JP3743118B2 - 燃料電池発電システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素・水素の結合反応を利用して発電を行う燃料電池発電システムの改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、水やアルコール類などの燃料がもっている化学エネルギーを燃やして熱に変換することなしに、電池内で、燃料，酸化剤（空気，酸素など）をそれぞれカソード，アノードにおける電子をやりとりする電極反応を行わせ、全体として燃料の燃焼反応と同じ形の反応を行わせるようにした燃料電池は、高い熱交換効率を発揮することができるので、病院，学校，ビル等の施設の電力源として応用されつつある。
【０００３】
図２は、従来の固体高分子型燃料電池を利用した燃料電池発電システム(100X)の構成を概略的に示す配管系統図である。同図において、(101) は電池本体を示し、該電池本体(101) の内部には、カソード(102) と、アノード(103) とが設けられている。また、(120) は取り入れた外気を圧縮して燃料電池(101) 等に送り込むための空気圧縮機、(121) は都市ガス中の硫黄成分を取り除くための脱硫器、(122) は脱硫された都市ガスを圧縮して高圧にするためのガス圧縮機、(124) はポンプ(123) 等を介して送られる水を貯留するタンク、(126) はバーナー(126a)を付設しガス圧縮機(122) から送られる都市ガスとポンプ(125) を介してタンク(124) から送られる水とを反応させるための改質器、(127a,127b) はそれぞれ改質器(126) で発生したＣＯガスを変成するための高温変成器及び低温変成器、(128) は低温変成器(127b)から出る改質ガス中のＣＯガスをさらに部分的に酸化させた後、電池本体(101) に送るための部分酸化反応器をそれぞれ示す。上記改質器(126) 、各反応器(127a,127b ,128) 及び電池本体(101) をガス配管で接続してガス流通路(180) が構成されている。また、(131) は電池冷却水を放熱させるための放熱器、(132) は上記改質器(126) で生じる水蒸気を凝縮するための凝縮器、(136) はカソード(102) で生じる水蒸気を凝縮するための凝縮器、(137) はアノード(103) で生じる水蒸気を凝縮するための凝縮器をそれぞれ示す。そして、各凝縮器(131,136,137) で生成された水は上記タンク(124) に戻される一方、気体は外部に排出されるように構成されている。
【０００４】
また、燃料電池発電システム(100X)内には各反応器から出る排熱を回収しながら改質器(126) に水を供給するための水供給系(140) が設けられている。この水供給系(140) の水流通路(141) には、ポンプ(125) と水処理装置(142) とが介設されている。
【０００５】
さらに、改質器(126) の出口に設けられた第１熱交換器(151) と、高温変成器(127a)の出口に設けられた第２熱交換器(152) と、低温変成器(127b)の出口に設けられた第３熱交換器(153) と、部分酸化反応器(128) の出口に設けられた第４熱交換器(154) とが配設されていて、各熱交換器(151,152,153,154)には、上記ガス流通路(180) に介設されたガス側熱交換コイルと、上記水側流通路(141) に介設された水側熱交換コイルとが収納されている。すなわち、この水側熱交換コイルとガス側熱交換コイルとによって、ガス流通路(180) の改質ガスと水流通路(141) の水との熱交換を行うように構成されている。
【０００６】
なお、(134) は脱硫器(121) を経た都市ガスと水流通路(141) の水とを混合させるための混合器、(135) は空気圧縮機(120) から送られる外気と低温変成器(127b)から出る改質ガスとを混合させるための混合器、(155) は電池本体(101) のアノード(103) 、カソード(102) から排出されて改質器(126) のバーナー(126a)に送られるカソード排ガス及びアノード排ガスと改質器(126) から排出される燃焼排ガスとの熱交換を行うための第５熱交換器をそれぞれ示す。
【０００７】
次に、上記燃料電池発電システム(100X)におけるエネルギーの流れを概略的に説明する。改質器(126) においては、脱硫された都市ガスとスチームとの混合ガスがガスバーナー(126a)で加熱されて触媒の存在下でＣＯ2 ガスと水素とを含む改質ガスが生成される。その際、電池本体(101) で反応しきれなかった水素を含むアノード排ガスと空気を含むカソード排ガスが改質器(126) に戻されてバーナー(126a)の燃焼源とされる。ただし、この改質ガス中にはＣＯガスも含まれているので、高温変成器(127a)及び低温変成器(127b)でこのＣＯガスをＣＯ2 ガスに変える。さらに、固体高分子型燃料電池システムにおいては、効率の低下を招くＣＯガスの量を極度に減らすために、部分酸化反応器(128) を設け、この部分酸化反応器(128) において、低温変成器(127b)から出る改質ガスに空気圧縮機(120) から送られる空気を混合させてＣＯガスをさらに酸化させている。このようにして、ＣＯガスの含有量が極めて少ない改質ガスが電池本体(101) に送られる。そして、電池本体(101) で、部分酸化反応器(128) から送られる改質ガス中の水素と、空気圧縮機(120) から送られる空気中の酸素とを結合させて、そのときに生じるイオンをカソード(102) ，アノード(103) の電荷に変えることで、電力が得られる。
【０００８】
一方、水供給系(140) においては、タンク(124) から排出される水が、水処理装置(142) 、第４熱交換器(154) 、第３熱交換器(153) 、第２熱交換器(152) 、第１熱交換器(151) を順に経た後、改質器(126) に供給される。そして、各熱交換器(154,153,152,151) で部分酸化反応器(128) 、低温変成器(127b)、高温変成器(127a)、改質器(126) から出る改質ガスと水との熱交換を行う。
【０００９】
ここで、各反応器(127a,127b,128) における反応は発熱反応である。改質器(126) における反応温度はたとえば８００℃程度であり、高温変成器(127a)における処理温度はたとえば４００℃程度であり、低温変成器(127b)における処理温度はたとえば２００℃程度であり、部分酸化反応器(128) における処理温度はたとえば１４０℃程度である。一方、構造上、電池本体(101) は１００℃程度の温度に保持する必要がある。つまり、電池本体(101) に供給される改質ガスは、各反応器(126,127a,127b,128) を経るにつれて次第に低温下での反応を行うように構成されている。そこで、各熱交換器(154,153,152,151) における熱交換によって、ガス流通路(180) においては下流側に供給される改質ガスを冷却する一方、水流通路(141) の水を次第に高温にして、最終的に水が改質器(126) に供給されるときには、できるだけ高温になるように構成している。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の燃料電池発電システムにおいては、以下のような問題があった。
【００１１】
上記各反応器(127a,127b,128) はガス精製用の反応器であるために、それぞれの反応器に入るガスは適正な温度域に設定されている。ところが、上記従来の燃料電池発電システムにおいては、各反応器(126,127a,127b,128)間に熱交換器(153,152,151) を設けることによって、電池本体(101) に供給される改質ガスが各反応器(127a,127b,128) を経るにつれて次第に低温になるようにしているものの、途中の熱交換器(153,152,151) を経ても、なお各反応器に供給される改質ガスが過昇温されていることがあり、種々の問題を引き起こしていた。特に、ＣＯガスの含有量の多い改質ガスが高温で流通したときには、反応器における発熱量も増大することになる。たとえば、部分酸化反応器(128) においては、下記反応式(1)
２ＣＯ＋Ｏ2 →２ＣＯ2 (1)
による反応を行って、ＣＯガスを減らすのであるが、高温状態では、下記式(2) ，(3)
ＣＯ＋３Ｈ2 →ＣＨ4 ＋Ｈ2 Ｏ (2)
２Ｈ2 ＋Ｏ2 →２Ｈ2 Ｏ (3)
による反応を行う。つまり、大量の発熱を生じるとともに、電池本体(101) に供給すべき水素ガスを酸化してしまい燃料電池の効率を低下させる。
【００１２】
しかも、各反応器(127a,127b,128) 内で反応を行う際の適正な温度は互いに同じではないので、各反応器(127a,127b,128) 内の温度をそれぞれ所望の適正温度に制御するのは極めて困難であった。
【００１３】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、改質器に水を供給するための水供給系を利用して燃料電池発電システムの各反応器における温度を適正に制御しうる手段を講ずることにより、燃料電池の運転効率の向上を図ることにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記第１の目的を達成するために本発明が講じた手段は、水流通路をガスとの熱交換を行う通路と熱交換を行わない通路とに分岐したものである。
【００１５】
具体的には、請求項１〜９に記載されている燃料電池発電システムに関する手段を講じている。
【００１６】
本発明の燃料電池発電システムは、請求項１に記載されているように、水素と酸素とをアノード(103) ，カソード(102) で電極反応させるように構成された電池本体(101) と、原料を水の存在下で反応させて水素を含む改質ガスを発生するための改質器(126) と、上記改質器(126) から出る改質ガス中のＣＯガスを減ずるための反応を行う反応器と、上記改質器(126) ，各反応器及び電池本体(101) を順にガス配管で接続して構成されるガス流通路(180) と、上記改質器(126) に水を供給するための水供給系(140) とを備えた燃料電池発電システムを前提としている。そして、上記水供給系(140) の水流通路(141) には、上記ガス流通路(180) 内の改質ガスと水流通路(141) 内の水との熱交換を行うための少なくとも１つの熱交換コイルが介設されており、上記水流通路(141) は、上記熱交換コイルを通過するコイル側通路(141a)と、上記熱交換コイルを通過しないバイパス側通路(141b)とに分岐されている。また、この燃料電池発電システムは、上記コイル側通路 (141a) とバイパス側通路 (141b) との水の流量を調整するための流量制御手段をさらに備えている。
【００１７】
請求項１及び以下の各請求項の発明特定事項は全て図１に記載されている。請求項１により、コイル側通路(141a)とバイパス側通路(141b)との分配量を配管径などによって適宜調整できるので、熱交換コイルにおけるガス流通路(180) の改質ガスと水流通路(141) の水との熱交換量の調整、つまり反応器における反応温度や反応熱を考慮したガス温度の制御が可能になる。したがって、水供給系(140) の水を利用して、ガス流通路(180) における改質ガスの熱を回収して改質器(126) で反応のために必要な熱量を補充しながら、ガス流通路(180) における改質ガスの温度を所望の適正温度に調節することが可能となり、燃料電池発電システム全体の発電効率を高めることができる。
【００１８】
請求項２に記載されているように、請求項１に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記反応器が、上記改質器(126) から出る改質ガスを酸化するための変成器(127) と該変成器(127) から出る改質ガス中のＣＯガスをさらに酸化する部分酸化反応器(128) とである場合には、上記熱交換コイルは、少なくとも上記部分酸化反応器(128) 内の改質ガスとコイル側通路(141a)内の水との熱交換を行う酸化反応用熱交換コイル(171) を含んでいることが好ましい。
【００１９】
これにより、部分酸化反応器(128) においてＣＯガスが過昇温されたときに生じるメタネーション反応や水素と酸素との反応が抑制されるので、無駄な発熱量の発生が抑制され、燃料電池発電システムの効率が向上することになる。
【００２０】
請求項３に記載されているように、請求項１に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記反応器が、上記改質器(126) で発生した上記改質ガスを酸化するための高温変成器(127a)及び低温変成器(127b)と、該低温変成器(127b)から出る改質ガス中のＣＯガスをさらに酸化する部分酸化反応器(128) とを含んでいる場合には、上記コイル側通路(141a)に、上記各反応器(128,127b,127a) 内の改質ガスとコイル側通路(141a)内の水との熱交換をそれぞれ行う酸化反応用熱交換コイル(171) ，低温変成用熱交換コイル(172b)及び高温変成用熱交換コイル(172a)を水流通路(141) の上流側から順に介設することが好ましい。
【００２１】
これにより、水供給系(140) の水を利用して、各反応器(128,127b,127a) の温度を個別にかつ確実に制御することが可能になる。
【００２２】
請求項４に記載されているように、請求項３に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記酸化反応用熱交換コイル(171) ，低温変成用熱交換コイル(172b)及び高温変成用熱交換コイル(172a)を、上記部分酸化反応器(128) ，低温変成器(127b)及び高温変成器(127a)内にそれぞれ配置することがより好ましい。
【００２３】
これにより、各熱交換コイル(171,172b,172a) における熱交換効率がより高まることになる。
【００２４】
請求項５に記載されているように、請求項１，２，３又は４に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記ガス流通路(180) における上記各反応器(127a,127b,128) の出口側通路の改質ガスとコイル側通路(141a)の水との熱交換を行う熱交換器(152,153,154) をさらに備えることが好ましい。
【００２５】
これにより、発熱反応により温度が上昇した改質ガスが反応器から出てきた際に、この改質ガスが下流側の反応器に入る前に水流通路の水で冷却される。したがって、下流側の反応器において改質ガス中のＣＯガスの過昇温による異常反応が生じるのを未然に防止することが可能になる。
【００２６】
請求項６に記載されているように、請求項３又は４に記載の燃料電池発電システムにおいて、 上記コイル側通路(142a) とバイパス側通路(141b) とを、上記酸化反応用熱交換コイル(171) の上流側の点(Q) で分岐させて上記高温変成用熱交換コイル(172a)の下流側の点(U) で合流させ、上記コイル側通路(141a)における上記酸化反応用熱交換コイル(171) −上記低温変成用熱交換コイル(172b)間の点(R) と上記バイパス側通路(141b)における点(P) の下流側かつ点(U) の上流側の点(Q) との間に第１連絡通路(141c)を設け、上記コイル側通路(141a)における上記高温変成用熱交換コイル(172a)−低温変成用熱交換コイル(172b)間の点(T) と上記バイパス側通路(141b)における点(Q) の下流側かつ点(U) の上流側の点(S) との間に第２連絡通路(141d)を設けて、上記点(p) −酸化反応用熱交換コイル(171) 間のコイル側通路(141a)と各連絡通路(141c,141d) に、上記流量制御手段としての流量制御弁(161,162,163) をそれぞれ介設することが好ましい。
【００２７】
これにより、各熱交換コイル(171,172a,172b) における水の流量が微細に調整されるので、各反応器(128,127a,127b) ごとに異なる条件に応じた熱交換量の制御が可能になる。
【００２８】
請求項７に記載されているように、請求項６に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記ガス流通路(180) における上記各反応器(127a,127b,128) の出口側通路の改質ガスとコイル側通路(141a)の水との熱交換を行う熱交換器(152,153,154) をさらに備えることが好ましい。
【００２９】
これにより、請求項５と同様の作用効果が得られる。
【００３０】
請求項８に記載されているように、請求項６又は７に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記コイル側流通路(141a)の水が上記各熱交換コイル(171,172a,172b) においてそれぞれ蒸発するように構成しておくことが好ましい。
【００３１】
これにより、各熱交換コイル(171,172a,172b) で蒸発した水に対して、各点(R,T,U) において、各連絡通路(141c,141d) から低温の水が加えられていく。したがって、水流通路(141) の上流側の熱交換コイルにおける冷却能力の不足を生じることなく、水の潜熱を利用した高い熱交換能力を発揮することができる。
【００３２】
請求項９に記載されているように、請求項１，２，３，４，５，６，７又は８に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記原料は、都市ガスであることが好ましい。
【００３３】
これにより、ビルや病院等の施設に設置するのに適した燃料電池発電システムとなる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る固体高分子型燃料電池を用いた燃料電池発電システム(100A)の構成を概略的に示す配管系統図である。
【００３５】
同図において、(101) は電池本体を示し、該電池本体(101) の内部には、カソード(102) と、アノード(103) とが設けられている。また、(120) は取り入れた外気を圧縮して燃料電池(101) 等に送り込むための空気圧縮機、(121) は都市ガス中の硫黄成分を取り除くための脱硫器、(122) は脱硫された都市ガスを圧縮して高圧にするためのガス圧縮機、(124) はポンプ(123) 等を介して送られる水を貯留するタンク、(126) はバーナー(126a)を付設しガス圧縮機(122) から送られる都市ガスと、ポンプ(125) を介してタンク(124) から送られる水とを反応させるための改質器、(127a,127b) はそれぞれ改質器(126) で発生したＣＯガスを変成するための高温変成器及び低温変成器、(128) は低温変成器(127b)から出る改質ガス中のＣＯガスをさらに部分的に酸化させた後、電池本体(101) に送るための部分酸化反応器をそれぞれ示す。上記改質器(126) 、各反応器(127a,127b ,128) 及び電池本体(101) をガス配管で接続してガス流通路(180) が構成されている。
【００３６】
また、(131) は電池冷却水を放熱させるための放熱器、(132) は上記改質器(126) で生じる水蒸気を凝縮するための凝縮器、(136) はカソード(102) で生じる水蒸気を凝縮するための凝縮器、(137) はアノード(103) で生じる水蒸気を凝縮するための凝縮器をそれぞれ示す。そして、各凝縮器(131,136,137) で生成された水は上記タンク(124) に戻される一方、気体は外部に排出されるように構成されている。
【００３７】
また、燃料電池発電システム(100A)内には各反応器から出る排熱を回収しながら改質器(126) に水を供給するための水供給系(140) が設けられている。この水供給系(140) の水流通路(141) には、ポンプ(142) と水処理装置(142) とが介設されている。
【００３８】
さらに、改質器(126) の出口に設けられた第１熱交換器(151) と、高温変成器(127a)の出口に設けられた第２熱交換器(152) と、低温変成器(127b)の出口に設けられた第３熱交換器(153) と、部分酸化反応器(128) の出口に設けられた第４熱交換器(154) とが配設されていて、各熱交換器(151,152,153,154)には、上記ガス流通路(180) に介設されたガス側熱交換コイルと、上記水側流通路(141) に介設された水側熱交換コイルとが収納されている。すなわち、この水側熱交換コイルとガス側熱交換コイルとによって、ガス流通路(180) のガスと水流通路(141) の水との熱交換を行うように構成されている。
【００３９】
なお、(134) は脱硫器(121) を経た都市ガスと水流通路(141) の水とを混合させるための混合器、(135) は空気圧縮機(120) から送られる外気と低温変成器(127b)から出る改質ガスとを混合させるための混合器、(155) は電池本体(101) のアノード(103) 、カソード(102) から排出されて改質器(126) のバーナー(126a)に送られるカソード排ガス及びアノード排ガスと改質器(126) から排出される燃焼排ガスとの熱交換を行うための第５熱交換器をそれぞれ示す。
【００４０】
以上の構成は、上記従来の燃料電池発電システム(100X)と同じである。
【００４１】
ここで、本実施形態に係る燃料電池発電システム(100A)の主な特徴は、上記部分酸化反応器(128) 内に配置された酸化反応用熱交換コイル(171) と、上記低温変成器(127b)内に配置された低温変成用熱交換コイル(172b)と、上記高温変成器(127a)内に配置された高温変成用熱交換コイル(172a)とを備え、水流通路(141) が各熱交換コイル(171,172b,172a) 及び各熱交換器(154,153,152) を通るコイル側通路(141a)とこれらを通らないバイパス側通路(141b)とに分岐している点である。上記コイル側通路(141a)とバイパス側通路(141b)とは、水処理装置(142) −第４熱交換器(154) 間の点(P) で分岐して、混合器(134) −高温変成器(127a)間の点(U) で合流している。上記コイル側通路(141a)において、分岐点(P) −第４熱交換器(154) 間には、水の流量を調整するための第１流量制御弁(161) が介設されている。また、バイパス側通路(141b)の点(Q) と、コイル側通路(141a)における部分酸化反応器(128) −第３熱交換器(153) 間の点(R) とを接続する第１連絡通路(141c)が設けられていて、この第１連絡通路(141c)には第２流量制御弁(162) が介設されている。さらに、バイパス側通路(142b)における点(Q) −点(U) 間の点(S) と、コイル側通路(141a)における低温変成器(127b)−第２熱交換器(152) 間の点(T) とを接続する第２連絡通路(141d)が設けられていて、この第２連絡通路(141d)に第３流量制御弁(163) が介設されている。
【００４２】
次に、上記燃料電池発電システム(100A)におけるエネルギーの流れを概略的に説明する。改質器(126) においては、脱硫された都市ガスとスチームとの混合ガスがガスバーナー(126a)で加熱されて触媒の存在下でＣＯ2 ガスと水素とを含む改質ガスが生成される。その際、電池本体(101) で反応しきれなかった水素を含むアノード排ガスと空気を含むカソード排ガスが改質器(126) に戻されてバーナー(126a)の燃焼源とされる。ただし、この改質ガス中にはＣＯガスも含まれているので、高温変成器(127a)及び低温変成器(127b)でこのＣＯガスをＣＯ2 ガスに変える。さらに、固体高分子型燃料電池システムにおいては、性能劣化の要因となるＣＯガスの量を極度に減らすために、部分酸化反応器(128) を設け、この部分酸化反応器(128) において、低温変成器(127b)から出る改質ガスに空気圧縮機(120) から送られる空気を混合させてＣＯガスをさらに酸化させている。このようにして、ＣＯガスの含有量が極めて少ない改質ガスが電池本体(101) に送られる。そして、電池本体(101) で、部分酸化反応器(128) から送られる改質ガス中の水素と、空気圧縮機(120) から送られる空気中の酸素とを結合させて、そのときに生じるイオンをカソード(102) ，アノード(103) の電荷に変えることで、電力が得られる。
【００４３】
次に、上記水供給系(140) における動作について説明する。
【００４４】
水処理装置(142) を出た水は分岐点(P) でコイル側通路(141a) とバイパス側通路(141b)とに分流される。そして、コイル側通路(141a)では、まず、第４熱交換器(154) で部分酸化反応器(128) を出た改質ガスと水との熱交換が行われ、電池本体(101) に供給される改質ガスが冷却されるとともに部分酸化反応器(128) 内の酸化反応用熱交換コイル(171) に入る水が昇温される。このとき、第１流量制御弁(161) によってコイル側通路(141a)の水の流量の調整によって、第４熱交換器(154) における熱交換量が適正に調整される。
【００４５】
次に、酸化反応用熱交換コイル(171) で部分酸化反応器(128) 内の改質ガスと水との熱交換が行われ、部分酸化反応器(128) 内全体が冷却されるので、改質ガスとＯ2 の反応熱による過昇温が確実に抑制される。本実施形態では、特に、第１流量制御弁(161) により、酸化反応用熱交換コイル(171) で水が蒸発するように水の流量を制御して、水の潜熱を利用した効率の高い熱交換を行っている。
【００４６】
次に、酸化反応用熱交換コイル(171) を出た水蒸気に対して、点(R) で第１連絡通路(141c)からガスとの熱交換を行っていない低温の水が加えられる。したがって、いったん蒸発した水が再び冷却され、その後の第３熱交換器(153) において、水が改質ガスを冷却する能力が十分得られる。
【００４７】
その後、各熱交換器(153,152) における熱交換と、各熱交換コイル(172b,172a) における水の蒸発による反応器(127b,127a) 内の冷却及び熱の回収が行われ、各反応器(127b,127a) を出たときには、各合流点(T) ，(U) で熱交換を行っていない低温の水が加えられていく。
【００４８】
そして、最終的に混合器(134) で空気と混合された水が第１熱交換器(151) を経て改質器(126) に供給される。
【００４９】
本実施形態によれば、従来の燃料電池発電システム(100X)におけると同様に、改質器(126) に供給される水を利用して各反応器(126,127a,127b,128) の反応熱を回収しながら、電池本体(101) に供給される改質ガスを順次低温に冷却していくことができるという効果を発揮することができるに加えて、以下の効果を発揮することができる。
【００５０】
第１に、水供給系(140) の水流通路(141) をコイル側通路(141a)とバイパス側通路(141b)とに分岐して第１流量制御弁(161) により各通路(141a,141b) への水の分配量を調整することにより、改質器(126) に供給する水の温度と各反応器(127a,127b,128) や電池本体(101) に供給する改質ガスの温度とが所望の温度になるように調整することが可能になる。なお、流量制御弁を有しない場合でも、各通路(141a,141b,141c,141d) を構成する配管の径を予め設定しておくなどによって、水の分配比を所望の値にしておくことも可能である。
【００５１】
第２に、各反応器(127a,127b,128) 内に熱交換コイル(171,172,173) が配置されているので、高い熱交換能力を得ることができ、よって、各反応器(127a,127b,128) の温度をより正確に制御できるとともに、ガス流通路(180) を流れる改質ガスの熱回収の効率をも高めることができる。
【００５２】
第３に、各熱交換コイル(171,172,173) において、コイル側通路(141a)における水と改質ガスとの熱交換によって水が蒸発するので、高い熱伝達率が得られ、燃料電池発電システム(100A)全体のコンパクト化を図ることができる。一方、各反応器(128,127b,127a) を出た直後のコイル側通路(141a)に、熱交換を行っていない低温の水が流入していくので、コイル側通路(141) の下流側の熱交換器(153,152,151) 及び熱交換コイル(172b,172a) における水の熱回収能力及びガス冷却能力は常に高く保持されている。
【００５３】
第５に、部分酸化反応器(128) 内では、ＣＯガスの過昇温を抑制することができるので、上記反応式(2) ，(3) による反応が生じるのを確実に抑制して、反応式(1) による反応の発生確率を高めることができる。したがって、大量の無駄な発熱を防止できるという著効を発揮できる。
【００５４】
以上のように、水供給系(140) の水流通路(141) をコイル側通路(141a)とバイパス側通路(141b)とに分け、さらに両者間に連絡通路(141c,141d) を設けて、各流量制御弁(161,162,163) で水流量の調整をしながら、各反応器(128,127b,127a) 内に配置された熱交換コイル(171,172,173) や各熱交換器(151,152,153,154) において電池本体(101) への改質ガスと水との熱交換を行うことにより、発電効率が極めて高い燃料電池発電システムを構成することができる。
【００５５】
なお、水流通路(141) をコイル側通路(141a)とバイパス側通路(141b)とに分岐する方法は、蒸気図１に示す分岐方法に限定されるものではない。たとえば、各熱交換器及び熱交換コイルを経た水がいったんバイパス側通路と合流するように、つまり、各コイル側通路が孤立するように設け、各コイル側通路に流量制御弁を介設するような分岐方法も可能である。
【００５６】
上記実施形態においては、改質器(126) で燃焼させる原料（燃料）として都市ガスを使用する燃料電池発電システムについて説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、アルコール等の他の原料を燃料として使用する種類のものについても適用することができる。
【００５７】
また、本発明に係る燃料電池は、固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池に限定されるものではなく、化成カリを電解液とする燃料電池、超酸を電解液とする燃料電池、濃厚燐酸を電解質とする燃料電池等にも適用できるものである。
【００５８】
また、上記各実施形態において、変成器は必ずしも高温変成器(127a)と低温変成器(127b)とにより構成されている必要はなく、単一の変成器で構成されていてもよいものとする。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１〜９によれば、改質器から反応器を経て電池本体に接続されるガス流通路と、改質器に水を供給する水供給系の水流通路とを備えた燃料電池発電システムにおいて、水流通路をコイル側通路とバイパス側通路とに分岐して、コイル側通路にガス流通路の改質ガスと水流通路の水との熱交換を行うための熱交換コイルを介設するようにしたので、各反応器に流入する改質ガスや反応器内の温度を所望の適正温度に制御することができ、よって、燃料電池発電システムの発電効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を概略的に示す配管系統図である。
【図２】 従来の燃料電池発電システムの構成を概略的に示す配管系統図である。
【符号の説明】
100 燃料電池発電システム
101 電池本体
102 カソード
103 アノード
120 空気圧縮機
121 脱硫器
122 ガス圧縮機
123 ポンプ
124 タンク
125 ポンプ
126 改質器
126a バーナー
127 変成器
128 酸化反応器
131 放熱器
132 凝縮器
134 混合器
135 混合器
136 凝縮器
137 凝縮器
140 水供給系
141 水流通路
141a コイル側通路
141b バイパス側通路
141c 第１連絡通路
141d 第２連絡通路
142 水処理装置
151 第１熱交換器
152 第２熱交換器
153 第３熱交換器
154 第４熱交換器
155 第５熱交換器
161 第１流量制御弁
162 第２流量制御弁
163 第３流量制御弁
171 酸化反応用熱交換コイル
172a 高温変成用熱交換コイル
172b 低温変成用熱交換コイル
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素・水素の結合反応を利用して発電を行う燃料電池発電システムの改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、水やアルコール類などの燃料がもっている化学エネルギーを燃やして熱に変換することなしに、電池内で、燃料，酸化剤（空気，酸素など）をそれぞれカソード，アノードにおける電子をやりとりする電極反応を行わせ、全体として燃料の燃焼反応と同じ形の反応を行わせるようにした燃料電池は、高い熱交換効率を発揮することができるので、病院，学校，ビル等の施設の電力源として応用されつつある。
【０００３】
図２は、従来の固体高分子型燃料電池を利用した燃料電池発電システム(100X)の構成を概略的に示す配管系統図である。同図において、(101) は電池本体を示し、該電池本体(101) の内部には、カソード(102) と、アノード(103) とが設けられている。また、(120) は取り入れた外気を圧縮して燃料電池(101) 等に送り込むための空気圧縮機、(121) は都市ガス中の硫黄成分を取り除くための脱硫器、(122) は脱硫された都市ガスを圧縮して高圧にするためのガス圧縮機、(124) はポンプ(123) 等を介して送られる水を貯留するタンク、(126) はバーナー(126a)を付設しガス圧縮機(122) から送られる都市ガスとポンプ(125) を介してタンク(124) から送られる水とを反応させるための改質器、(127a,127b) はそれぞれ改質器(126) で発生したＣＯガスを変成するための高温変成器及び低温変成器、(128) は低温変成器(127b)から出る改質ガス中のＣＯガスをさらに部分的に酸化させた後、電池本体(101) に送るための部分酸化反応器をそれぞれ示す。上記改質器(126) 、各反応器(127a,127b ,128) 及び電池本体(101) をガス配管で接続してガス流通路(180) が構成されている。また、(131) は電池冷却水を放熱させるための放熱器、(132) は上記改質器(126) で生じる水蒸気を凝縮するための凝縮器、(136) はカソード(102) で生じる水蒸気を凝縮するための凝縮器、(137) はアノード(103) で生じる水蒸気を凝縮するための凝縮器をそれぞれ示す。そして、各凝縮器(131,136,137) で生成された水は上記タンク(124) に戻される一方、気体は外部に排出されるように構成されている。
【０００４】
また、燃料電池発電システム(100X)内には各反応器から出る排熱を回収しながら改質器(126) に水を供給するための水供給系(140) が設けられている。この水供給系(140) の水流通路(141) には、ポンプ(125) と水処理装置(142) とが介設されている。
【０００５】
さらに、改質器(126) の出口に設けられた第１熱交換器(151) と、高温変成器(127a)の出口に設けられた第２熱交換器(152) と、低温変成器(127b)の出口に設けられた第３熱交換器(153) と、部分酸化反応器(128) の出口に設けられた第４熱交換器(154) とが配設されていて、各熱交換器(151,152,153,154)には、上記ガス流通路(180) に介設されたガス側熱交換コイルと、上記水側流通路(141) に介設された水側熱交換コイルとが収納されている。すなわち、この水側熱交換コイルとガス側熱交換コイルとによって、ガス流通路(180) の改質ガスと水流通路(141) の水との熱交換を行うように構成されている。
【０００６】
なお、(134) は脱硫器(121) を経た都市ガスと水流通路(141) の水とを混合させるための混合器、(135) は空気圧縮機(120) から送られる外気と低温変成器(127b)から出る改質ガスとを混合させるための混合器、(155) は電池本体(101) のアノード(103) 、カソード(102) から排出されて改質器(126) のバーナー(126a)に送られるカソード排ガス及びアノード排ガスと改質器(126) から排出される燃焼排ガスとの熱交換を行うための第５熱交換器をそれぞれ示す。
【０００７】
次に、上記燃料電池発電システム(100X)におけるエネルギーの流れを概略的に説明する。改質器(126) においては、脱硫された都市ガスとスチームとの混合ガスがガスバーナー(126a)で加熱されて触媒の存在下でＣＯ2 ガスと水素とを含む改質ガスが生成される。その際、電池本体(101) で反応しきれなかった水素を含むアノード排ガスと空気を含むカソード排ガスが改質器(126) に戻されてバーナー(126a)の燃焼源とされる。ただし、この改質ガス中にはＣＯガスも含まれているので、高温変成器(127a)及び低温変成器(127b)でこのＣＯガスをＣＯ2 ガスに変える。さらに、固体高分子型燃料電池システムにおいては、効率の低下を招くＣＯガスの量を極度に減らすために、部分酸化反応器(128) を設け、この部分酸化反応器(128) において、低温変成器(127b)から出る改質ガスに空気圧縮機(120) から送られる空気を混合させてＣＯガスをさらに酸化させている。このようにして、ＣＯガスの含有量が極めて少ない改質ガスが電池本体(101) に送られる。そして、電池本体(101) で、部分酸化反応器(128) から送られる改質ガス中の水素と、空気圧縮機(120) から送られる空気中の酸素とを結合させて、そのときに生じるイオンをカソード(102) ，アノード(103) の電荷に変えることで、電力が得られる。
【０００８】
一方、水供給系(140) においては、タンク(124) から排出される水が、水処理装置(142) 、第４熱交換器(154) 、第３熱交換器(153) 、第２熱交換器(152) 、第１熱交換器(151) を順に経た後、改質器(126) に供給される。そして、各熱交換器(154,153,152,151) で部分酸化反応器(128) 、低温変成器(127b)、高温変成器(127a)、改質器(126) から出る改質ガスと水との熱交換を行う。
【０００９】
ここで、各反応器(127a,127b,128) における反応は発熱反応である。改質器(126) における反応温度はたとえば８００℃程度であり、高温変成器(127a)における処理温度はたとえば４００℃程度であり、低温変成器(127b)における処理温度はたとえば２００℃程度であり、部分酸化反応器(128) における処理温度はたとえば１４０℃程度である。一方、構造上、電池本体(101) は１００℃程度の温度に保持する必要がある。つまり、電池本体(101) に供給される改質ガスは、各反応器(126,127a,127b,128) を経るにつれて次第に低温下での反応を行うように構成されている。そこで、各熱交換器(154,153,152,151) における熱交換によって、ガス流通路(180) においては下流側に供給される改質ガスを冷却する一方、水流通路(141) の水を次第に高温にして、最終的に水が改質器(126) に供給されるときには、できるだけ高温になるように構成している。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の燃料電池発電システムにおいては、以下のような問題があった。
【００１１】
上記各反応器(127a,127b,128) はガス精製用の反応器であるために、それぞれの反応器に入るガスは適正な温度域に設定されている。ところが、上記従来の燃料電池発電システムにおいては、各反応器(126,127a,127b,128)間に熱交換器(153,152,151) を設けることによって、電池本体(101) に供給される改質ガスが各反応器(127a,127b,128) を経るにつれて次第に低温になるようにしているものの、途中の熱交換器(153,152,151) を経ても、なお各反応器に供給される改質ガスが過昇温されていることがあり、種々の問題を引き起こしていた。特に、ＣＯガスの含有量の多い改質ガスが高温で流通したときには、反応器における発熱量も増大することになる。たとえば、部分酸化反応器(128) においては、下記反応式(1)
２ＣＯ＋Ｏ2 →２ＣＯ2 (1)
による反応を行って、ＣＯガスを減らすのであるが、高温状態では、下記式(2) ，(3)
ＣＯ＋３Ｈ2 →ＣＨ4 ＋Ｈ2 Ｏ (2)
２Ｈ2 ＋Ｏ2 →２Ｈ2 Ｏ (3)
による反応を行う。つまり、大量の発熱を生じるとともに、電池本体(101) に供給すべき水素ガスを酸化してしまい燃料電池の効率を低下させる。
【００１２】
しかも、各反応器(127a,127b,128) 内で反応を行う際の適正な温度は互いに同じではないので、各反応器(127a,127b,128) 内の温度をそれぞれ所望の適正温度に制御するのは極めて困難であった。
【００１３】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、改質器に水を供給するための水供給系を利用して燃料電池発電システムの各反応器における温度を適正に制御しうる手段を講ずることにより、燃料電池の運転効率の向上を図ることにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記第１の目的を達成するために本発明が講じた手段は、水流通路をガスとの熱交換を行う通路と熱交換を行わない通路とに分岐したものである。
【００１５】
具体的には、請求項１〜９に記載されている燃料電池発電システムに関する手段を講じている。
【００１６】
本発明の燃料電池発電システムは、請求項１に記載されているように、水素と酸素とをアノード(103) ，カソード(102) で電極反応させるように構成された電池本体(101) と、原料を水の存在下で反応させて水素を含む改質ガスを発生するための改質器(126) と、上記改質器(126) から出る改質ガス中のＣＯガスを減ずるための反応を行う反応器と、上記改質器(126) ，各反応器及び電池本体(101) を順にガス配管で接続して構成されるガス流通路(180) と、上記改質器(126) に水を供給するための水供給系(140) とを備えた燃料電池発電システムを前提としている。そして、上記水供給系(140) の水流通路(141) には、上記ガス流通路(180) 内の改質ガスと水流通路(141) 内の水との熱交換を行うための少なくとも１つの熱交換コイルが介設されており、上記水流通路(141) は、上記熱交換コイルを通過するコイル側通路(141a)と、上記熱交換コイルを通過しないバイパス側通路(141b)とに分岐されている。また、この燃料電池発電システムは、上記コイル側通路 (141a) とバイパス側通路 (141b) との水の流量を調整するための流量制御手段をさらに備えている。
【００１７】
請求項１及び以下の各請求項の発明特定事項は全て図１に記載されている。請求項１により、コイル側通路(141a)とバイパス側通路(141b)との分配量を配管径などによって適宜調整できるので、熱交換コイルにおけるガス流通路(180) の改質ガスと水流通路(141) の水との熱交換量の調整、つまり反応器における反応温度や反応熱を考慮したガス温度の制御が可能になる。したがって、水供給系(140) の水を利用して、ガス流通路(180) における改質ガスの熱を回収して改質器(126) で反応のために必要な熱量を補充しながら、ガス流通路(180) における改質ガスの温度を所望の適正温度に調節することが可能となり、燃料電池発電システム全体の発電効率を高めることができる。
【００１８】
請求項２に記載されているように、請求項１に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記反応器が、上記改質器(126) から出る改質ガスを酸化するための変成器(127) と該変成器(127) から出る改質ガス中のＣＯガスをさらに酸化する部分酸化反応器(128) とである場合には、上記熱交換コイルは、少なくとも上記部分酸化反応器(128) 内の改質ガスとコイル側通路(141a)内の水との熱交換を行う酸化反応用熱交換コイル(171) を含んでいることが好ましい。
【００１９】
これにより、部分酸化反応器(128) においてＣＯガスが過昇温されたときに生じるメタネーション反応や水素と酸素との反応が抑制されるので、無駄な発熱量の発生が抑制され、燃料電池発電システムの効率が向上することになる。
【００２０】
請求項３に記載されているように、請求項１に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記反応器が、上記改質器(126) で発生した上記改質ガスを酸化するための高温変成器(127a)及び低温変成器(127b)と、該低温変成器(127b)から出る改質ガス中のＣＯガスをさらに酸化する部分酸化反応器(128) とを含んでいる場合には、上記コイル側通路(141a)に、上記各反応器(128,127b,127a) 内の改質ガスとコイル側通路(141a)内の水との熱交換をそれぞれ行う酸化反応用熱交換コイル(171) ，低温変成用熱交換コイル(172b)及び高温変成用熱交換コイル(172a)を水流通路(141) の上流側から順に介設することが好ましい。
【００２１】
これにより、水供給系(140) の水を利用して、各反応器(128,127b,127a) の温度を個別にかつ確実に制御することが可能になる。
【００２２】
請求項４に記載されているように、請求項３に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記酸化反応用熱交換コイル(171) ，低温変成用熱交換コイル(172b)及び高温変成用熱交換コイル(172a)を、上記部分酸化反応器(128) ，低温変成器(127b)及び高温変成器(127a)内にそれぞれ配置することがより好ましい。
【００２３】
これにより、各熱交換コイル(171,172b,172a) における熱交換効率がより高まることになる。
【００２４】
請求項５に記載されているように、請求項１，２，３又は４に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記ガス流通路(180) における上記各反応器(127a,127b,128) の出口側通路の改質ガスとコイル側通路(141a)の水との熱交換を行う熱交換器(152,153,154) をさらに備えることが好ましい。
【００２５】
これにより、発熱反応により温度が上昇した改質ガスが反応器から出てきた際に、この改質ガスが下流側の反応器に入る前に水流通路の水で冷却される。したがって、下流側の反応器において改質ガス中のＣＯガスの過昇温による異常反応が生じるのを未然に防止することが可能になる。
【００２６】
請求項６に記載されているように、請求項３又は４に記載の燃料電池発電システムにおいて、 上記コイル側通路(142a) とバイパス側通路(141b) とを、上記酸化反応用熱交換コイル(171) の上流側の点(Q) で分岐させて上記高温変成用熱交換コイル(172a)の下流側の点(U) で合流させ、上記コイル側通路(141a)における上記酸化反応用熱交換コイル(171) −上記低温変成用熱交換コイル(172b)間の点(R) と上記バイパス側通路(141b)における点(P) の下流側かつ点(U) の上流側の点(Q) との間に第１連絡通路(141c)を設け、上記コイル側通路(141a)における上記高温変成用熱交換コイル(172a)−低温変成用熱交換コイル(172b)間の点(T) と上記バイパス側通路(141b)における点(Q) の下流側かつ点(U) の上流側の点(S) との間に第２連絡通路(141d)を設けて、上記点(p) −酸化反応用熱交換コイル(171) 間のコイル側通路(141a)と各連絡通路(141c,141d) に、上記流量制御手段としての流量制御弁(161,162,163) をそれぞれ介設することが好ましい。
【００２７】
これにより、各熱交換コイル(171,172a,172b) における水の流量が微細に調整されるので、各反応器(128,127a,127b) ごとに異なる条件に応じた熱交換量の制御が可能になる。
【００２８】
請求項７に記載されているように、請求項６に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記ガス流通路(180) における上記各反応器(127a,127b,128) の出口側通路の改質ガスとコイル側通路(141a)の水との熱交換を行う熱交換器(152,153,154) をさらに備えることが好ましい。
【００２９】
これにより、請求項５と同様の作用効果が得られる。
【００３０】
請求項８に記載されているように、請求項６又は７に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記コイル側流通路(141a)の水が上記各熱交換コイル(171,172a,172b) においてそれぞれ蒸発するように構成しておくことが好ましい。
【００３１】
これにより、各熱交換コイル(171,172a,172b) で蒸発した水に対して、各点(R,T,U) において、各連絡通路(141c,141d) から低温の水が加えられていく。したがって、水流通路(141) の上流側の熱交換コイルにおける冷却能力の不足を生じることなく、水の潜熱を利用した高い熱交換能力を発揮することができる。
【００３２】
請求項９に記載されているように、請求項１，２，３，４，５，６，７又は８に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記原料は、都市ガスであることが好ましい。
【００３３】
これにより、ビルや病院等の施設に設置するのに適した燃料電池発電システムとなる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る固体高分子型燃料電池を用いた燃料電池発電システム(100A)の構成を概略的に示す配管系統図である。
【００３５】
同図において、(101) は電池本体を示し、該電池本体(101) の内部には、カソード(102) と、アノード(103) とが設けられている。また、(120) は取り入れた外気を圧縮して燃料電池(101) 等に送り込むための空気圧縮機、(121) は都市ガス中の硫黄成分を取り除くための脱硫器、(122) は脱硫された都市ガスを圧縮して高圧にするためのガス圧縮機、(124) はポンプ(123) 等を介して送られる水を貯留するタンク、(126) はバーナー(126a)を付設しガス圧縮機(122) から送られる都市ガスと、ポンプ(125) を介してタンク(124) から送られる水とを反応させるための改質器、(127a,127b) はそれぞれ改質器(126) で発生したＣＯガスを変成するための高温変成器及び低温変成器、(128) は低温変成器(127b)から出る改質ガス中のＣＯガスをさらに部分的に酸化させた後、電池本体(101) に送るための部分酸化反応器をそれぞれ示す。上記改質器(126) 、各反応器(127a,127b ,128) 及び電池本体(101) をガス配管で接続してガス流通路(180) が構成されている。
【００３６】
また、(131) は電池冷却水を放熱させるための放熱器、(132) は上記改質器(126) で生じる水蒸気を凝縮するための凝縮器、(136) はカソード(102) で生じる水蒸気を凝縮するための凝縮器、(137) はアノード(103) で生じる水蒸気を凝縮するための凝縮器をそれぞれ示す。そして、各凝縮器(131,136,137) で生成された水は上記タンク(124) に戻される一方、気体は外部に排出されるように構成されている。
【００３７】
また、燃料電池発電システム(100A)内には各反応器から出る排熱を回収しながら改質器(126) に水を供給するための水供給系(140) が設けられている。この水供給系(140) の水流通路(141) には、ポンプ(142) と水処理装置(142) とが介設されている。
【００３８】
さらに、改質器(126) の出口に設けられた第１熱交換器(151) と、高温変成器(127a)の出口に設けられた第２熱交換器(152) と、低温変成器(127b)の出口に設けられた第３熱交換器(153) と、部分酸化反応器(128) の出口に設けられた第４熱交換器(154) とが配設されていて、各熱交換器(151,152,153,154)には、上記ガス流通路(180) に介設されたガス側熱交換コイルと、上記水側流通路(141) に介設された水側熱交換コイルとが収納されている。すなわち、この水側熱交換コイルとガス側熱交換コイルとによって、ガス流通路(180) のガスと水流通路(141) の水との熱交換を行うように構成されている。
【００３９】
なお、(134) は脱硫器(121) を経た都市ガスと水流通路(141) の水とを混合させるための混合器、(135) は空気圧縮機(120) から送られる外気と低温変成器(127b)から出る改質ガスとを混合させるための混合器、(155) は電池本体(101) のアノード(103) 、カソード(102) から排出されて改質器(126) のバーナー(126a)に送られるカソード排ガス及びアノード排ガスと改質器(126) から排出される燃焼排ガスとの熱交換を行うための第５熱交換器をそれぞれ示す。
【００４０】
以上の構成は、上記従来の燃料電池発電システム(100X)と同じである。
【００４１】
ここで、本実施形態に係る燃料電池発電システム(100A)の主な特徴は、上記部分酸化反応器(128) 内に配置された酸化反応用熱交換コイル(171) と、上記低温変成器(127b)内に配置された低温変成用熱交換コイル(172b)と、上記高温変成器(127a)内に配置された高温変成用熱交換コイル(172a)とを備え、水流通路(141) が各熱交換コイル(171,172b,172a) 及び各熱交換器(154,153,152) を通るコイル側通路(141a)とこれらを通らないバイパス側通路(141b)とに分岐している点である。上記コイル側通路(141a)とバイパス側通路(141b)とは、水処理装置(142) −第４熱交換器(154) 間の点(P) で分岐して、混合器(134) −高温変成器(127a)間の点(U) で合流している。上記コイル側通路(141a)において、分岐点(P) −第４熱交換器(154) 間には、水の流量を調整するための第１流量制御弁(161) が介設されている。また、バイパス側通路(141b)の点(Q) と、コイル側通路(141a)における部分酸化反応器(128) −第３熱交換器(153) 間の点(R) とを接続する第１連絡通路(141c)が設けられていて、この第１連絡通路(141c)には第２流量制御弁(162) が介設されている。さらに、バイパス側通路(142b)における点(Q) −点(U) 間の点(S) と、コイル側通路(141a)における低温変成器(127b)−第２熱交換器(152) 間の点(T) とを接続する第２連絡通路(141d)が設けられていて、この第２連絡通路(141d)に第３流量制御弁(163) が介設されている。
【００４２】
次に、上記燃料電池発電システム(100A)におけるエネルギーの流れを概略的に説明する。改質器(126) においては、脱硫された都市ガスとスチームとの混合ガスがガスバーナー(126a)で加熱されて触媒の存在下でＣＯ2 ガスと水素とを含む改質ガスが生成される。その際、電池本体(101) で反応しきれなかった水素を含むアノード排ガスと空気を含むカソード排ガスが改質器(126) に戻されてバーナー(126a)の燃焼源とされる。ただし、この改質ガス中にはＣＯガスも含まれているので、高温変成器(127a)及び低温変成器(127b)でこのＣＯガスをＣＯ2 ガスに変える。さらに、固体高分子型燃料電池システムにおいては、性能劣化の要因となるＣＯガスの量を極度に減らすために、部分酸化反応器(128) を設け、この部分酸化反応器(128) において、低温変成器(127b)から出る改質ガスに空気圧縮機(120) から送られる空気を混合させてＣＯガスをさらに酸化させている。このようにして、ＣＯガスの含有量が極めて少ない改質ガスが電池本体(101) に送られる。そして、電池本体(101) で、部分酸化反応器(128) から送られる改質ガス中の水素と、空気圧縮機(120) から送られる空気中の酸素とを結合させて、そのときに生じるイオンをカソード(102) ，アノード(103) の電荷に変えることで、電力が得られる。
【００４３】
次に、上記水供給系(140) における動作について説明する。
【００４４】
水処理装置(142) を出た水は分岐点(P) でコイル側通路(141a) とバイパス側通路(141b)とに分流される。そして、コイル側通路(141a)では、まず、第４熱交換器(154) で部分酸化反応器(128) を出た改質ガスと水との熱交換が行われ、電池本体(101) に供給される改質ガスが冷却されるとともに部分酸化反応器(128) 内の酸化反応用熱交換コイル(171) に入る水が昇温される。このとき、第１流量制御弁(161) によってコイル側通路(141a)の水の流量の調整によって、第４熱交換器(154) における熱交換量が適正に調整される。
【００４５】
次に、酸化反応用熱交換コイル(171) で部分酸化反応器(128) 内の改質ガスと水との熱交換が行われ、部分酸化反応器(128) 内全体が冷却されるので、改質ガスとＯ2 の反応熱による過昇温が確実に抑制される。本実施形態では、特に、第１流量制御弁(161) により、酸化反応用熱交換コイル(171) で水が蒸発するように水の流量を制御して、水の潜熱を利用した効率の高い熱交換を行っている。
【００４６】
次に、酸化反応用熱交換コイル(171) を出た水蒸気に対して、点(R) で第１連絡通路(141c)からガスとの熱交換を行っていない低温の水が加えられる。したがって、いったん蒸発した水が再び冷却され、その後の第３熱交換器(153) において、水が改質ガスを冷却する能力が十分得られる。
【００４７】
その後、各熱交換器(153,152) における熱交換と、各熱交換コイル(172b,172a) における水の蒸発による反応器(127b,127a) 内の冷却及び熱の回収が行われ、各反応器(127b,127a) を出たときには、各合流点(T) ，(U) で熱交換を行っていない低温の水が加えられていく。
【００４８】
そして、最終的に混合器(134) で空気と混合された水が第１熱交換器(151) を経て改質器(126) に供給される。
【００４９】
本実施形態によれば、従来の燃料電池発電システム(100X)におけると同様に、改質器(126) に供給される水を利用して各反応器(126,127a,127b,128) の反応熱を回収しながら、電池本体(101) に供給される改質ガスを順次低温に冷却していくことができるという効果を発揮することができるに加えて、以下の効果を発揮することができる。
【００５０】
第１に、水供給系(140) の水流通路(141) をコイル側通路(141a)とバイパス側通路(141b)とに分岐して第１流量制御弁(161) により各通路(141a,141b) への水の分配量を調整することにより、改質器(126) に供給する水の温度と各反応器(127a,127b,128) や電池本体(101) に供給する改質ガスの温度とが所望の温度になるように調整することが可能になる。なお、流量制御弁を有しない場合でも、各通路(141a,141b,141c,141d) を構成する配管の径を予め設定しておくなどによって、水の分配比を所望の値にしておくことも可能である。
【００５１】
第２に、各反応器(127a,127b,128) 内に熱交換コイル(171,172,173) が配置されているので、高い熱交換能力を得ることができ、よって、各反応器(127a,127b,128) の温度をより正確に制御できるとともに、ガス流通路(180) を流れる改質ガスの熱回収の効率をも高めることができる。
【００５２】
第３に、各熱交換コイル(171,172,173) において、コイル側通路(141a)における水と改質ガスとの熱交換によって水が蒸発するので、高い熱伝達率が得られ、燃料電池発電システム(100A)全体のコンパクト化を図ることができる。一方、各反応器(128,127b,127a) を出た直後のコイル側通路(141a)に、熱交換を行っていない低温の水が流入していくので、コイル側通路(141) の下流側の熱交換器(153,152,151) 及び熱交換コイル(172b,172a) における水の熱回収能力及びガス冷却能力は常に高く保持されている。
【００５３】
第５に、部分酸化反応器(128) 内では、ＣＯガスの過昇温を抑制することができるので、上記反応式(2) ，(3) による反応が生じるのを確実に抑制して、反応式(1) による反応の発生確率を高めることができる。したがって、大量の無駄な発熱を防止できるという著効を発揮できる。
【００５４】
以上のように、水供給系(140) の水流通路(141) をコイル側通路(141a)とバイパス側通路(141b)とに分け、さらに両者間に連絡通路(141c,141d) を設けて、各流量制御弁(161,162,163) で水流量の調整をしながら、各反応器(128,127b,127a) 内に配置された熱交換コイル(171,172,173) や各熱交換器(151,152,153,154) において電池本体(101) への改質ガスと水との熱交換を行うことにより、発電効率が極めて高い燃料電池発電システムを構成することができる。
【００５５】
なお、水流通路(141) をコイル側通路(141a)とバイパス側通路(141b)とに分岐する方法は、蒸気図１に示す分岐方法に限定されるものではない。たとえば、各熱交換器及び熱交換コイルを経た水がいったんバイパス側通路と合流するように、つまり、各コイル側通路が孤立するように設け、各コイル側通路に流量制御弁を介設するような分岐方法も可能である。
【００５６】
上記実施形態においては、改質器(126) で燃焼させる原料（燃料）として都市ガスを使用する燃料電池発電システムについて説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、アルコール等の他の原料を燃料として使用する種類のものについても適用することができる。
【００５７】
また、本発明に係る燃料電池は、固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池に限定されるものではなく、化成カリを電解液とする燃料電池、超酸を電解液とする燃料電池、濃厚燐酸を電解質とする燃料電池等にも適用できるものである。
【００５８】
また、上記各実施形態において、変成器は必ずしも高温変成器(127a)と低温変成器(127b)とにより構成されている必要はなく、単一の変成器で構成されていてもよいものとする。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１〜９によれば、改質器から反応器を経て電池本体に接続されるガス流通路と、改質器に水を供給する水供給系の水流通路とを備えた燃料電池発電システムにおいて、水流通路をコイル側通路とバイパス側通路とに分岐して、コイル側通路にガス流通路の改質ガスと水流通路の水との熱交換を行うための熱交換コイルを介設するようにしたので、各反応器に流入する改質ガスや反応器内の温度を所望の適正温度に制御することができ、よって、燃料電池発電システムの発電効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を概略的に示す配管系統図である。
【図２】 従来の燃料電池発電システムの構成を概略的に示す配管系統図である。
【符号の説明】
100 燃料電池発電システム
101 電池本体
102 カソード
103 アノード
120 空気圧縮機
121 脱硫器
122 ガス圧縮機
123 ポンプ
124 タンク
125 ポンプ
126 改質器
126a バーナー
127 変成器
128 酸化反応器
131 放熱器
132 凝縮器
134 混合器
135 混合器
136 凝縮器
137 凝縮器
140 水供給系
141 水流通路
141a コイル側通路
141b バイパス側通路
141c 第１連絡通路
141d 第２連絡通路
142 水処理装置
151 第１熱交換器
152 第２熱交換器
153 第３熱交換器
154 第４熱交換器
155 第５熱交換器
161 第１流量制御弁
162 第２流量制御弁
163 第３流量制御弁
171 酸化反応用熱交換コイル
172a 高温変成用熱交換コイル
172b 低温変成用熱交換コイル
Claims (9)
- 水素と酸素とをアノード(103) ，カソード(102) で電極反応させるように構成された電池本体(101) と、原料を水の存在下で反応させて水素を含む改質ガスを発生するための改質器(126) と、上記改質器(126) から出る改質ガス中のＣＯガスを減ずるための反応を行う反応器と、上記改質器(126) ，各反応器及び電池本体(101) を順にガス配管で接続して構成されるガス流通路(180) と、上記改質器(126) に水を供給するための水供給系(140) とを備えた燃料電池発電システムにおいて、
上記水供給系(140) の水流通路(141) には、上記ガス流通路(180) 内の改質ガスと水流通路(141) 内の水との熱交換を行うための少なくとも１つの熱交換コイルが介設されており、
上記水流通路(141) は、上記熱交換コイルを通過するコイル側通路(141a)と、上記熱交換コイルを通過しないバイパス側通路(141b)とに分岐されており、
上記コイル側通路 (141a) とバイパス側通路 (141b) との水の流量を調整するための流量制御手段をさらに備えていることを特徴とする燃料電池発電システム。 - 請求項１に記載の燃料電池発電システムにおいて、
上記反応器は、上記改質器(126) から出る改質ガスを酸化するための変成器(127) と該変成器(127) から出るガス中のＣＯガスをさらに酸化する部分酸化反応器(128) とであり、
上記熱交換コイルは、少なくとも上記部分酸化反応器(128) 内の改質ガスとコイル側通路(141a)内の水との熱交換を行う酸化反応用熱交換コイル(171) を含むことを特徴とする燃料電池発電システム。 - 請求項１に記載の燃料電池発電システムにおいて、
上記反応器は、上記改質器(126) で発生した上記改質ガスを酸化するための高温変成器(127a)及び低温変成器(127b)と、該低温変成器(127b)から出る改質ガス中のＣＯガスをさらに酸化する部分酸化反応器(128) とを含み、
上記コイル側通路(141a)には、上記各反応器(128,127b,127a) 内の改質ガスとコイル側通路(141a)内の水との熱交換をそれぞれ行う酸化反応用熱交換コイル(171) ，低温変成用熱交換コイル(172b)及び高温変成用熱交換コイル(172a)が、水流通路(141) の上流側から順に介設されていることを特徴とする燃料電池発電システム。 - 請求項３に記載の燃料電池発電システムにおいて、
上記酸化反応用熱交換コイル(171) ，低温変成用熱交換コイル(172b)及び高温変成用熱交換コイル(172a)は、上記部分酸化反応器(128) ，低温変成器(127b)及び高温変成器(127a)内にそれぞれ配置されていることを特徴とする燃料電池発電システム。 - 請求項１，２，３又は４に記載の燃料電池発電システムにおいて、
上記ガス流通路(180) における上記各反応器(127a,127b,128) の出口側通路の改質ガスとコイル側通路(141a)の水との熱交換を行う熱交換器(152,153,154) をさらに備えていることを特徴とする燃料電池発電システム。 - 請求項３又は４に記載の燃料電池発電システムにおいて、
上記コイル側通路(141a) とバイパス側通路(141b) とは、上記酸化反応用熱交換コイル(171) の上流側の点(Q) で分岐して上記高温変成用熱交換コイル(172a)の下流側の点(U) で合流しており、
上記コイル側通路(141a)における上記酸化反応用熱交換コイル(171) −上記低温変成用熱交換コイル(172b)間の点(R) と上記バイパス側通路(141b)における点(P) の下流側かつ点(U) の上流側の点(Q) との間には第１連絡通路(141c)が設けられ、
上記コイル側通路(141a)における上記高温変成用熱交換コイル(172a)−低温変成用熱交換コイル(172b)間の点(T) と上記バイパス側通路(141b)における点(Q) の下流側かつ点(U) の上流側の点(S) との間には、第２連絡通路(141d)が設けられていて、
上記点(p) −酸化反応用熱交換コイル(171) 間のコイル側通路(141a)と各連絡通路(141c,141d) には、上記流量制御手段としての流量制御弁(161,162,163) がそれぞれ介設されていることを特徴とする燃料電池発電システム。 - 請求項６に記載の燃料電池発電システムにおいて、
上記ガス流通路(180) における上記各反応器(127a,127b,128) の出口側通路の改質ガスとコイル側通路(141a)の水との熱交換を行う熱交換器(152,153,154) をさらに備えていることを特徴とする燃料電池発電システム。 - 請求項６又は７に記載の燃料電池発電システムにおいて、
上記コイル側流通路(141a)の水は、上記各熱交換コイル(171,172a,172b) においてそれぞれ蒸発するように構成されていることを特徴とする燃料電池発電システム。 - 請求項１，２，３，４，５，６，７又は８に記載の燃料電池発電システムにおいて、
上記原料は、都市ガスであることを特徴とする燃料電池発電システム。
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