JP3287502B2

JP3287502B2 - 燃料電池による発電方法

Info

Publication number: JP3287502B2
Application number: JP21943693A
Authority: JP
Inventors: 祐介田中
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Tokyo Electric Power Co Inc
Priority date: 1993-09-03
Filing date: 1993-09-03
Publication date: 2002-06-04
Anticipated expiration: 2017-06-04
Also published as: JPH0773893A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は燃料電池発電システムか
ら発生する低温熱の回収システムに関し、特に、燃料電
池の発電効率を改善する低温熱回収システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料極（アノード）の触媒作用により水
素を水素イオンとし、空気極（カソード）の触媒作用に
より空気中の酸素を酸素イオンとして電池化学反応によ
り両極間に直流電力を得るようにした各種燃料電池が開
発されている。そして、この燃料電池を利用した発電シ
ステムとして、電気と熱を同時に効率良く取り出せるコ
ージェネレーションシステムが知られている。図４にこ
のコージェネレーションシステムの例を示す。

【０００３】燃料である天然ガスは、水添脱硫器（図示
せず）でその中に添加されている硫黄分を含む付臭剤が
除去され、蒸気配管３２から供給される水蒸気と混合さ
れた後、改質器３３内での触媒作用により次の反応式の
ように水素等に変換される。ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ＝ＣＯ＋３Ｈ₂ （改質反応）ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ＝ＣＯ₂＋Ｈ₂ （変成反応）ＣＨ₄＋２Ｈ₂Ｏ＝ＣＯ₂＋４Ｈ₂ （全体の反応）次いで、水素リッチとなった改質ガスは一酸化炭素（Ｃ
Ｏ）変成器３５で改質ガス中に含まれるＣＯ濃度を１．
７５％以下にした後、水蒸気凝縮器３６で余剰の水分が
除去された後、燃料電池３７の燃料極（アノード）３８
に供給される。

【０００４】一方、空気は第一段空気圧縮機３９、第二
段空気圧縮機４０により加圧され、燃料電池３７の空気
極（カソード）４１に供給される。燃料電池３７本体内
では、燃料極３８の水素と空気極４１の酸素が電解質４
２を介して次式の電気化学反応をして、直流電気が発生
する。Ｈ₂＝２Ｈ⁺＋２ｅ^- （アノード）１／２Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-＝Ｈ₂Ｏ（カソード）Ｈ₂＋１／２Ｏ₂＝Ｈ₂Ｏ（全体の反応）この直流電気は直交変換装置４３で交流に変換されて電
力負荷装置で利用される。

【０００５】燃料極３８の未反応水素（排燃料ガス）
は、改質器３３の加熱用の燃料として使用される。ま
た、この改質器３３での未反応水素の燃焼には空気極４
１からの排空気が酸素源として使用される。この燃料電
池３７での発電で発生する熱は、電池冷却板４４を介し
て配管４５から循環供給される冷却水で冷却される。そ
して、この冷却水で取り除かれた熱は熱回収装置４６で
回収される。また、空気極４１から排出する排空気中の
水蒸気を水蒸気凝縮器４７で凝縮する際の熱、ＣＯ変成
器３５から排出するガス中の余剰水分を水蒸気凝縮器３
６で冷却して得られる熱をそれぞれの流路に設けられた
熱回収装置４９、５０で回収して、冷暖房や給湯等に使
用する。なお、前記各々の水蒸気凝縮器３６、４７で生
成した凝縮水は水処理装置（図示せず）で純度を高めて
燃料電池用の冷却板４４用の冷却水として利用する。ま
た、前記燃料電池３７の冷却に使用された水は蒸気分離
器５２で蒸気を分離した後、再度燃料電池３７の冷却水
としてポンプ５３により循環使用され、分離蒸気は天然
ガスの改質用の水として蒸気配管３２に供給されて利用
される。改質器３３で発生した排ガスは燃焼機５１で加
熱された後、第一段膨張タービン５４の回転軸、第二段
膨張タービン５５の回転軸の回転エネルギーとして、第
二段空気圧縮機４０および第一段空気圧縮機３９に回収
された後に大気中に放出される。また、熱回収装置４
６、４９、５０の冷却水に回収された熱は冷水塔５７で
補給水により冷却されて、再使用される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記燃料電池３７を用
いる発電システムにおいて、系内で発生する熱は熱回収
装置４６、４９、５０で回収されていた。すなわち、燃
料電池３７の冷却用の循環冷却水の熱は熱回収装置４６
で回収し、燃料電池３７の空気極４１からの排空気の余
剰水分の凝縮熱は熱回収装置４９で回収し、燃料極３８
に供給する前の改質ガス中の余剰水分の凝縮熱は熱回収
装置５０で回収していた。この熱回収装置４６、４９、
５０を含めた燃料電池発電システムにおけるエネルギー
の需給を概念的に示すと、図５のように書くことができ
る。すなわち、燃料電池発電システムを燃料電池部１と
この燃料電池部１の熱回収および加圧空気供給部２に分
けて考えると、燃料電池用燃料ＦＧ₁と空気圧縮機３
９、４０により加圧された空気ＡＩＲ₁が燃料電池部１
に供給され、燃料電池部１からは電気エネルギーＥ₁が
取り出される。また、熱回収および加圧空気供給部２に
燃料電池部１からは空気の加圧に用いる膨張タービン５
４、５５の熱エネルギーを補う排燃料ＦＧ₂と熱回収装
置４９、５０、４６で回収されるそれぞれの排熱Ｑ₁、
Ｑ₂、Ｑ₃（排熱Ｑ₁、Ｑ₂と排熱Ｑ₃とは排熱温度レベル
が異なるので、それぞれ別の熱回収系とする。）と改質
器燃焼排ガスの熱および圧力のエネルギーをもつＥＸＨ
₁が放出される。一方、熱回収および加圧空気供給部２
から燃料電池部１には空気圧縮機３９、４０で加圧され
た空気ＡＩＲ₁が供給される。

【０００７】また、熱回収および加圧空気供給部２には
燃料電池部１の空気極４１に供給される空気ＡＩＲ₂と
熱回収装置４６、４９、５０により集熱された冷却水の
冷却用に導入された補給水Ｗと熱回収装置４６、４９、
５０の冷却水等の循環用の動力ポンプ（図示せず）等の
補助動力Ｅ₂（図４には図示せず）とが供給される。ま
た、熱回収および加圧空気供給部２からは排ガスＥＸＨ
₂が大気中に排出される。上記、図５のエネルギーの需
給系では燃料電池部１から熱回収および加圧空気供給部
２に排出される排熱Ｑ₁、Ｑ₂、Ｑ₃と排燃料ＦＧ₂の温度
は低いので、熱の回収率は良くなかった。そこで、本発
明の目的は燃料電池部から熱回収および加圧空気供給部
へ回収される熱回収効率を向上させて、最終的には燃料
電池発電システムのエネルギー効率を向上させることで
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の上記目的は次の
構成によって達成される。すなわち、炭化水素系燃料と
水蒸気を用いて改質器３３で水素を生成させて燃料電池
３７の燃料極３８に供給し、空気圧縮機３、４で加圧し
た空気を燃料電池３７の空気極４１に供給し、改質器３
３で発生した排ガスを炭化水素系燃料とともに燃焼器
６、７でそれぞれ加熱した後に膨張タービン９、１０で
膨張させてそれぞれ前記空気圧縮機３、４の駆動に用い
る燃料電池３７の電解質を介して燃料極３８と空気極４
１との間で電気化学反応させる燃料電池による発電方法
であって、空気極４１から排出する排空気中の水蒸気を
凝縮する際の熱Ｑ_１と改質器３３で得られた水素リッチ
なガス中の余剰水分を冷却して得られる熱Ｑ_２をそれぞ
れ回収するための熱交換器１７、１８及び膨張タービン
９、１０からの比較的高温の排気ガスを冷却した後の比
較的低温の排気ガスの熱を回収するための熱交換器２１
にそれぞれ加圧空気と加圧水を供給し、それぞれの熱交
換器１７、１８、２１内で加圧空気を加温させ、得られ
た加圧、加温空気に水を噴霧して、前記熱Ｑ_１、Ｑ_２を
水の顕熱及び潜熱として回収して、水と水蒸気と加圧空
気が共存する状態にある水と水蒸気と加圧空気の混合流
体を生成し、上記熱交換器１７、１８、２１で得られた
混合流体中の気体成分（水蒸気と空気）を水から分離し
て加圧気体を得て、該加圧気体のみを前記膨張タービン
１０からの前記比較的高温の排気ガスと熱交換器２９で
熱交換させ、前記膨張タービン１０に供給することを特
徴とする燃料電池による発電方法である。また、空気圧
縮機３、４から得られる加圧空気の熱を回収する熱交換
器１９、２０にそれぞれ加圧空気と加圧水を供給して、
熱交換器１９、２０で得られた混合流体を熱交換器１
７、１８、２１で得られた混合流体と合流させると、空
気圧縮機３、４から得られる加圧空気の熱を有効に回収
することができる。空気圧縮機３、４から空気極４１に
供給する加圧空気の一部を分岐させて熱交換器１７、１
８、２１にそれぞれ空気流路１２、１３、１６から供給
する構成にしても良い。また、水と水蒸気と加圧空気の
混合流体から得られた気体成分に加える熱エネルギーの
一部として燃料電池本体の冷却用の冷却水４５から分離
回収された排蒸気を用いることもできる。本発明の燃料
電池による発電方法は図２に基づいて説明する。燃料電
池３７の空気極４１から排出する排空気中の水蒸気を水
蒸気凝縮器４７で凝縮する際の熱Ｑ_１と改質器３３で得
られた水素リッチであるＣＯ変成器３５でＣＯを除いた
後のガス中の余剰水分を水蒸気凝縮器３６で冷却して得
られる熱Ｑ_２からそれぞれ熱を回収するための熱交換器
１７、１８に空気極４１に供給する加圧空気の一部を分
岐させた空気流路１２、１３からそれぞれ加圧空気を供
給して加圧空気を加温させる。また膨張タービン１０か
らの排気ガスを熱交換器２９で冷却した後の比較的低温
の排ガス熱を熱交換するための交換器２１に空気極４１
に供給する加圧空気の一部を分岐させて空気流路１６か
ら供給して加温させる。得られた加圧、加温空気に、ポ
ンプ２６で加圧された加圧水を流路２３から熱交換器１
７、１８の前流側の空気流路１２、１３内及び熱交換器
２１の前流側の空気流路１６内に噴霧する。熱交換器１
７、１８内及び熱交換器２１内では噴霧水により水の分
圧が下がり、水が気化するので当該分圧下での水の沸点
以下の温度で、しかも水と水蒸気と加圧空気が共存する
状態を作り出す。こうして約１００℃の低温熱である熱
Ｑ_１と熱Ｑ_２及び膨張タービン１０からの比較的低温の
排ガス熱を水の気化のために利用することで、前記低温
熱を水の顕熱及び潜熱として回収する。このとき、空気
圧縮機３、４から得られる加圧空気の熱を回収する熱交
換器１９、２０をそれぞれ設け、該熱交換器１９、２０
にそれぞれ加圧空気と加圧水を供給して、熱交換器１
９、２０で得られた混合流体を熱交換器１７、１８、２
１で得られた混合流体と合流させると、空気圧縮機３、
４から得られる加圧空気の熱も有効に回収することがで
きる。また、熱交換器１７〜２１で得られた混合流体中
の気体成分（水蒸気と空気）を分離器２５で水から分離
して加圧気体成分を得て、該加圧気体成分のみを前記膨
張タービン１０からの前記比較的高温の排気ガスと熱交
換器２９で熱交換させてかなりの高温（実施例では５４
５℃）に加熱して高エネルギー化し、膨張タービン１０
の動力源とする。

【０００９】

【作用】従来は燃料電池から発生する約１００℃程度の
低温熱からの熱回収は熱交換効率が悪いため、効率的に
行うことはできなかった。しかし、本発明においては、
燃料電池の空気極用に供給する加圧空気の一部を分岐さ
せ、この分岐させた加圧空気と燃料電池からの低温排熱
と熱交換して加温させる。得られた加圧、加温空気に水
を噴霧して水の分圧を下げて水を気化させ、当該分圧下
での水の沸点以下の温度で、しかも水と水蒸気が共存す
る状態を作り出す。こうして、前記燃料電池からの低温
熱を水の気化のために利用することで、前記低温熱を水
の顕熱として回収するだけでなく、水の蒸発潜熱として
も回収する。

【００１０】また、こうして水を気化させることで加圧
流体（水蒸気と空気からなる流体）の体積を膨張させ、
膨張タービンに利用できる加圧流体を得ることができ
る。しかも、この加圧流体に、さらに熱エネルギーを加
えて高温ガスとし、膨張タービンの作動効率を上げるこ
とで現実的に利用できるシステムとなる。このとき、前
記体積が膨張した流体に供給する熱として、燃料電池の
冷却用循環水から分離した蒸気または循環する冷却水の
排熱を加えることで、燃料電池部から発生する低温熱を
全て有効に回収して利用することができ、燃料電池発電
システムに低温熱回収システムを加えることにより、発
電効率はさらに向上する。

【００１１】本発明を図５の従来技術の概念図に対比し
て燃料電池部１と熱回収および加圧空気供給部２の間の
エネルギーの収支を図式化すると図１のような概念図が
得られる。この図１は図５の従来技術の概念図の熱回収
および加圧空気供給部２に燃料ＦＧ₃と交流発電エネル
ギーＥ₃を追加したものに相当する。しかも、従来技術
に比較して、熱交換器を新設し、空気圧縮機と膨張ター
ビンの容量を大きくしただけであり、その操作性、メイ
ンテナンス等における負担の増加はほとんどない。こう
して本発明によれば、従来はクーリングタワー等を経由
して大気中に放出していた低温の熱を水の顕熱と潜熱と
して回収するだけでなく、水が水蒸気となることにより
膨張した体積を膨張タービンの回転エネルギーとして利
用することで、燃料電池部１から発生する低温熱を効率
的に回収することができる。また、膨張タービンの作動
効率があがると、その余剰回転エネルギーで交流発電エ
ネルギーＥ₃を取り出すことにも利用することができ
る。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の好ましい形態を、図面を参照
して詳細に説明する。本実施例の燃料電池発電システム
における低温熱回収システムの概要を図２に示す。図２
に示す燃料電池部１の構成は従来技術のそれと同一であ
るので、図４と同一機能を有する装置は同一番号を付し
てその説明は省略する。燃料電池部１と該燃料電池部１
に供給する空気の二段の空気圧縮機（第一段空気圧縮機
３、第二段空気圧縮機４）と燃料電池部１からの排ガス
を利用する二段の燃焼器６、７と二段の膨張タービン
（第一段膨張タービン９、第二段膨張タービン１０）、
一段目の空気圧縮機３で圧縮された加圧空気を複数の加
圧空気流路１２、１３、１４、１５、１６に分けて、そ
れぞれの流路１２〜１６において加圧空気の熱交換をす
る熱交換器１７〜２１、前記各熱交換器１７〜２１の直
前の各加圧空気流路１２〜１６に向けてそれぞれ開口し
た噴霧ノズル（図示せず）を持つ加圧ポンプ２６により
加圧された水供給路２３（図２には加圧空気流路１２〜
１６と同一流路で示す。）、熱交換器１７〜２１から排
出する水と水蒸気と空気との各混合流体を合流させて該
混合流体から水分を分離するための気液分離器２５、該
気液分離器２５から分離された水を前記加圧水供給路２
３にポンプ２６を経由して供給する水供給路２７、また
気液分離器２５から分離された気体成分を熱交換器２９
を経由して燃焼用酸素源とする燃焼器７と該燃焼器７で
得られた気体を用いる第二段目の膨張タービン１０と、
該膨張タービン１０からの排ガスを熱交換する二段の熱
交換器２９、２１等とからなる。

【００１３】本実施例の特徴は、従来の燃料電池発電シ
ステムに空気圧縮機３、４で圧縮された加圧空気を燃料
電池部１に供給する系統の他に、この加圧空気を分岐さ
せて、これに水を噴霧する系統（加圧空気供給流路１２
〜１６、熱交換器１７〜２１、加圧水供給路２３等）を
追加したことと燃料電池部１の冷却板４４用の冷却水か
らの排蒸気熱Ｑ₃を膨張タービン９供給用気体の加熱用
に用いる燃焼器６の熱源の一部として用いることであ
る。このＱ₃を加えることによる回収される軸エネルギ
ーの回収効率は非常に大きい。

【００１４】以下、図２の低温熱回収システムに対応さ
せたエネルギー収支等を基準に書き直した図３を参考に
しながら順を追って詳細に説明する。まず、２８８Ｋ
（１５℃）の空気は一段目の空気圧縮機３に導入され、
これに２２７×１０⁴ｋｃａｌ／ｈｒの動力を加えて１
５４℃、３．３６気圧の加圧空気を得る。この加圧空気
の次段での圧縮を効果的に行うために、熱交換器２０で
噴霧水で冷却された空気と水と水蒸気の混合流体で１２
０℃に冷却して、この加圧空気の一部をさらに二段目の
空気圧縮機４において５９×１０⁴ｋｃａｌ／ｈｒの動
力を加えて８．６気圧に加圧する。得られた加圧空気を
熱交換器１９で１９０℃に冷却して燃料電池部１の空気
極に導く。

【００１５】燃料電池部１では、空気極と燃料極（図示
せず）間の電気化学的反応で電気エネルギーを発生し、
電池作動に必要な補機や直流−交流変換ロスを差し引い
て、４３０×１０⁴ｋｃａｌ／ｈｒの電気エネルギーが
交流送電される。なお、燃料電池部１の改質器３３に改
質用原料および加熱燃料を合わせて供給されるエネルギ
ーは１０１９×１０⁴ｋｃａｌ／ｈｒである。燃料電池
部１からは９×１０⁴ｋｃａｌ／ｈｒの熱エネルギーを
持った排燃料ＦＧ₂と１７０℃、８．０気圧の７６ｋｇ
・ｍｏｌ／ｈｒの流量の排蒸気Ｑ₃と３８９℃、８．０
気圧の排ガスＥＸＨ₁が排出する。また、燃料電池部１
からは熱交換器１７、１８で合計１３７×１０⁴ｋｃａ
ｌ／ｈｒの排熱Ｑ₁＋Ｑ₂が排出される。従来は、この１
３７×１０⁴ｋｃａｌ／ｈｒの燃料電池部１から排出さ
れる排熱Ｑ₁＋Ｑ₂は約１００℃程度の低温の低温熱であ
るため、図４に示す従来の熱回収装置４６、４９、５０
等で熱回収してシャワー、湯沸器等に使用するか、単
に、クーリングタワー等により大気中に放熱されていた
ものである。

【００１６】本実施例は以下に述べる部分に特徴があ
る。すなわち、一段目の空気圧縮機３で３．３６気圧に
圧縮され、熱交換された空気の一部である２３７１ｋｇ
・ｍｏｌ／ｈｒの加圧空気が分岐した加圧空気供給流路
１２〜１６に供給され、各々の空気供給流路１２〜１６
の熱交換器１７〜２１の直前の流路１２〜１６におい
て、加圧水が供給路２３から５７１ｋｇ・ｍｏｌ／ｈｒ
の流量で供給され、各々の熱交換器１７〜２１から噴霧
される。ここで、熱交換器１７〜２１が複数に分かれて
いる理由は互いに異なる流体（加圧度合の異なる加圧空
気、水蒸気と加圧空気の混合流体、膨張タービン排出ガ
ス）の流路から熱を回収するためであり、しかも、それ
ぞれの熱交換器１７〜２１内では水と水蒸気が共存する
状態に圧力が保てるように設計されている。なお、この
低温熱回収システムおよび燃料電池部１内での運転条件
の変化その他の外乱により、前記熱交換器１７〜２１内
での水と水蒸気が共存する状態に圧力が保てなくなるこ
ともあるので、この加圧空気供給流路１２〜１６には図
示していないが、流量コントロールバルブを設けること
もできる。

【００１７】図３に示す各々の熱交換器１７〜２１で
は、前記混合流体は各熱交換器１７〜２１内に表示した
符号と同一符号を用いて表した流体流路中の流体とそれ
ぞれ熱交換される。すなわち、第二段目の空気圧縮機４
の出口の加圧空気の熱は熱交換器１９で回収され、第一
段目の空気圧縮機３の出口の加圧空気の熱は熱交換器２
０で回収され、熱交換器２１では第二段目の膨張タービ
ン１０から排出し、熱交換器２９で冷却された排出ガス
の熱が回収され、空気と水蒸気と水分の混合流体が得ら
れる。各々の混合流体は合流して、１００℃の空気と水
蒸気と水の混合流体が得られる。この流体中の気体成分
（空気と水蒸気）と水は気液分離器２５で分離される。
そして、該気体混合流体のみは熱交換器２９で第二段目
の膨張タービン１０からの高温の排気と熱交換して５４
５℃のガスとなる。また、燃料電池部１からの９×１０
^４ｋｃａｌ／ｈｒの熱エネルギーを持つ排燃料ＦＧ２と
１６４×１０^４ｋｃａｌ／ｈｒの熱エネルギーを持つ補
助熱源からの熱量を補給して燃焼器６に補給し燃焼させ
て、第一段目の膨張タービン９で膨張させて９３×１０
^４ｋｃａｌ／ｈｒの動力が取り出され、その一部はこの
膨張タービン９と軸で連動している空気圧縮機３、４の
回転エネルギーとして利用される。また、この膨張ター
ビン９からの排気は前記熱交換器２９から排出した前記
５４５℃のガスと混合され、燃焼器７で補助熱源から得
られる９６１×１０^４ｋｃａｌ／ｈｒｓの熱エネルギー
の補給で９２６℃のガスが得られる。このガスは第二段
目の膨張タービン１０で利用されて７５２×１０^４ｋｃ
ａｌ／ｈｒの動力として取り出され、その一部は、空気
圧縮機３、４の回転エネルギーとして利用される。さら
に、余剰の回転エネルギーは交流発電機１１を作動さ
せ、５５９×１０^４ｋｃａｌ／ｈｒのエネルギーを取り
出すことができる。

【００１８】膨張タービン９、１０が二基設けられる理
由は燃料電池部１からの気体と熱回収された気体混合
流体の二つの互いに異なる圧力レベルの気体を膨張させ
るためであり、また、燃焼器６、７が二基設けられる理
由もそれぞれの膨張タービン９、１０を効率的に作動さ
せるために、それぞれのエネルギーレベルに合致したタ
ービン導入気体を高温化させておく必要があるからであ
る。第二段目の膨張タービン１０から排出する６２５℃
の排気ガスは熱交換器２９で２８０℃、熱交換器２０で
１５０℃と順次低温化されて、大気中に放出される。

【００１９】上記した低温回収システムにおいて、追加
供給した熱エネルギー（ＦＧ₃）は補助燃料により燃焼
器６、７に供給したエネルギーはＦＧ₃＝（１６４＋９６１）×１０⁴ｋｃａｌ／ｈｒ＝１１２５×１０⁴ｋｃａｌ／ｈｒであり、余分に回収された動力エネルギー（ＰＷ）は膨
張タービン９、１０出力と空気圧縮機３、４での消費動
力の差のエネルギーはＰＷ＝｛（７５２＋９３）−（５９＋２２７）｝×１０⁴ｋｃａｌ／ｈｒ＝５５９×１０⁴ｋｃａｌ／ｈｒである。したがって、本実施例の燃料電池発電システム
の低温熱回収システムによれば、エネルギー回収効率η
_TNは η_TN＝ＰＷ／ＦＧ＝０．４９７である。

【００２０】また、本システムの全体のエネルギー効率
η_TOTALは η_TOTAL＝（４３０＋５５９）／（１０１９＋９６１＋１６４）＝０．４６１である。このように、本実施例ではエネルギーを追加し
て供給しても余分に動力を回収しているため、これらの
追加した系によるエネルギー回収効率が高いだけでな
く、本実施例の低温熱回収系を備えていない燃料電池部
１におけるエネルギー効率η_FCは η_FC＝４３０／１０１９＝０．４２２に比較しても全体の熱回収効率（η_TOTAL）は向上して
いる。

【００２１】しかも、本実施例で従来の常圧型燃料電池
の場合には燃料極に供給する空気の圧縮機は中間段での
空気の抜き出しはないが、本実施例では二段の空気圧縮
機３、４を用いて、燃料極に供給する空気の温度と圧力
を確保し、一段目の空気圧縮機３から得られる比較的低
圧の空気を用いて水の混合冷媒系で、水の分圧を低く保
って、水の気化を確保し、燃料電池部１からの排熱
Ｑ₁、Ｑ₂を有効に利用するものである。従って、高圧型
燃料電池を用いる発電システムに本実施例を適用する場
合に新規に空気圧縮機を設ける必要がなく、コスト的に
有利である。しかも、従来技術に比較して、補助燃焼器
７と熱交換器１９〜２１、２９を新設し、空気圧縮機
３、４と膨張タービン９、１０の容量を大きくしただけ
であり、その操作性、メインテナンス等における負担は
ほとんどない。

【００２２】

【発明の効果】本発明によれば、従来はクーリングタワ
ー等を経由して大気中に放出していた低温の熱を水の顕
熱と潜熱として回収するだけでなく、水が水蒸気となる
ことにより膨張した体積を膨張タービンの回転エネルギ
ーとして利用することで、燃料電池から発生する低温熱
を効率的に回収することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池発電システムにおける低温
回収システムのエネルギー収支を説明する図である。

【図２】本発明の一実施例の燃料電池発電システムに
おける低温回収システムを示す図である。

【図３】図２の燃料電池発電システムに対応させて低
温回収システムのエネルギー収支等を説明する図であ
る。

【図４】従来の低温回収システムを含めた燃料電池発
電システムのエネルギー収支を説明する図である。

【図５】従来の燃料電池発電システムにおける低温回
収システムの概念を示す図である。

【符号の説明】

１…燃料電池部、２…熱回収および加圧空気供給部、
３、４…空気圧縮機、６、７…燃焼器、９、１０…膨張
タービン、１１…交流発電機、１２〜１６…加圧空気供
給流路、１７〜２１、２９…熱交換器、２３…加圧水供
給路、２５…気液分離器、２６…ポンプ、２７…水供給
路、３３…改質器、３７…燃料電池、３８…燃料極（ア
ノード）、４１…空気極（カソード）、４２…電解質、
４３…直交変換装置、４４…電池冷却板

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】炭化水素系燃料と水蒸気を用いて改質器
３３で水素を生成させて燃料電池３７の燃料極３８に供
給し、空気圧縮機３、４で加圧した空気を燃料電池３７
の空気極４１に供給し、改質器３３で発生した排ガスを
炭化水素系燃料とともに燃焼器６、７でそれぞれ加熱し
た後に膨張タービン９、１０で膨張させてそれぞれ前記
空気圧縮機３、４の駆動に用いる燃料電池３７の電解質
を介して燃料極３８と空気極４１との間で電気化学反応
させる燃料電池による発電方法であって、空気極４１から排出する排空気中の水蒸気を凝縮する際
の熱Ｑ_１と改質器３３で得られた水素リッチなガス中の
余剰水分を冷却して得られる熱Ｑ_２をそれぞれ回収する
ための熱交換器１７、１８及び膨張タービン９、１０か
らの比較的高温の排気ガスを冷却した後の比較的低温の
排気ガスの熱を回収するための熱交換器２１にそれぞれ
加圧空気と加圧水を供給し、それぞれの熱交換器１７、
１８、２１内で加圧空気を加温させ、得られた加圧、加
温空気に水を噴霧して、前記熱Ｑ_１、Ｑ_２を水の顕熱及
び潜熱として回収して、水と水蒸気と加圧空気が共存す
る状態にある水と水蒸気と加圧空気の混合流体を生成
し、上記熱交換器１７、１８、２１で得られた混合流体中の
気体成分（水蒸気と空気）を水から分離して加圧気体を
得て、該加圧気体のみを前記膨張タービン１０からの前
記比較的高温の排気ガスと熱交換器２９で熱交換させ、
前記膨張タービン１０に供給することを特徴とする燃料
電池による発電方法。
【請求項２】空気圧縮機３、４から得られる加圧空気
の熱を回収する熱交換器１９、２０にそれぞれ加圧空気
と加圧水を供給して、熱交換器１９、２０で得られた混
合流体を熱交換器１７、１８、２１で得られた混合流体
と合流させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池
による発電方法。
【請求項３】空気圧縮機３、４から空気極４１に供給
する加圧空気の一部を分岐させて熱交換器１７、１８、
２１にそれぞれ空気流路１２、１３、１６から供給する
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池による発電方
法。
【請求項４】水と水蒸気と加圧空気の混合流体から得
られた気体成分に加える熱エネルギーの一部として燃料
電池本体の冷却用の冷却水４５から分離回収された排蒸
気を用いることを特徴とする請求項１または２記載の燃
料電池による発電方法。