水して燃料電池の電池反応に伴う発生熱を系外
に除熱し、燃料電池を所定の動作温度に維持するように
したものである。

また、この場合に通常の燃料電池発電システムでは、
燃料電池の発生熱を回収して有効活用するために、燃料
電池の冷却水循環ラインに水蒸気発生器を接続してお
き、水を熱媒として水蒸気発生器に生じた水蒸気を燃料
ガス改質器用水蒸気，そのほかコジェネレーションシス
テムなどに使用して発電システム全体での熱効率の向上
を図るようにしている。

第２図は前記の従来構成の水蒸気発生器を中心に表し
た燃料電池発電システムのフロー図であり、図において
１は天然ガスを原料として水素リッチな燃料ガス改質す
る水蒸気に改質器、２は燃料電池、３は燃料電池２のセ
ルスタックに組み込まれた冷却板、４が水蒸気発生器で
あり、該水蒸気発生器４と燃料電池２の冷却板３との間
には循環ポンプ5,熱回収用の熱交換器６を含む冷却水循
環ライン７が配管されている。

ここで、水蒸気発生器４は胴内の上部に水蒸気発生空
間を有する単一の圧力タンクであり、その内部には純水
８を加熱する電熱ヒータ９を備えるとともに、タンクの
頂部には水蒸気8aを外部に抽出して発電システム内に供
給する水蒸気供給弁10,並びにタンク内圧の圧力調整弁1
1を装備している。なお、12はタンクの液面計、13は純
水８の純度を監視する電導度計である。また、水蒸気発
生器４には純水処理装置14,純水タンク15,給水ポンプ16
を含む純水補給系が接続されている。

かかる構成で、燃料電池２の起動時には水蒸気発生器
４に所定水位の純水８を供給した状態で、ヒータ加熱に
より水蒸気発生器４内の純水８を加熱昇温させながら純
水を循環ポンプ５により燃料電池２の冷却板３に循環通
水し、燃料電池２の温度を所定動作温度（りん酸型燃料
電池では160〜170℃）まで予熱する。

また、燃料電池２の発電開始後は、冷却水の循環通水
により、燃料電池２の発生熱を冷却水循環ライン７に介
装した熱交換器６に放熱して除熱しつつ、一方では水蒸
気発生器４に発生した水蒸気8aを水蒸気供給弁10を通じ
て改質器１の入口側へ供給し、天然ガスに混合させる。
また、電池反応により燃料電池に生じた生成水は空気極
の排気空気を復水器17に導いて復水させた上で、その回
収水を純水補給系に戻し、純水処理装置14で浄化処理し
た上で純水タンク15に貯えておき、水蒸気発生器４の水
位が低下した際に給水ポンプ16を通じて水蒸気発生器に
補給する。なお、燃料電池２の運転中は水蒸気発生器４
の圧力，つまり水蒸気の飽和温度を圧力調整弁11の弁開
度により制御し、純水８の温度，水蒸気圧を所定の制御
範囲に調整するようにしている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、前記した従来の水蒸気発生器では次記のよ
うな問題点がある。

（１）水蒸気発生器４に収容されている純水８の温度は
水蒸気発生器の内圧，つまり水蒸気8aの飽和温度に依存
して変わり、かつ純水の水温は燃料電池２の運転温度を
決定して電池出力に影響を及ぼす。したがって、例えば
第２図における冷却水循環ライン７に介装した熱回収用
熱交換器６への冷水の給水開始時，ないしその流量の変
動、あるいは水蒸気発生器４から取り出す水蒸気の抽出
量の増減などの外乱が加わると、その外乱の影響が直接
冷却水の水温変化として現れ、燃料電池の運転温度，ひ
いては電池出力を変動させる。また、水蒸気供給弁10,
圧力調整弁11の弁開度が大となって水蒸気発生器４の内
圧が急激に降下すると、冷却水循環ライン７における循
環ポンプ５の吸込圧が一時的に許容値以下となって吐出
流量が大きく低下し、この結果として燃料電池２の温度
が異常に上昇し、電極の触媒層を劣化させるような事態
を引き起こす。

（２）燃料電池の冷却板に循環通水する冷却水は純度の
高い純水（電気抵抗が大）であることか必要条件であ
り、純水に不純物が混入するなどして電気抵抗が低下す
ると、燃料電池の内部で単セル間を短絡するリーク電
流、あるいは対アース間のリーク電流が増加して電池出
力が低下する。

かかる点、従来の水蒸気発生器の構成では、熱回収用
の熱交換器６を含めた冷却水循環ライン7,純水処理装置
14を含む純水の補給系などが全て単一の圧力容器に接続
配管されているので、例えば熱交換器６の内部で冷却水
側の配管が水中の溶存酸素などにより腐食してピンホー
ルが生じたり、純水処理装置14の浄化機能が低下したり
すると、このことが原因で燃料電池に循環通水する冷却
水の純水としての純度が低下し、燃料電池に前記のよう
なリーク電流増大の障害を引き起こす。

（３）従来の配管系では、熱回収用の熱交換器６が水蒸
気発生器４とは別に独立して冷却水循環ライン７に設置
されているため、その配管系を含めた設備費，並びに熱
交換器の液漏れ（ピンホール発生）などに対する予防保
全に大きな経費がかかる。

本発明は、上記の点にかんがみなされたものであり、
水蒸気発生器の構造を改良することにより、前記した従
来の問題点を解消できるようにした燃料電池発電システ
ムの水蒸気発生器を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために、本発明は、燃料電池との
間に閉ループの冷却水循環ラインに配管した加熱手段内
蔵の加圧水溜部と、該加圧水溜部と伝熱的に結合した水
蒸気発生部とに二分割して水蒸気発生器を構成するもの
とする。

また、前記構成の水蒸気発生器において、加圧水溜部
と水蒸気発生部との間の伝熱性を高めるために、両者の
間をヒートパイプを介して伝熱的に結合することができ
る。

さらに、熱回収系の構造簡略化を図るために、前記構
成の水蒸気発生器において、水蒸気発生部に熱回収用熱
交換器を組み込んで構成することができる。

〔作用〕

上記の構成で、加圧水溜部は燃料電池の冷却水源とし
て機能し、ここに貯えられた純水が閉ループの冷却水循
環ラインを通じて燃料電池との間で循環通水される。こ
れに対して水蒸気発生部はそのタンク胴の内部に水蒸気
発生空間を形成した水蒸気分離器として機能し、ここで
生成した水蒸気は水蒸気改質器，そのほかのコジュネレ
ーションシステムなどに供給され、その水蒸気の消費に
伴う補給水は直接水蒸気発生部に導入される。しかも両
者の間は互いに隔絶されていて水が混入し合うことがな
い。したがって、燃料電池の冷却水として使用する加圧
水溜部側の純水は、水蒸気発生部側での急激な圧力，温
度変化などの外乱、並びに水蒸気発生部側に生じた水質
汚染の影響を直接受けることがなく、高純度を維持して
安定よく燃料電池との間で循環通水できる。

また、加圧水溜部と水蒸気発生部との間に配したヒー
トパイプは加圧水溜部側の熱を水蒸気発生部側へ伝熱す
るように機能する。これにより、燃料電池により奪った
回収熱を効率よく加圧水溜部から水蒸気発生部側へ伝熱
して除熱できる。

さらに、水蒸気発生部に組み込んだ熱回収用の熱交換
器に対しては、外部から工業水などを通水して熱回収
し、コジェネレーションシステムなどで有効利用され
る。このように熱回収用の熱交換器を水蒸気発生部に直
接組み込むことで、熱交換器に対する接続管を省略でき
るほか、接続配管からの放熱による熱損失分もなくな
る。

〔実施例〕

第１図は本発明実施例による水蒸気発生器の構成とと
もに表した燃料電池発電システムのフロー図であり、第
２図に対応する同一部材には同じ符号が付してある。

すなわち、本発明により水蒸気発生器４は加圧水溜部
18と水蒸気発生部19となる各独立した二つのタンクを上
下に積み重ねて構成されており、かつ両タンクの間にま
たがって複数本の伝熱用ヒートパイプ20が設置してあ
る。

また、前記の加圧水溜部18と燃料電池２の冷却板３と
の間には循環ポンプ５を含む閉ループの冷却水循環ライ
ン７が配管されている。これに対し水蒸気発生部19に
は、水蒸気供給弁10,圧力調整分11のほかに、そのタン
ク胴内には熱回収用の熱交換器17が直接組み込まれてい
る。さらに、純水補給系の給水ポンプ16より引出した給
水配管は、加圧水溜部18に内蔵した純水予熱用の熱交換
器21,給水弁22,23を介してそれぞれ加圧水溜部18,およ
び水蒸気発生部19に分岐接続されている。

次に上記構成の動作について説明する。まず、水蒸気
発生器４に対し、外部からの補給水を純水処理装置14で
高純度な純水に浄化した上で、給水ポンプ16により給水
弁22,23を通じて加圧水溜部18,水蒸気発生部19に給水す
る。この場合に、加圧水溜部18に対しては殆ど残余空間
を残すことなく満水状態とし、水蒸気発生部19では胴内
上部に水蒸気発生空間を残して熱交換器17が水没する所
定水位に設定する。

次に、燃料電池２の起動時には、ヒータ９により加圧
水溜部18に収容されている純水８を加熱昇温しつつ、循
環ポンプ５により閉ループの冷却水循環ライン７を通じ
て純水８を燃料電池２の冷却板３に循環通水し、燃料電
池２の温度を所定の動作温度まで予熱する。同時に加圧
水溜部18で加熱された純水８の保有熱はタンク胴の隔
壁，並びにヒートパイプ20を介して水蒸気発生部19に伝
熱され、ここに貯えられている純水８を加熱昇温させ
る。そして、水蒸気発生部19の貯留水が圧力調整弁11で
設定した圧力に対応した飽和温度まで上昇すると水蒸気
8aが発生し、水蒸気供給弁10を通じて水蒸気が改質器，
その他に供給される。

一方、燃料電池２の運転時には、熱回収用の熱交換器
17に対し外部から工業水を通水し、図示されてないコジ
ェネレーションシステムなどで熱回収する。これによ
り、燃料電池２の発生熱は冷却水循環ライン７の通流水
を熱媒として燃料電池から除熱され、さらに加圧水溜部
18よりヒートパイプ20などを介して水蒸気発生器19側に
伝熱された後に熱交換器17で熱回収され、コジェネレー
ションシステムなどで有効利用される。また、燃料電池
２の電池反応に伴う生成水は水回収装置24で復水，回収
され、純水に浄化処理した上で純水タンク15に貯えられ
ており、水蒸気8aの抽出（水蒸気供給弁10,圧力調整弁1
1からの抽出分）により水蒸気発生部19の液面が基準水
位より低下すれば、給水ポンプ16により加圧水溜部18に
設けた熱交換器21,給水弁23を通じて水蒸気発生部19に
純水が補給される。なお、加圧水溜部18の貯留水は燃料
電池２の冷却板３との間で閉ループの冷却水循環ライン
７を循環通水するだけで水量が減少せず、運転開始当
初，ないし定期的なメンテナンス時に行うタンク内洗浄
などの場合を除き、燃料電池の運転中には純水の補給は
必要ない。

なお、図示実施例の水蒸気発生器は加圧水溜部と水蒸
気発生部とをそれぞれ独立したタンクで構成したものを
示したが、１基のタンクを中間隔壁で上部の水蒸気発生
部と下部の加圧水溜部とに仕切って構成することも可能
である。

〔発明の効果〕

本発明による燃料電池発電システムの水蒸気発生器
は、以上説明したように構成されているので、次記の効
果を奏する。

（１）水蒸気発生器を、燃料電池との間に閉ループの冷
却水循環ラインを配管した加熱手段内蔵の加圧水溜部
と、該加圧水溜部と伝熱的に結合した水蒸気発生部とに
二分割して構成したことにより、燃料電池との間で循環
通水する加圧水溜部の貯留水と、水蒸気発生部の貯留水
とは互いに隔離して混合し合うことがなく、水蒸気発生
部側の系で圧力，温度，および純水の純度低下などの外
乱が加わっても、この外乱の影響が加圧水溜部側の系に
直接及ぶことがない。したがって、純度の高い純水を燃
料電池との間で循環通水しつつ、燃料電池を所定の動作
温度に安定維持して高出力運転することができる。

（２）加圧水溜部と水蒸気発生部との間の伝熱手段とし
て伝熱効率の高いヒートパイプを採用したことにより、
加圧水溜部と水蒸気発生部の間で高い伝熱性を確保でき
る。

（３）また、熱回収用熱の交換器を水蒸気発生部に組み
込んで構成したことにより、配管系が簡素化できる他、
配管系での熱損失分も少なくして熱回収効率の向上化が
図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例の水蒸気発生器とともに表した燃
料電池発電システムのフロー図、第２図は従来構成の水
蒸気発生器を含む燃料電池発電システムのフロー図であ
る。図において、 1:改質器、2:燃料電池、3:冷却板、4:水蒸気発生器、5:
冷却水循環ポンプ、7:冷却水循環ライン、8:純水、8a:
水蒸気、9:純水加熱ヒータ、17:熱回収用熱交換器、18:
加圧水溜部、19:水蒸気発生部、20:ヒートパイプ。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】水冷式燃料電池の冷却水循環ラインに接続
   した水蒸気発生器であって、燃料電池との間に閉ループ
   の冷却水循環ラインに配管した加熱手段内蔵の加圧水溜
   部と、該加圧水溜部との間を仕切って伝熱的に結合した
   水蒸気発生部とに二分割して構成したことを特徴とする
   燃料電池発電システムの水蒸気発生器。
2. 【請求項２】請求項１に記載の水蒸気発生器において、
   加圧水溜部と水蒸気発生部との間をヒートパイプを介し
   て伝熱的に結合したことを特徴とする燃料電池発電シス
   テムの水蒸気発生器。
3. 【請求項３】請求項１に記載の水蒸気発生器において、
   水蒸気発生部に熱回収用の熱交換器を組み込んだことを
   特徴とする燃料電池発電システムの水蒸気発生器。