JP3240840B2 - 燃料電池発電装置の冷却水温度の調節方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、発電時および停止時
に燃料電池の温度を制御するための燃料電池発電装置の
冷却水温度の調節方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】リン酸型燃料電池は、電解液にリン酸を
用い、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、それぞれ燃料極
と空気極とに供給し、電気化学反応により発電を行うも
ので、リン酸型燃料電池を組み込んだ燃料電池発電装置
では、発電時に発生する熱を冷却水を供給して除去し、
燃料電池本体の運転温度を一定に維持するとともに、発
生熱を回収して有効活用している。

【０００３】また、原燃料を燃料ガスへ改質するに際し
ては、原燃料に水蒸気を加え燃料改質装置で触媒により
改質を促進する方法が採られているが、改質を定常的に
行うには所要の水蒸気量を定常的に補給する必要があ
り、水蒸気の供給装置には、これに対応した水を常時補
給する必要がある。使用する水は、高純度の水であるこ
とが必要であり、イオン交換式の水処理装置で不純物を
除去したイオン交換水が用いられるのが通例である。一
方、燃料電池の電気化学反応では発電生成水が生じ、ま
た燃料改質器では後述のように加熱用の燃焼に伴い燃焼
生成水が生じるが、これらの生成水は通常の水道水に比
べて不純物が少なく、これらの生成水を燃料改質器への
原水として用いればイオン交換式の水処理装置の負荷を
軽減することができるので、補給水回収装置を付加し
て、これらの生成水を回収する方法が採られている。

【０００４】図４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第１の例であ
る。本図では、燃料電池本体１は模式的に示されてお
り、図示しないリン酸電解質層を燃料極２と空気極３と
で挟持して単位セルを構成し、この単位セルを複数個重
ねる毎に冷却管を有する冷却板４を配設することにより
構成されている。

【０００５】メタンガス等の原燃料は、燃料供給回路８
から供給され、後述する水蒸気分離器２１から水蒸気供
給回路１０を通して送られた高圧の水蒸気とエゼクタポ
ンプ９によって混合され、燃料改質器７へと送られる。
燃料改質器７では、改質触媒下において、燃料極２から
排出されオフガス供給回路１２を通して送られたオフガ
スと燃焼空気供給回路１６から供給された空気との燃焼
により加熱されて、水素に富んだガスに改質されたの
ち、改質ガス供給回路１１を通して燃料電池本体１の燃
料極２へと供給され、電気化学反応を起こす。

【０００６】一方、反応空気は、反応空気供給回路１４
より供給され燃料電池本体１の空気極３へと送られて電
気化学反応を起こす。燃料電池本体１で電気化学反応を
生じたのち排出されるガスのうち、燃料極２より排出さ
れるオフガスは電気化学反応に寄与しなかった水素を含
んでおり、既に述べたように燃料改質器７へと送られて
燃焼、加熱に使用される。燃焼後の水分を含んだ排出ガ
スは、燃焼排ガス回路１８を通して生成水回収器４１へ
と送られ、燃焼生成水が回収される。一方、空気極３よ
り排出される空気には電気化学反応で生じた水分が含ま
れており、反応空気排出回路１５を通して、上記の燃焼
排ガスと同様に生成水回収器４１へと送られ、発電生成
水が回収される。

【０００７】燃料電池本体１の冷却板４に設けられた冷
却管には、水蒸気分離器２１からの冷却水が冷却水循環
ポンプ２２により冷却水循環回路２０を通して送られ
る。発電による生成熱を冷却し、その熱を得て高温とな
った蒸気と水の二相流からなる排出水は、熱回収用熱交
換器２３に送られたのち、水蒸気分離器２１へ戻され、
水蒸気と冷却水とに分離される。分離された水蒸気は、
水蒸気供給回路１０を通して燃料改質に供され、冷却水
は再び燃料電池本体１の冷却板４に設けられた冷却管へ
と送られる。燃料改質に供された水蒸気に対応して減少
した冷却水はイオン交換式の水処理装置４７を通して送
られる補給水により補償される。

【０００８】熱回収用熱交換器２３は、高温の排出水に
蓄えられた熱を回収するためのもので、熱媒循環回路２
５で供給される熱媒を高温の排出水と熱交換させて昇温
し、排出水を冷却するとともに、外部へと熱を回収し有
効活用するものである。なお、熱回収用熱交換器２３に
はバイパス配管２６と三方調整弁２７が設けられてお
り、三方調整弁２７の操作によりバイパス配管２６と熱
回収用熱交換器２３の流量を調整して、圧力計２８で知
られる水蒸気分離器２１の圧力を一定に制御し、水蒸気
分離器２１から燃料改質器７へと送られる水蒸気量の変
動を抑制している。

【０００９】反応空気排出回路１５を通して空気極３よ
り排出される空気と、燃焼排ガス回路１８からの燃焼後
の水分を含んだ排出ガスとを供給された生成水回収器４
１においては、これらのガスを、底部に貯留された回収
水と直接接触させて冷却し、回収水循環ポンプ４２、回
収水冷却器４３、ノズル４４によって循環して、それぞ
れの生成水を回収している。生成水回収後の排ガスは、
ガス排気回路１９を通して外部へと排出される。

【００１０】回収水冷却器４３には、冷却水回路４５が
組み込まれており、回収水を冷却するとともに熱を外部
に取り出し有効活用している。一方、生成水回収器４１
の底部に貯留された回収水は、必要に応じて、補給水配
管４８に組み込まれた補給水ポンプ４６によりイオン交
換式の水処理装置４７を介して水蒸気分離器２１へと供
給され、すでに述べたように燃料改質に供された水蒸気
に対応して減少した冷却水の補給水として用いられる。

【００１１】また、水蒸気分離器２１と生成水回収器４
１との間には流量調整用の絞り機構４９を備えたブロー
ダウン配管５０が設置されている。冷却水は一部この配
管を通して水蒸気分離器２１から生成水回収器４１へと
送られ、補給水配管４８の水処理装置４７で清浄化され
て再び水蒸気分離器２１に戻され、内蔵する冷却水の水
質を一定に保つ役割を果たしている。

【００１２】このように、従来の燃料電池発電装置で
は、燃料電池本体１の冷却板４の冷却管から排出される
二相流の排出水を水蒸気分離器２１で水蒸気と冷却水に
分離し、分離した水蒸気を水蒸気供給回路１０を介して
エゼクタポンプへ送り原燃料と混合して燃料改質に供し
ているが、水蒸気分離器２１の圧力が変動するとエゼク
タポンプへ供給される水蒸気量が変動するので、水蒸気
と原燃料の混合割合が変動したり、あるいは燃料ガスの
圧力が変動したりするので、燃料極２へ送られる改質ガ
スの組成、圧力にも影響を及ぼし、ひいては燃料電池の
運転条件が変動することにより燃料電池の寿命短縮につ
ながることとなる。したがって、水蒸気分離器２１の圧
力をできるだけ一定に保つことが必要である。

【００１３】上述の燃料電池発電装置では、前述のよう
に、熱回収用熱交換器２３にバイパス配管２６を設け、
三方調整弁２７により熱回収用熱交換器２３へ流れる流
量を調整して水蒸気分離器２１の圧力を一定に保持する
方策が採られているが、本方式では戻りの冷却水中の蒸
気量の増減で圧力制御を行う方式であるので、三方調整
弁２７の動きに対する水蒸気分離器２１の圧力変化の応
答性が遅く、水蒸気分離器２１の圧力変動を例えば±0.
05〔kg/cm³〕以下に抑えることが困難であるという難点
がある。

【００１４】図５は、上記の第１の従来例の難点を解決
する方法として採用されている第２の従来例の燃料電池
発電装置のガス系、冷却水系の基本的な系統図である。
図４の第１の従来例と同一の機能をもつ構成部品につい
ては同一の符号を付して説明を省略する。第２の従来例
の第１の従来例との相違点は、燃料電池本体１を冷却す
る冷却水循環回路２０の戻り配管が水蒸気分離器２１の
蒸気空間に連結されており、かつ、従来の熱回収用熱交
換器２３および三方調整弁２７で構成された系の代わり
に、水蒸気分離器２１の圧力を調整する目的で蒸気流量
を調整する圧力調整弁５１と、外部の冷却装置に連結し
た熱媒循環装置２５と熱交換をさせる蒸気凝縮器５２
と、この蒸気凝縮器５２に配管のみにて接続された凝縮
水タンク５３と、凝縮水タンク５３の貯液を水蒸気分離
器２１に送る給水ポンプ５４とを配管を介して直列に接
続して構成される排熱回収装置が連結され、水蒸気分離
器２１との間に蒸気凝縮水の循環回路を形成されている
点にある。なお、凝縮水タンク５３は生成水回収器４１
と接続されており略大気圧に保持されている。

【００１５】この構成にしたことによって、水蒸気分離
器２１の圧力が設定値よりずれを生じた場合、圧力調整
弁５１の開度調整により水蒸気分離器２１から蒸気凝縮
器５２への蒸気流量を変えて、水蒸気分離器２１の圧力
を直ちに設定値に戻すことができるので、第２の従来例
の制御方法に比べて応答の速い圧力調整が可能となる。
したがって、水蒸気分離器２１の圧力を例えば±0.05
〔kg/cm³〕以下と精度よく制御できるので、燃料改質器
７へ水蒸気量を安定して供給でき、安定した燃料電池発
電装置の運転ができる。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】一方、燃料電池発電装
置は、運転を停止し安全に保管する際には、燃料電池本
体の温度を少なくとも１００℃以下に下げる必要があ
る。そのためには、燃料電池本体を冷却する冷却水は１
００℃より十分低い温度とする必要がある。上述の第２
の従来例の構成においては、水蒸気分離器の圧力が精度
よく制御され、燃料改質器へ水蒸気量を安定して供給で
きるので、安定した燃料電池発電装置の運転ができる
が、水蒸気分離器内の温度が１００℃まで下がると蒸気
量が微量となるので圧力調整弁の開度を上げても蒸気凝
縮器に流れて冷却、凝縮される蒸気量は微量に止まり、
蒸気凝縮器により水蒸気分離器内の保有水の温度を１０
０℃よりさらに低く冷却することはできない。また、絞
り機構を組み込んだブローダウン配管により水蒸気分離
器内の保有水を生成水回収器へと送り、冷却して補給水
配管により再び水蒸気分離器へと戻して冷却する方法に
おいては、絞り機構により流量が少量に制限されている
ので冷却降下速度が低く抑えられる。したがって、この
構成例においては、水蒸気分離器内の保有水の温度を１
００℃より低くすることが困難で、燃料電池本体を実用
的な冷却降下速度で１００℃以下に冷却させることが実
質的に不可能であるという問題点があった。

【００１７】本発明は、上記の問題点を考慮してなされ
たもので、その目的は、従来のように水蒸気分離器の圧
力変動が微小で燃料改質器へ水蒸気量を安定して供給で
き、安定した運転ができる燃料電池発電装置において、
燃料電池本体を１００℃以下に冷却させることが可能な
冷却水温度の調節方法を提供することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記の問題点を解決する
ために、本発明においては、 (1) 燃料電池本体へ冷却水を又燃料改質器へ水蒸気を供
給し、燃料電池本体で加熱排出された二相流の冷却排出
水を導入して蒸気と水とに分離する水蒸気分離器と、燃
料電池本体の空気極から排出される反応排出空気ならび
に燃料改質器から排出される燃焼排ガスに含まれる水分
を回収する生成水回収器とを備え、前記生成水回収器の
生成水を前記水蒸気分離器に供給する補給水配管を有す
る燃料電池発電装置において、前記水蒸気分離器と前記
生成水回収器との間を弁を介して接続し、燃料電池発電
装置の運転を停止する時、前記弁を開いて前記水蒸気分
離器内の冷却水を前記生成水回収器へ供給して冷却し、
前記補給水配管により前記水蒸気分離器へと戻すことに
より前記水蒸気分離器内の冷却水の温度を調整すること
とする。

【００１９】(2) また、前記弁を自動開閉弁とし、前記
水蒸気分離器の冷却水の水質を保持するためにこの冷却
水を前記生成水回収器へ供給するブローダウン配管の絞
り機構と並列に設置して、燃料電池発電装置の通常運転
時にはこの自動開閉弁を閉状態として絞り機構のみにて
連結させることとし、運転停止の際には開状態とするこ
とにより前記水蒸気分離器内の冷却水の温度を調整する
こととする。

【００２０】(3) また、前記弁を自動調整弁とし、前記
ブローダウン配管に設置し、燃料電池発電装置の通常運
転時には自動調整弁の開度を比較的小さくすることによ
り絞り機構と同様な動作とし、運転停止の際には開度を
大きくすることにより前記水蒸気分離器内の冷却水の温
度を調整することとする。

【００２１】

【作用】上記(1) のごとく、水蒸気分離器と生成水回収
器との間を弁を介して接続し、燃料電池発電装置の運転
を停止する時、この弁を開いて水蒸気分離器内の冷却水
を生成水回収器へ供給して冷却し、補給水配管により水
蒸気分離器へと戻すことにより冷却水の温度を調整する
こととすれば、弁の開度を大きくすれば多量の冷却水が
例えば約５０℃に設定された生成水回収器に送られ、冷
却されるので、循環させて流すことにより、水蒸気分離
器内の冷却水が迅速に１００℃より十分低い温度まで冷
却されることとなる。

【００２２】また、上記(2) のごとく、前記弁を自動開
閉弁としブローダウン配管に絞り機構と並列に設置する
構成とし、燃料電池発電装置の通常運転時には自動開閉
弁を閉状態とすることとすれば、絞り機構のみにて連通
されることとなるので流量が制限される。また、運転停
止の際には自動開閉弁を開状態とすることとすれば、水
蒸気分離器内の冷却水は相対的に大きい開口部をもつ自
動開閉弁を通して生成水回収器へ多量に流れることとな
るので、低温の生成水回収器において冷却され１００℃
より十分低い温度まで冷却されることとなる。

【００２３】さらに、上記(3) のごとく、前記弁を自動
調整弁としブローダウン配管に設置する構成とし、燃料
電池発電装置の通常運転時には自動調整弁の開度を、絞
り機構と同程度に比較的小さくし、運転停止の際には開
度を大きくするよう調整することとすれば、上述の自動
開閉弁を組み込んだ場合と同様に、冷却水の温度を調節
することができる。

【００２４】

【実施例】以下にこの発明の実施例を図面に基づいて説
明する。図１は、この発明による燃料電池発電装置の冷
却水温度の調節法の第１の実施例に用いられるガス系、
冷却水系の基本的な系統図である。図４に示した第１の
従来例、あるいは図５に示した第２の従来例と同一の機
能をもつ構成部品については同一符号を付して説明を省
略する。本実施例の第２の従来例との相違点は、水蒸気
分離器２１と生成水回収器４１との間を連結するブロー
ダウン配管５０のブローダウン流量調整用の絞り機構４
９と並列に自動開閉弁６１が設置されている点にある。
燃料電池発電装置の運転停止の際には自動開閉弁６１を
開状態として多量の冷却水をブローダウン配管５０を通
して生成水回収器４１へ流し、補給水配管４８を通して
水蒸気分離器２１へ戻して循環させることにより冷却水
は１００℃より十分低い温度まで冷却され、燃料電池本
体１の温度を１００℃以下に冷却することができる。

【００２５】図２は、この発明による燃料電池発電装置
の冷却水温度の調節法の第２の実施例に用いられるガス
系、冷却水系の基本的な系統図である。従来例と同一の
機能をもつ構成部品については同一符号を付して説明を
省略する。本実施例の第２の従来例との相違点は、水蒸
気分離器２１と生成水回収器４１との間を連結するブロ
ーダウン配管５０に自動調整弁６２のみが設置されてい
る点にある。燃料電池発電装置の通常運転時には自動調
整弁の開度を比較的小さくすることにより絞り機構と同
様に動作させ、運転停止の際には開度を大きくして冷却
水を多量に流すことにより、上述の第１の実施例の場合
と同様に、冷却水は１００℃より十分低い温度まで冷却
される。

【００２６】上記の第１の実施例および第２の実施例に
おいては、水蒸気分離器２１に、圧力調整弁５１、蒸気
凝縮器５２、凝縮水タンク５３並びに給水ポンプ５４か
らなる蒸気凝縮水の循環系統が設置されており、第２の
従来例と同様に、圧力調整弁５１の開閉により水蒸気分
離器２１の圧力が精度よく制御され、燃料改質器７に安
定して水蒸気が供給されるので、燃料電池発電装置を安
定して運転することができる。

【００２７】図３は、この発明による燃料電池発電装置
の冷却水温度の調節法の第３の実施例に用いられるガス
系、冷却水系の基本的な系統図である。本実施例の基本
系統では、水蒸気分離器２１に、圧力調整弁５１、蒸気
凝縮器５２、凝縮水タンク５３並びに給水ポンプ５４か
らなる蒸気凝縮水の循環系統が設置されていない点が、
第２の実施例の基本系統との相違点である。

【００２８】この構成において、燃料電池発電装置の運
転停止の際には、第２の実施例と同様に、自動調整弁６
２の開度を大きくして冷却水を多量に流すことにより１
００℃より十分低い温度まで冷却される。通常運転時に
は、冷却水を自動調整弁６２を通して生成水回収器４１
へと送り、発電時の発熱の一部を回収水冷却器４３で回
収するものである。このとき自動調整弁６２は第１、第
２の実施例における圧力調整弁５１と同様の役割をはた
す。即ち、水蒸気分離器２１の圧力を圧力計２８で監視
して、圧力が設定値より高くなると自動調整弁６２の開
度を上げて生成水回収器４１へ送られる冷却水の流量を
増加させ、圧力が設定値より低くなると自動調整弁６２
の開度を下げて生成水回収器４１へ送られる冷却水の流
量を減少させることによって水蒸気分離器２１の圧力を
調整する。この実施例の系統では、組み込む装置が簡略
化され安価となるという利点ももつ。

【００２９】

【発明の効果】この発明によれば、 (1) 燃料電池本体へ冷却水を又燃料改質器へ水蒸気を供
給し、燃料電池本体で加熱排出された二相流の冷却排出
水を導入して蒸気と水とに分離する水蒸気分離器と、燃
料電池本体の空気極から排出される反応排出空気ならび
に燃料改質器から排出される燃焼排ガスに含まれる水分
を回収する生成水回収器とを備え、前記生成水回収器の
生成水を前記水蒸気分離器に供給する補給水配管を有す
る燃料電池発電装置において、前記水蒸気分離器と前記
生成水回収器との間を弁を介して接続し、燃料電池発電
装置の運転を停止する時、前記弁を開いて前記水蒸気分
離器内の冷却水を前記生成水回収器へ供給して冷却し、
前記補給水配管により前記水蒸気分離器へと戻すことに
より前記水蒸気分離器内の冷却水の温度を調整する方法
をとることとしたので、前記水蒸気分離器内の冷却水を
迅速に１００℃以下に降温させることが可能となり、燃
料電池本体を停止保管時の温度へ確実に冷却できるよう
になった。

【００３０】(2) また、前記弁を前記水蒸気分離器の冷
却水を前記生成水回収器へ供給するブローダウン配管の
絞り機構に並列に設けられた自動開閉弁とする、あるい
は、前記弁を前記ブローダウン配管に設けられた自動調
整弁とし、燃料電池発電装置の運転を停止する時、自動
開閉弁を開状態とする、あるいは自動調整弁の開度を大
きくとることにより、多量の冷却水を前記水蒸気分離器
と前記生成水回収器との間を循環させることとしたの
で、冷却水を迅速に１００℃以下に降温させることが可
能となり、燃料電池本体を停止保管時の温度へ確実に冷
却できるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による燃料電池発電装置の冷却水温度
の調節法の第１の実施例に用いられるガス系、冷却水系
の基本的な系統図

【図２】この発明による燃料電池発電装置の冷却水温度
の調節法の第２の実施例に用いられるガス系、冷却水系
の基本的な系統図

【図３】この発明による燃料電池発電装置の冷却水温度
の調節法の第３の実施例に用いられるガス系、冷却水系
の基本的な系統図

【図４】この種の燃料電池発電装置の第１の従来例を示
すガス系、冷却水系の基本的な系統図

【図５】この種の燃料電池発電装置の第２の従来例を示
すガス系、冷却水系の基本的な系統図

【符号の説明】

１ 燃料電池本体 ４冷却板 ７ 燃料改質器 ９ エゼクタポンプ １０ 水蒸気供給回路 １５ 反応空気排出回路 １８ 燃焼ガス排出回路 １９ ガス排気回路 ２０ 冷却水循環回路 ２１ 水蒸気分離器 ２５ 熱媒循環回路 ４１ 生成水回収器 ４３ 回収水冷却器 ４６ 補給水ポンプ ４７ 水処理装置 ４８ 補給水配管 ４９ 絞り機構 ５０ ブローダウン配管 ５１ 圧力調整弁 ５２ 蒸気凝縮器 ５３ 凝縮水タンク ６１自動開閉弁 ６２自動調整弁

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料電池本体へ冷却水を又燃料改質器へ水
   蒸気を供給し、燃料電池本体で加熱排出された二相流の
   冷却排出水を導入して蒸気と水とに分離する水蒸気分離
   器と、燃料電池本体の空気極から排出される反応排出空
   気ならびに燃料改質器から排出される燃焼排ガスに含ま
   れる水分を回収する生成水回収器とを備え、前記生成水
   回収器の生成水を前記水蒸気分離器に供給する補給水配
   管を有する燃料電池発電装置において、前記水蒸気分離
   器と前記生成水回収器との間を弁を介して接続し、燃料
   電池発電装置の運転を停止する時、前記弁を開いて前記
   水蒸気分離器内の冷却水を前記生成水回収器へ供給して
   冷却し、前記補給水配管により前記水蒸気分離器へと戻
   すことにより前記水蒸気分離器内の冷却水の温度を調整
   することを特徴とする燃料電池発電装置の冷却水温度の
   調節方法。
2. 【請求項２】前記弁が、前記水蒸気分離器内の水質を保
   持するために冷却水を前記水蒸気分離器より前記生成水
   回収器へ供給するブローダウン配管の絞り機構と並列に
   設けられた自動開閉弁であることを特徴とする請求項１
   記載の燃料電池発電装置の冷却水温度の調節方法。
3. 【請求項３】前記弁が、前記水蒸気分離器内の水質を保
   持するために冷却水を前記水蒸気分離器より前記生成水
   回収器へ供給するブローダウン配管に設けられた自動調
   節弁であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発
   電装置の冷却水温度の調節方法。