JP5083195B2

JP5083195B2 - 燃料電池発電装置の排熱利用方法および装置

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Publication number: JP5083195B2
Application number: JP2008324289A
Authority: JP
Inventors: 雅一長谷川
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2008-12-19
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2021-06-14
Also published as: JP2009105055A

Description

この発明は、燃料電池発電装置の排熱利用方法および排熱利用装置に関する。

周知のとおり、リン酸型燃料電池，固体高分子電解質型燃料電池，溶融炭酸塩型燃料電池などは、反応ガスとしての燃料ガスおよび酸化剤ガスを電極触媒層を備えた燃料電極および酸化剤電極に連続的に供給して、燃料のもつエネルギーを電気化学的に電気エネルギーに変換するものである。

これらの燃料電池においては、その電解質の性質から、二酸化炭素を含んだ燃料ガスや酸化剤ガスを使用することが可能である。そこで通常、これらの燃料電池においては、空気を酸化剤ガスとし、メタノールや天然ガス等の炭化水素系原燃料を燃料改質器により水蒸気改質して得られる水素リッチな改質ガスを燃料ガスとして用いている。

図３は、従来のリン酸型燃料電池発電装置の概略システム構成の一例を示す。

図３において、燃料電池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を有する冷却板４とから構成される。

一方、燃料改質器７は、原燃料供給系９を経て供給される天然ガス等の原燃料を、水蒸気分離器２１で分離されて水蒸気供給系２２を経て供給される水蒸気とともに、改質触媒下にて、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。

燃料改質器７で生成された上記改質ガスは、ＣＯ変成器８を有する改質ガス供給系１１を経由して燃料電池１の燃料極２に供給され、一方、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が、オフガス供給系１２を経て燃料改質器７のバーナに燃料として供給される。

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１３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１５により水回収用凝縮器４１へと送られ、水回収後、排出される。

また、燃料電池１には、空気極３に空気を供給する反応空気ブロア１６を備えた空気供給系１７と、電池反応後の空気を前記水回収用凝縮器４１へ供給する空気排出系１８とが接続されている。

燃料電池１の冷却板４の冷却管には、燃料電池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２４および燃料電池冷却水廃熱回収用熱交換器２３を備えた冷却水循環系２０が、接続されている。冷却水循環系２０は、冷却水調節弁２５を備え、必要に応じて廃熱回収用熱交換器２３への冷却水の流通を調節できるようにしている。

前記水蒸気分離器２１では、燃料電池１の冷却管から排出された水と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に向かう原燃料と混入するように、前記水蒸気供給系２２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、エジェクタ６を使用している。このエジェクタ６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。原燃料供給系９は、一般に、脱硫器５を備える。

前記水回収用凝縮器４１には、前述のように、燃焼排ガス系１５，空気排出系１８が接続され、この水回収用凝縮器４１には、生成水等回収タンク４４を有する凝集水回収系４２が接続されている。

前記回収水は、脱炭酸塔４３で空気接触させて脱炭酸処理をした後に、補給水ポンプ４６によって、イオン交換式水処理装置４７に導入して、純水化した後に、給水ポンプ４９により水蒸気分離器２１へ還流供給され、原燃料の水蒸気改質に必要な水として利用される。

水処理装置４７は吸着速度の関係から、通水速度は一定量が必要であり、そのため、水処理装置に水が循環して流れる閉回路を設けて、常時一定流量を水処理装置に通水可能として、所定のＳＶ値（空間速度１／ｈ）を維持するのが一般的である。この場合、図３に示すように、水処理装置４７は処理水の再循環用配管４８を備え、水処理された水の内、一部は給水ポンプ４９によって水蒸気分離器２１に供給され、残りの純水は、再循環用配管４８を経由して再び水処理装置４７に戻される。

なお、固体高分子電解質型燃料電池発電装置の場合には、通常、前記ＣＯ変成器から導出した改質ガスを、ＣＯ変成器の後段に設けたＣＯ除去器に導入し、ＣＯを酸化して、改質ガス中のＣＯ濃度を１０ｐｐｍ程度まで低減する。

図３は、標準的なシステム構成例を示したが、システム構成はニーズに応じて種々の形態があり、燃料電池発電装置の排熱利用方法に限定した場合においても、種々の形態が存在する。例えば、図４は、燃料電池の排熱を有効に利用し、かつ水回収装置から排出される排ガスの白煙化の防止を図るために、同一出願人によって提案され、特願２０００−２８５７９６号に記載された構成例を示す。

図４においては、図３における水処理装置等の一部の構成部材は省略して示し、また、図３と同一構成部材には同一番号を付して説明を省略する。

図４において、水回収装置５２は、水回収用の排ガス冷却器５３の上方に、水回収された排空気および燃焼排ガスを加熱するための排気ガス加熱用熱交換器５２を備える。また、水蒸気分離器２１から導出した冷却水を、排熱利用熱交換装置５４に通流して冷却した後、排気ガス加熱用熱交換器５２に通流してさらに冷却し、この冷却された水を、水蒸気分離器２１から導出した水と合流する冷却水循環回路５５を備える。

水蒸気分離器２１は圧力計３２を備え、また、冷却水循環回路５５は、前記圧力計３２の計測値に基づいて水蒸気分離器２１内の圧力を一定に制御する流量調節弁３３を備える。３０は電池冷却水循環用ポンプ、３１は補給水ポンプを示す。

上記構成において、電池冷却水の一部が分岐され、排熱利用熱交換装置５４に通流して冷却した後、前記排気ガス加熱用熱交換器５２に通流してさらに冷却することにより、燃料電池における発熱量と熱除去量のバランスをとることができる。ちなみに、図４にＴ１〜Ｔ１０で示す各部の温度を例示すると、下記のとおりである。下記温度において、括弧内に示す数値は、代表温度である。

Ｔ１：１６０〜１７０℃（１６０℃），Ｔ２：１４０〜１７０℃（１４５℃）
Ｔ３：８５〜９５℃（９５℃），Ｔ４：５０〜９０℃（６０℃）
Ｔ５：７０〜８５℃（８５℃），Ｔ６：８０〜９５℃（９０℃）
Ｔ７：３０〜４０℃（４０℃），Ｔ８：４０〜６０℃（５０℃）
Ｔ９：４０〜４５℃（４５℃），Ｔ10：４５〜５５℃（５０℃）
上記のように、水回収装置５１において冷却され、水回収された排ガスの温度Ｔ９は４０〜４５℃であるが、この排ガスを、排気ガス加熱用熱交換器５２により冷却水の余剰熱によって加熱し、その温度Ｔ10を、４５〜５５℃とすることにより、排ガス中の水蒸気が外気にさらされても直ちに、水蒸気の白煙が生成することがなくなり、排ガスの白煙化が防止できる。

ところで、上記図３および図４に示すように、一般に、燃料電池発電装置においては、燃料電池と、炭化水素と水蒸気との改質反応により水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質器と、前記燃料電池および燃料改質器から排出される熱を、温度レベルの異なる冷却水により熱交換して排出するもしくは排熱を有効利用する低温水用熱交換器と高温水用熱交換器とを備え、空冷式冷却器により最終的な排熱処理が行なわれる。

前記図４に示すシステムにおいて、排ガス冷却器５３が低温水用熱交換器に該当し、排熱利用熱交換装置５４が高温水用熱交換器に該当する。図３に示すシステムにおいては、水回収用凝縮器４１および燃料電池冷却水廃熱回収用熱交換器２３が、それぞれ低温水用熱交換器および高温水用熱交換器に該当する。図３においても、代表温度は、図４における低温水用熱交換器および高温水用熱交換器と同等レベルの温度であり、燃料電池排熱用の冷却水の異なる温度レベルとしては、低温水は概略５０℃、高温水は概略９０℃といえる。

ところで、上記９０℃レベルの高温排水は、一般に、給湯設備や温水焚き吸収式冷温水機の加熱源として有効利用され、夏は冷房、冬は暖房に供される。これに対して、上記５０℃レベルの低温排水は、温度が低いためにその有効利用の対象が少なく、殆んど、空冷式冷却器からなる排熱処理設備によって放出されている。

一方、燃料電池発電装置とその排熱処理設備においては、装置運転前の水張り時の他に、運転中も運転状態により外部から補給水を供給する必要がある。燃料電池は水を反応により生成するが、高負荷運転時は生成水が多く、外部から水を補給する必要はない。しかしながら、負荷が低下した際や、何らかの理由により水を系外へ排出した際には補給が必要となる。排熱処理設備の高温水系においても、閉ループのため装置運転前の水張り時の他に何らかの理由により水を系外へ排出した際には補給が必要となる。

このため、常時補給が可能な様に補給水供給配管をつないでおく必要がある。しかしながら、前記のごとく常時補給水が流れているのではなく、補給が必要になった時のみのため、補給水系の水は流れがほとんど無く、屋外に設置された場合、寒冷時には、凍結する恐れがある。従来はこのため、補給水供給配管には、電気ヒータを巻き付けるか、もしくは温水通流配管（いわゆるトレース配管）内に温水を通流して凍結防止を行なっている。

前記温水焚き吸収式冷温水機や補給水供給配管などを有する従来の排熱利用システムの構成に関し、本発明の説明の便宜上、簡略化したシステム系統図を図２に示す。図２において、図３または図４に示すシステムの構成部材と同一機能を有する部材には、同一番号を付して説明を省略する。

図２と図３または図４との主な相違点は、図２においては、６１〜７０によって示した温水焚き吸収式冷温水機や補給水供給配管などの系統とその関連部材を備える点である。図２において、６１は、排熱用冷却水の内の低温度レベルの冷却水ライン、６２は高温度レベルの冷却水ラインを示し、６１における冷却水の排熱は、６５の空冷式の排熱処理設備により放出される。

６２の高温度レベルの冷却水は、温水焚き吸収式冷温水機６６に通流された後、前記排熱処理設備６５に通流されて熱放出する。６７は、前記温水焚き吸収式冷温水機６６において発生する冷水または温水が通流される空調機である。６３は、温水焚き吸収式冷温水機６６における冷却用水であり、６８は、冷却用水を冷却するための冷却塔である。

６９は、補給水供給配管を示し、７０は、補給水供給配管が備える凍結防止用のヒータ敷設部もしくはトレース配管を示す。

ところで、前述の図２に示すような従来の燃料電池発電装置の排熱利用方法および装置においては、下記のような問題があった。

近年では、電算室やＯＡ機器密度の高いオフィス等においては、冬季においても冷房運転のニーズが高まっており、前記温水焚き吸収式冷温水機によって冷房運転を行なう場合には、温水焚き吸収式冷温水機における冷却用水を、常時加温する必要がある。その理由は、温水焚き吸収式冷温水機の場合、効率のよい運転を行なうためにはその運転中、冷却用水の冷温水機入口温度を約２４℃に維持する必要があるからである。温水焚き吸収式冷温水機の冷房運転の立ち上がり時には、少なくとも２０℃とすることが要請される。

従って冬季に限らず、地域によっては寒冷時に、冷却用水を常時加温する必要があり、この加熱源の調達とその省エネルギー化が望まれている。

この発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、この発明の課題は、温水焚き吸収式冷温水機における冷却用水の加温熱源の省エネルギー化を図った燃料電池発電装置の排熱利用方法および装置を提供することにある。

前述の課題を解決するために、この発明は、燃料電池と、炭化水素と水蒸気との改質反応により水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質器と、前記燃料電池および燃料改質器から排出される熱を、温度レベルの異なる冷却水により熱交換して排出する排熱処理設備と、前記温度レベルの異なる冷却水の内の高温度レベルの冷却水を加熱源とする温水焚き吸収式冷温水機とを備えた燃料電池発電装置の排熱利用方法において、前記温度レベルの異なる冷却水の内の低温度レベルの冷却水を、前記温水焚き吸収式冷温水機における冷却用水の冷温水機入口温度を２０℃以上とするために冷却用水の加温に利用することとする（請求項１の発明）。

前記請求項１の発明によれば、温水焚き吸収式冷温水機における冷却用水の加温のために、燃料電池発電装置の排熱が有効に利用され、従来に比較して省エネルギー化が図れる。

さらに、上記請求項１の発明を実施するための好ましい燃料電池発電装置の排熱利用装置としては、下記請求項２の発明が好ましい。即ち、請求項１に記載の排熱利用方法を実施するための装置であって、燃料電池と、炭化水素と水蒸気との改質反応により水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質器と、前記燃料電池および燃料改質器から排出される熱を、温度レベルの異なる冷却水により熱交換して排出する排熱処理設備と、前記温度レベルの異なる冷却水の内の高温度レベルの冷却水を加熱源とする温水焚き吸収式冷温水機とを備え、さらに、前記低温度レベルの冷却水により、前記温水焚き吸収式冷温水機における冷却用水の冷温水機入口温度を２０℃以上とするために冷却用水を加温する手段を備えるものとする（請求項２の発明）。

上記のとおり、この発明によれば、燃料電池発電装置において従来有効活用され難かった排熱用冷却水の内の低温水を、温水焚き吸収式冷温水機の冷却用水の加温に有効に利用することにより、冷却用水の加温熱源用エネルギーが不要となり、省エネルギー化が図れる。

図面に基づき、本発明の実施例について以下にのべる。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。

図１と図２とのシステム構成上の基本的な相違は、図１においては、低温度レベルの冷却水ライン６１から分岐した前記温水焚き吸収式冷温水機における冷却用水を加温するための冷却用水用加温ライン８５を備える点である。

上記実施例により、前述のように燃料電池発電装置の排熱が有効に利用され、従来に比較して省エネルギー化が図れる。

この発明の燃料電池発電装置の排熱処理装置の実施例を示す図従来の燃料電池発電装置の排熱利用装置の概略構成の一例を示す図従来のリン酸型燃料電池発電装置の概略システム構成の一例を示す図図３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

符号の説明

１：燃料電池、２３：廃熱回収用熱交換器、４１：水回収用凝縮器、５３：水回収用の排ガス冷却器、６１：低温度レベルの冷却水ライン、６２：高温度レベルの冷却水ライン、６３：冷却用水、６５：排熱処理設備、６６：温水焚き吸収式冷温水機、６７：空調機、６８：冷却塔、６９：補給水供給配管、８５：冷却用水加温ライン。

Claims

燃料電池と、炭化水素と水蒸気との改質反応により水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質器と、前記燃料電池および燃料改質器から排出される熱を、温度レベルの異なる冷却水により熱交換して排出する排熱処理設備と、前記温度レベルの異なる冷却水の内の高温度レベルの冷却水を加熱源とする温水焚き吸収式冷温水機とを備えた燃料電池発電装置の排熱利用方法において、
前記温度レベルの異なる冷却水の内の低温度レベルの冷却水を、前記温水焚き吸収式冷温水機における冷却用水の冷温水機入口温度を２０℃以上とするために冷却用水の加温に利用することを特徴とする燃料電池発電装置の排熱利用方法。
請求項１に記載の排熱利用方法を実施するための装置であって、燃料電池と、炭化水素と水蒸気との改質反応により水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質器と、前記燃料電池および燃料改質器から排出される熱を、温度レベルの異なる冷却水により熱交換して排出する排熱処理設備と、前記温度レベルの異なる冷却水の内の高温度レベルの冷却水を加熱源とする温水焚き吸収式冷温水機とを備え、
さらに、前記低温度レベルの冷却水により、前記温水焚き吸収式冷温水機における冷却用水の冷温水機入口温度を２０℃以上とするために冷却用水を加温する手段を備えることを特徴とする燃料電池発電装置の排熱利用装置。