JP3997466B2

JP3997466B2 - 燃料電池発電装置とその運転制御方法

Info

Publication number: JP3997466B2
Application number: JP2002001440A
Authority: JP
Inventors: 茂政鈴木
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2002-01-08
Filing date: 2002-01-08
Publication date: 2007-10-24
Anticipated expiration: 2022-01-08
Also published as: JP2003203656A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池発電装置とその運転制御方法、特に燃料電池の排熱の１部を、排熱回収用の熱交換器を介して温水焚吸収式冷温水機の熱源用の温水熱媒として供給し、余剰熱を放熱設備により放熱する燃料電池発電装置とその運転制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池発電装置に組み込まれる燃料電池としては、電解質の種類、改質原料の種類等によって異なる種々のタイプがあるが、例えば、天然ガスを改質した二酸化炭素を含むガスを精製せずにそのまま使用できる等の利点を持っているリン酸高濃度水溶液を電解質として用いたリン酸型燃料電池が知られている。
【０００３】
このリン酸型燃料電池は、メタンガス等の炭化水素系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、燃料電池の燃料極および空気極にそれぞれ供給し、電気化学反応に基づいて発電を行う。原燃料を燃料ガスに改質するには、原燃料としてのメタンに水蒸気を加えて、水とメタンとの反応を触媒で促進して行う燃料改質装置が用いられる。従って、燃料改質装置には、燃料の改質に使用した水蒸気量に対応して水を補給する必要がある。この水にはイオン交換式の水処理装置等で不純物を除去したイオン交換水が用いられる。
【０００４】
また、燃料電池発電装置に組み込まれるリン酸型燃料電池では、発電時に熱を発生するため、冷却する必要があるが、この冷却は、空冷または水冷により行っている。水冷式の燃料電池発電装置では、熱を冷却水により除去することによって、燃料電池本体を冷却し、運転温度を維持しており、この冷却で得た熱の一部を熱交換器で回収してユーザに供給している。
【０００５】
図３は、従来のこの種の燃料電池発電装置の排熱回収系および水回収系に着目した基本的な系統図の一例である（特開平１０−６４５６６号公報参照）。
【０００６】
図３において、燃料電池本体１は、模式的に示され、図示しないリン酸電解質層を挟持する燃料極２と空気極３と、これらからなる単位セルの複数個を重ねる毎に配設される冷却管４を有する冷却板５とから構成される。
【０００７】
一方、燃料改質器７は、燃料供給系８を経て供給される天然ガス等の原燃料を、後述する水蒸気分離器２１で分離されて水蒸気供給系１０を経て供給される水蒸気とともに、改質触媒下にて、図示しないバーナでの後述するオフガスの燃焼による燃焼熱により加熱して、水素に富むガスに改質して改質ガスを生成する。
【０００８】
前記燃料電池本体１と燃料改質器７とには、燃料改質器７で生成された改質ガスを燃料電池本体１の燃料極２に供給する改質ガス供給系１１と、燃料極２から電池反応に寄与しない水素を含むオフガスを燃料改質器７のバーナに燃料として供給するオフガス供給系１２とが接続されている。
【０００９】
また、燃料改質器７のバーナへは、燃焼空気供給用のブロア１７が接続されており、燃料改質器７から出た燃焼排ガスは、燃焼排ガス系１８により水回収装置４１へと送られる。
【００１０】
また、燃料電池本体１には、空気極３に空気を供給する反応空気ブロア１３を備えた空気供給系１４と、電池反応後の空気を前記水回収装置４１へ供給する空気排出系１５とが接続されている。
【００１１】
燃料電池本体１の冷却板５の冷却管４には、燃料電池本体１の発電時に冷却水を循環するため、水蒸気分離器２１、冷却水循環ポンプ２２および冷却水冷却器としての蒸気発生装置（ケトル型熱交換器）２４を備えた冷却水循環系２０が、接続されている。
【００１２】
前記水蒸気分離器２１では、燃料電池本体１の冷却管４から排出される蒸気との二相流となった冷却水を、水蒸気と冷却水とに分離する。ここで分離された水蒸気は、前記燃料改質器７に向かう原燃料に混入するように、前記水蒸気供給系１０を経て、送出される。その際、元圧の低い原燃料との混合を行うために、エゼクタポンプ９を使用している。このエゼクタポンプ９は、蒸気を駆動流体とするとともに、原燃料を被駆動流体とする。
【００１３】
前記蒸気発生装置（ケトル型熱交換器）２４は、燃料電池を冷却して戻ってきた冷却水から熱を奪って冷却し、回収した熱を、すなわち、燃料電池の発電時に発生した熱の一部を、蒸気として外部の廃熱利用設備を介してユーザに供給する。回収した熱は、冷暖房や給湯に使用されるが、余剰の熱は捨てて、熱バランスを保持する。熱媒が蒸気の場合には、蒸気炊きの吸収式冷温水機が運転できるため、効率の高い熱利用ができる。
【００１４】
また、前記水回収装置４１には、燃焼排ガス系１８、空気排出系１５、プロセス排気系１９が接続されている。この水回収装置４１にはその他に、回収水循環ポンプ４２、回収水冷却器４３およびノズル４４からなる回収水生成循環系が接続されている。前記回収循環ポンプ４２は、該水回収装置４１の底部に接続され、該底部に貯留された回収水の一部を回収し、回収水冷却器４３に送り込む。
【００１５】
回収水冷却器４３にはユーザ側冷却水系４５が熱回収系として挿入されており、冷却された回収水をノズル４４に供給する。ノズル４４は、前記冷却回収水を水回収装置４１の上部から散布して、水回収装置４１内の生成水を含む排空気と、燃焼生成水を含む燃焼排ガスとに冷却水を作用させて、気中の回収水を直接的に冷却して、それぞれの生成水を該水回収装置４１の底部に生成させる。
【００１６】
なお、前述のようにノズル４４から水を散布する方式とはせずに、ユーザ側冷却水系４５を直接排空気および燃焼排ガスと接触させて冷却することにより、水回収する構成とすることもできる。
【００１７】
前述のようにして水回収装置４１の底部に貯留した回収水は、補給ポンプ４６、水処理装置４７が設けられた回収系を経て、前記水蒸気分離器２１に供給される。
【００１８】
回収水冷却器４３には、前述のように、回収水を冷却するためにユーザ側冷却水４５が接続されているが、生成水を回収するためには、この冷却水の温度は、４０℃以下にすることが望ましいために、熱エネルギーとしての価値は低く、通常は冷却塔やラジエータで外気に放出して処理している。
【００１９】
なお、図３中、符号２６は、冷却水循環系２０において、冷却管４と冷却水冷却器２４の流路と、蒸気発生装置２４と水蒸気分離器２１との間の流路とを短絡するバイパス配管であり、符号２７はそのための三方調節弁である。また、符号２８は、水蒸気分離器２１内の気圧を測定する圧力計である。
【００２０】
前記図３とは異なる従来の燃料電池発電装置として、蒸気炊きの吸収式冷温水機を燃料電池の冷却系に直結した図４に示す構成の発電装置も知られている（特開平９−１４７８６号公報参照）。
【００２１】
図４の系統図において、図３に示した機器と同一の機能を有する機器には同一番号を付し、説明を省略する。なお、図４においては、図３に示した燃料改質器７と水回収装置４１およびそれらの周辺機器・配管系統を省略している。
【００２２】
図４において、電池冷却水系統２０ａ，２０ｂは、水蒸気分離器２１と燃料電池本体１と吸収式冷温水器４０と放熱用熱交換器５０とを接続する配管構成からなる。燃料電池本体１の発熱は、蒸気炊き吸収式冷温水器４０において有効利用された後、放熱用熱交換器５０において余剰の熱が除去されて、水蒸気分離器２１の温度もしくは圧力が一定に保持される。
【００２３】
水蒸気分離器２１の温度制御は、流量調整器６０，８０を制御することにより行われる。１１０は、温度または圧力の検出器、７０は、流量調整器６０を制御するためのコントロールユニットであり、検出器１１０の検出結果により、燃料電池本体１から蒸気炊き吸収式冷温水器４０に導入する燃料電池冷却水の流量を制御する。
【００２４】
さらに、前記図４とは異なる従来の燃料電池発電装置として、排熱回収利用熱源温度を約９０℃程度とした、温水炊き吸収式冷温水機を燃料電池の冷却系に直結した図２に示す構成の発電装置も採用されている。図２の系統図において、図３に示した機器と同一の機能を有する機器には同一番号を付し、説明を省略する。なお、図２においても、図３に示した燃料改質器７と水回収装置４１およびそれらの周辺機器・配管系統を省略している。
【００２５】
図２に示す燃料電池発電装置は、燃料電池本体１と、燃料電池本体１で発生する排熱回収用の熱交換器３４と、この熱交換器３４により加熱した温水を温水焚吸収式冷温水機３９へ通流する温水熱媒通流回路４９と、前記熱交換器３４により加熱した温水を放熱設備としての冷却塔３７に通流する放熱水通流回路４７と、前記温水熱媒通流回路４９と放熱水通流回路４７とを切り替える温水切替弁３８とを備える。
【００２６】
上記構成において、熱交換器３４により加熱した温水を、冷温水需要家サイトのニーズに応じて、温水切替弁３８により切り替えて、温水焚吸収式冷温水機３９に通流する。温水焚吸収式冷温水機３９により発生した冷温水は、冷温水ポンプ３０により熱利用機器３１に供給され、冷温水需要家サイトで使用される。
【００２７】
なお、図２において、部番３２は温水焚吸収式冷温水機用冷却水ポンプであり、３３は同冷却水用の冷却塔である。また、３６は前記温水熱媒通流回路４９と放熱水通流回路４７とに温水を通流する温水ポンプ、３８ａは、放熱設備としての冷却塔３７への温水通流の開閉を、前記温水切替弁３８に連動して行なう調節弁であり、この調節弁３８ａは、温度センサ３５の測定結果をフィードバックして、放熱量の調節を行なう機能を備える。
【００２８】
図２において、冷温水需要家が、温水焚吸収式冷温水機３９の電源を投入すると、温水切替弁３８は、熱交換器３４により加熱した温水を温水焚吸収式冷温水機３９に通流するように作動し、温水は、熱交換器３４から温水熱媒通流回路４９，温水切替弁３８，放熱水通流回路４７，調節弁３８ａ，温水ポンプ３６を経て、熱交換器３４に還流する。
【００２９】
温水焚吸収式冷温水機３９の利用負荷が小の際には、温水焚吸収式冷温水機３９が備える図示しない制御装置により、前記温水切替弁３８は、熱交換器３４により加熱した温水の温水焚吸収式冷温水機３９への通流を停止するように切り替えられ、温水は、熱交換器３４から温水切替弁３８，放熱水通流回路４７，調節弁３８ａ，温水ポンプ３６を経て、熱交換器３４に還流する。その際、調節弁３８ａが、温水を冷却塔３７に通流して、放熱するように作動する。調節弁３８ａは、前述のように、温度センサ３５の測定結果をフィードバックして、放熱量の調節を行なう。
【００３０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述の図２に示すような温水炊き吸収式冷温水機を備える従来の燃料電池発電装置とその運転制御方法においては、下記のような問題があった。
【００３１】
従来装置においては、温水焚吸収式冷温水機３９への通流と、放熱設備としての冷却塔３７への通流を、冷温水需要家サイトのニーズに応じて、温水切替弁３８により切り替えて行なうので、燃料電池本体にとっては、温水切替弁３８の切り替え操作に伴い、冷却系のステップ的変動が生ずることとなり、この熱的外乱が燃料電池本体の安定した運転の妨げとなる問題がある。
【００３２】
また一方、温水焚吸収式冷温水機にとっては、その熱源用の温水熱媒の供給熱量が、燃料電池本体の負荷、即ち排熱量の影響を受け、特に熱源用の温水熱媒の温度が低下した場合に、安定した温水焚吸収式冷温水機の運転ができない問題があった。
【００３３】
この発明は、上記問題点を解消するためになされたもので、この発明の課題は、燃料電池本体の排熱を有効に利用し、かつ燃料電池本体および温水焚吸収式冷温水機の安定した運転が可能な燃料電池発電装置とその制御方法を提供することにある。
【００３４】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、この発明は、燃料電池本体と、燃料電池本体で発生する排熱回収用の熱交換器と、この熱交換器により加熱した温水を温水焚吸収式冷温水機へ通流する温水熱媒通流回路と、前記熱交換器により加熱した温水を放熱設備に通流する放熱水通流回路と、前記温水熱媒通流回路と放熱水通流回路とを切り替える温水切替弁とを備えた燃料電池発電装置において、
前記温水切替弁に代えて温水供給量調節弁を設け、かつ前記温水熱媒通流回路における前記温水焚吸収式冷温水機へ通流する前の温水熱媒の温度を計測し、この温度が所定の温度となるように、前記温水焚吸収式冷温水機への前記温水熱媒供給量を制御する制御装置を備えるものとする（請求項１の発明）。
【００３５】
前記請求項１の発明によれば、温水切替弁３８の切り替え操作に伴う冷却系のステップ的変動がなくなり、燃料電池本体の安定した運転が可能となる。また、前記温水焚吸収式冷温水機への前記温水熱媒の温度を、略、温水焚吸収式冷温水機の要請熱媒温度である９０℃とすることができ、燃料電池本体の負荷変動や温水焚吸収式冷温水機における冷温水利用状況の変動があっても、温水熱媒供給温度が安定するので、温水焚吸収式冷温水機自体の安定した運転が可能となる。
【００３６】
また、燃料電池発電装置の運転制御方法の観点からみると、下記請求項２の発明が好ましい。
【００３７】
即ち、前記請求項１に記載の燃料電池発電装置の運転制御方法であって、前記温水熱媒通流回路における前記温水焚吸収式冷温水機へ通流する前の温水熱媒の温度を計測し、この温度が所定の温度となるように、前記温水焚吸収式冷温水機への前記温水熱媒供給量を制御する（請求項２の発明）。
【００３８】
【発明の実施の形態】
図面に基づき、本発明の実施の形態について以下にのべる。
【００３９】
図１は、この発明の実施例を示す図であり、図２と同じ機能部材には同一の番号を付して説明を省略する。
【００４０】
まず、図１の実施例について説明する。図１と図２との基本的な相違は、図１においては、図２における温水切替弁３８に代えて、温水供給量調節弁４８を設け、かつ温水熱媒通流回路４９における温水焚吸収式冷温水機３９へ通流する前の温水熱媒の温度を計測し、この温度が所定の温度となるように、温水焚吸収式冷温水機３９への温水熱媒供給量を制御する制御装置４５ａを備える点である。
【００４１】
図１の構成において、例えば、熱交換器３４で加熱された温水熱媒の温度を、略９０℃となるように、温水焚吸収式冷温水機３９への温水熱媒供給量を制御する。通常、燃料電池本体から導出する電池冷却水の温度は、約１６５℃、電池冷却水の熱交換器３４出口温度は約１５０℃であり、燃料電池本体の負荷変動に伴って燃料電池の排熱量が変動しても、前述のように、前記温水焚吸収式冷温水機へ通流する前の温水熱媒の温度を略９０℃に維持することにより、温水焚吸収式冷温水機３９への温水熱媒の供給温度が安定するので、温水焚吸収式冷温水機の運転は、その出力値の変動はあるものの、安定した運転が可能となる。
【００４２】
なお、燃料電池本体の負荷変動に伴って燃料電池の排熱量が変動しても、前述のように、調節弁３８ａの調節により、燃料電池本体の安定した運転を可能とすることができる。
【００４３】
【発明の効果】
上記のとおり、この発明によれば、燃料電池本体と、燃料電池本体で発生する排熱回収用の熱交換器と、この熱交換器により加熱した温水を温水焚吸収式冷温水機へ通流する温水熱媒通流回路と、前記熱交換器により加熱した温水を放熱設備に通流する放熱水通流回路と、前記温水熱媒通流回路と放熱水通流回路とを切り替える温水切替弁とを備えた燃料電池発電装置において、
前記温水切替弁に代えて温水供給量調節弁を設け、かつ前記温水熱媒通流回路における前記温水焚吸収式冷温水機へ通流する前の温水熱媒の温度を計測し、この温度が所定の温度となるように、前記温水焚吸収式冷温水機への前記温水熱媒供給量を制御するようにしたので、
燃料電池本体の排熱を有効に利用し、かつ燃料電池本体および温水焚吸収式冷温水機の安定した運転が可能な燃料電池発電装置とその制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の燃料電池発電装置の実施例を示す図
【図２】従来の燃料電池発電装置の概略システム構成を示す図
【図３】図２とは異なる従来の燃料電池発電装置の概略システム構成を示す図
【図４】図２とはさらに異なる従来の燃料電池発電装置の概略システム構成を示す図
【符号の説明】
１：燃料電池本体、２１：水蒸気分離器、３１：熱利用機器、３４：熱交換器、３６：温水ポンプ、３７：冷却塔、３８ａ：調節弁、３９：温水焚吸収式冷温水機、４７：放熱水通流回路、４８：温水供給量調節弁、４５ａ：制御装置、４９：温水熱媒通流回路。

Claims

燃料電池本体と、燃料電池本体で発生する排熱回収用の熱交換器と、この熱交換器により加熱した温水を温水焚吸収式冷温水機へ通流する温水熱媒通流回路と、前記熱交換器により加熱した温水を放熱設備に通流する放熱水通流回路と、前記温水熱媒通流回路と放熱水通流回路とを切り替える温水切替弁とを備えた燃料電池発電装置において、
前記温水切替弁に代えて温水供給量調節弁を設け、かつ前記温水熱媒通流回路における前記温水焚吸収式冷温水機へ通流する前の温水熱媒の温度を計測し、この温度が所定の温度となるように、前記温水焚吸収式冷温水機への前記温水熱媒供給量を制御する制御装置を備えることを特徴とする燃料電池発電装置。
請求項１に記載の燃料電池発電装置の運転制御方法であって、前記温水熱媒通流回路における前記温水焚吸収式冷温水機へ通流する前の温水熱媒の温度を計測し、この温度が所定の温度となるように、前記温水焚吸収式冷温水機への前記温水熱媒供給量を制御することを特徴とする燃料電池発電装置の運転制御方法。