JP3936310B2 - 燃料電池余剰蒸気凝縮型気水分離器 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池発電システムに係り、特に燃料電池からの排熱を利用するための気水分離器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池発電システムは、都市ガスやプロパンガス等の燃料が有する化学エネルギーを電気エネルギーに変換するもので、燃料電池本体、都市ガスやプロパンガス等の燃料から水素を生成する装置、燃料電池本体で発電される直流電流を交流電流に変換する変換装置、及び燃料電池本体の動作や水素生成に適した温度に作動ガスの温度を保つための熱交換器等により構成されている。上記燃料電池本体は、水素生成により生成された水素ガスと空気中の酸素との結合エネルギーを直接電気エネルギーに変換するものであり、この燃料電池を使用した発電システムは化学反応による発電のため、発電効率が高く、また大気汚染物質の排出が少なく、しかも騒音も少ないクリーンな発電システムとして評価されている。
【０００３】
ところで、燃料電池本体の電気化学反応を効率よく行わせるためには、電池本体の温度を一定の温度レベルに保つ必要があり、電池本体に電池冷却水等を流し、適切な温度に冷却することが行なわれている。このため、燃料電池発電システムの冷却水系には気水分離器や熱交換器等が設けられ、熱交換器から取出される排熱が様々な用途に熱利用される。上記排熱は一般的に温水として取出されているが、近年では排熱利用の用途の範囲を拡大するために蒸気取出しの要求が強くなっている。
【０００４】
図２は、燃料電池発電システムの一般的な発電負荷と総合熱効率の関係を示す特性図であって、発電負荷に対する発電効率は、この特性図からわかるように４０％程度である。しかし、温水レベルの低温排熱回収分及び蒸気レベルの高温排熱回収分を全て利用した場合の総合熱効率は８０％以上になる。このように燃料電池発電システムは、発電のみならず、排熱を系外で有効に利用することができ、特に排熱のうち蒸気レベルの高温排熱は、吸収式冷凍機の駆動源、蒸気タービンの駆動源等の用途として利用価値は高い。
【０００５】
図３、４は、従来のこのような排熱利用システムを取入れた電池冷却水の余剰熱を利用して、電池冷却水系と分離された二次蒸気発生系の水を加熱して蒸気を発生させる蒸気発生器を設けた燃料電池発電システムの構成例を示す図である。図３に示すように、燃料極１ａ、空気極１ｂ、及び電池冷却器１ｃを備えた燃料電本体１で発生した反応熱が、電池冷却器１ｃ内の電池冷却水と熱交換することにより取り出され、この反応熱によって加熱された電池冷却水は気液二相流となって気水分離器２に導入される。
【０００６】
この気水分離器２では気液二相流の蒸気２ａが分離液化され電池冷却水２ｂとなり、この気水分離器２の下流に設けられている蒸気発生器３に導入され、上記電池冷却水２ｂの余剰熱により、電池冷却水系と分離された二次蒸気発生系の水が加熱され蒸気が発生される。そして、上記蒸気発生器３で温度を下げられた電池冷却水２ｂは、電池冷却水循環ポンプ４によって温度調整用熱交換器５を通って電池冷却器１ｃに還流される。
【０００７】
一方、気水分離器２で分離された蒸気２ａは、燃料改質蒸気過熱器６に供給され、この燃料改質蒸気過熱器６で過熱され過熱蒸気となり、この過熱蒸気が燃料と或る一定の比率で混合され燃料改質器７内の触媒層を通過し、この間に燃料改質器７内のバーナ燃焼ガスにより加熱される吸熱反応により、水素リッチガスに変成される。
【０００８】
図３の場合、燃料改質器７内で燃焼したバーナ燃焼排ガスは、燃料改質器７を出た後、燃料改質器７のバーナ空気予熱器８の加熱源として空気と熱交換し、その後流側で燃料電池本体１からの排空気と合流し、一体型排ガス処理装置９に導入される。この一体型排ガス処理装置９には、燃料電池本体１の電解質から気散し、生成水蒸気とともに排出されるリン酸溶液を含む排ガスからリン酸を除去回収するリン酸除去機能と、排ガス中に含まれる生成水蒸気を凝縮回収する凝縮水回収機能を具備している。
【０００９】
また、蒸気発生器３の二次側で発生した飽和蒸気は蒸気供給ライン１０を通って蒸気排熱利用装置１１の二次蒸気発生系に供給され、そこで利用された後、凝縮水となり、蒸気発生器給水ポンプ１２により凝縮水戻り配管１３を経て蒸気発生器３の下部に戻される。
【００１０】
一体型排ガス処理装置９の一次側で生成、回収した排ガス中の凝縮水は、凝縮水回収ライン１４を経て水処理装置１５に導入され、ここで水処理された冷却水が蒸気発生器３から流出する電池冷却水と合流されて冷却器１ｃに導入される。
【００１１】
図４は、図３のうち気水分離器２及び蒸気発生器３周辺の構成の他の例を示す図であって、蒸気発生器３の二次側で発生した飽和蒸気は気水分離器２内に設けられている伝熱管群２０内に流入し、そこでさらに加熱され過熱蒸気となり、排熱利用装置の二次蒸気発生系に高品位な過熱蒸気として供給されるとともに、上記伝熱管群の外表面で電池冷却水の余剰蒸気を凝縮させ、気水分離器で発生する水蒸気量を所望の値に維持するようにしてある。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のこのような蒸気排熱利用装置を取入れた燃料電池発電システムでは、図３のような場合、燃料電池本体１の電池冷却器１ｃより気液二相流となって取出した電池冷却水の気相分の内、燃料改質器７への必要供給量以上の余剰蒸気分を凝縮回収させる機能がなく、電池冷却水系の温度を燃料電池本体にとって適切な温度に維持することが難しいという問題がある。ここで、燃料改質器７への必要供給量以上の余剰蒸気分が気水分離器２内に発生することについては、燃料電池本体１の運転性能を上げる為に、例えば電池冷却水量を減らして、燃料電池本体１内部の電池冷却器１ｃの温度分布が均一になるように、或る飽和温度の気液二相流領域を増やそうとする場合、電池冷却器１ｃ出口の気相分の比率が増えること等が考えられる。
【００１３】
一方、図４に示すものでは、上記課題は解決することができるけれども、燃料電池本体内部の構造上、例えば、電池内部のリン酸が運転中、電池出口からの排ガス、排空気等に混じって外部に流出することを防止するため、電池冷却水の電池入口温度を或程度下げなくてはならない等の制約がある。しかし、電池冷却水の電池入口温度を下げるためには、電池冷却水系の電池入口手前に熱交換器等を介して、電池冷却水系の熱を外部に放出することが必要になり、高品位で利用価値の高い電池冷却水系からの高温排熱回収量が減り、高温排熱回収効率が下がることになり、燃料電池発電プラントの効率低下にもつながる。
【００１４】
また、燃料電池システムを発電運転のみのために稼動し、高温排熱を供給する必要がない場合、即ち、排熱利用装置の二次蒸気発生系に蒸気を供給する必要がない場合には、燃料改質器７への必要供給量以上の余剰蒸気分が気水分離器２で発生するために、水蒸気量を所望の値に維持する燃料電池システム側で、上記とは別な手段で電池冷却水系の余剰蒸気を凝縮させる必要がある。
【００１５】
さらに、燃料電池システムからの排熱回収効率を高めるために、気水分離器から改質器に供給する蒸気量を減らし、スチーム／カーボン比（Ｓ／Ｃ）を下げた運転を行う場合等も同様である。
【００１６】
本発明は、このような点に鑑み、気水分離器内に二次蒸気発生系に蒸気を供給するために設ける伝熱管群等とは別に、電池冷却水系の燃料改質器への必要供給量以上の余剰蒸気分を凝縮回収させる機能を気水分離器にもたせることにより、燃料電池発電システムの間接蒸気取出しに対応できるとともに、プラント設備を小形化し、排熱利用の多様化に対応させることができる気水分離器を得ることを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料電池本体の反応熱により加熱され二相流化した冷却水を気相と液相に分離し、分離された冷却水を上記燃料電池本体の冷却器に還流するようにした燃料電池発電システムにおける気水分離器において、燃料電池から流出する気液二相流の電池冷却水の一部を気水分離器内の下部液相部に直接流入させるようにしたことを特徴とする。
【００１８】
【作用】
気液二相流の電池冷却水の一部が気水分離器の下部液相部に直接流入するようにしたので、上記冷却手段等の作動によって電池冷却水系の余剰蒸気分を液相分に戻し、気水分離器で発生する水蒸気量を所望の値に維持することができる。したがって、気水分離器内より電池冷却水系と分離された形で間接的の排熱利用装置の二次蒸気発生系に過熱蒸気等を供給すること、間接過熱蒸気取出し量を増大させることが可能となり、システムからの高温排熱回収率を高めることができる。
【００１９】
また、廃熱利用装置の二次蒸気発生系に蒸気を供給する必要がない場合、或はスチーム／カーボン比を下げた運転を行なうような場合にも、電池冷却水系の余剰の蒸気分を凝縮させ、気水分離器で発生する水蒸気量を所望の値にすることができる。したがって、余剰蒸気分を外部に放出したり、或は余剰蒸気分を熱交換器等を介して凝縮させる必要がなく、プラント設備をコンパクトにきるとともに、経済的なものとすることができる。
【００２０】
【実施例】
以下、図１を参照して本発明の実施例について説明する。
【００２１】
図１において、気水分離器２には電池冷却水入口ノズルを介して燃料電池冷却器１ｃから電池冷却水が導入され、そこで気液二相流の蒸気から分離液化された電池冷却水が、水相出口ダウンカマー２２及び蒸気発生器入口制御弁２３を経て蒸気発生器３に導入される。この蒸気発生器３の伝熱管群３ｃで二次蒸気発生系の水と熱交換した電池冷却水は、電池冷却水循環ポンプ４により温度調整用熱交換器５を介して電池冷却器１ｃに環流される。なお図中符号２４は蒸気発生器バイパスライン、２５はバイパス弁である。
【００２２】
一方、蒸気排熱利用装置１１から蒸気発生器給水ポンプ１２により凝縮水戻り配管１３を経て蒸気発生器３に導入された二次蒸気発生系の凝縮水は、上記蒸気発生器３で加熱されて飽和蒸気となり、飽和蒸気供給配管２６を経て気水分離器伝熱管群２０に供給され、そこで加熱された後、二次蒸気圧力調整弁２７を介して、蒸気排熱利用装置１１に供給される。ここで、上記二次蒸気圧力調整弁２７は、蒸気圧力検出器２８で検出された圧力信号に応じて圧力コントローラ２９によってその開度が制御され、蒸気排熱利用装置１１に導入される蒸気圧が制御される。
【００２３】
また、蒸気発生器３内の飽和水の一部は温水給水管３０を経て水処理装置１５に導入され、その水処理装置１５で水処理された水が、水処理補給水供給ライン３１を経て電池冷却水循環ポンプ４の入口側で電池冷却水に合流される。
【００２４】
上記構成は、図４に示す従来の装置と同一であるが、電池冷却器１ｃから二相流状態となった冷却水を気水分離器２に導入する電池冷却水導入管４３から分岐管４４が分岐導出されており、その分岐管４４が気水分離器２の下部液相部２ｂ内に開口されており、その分岐点に三方弁４５が設けられている。
【００２５】
しかして、燃料電池本体１の電池冷却器１ｃ内で二相流化した電池冷却水は従来と同様に気水分離器２の上部気相部２ａに流入するとともに、その一部が分岐管４４へ分岐し、下部液相部２ｂに直接流入する。したがって、下部液相部２ｂに流入した電池冷却水中の気相分がそこでバブリングを起こし、凝縮作用が行なわれる。この場合、上部気相部で凝縮させる場合に比べ、凝縮性能を向上させることができる。
【００２６】
なお、気水分離器内には、上記バブリングにより気水分離器内の気液界面が変動することを防止し液面制御に支障がないように、バッフル板４６が設けられている。
【００２７】
また、気水分離器２内の上部気相部２ａ、下部液相部２ｂへの流量は、三方弁４５によって制御することができ、その制御によって、気水分離器２で発生する水蒸気量を所望の値に維持することができる。
【００２８】
なお、図の気水分離器２は、その分離器内での電池冷却水が上半分で蒸気（気相）、下半分で冷却水（液相）とに分離し、伝熱管群２０の配置をモデル化して表しているものであり、また、伝熱管群２０の設置状態、管配列、形状、種類等はその設計手法により様々な形態が考えられることはいうまでもない。
【００２９】
ここで、例えば、気水分離器２内の上部気相部２ａ、下部液相部２ｂの温度が１８５℃とし、理想的な条件で蒸気発生器３の一次側に１８５℃の温度で流入したとしても、蒸気発生器３の二次側の温度は、蒸気発生器３の設計の制約（例えば、熱交換器のピンチ温度と伝熱面積との関係で伝熱面積をむやみに増やして、蒸気発生器３を大きなものにすることはできない）により、１６０℃〜１７０℃の飽和蒸気としての蒸気取出しができるのみで、過熱蒸気としての蒸気取出しは難しいが、伝熱管群２０の管内側にこの飽和蒸気を流し、気水分離器２内の上部気相部２ａの熱によってさらに加熱することにより過熱蒸気を発生させることができ、気水分離器２内の運転温度にもよるが、気水分離器２内の温度よりも僅かに下回る程度の１７０〜１８４℃の過熱蒸気を発生させることが可能となる。
【００３０】
なお、気水分離器２内の伝熱管群２０の管外側でも電池冷却水系の余剰蒸気を凝縮させることができるため、この余剰蒸気量を燃料電池本体の電池冷却器１ｃから出る電池冷却水の二相流比を電池冷却水量、或は電池本体１をバイパスさせる電池バイパス水量等で調節することにより、蒸気排熱利用装置１１に供給する過熱蒸気の量を負荷変化に対応させることができる。
【００３１】
上記実施例においては、気水分離器２の下流側に設置された蒸気発生器３の二次側で加熱され発生した飽和蒸気が、さらに気水分離器２内に設置された伝熱管群２０内に流れ、過熱蒸気となり、蒸気排熱利用装置１１の二次蒸気発生系に供給するようにしているが、蒸気排熱利用形態により、蒸気発生器３で発生した飽和蒸気をそのまま蒸気排熱利用装置１１の二次蒸気発生系に供給する系統の場合にも通用できる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、気水分離器内に、二次蒸気発生系に蒸気を供給するための伝熱管群とは別に、燃料電池から流出する気液二相流の電池冷却水の一部を下部液相部に直接流入させるようにしたので、電池冷却水系の余剰蒸気を効果的に凝縮させ、気水分離器で発生する水蒸気量を所望の値に維持することができる。
【００３３】
しかして、気水分離器内より電池冷却水系と分離された形で間接的の排熱利用装置の二次蒸気発生系に過熱蒸気等を供給すること、間接過熱蒸気取出量を増大させることができ、システムからの高温排熱回収効率を高めることができる。
【００３４】
また、燃料電池システムを発電運転のみのために稼動し、高温排熱を供給する必要がない場合、すなわち排熱利用装置の二次蒸気発生系に蒸気を供給する必要のない場合、さらに燃料電池システムからの排熱回収効率を高めるために、気水分離器から改質器に供給する蒸気量を減らし、スチーム／カーボン比（Ｓ／Ｃ）を下げた運転を行なう場合も、電池冷却水系の余剰蒸気分を凝縮させ、電池冷却水系の液相部に戻し、気水分離器で発生する水蒸気量を所望の値に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池発電システムの余剰蒸気凝縮型気水分離器の一例を示す図。
【図２】燃料電池発電システムの発電負荷と総合熱効率の関係を示す特性図。
【図３】従来の燃料電池発電システムの概略構成を示す図。
【図４】従来の気水分離器の一例を示す図。
【符号の説明】
１ 燃料電地本体
１ｃ 電池冷却器
２ 気水分離器
３ 蒸気発生器
７ 燃料改質器
１１ 蒸気排熱利用装置
１５ 水処理装置
２０ 伝熱管群
３６ バッフル板
４２ 三方弁
４３ 電池冷却水導入管
４４ 分岐管
４５ 三方弁

Claims (2)

1. 燃料電池本体の反応熱により加熱され二相流化した冷却水を気相と液相に分離し、分離された冷却水を上記燃料電池本体の冷却器に還流するようにした燃料電池発電システムにおける気水分離器において、燃料電池から流出する気液二相流の電池冷却水の一部を気水分離器内の下部液相部に直接流入させるようにしたことを特徴とする、燃料電池余剰蒸気凝縮型気水分離器。
2. 燃料電池から流出する気液二相流の電池冷却水を気水分離器内の上部気相部と下部液相部に分岐導入させる分岐部には三方弁が設けられ、この三方弁の開度調節によって上記下部液相部への冷却水流量を制御することを特徴とする、請求項１記載の燃料電池余剰蒸気凝縮型気水分離器。

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