JP5277573B2

JP5277573B2 - 燃料電池発電装置

Info

Publication number: JP5277573B2
Application number: JP2007174183A
Authority: JP
Inventors: 健一黒田
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2007-07-02
Filing date: 2007-07-02
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2027-07-02
Also published as: JP2009016077A

Description

本発明は、凍結防止機能を有する燃料電池発電装置に関する。

従来、燃料電池発電装置の凍結防止対策として、ヒータ等の発熱器をパッケージ内に設置し、ヒータ等の発熱により冷却水系機器の凍結を防止していた。また、ヒータ等の発熱器を使用しない凍結防止対策として、パッケージ外に設置された貯湯槽からパッケージ内に温水を導入して凍結防止を図っていた（例えば、特許文献１参照）。

図４は特許文献１に記載された凍結防止機能付きの燃料電池発電装置の構成図である。この燃料電池発電装置は、発電装置のパッケージ内に、燃料電池本体１１０、改質系機器１２０、回収水系機器１３０、その他の補機１４０及び冷却水系機器１５０が配置され、パッケージ外には貯湯槽１６０が配置されている。

燃料電池本体１１０は、燃料ガスと酸化剤ガスとしての空気との電気化学反応に基づいて電気および熱エネルギーを発生する。燃料電池本体１１０に供給される燃料ガスは、改質系機器１２０が炭化水素系原燃料を水蒸気改質して生成する。燃料電池本体１１０の排空気及び改質系機器１２０の燃焼排ガス中の水を回収水系機器１３０で回収し、当該回収水を回収水純化用の水処理装置１３５で純化して冷却水として燃料電池本体１１０内に循環させるように構成している。

凍結防止用配管１７０は、貯湯槽１６０の上部から温水を導出し、前記冷却水系機器１５０，回収水系機器１３０，水処理装置１３５の近傍又は一部に接して設けた配管（７４ｂ，７４ａ，７３ａ）に通流した後、貯湯槽１６０下部に還流する構成となしている。貯湯槽上部から導出する温水は、前記回収水系機器１３０と冷却水系機器１５０とに直列に通流し、前記水処理装置１３５には、前記二つの機器とは並列に通流するように構成される。また、前記各並列配管路７４および７３には、それぞれ、開閉弁もしくは流量制御弁７６および７５が設けられている。
特開２００３−２８２１０５号公報

しかしながら、ヒータ等の発熱器をパッケージ内に設置する凍結防止対策の場合、発熱器が別途必要になると共に、発熱器がエネルギー消費するので運転コストが高くなる問題がある。また、パッケージ外に設置された貯湯槽から温水を導入する凍結防止対策の場合、貯湯槽から温水を導入するための配管設備が別途必要になる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、凍結防止のためのヒータ等の発熱器によるエネルギー消費が無く、しかもパッケージ外から専用の凍結防止用配管で温水を導入することなくパッケージ内の凍結を防止できる燃料電池発電装置を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池発電装置は、燃料ガスを水蒸気改質する燃料改質系機器と、水蒸気改質された燃料ガスと空気との電気化学反応に基づいて電気および熱エネルギーを発生する燃料電池本体と、燃料電池本体を冷却する冷却水系機器と、装置内で発生した熱を外部に熱交換するための熱交換器と、をパッケージ内に収納してなる燃料電池発電装置であって、前記パッケージ内には、前記パッケージの下方部に設けられた外気取込口と、前記パッケージの天井部に設けられた連通部と、から構成される空気流通路が設けられており、前記パッケージ内の前記外気取込口近傍には放熱器が設けられるとともに、前記連通部近傍には換気ファンが設けられており、燃料改質器の燃焼排ガスおよび／または燃料電池本体から排出される空気であるプロセス排気を前記放熱器に供給し、プロセス排気の熱をパッケージ内で放熱させるとともに、前記換気ファンにて前記パッケージ内の空気を換気することを特徴とする。

この構成によれば、プロセス排気の熱を放熱器にてパッケージ内で放熱させるので、凍結防止用ヒータ等の発熱器が不要でエネルギー消費を抑制できると共に、パッケージ外から専用の凍結防止用配管で温水を導入することなくパッケージ内の冷却水系機器の凍結を防止できるので設備コストを低減することができる。

また本発明の燃料電池発電装置は、燃料ガスを水蒸気改質する燃料改質系機器と、水蒸気改質された燃料ガスと空気との電気化学反応に基づいて電気および熱エネルギーを発生する燃料電池本体と、燃料電池本体を冷却する冷却水系機器と、装置内で発生した熱を外部に熱交換するための熱交換器と、をパッケージ内に収納してなる燃料電池発電装置であって、前記パッケージ内には、前記パッケージの下方部に設けられた外気取込口と、前記パッケージの天井部に設けられた連通部と、から構成される空気流通路が設けられており、前記パッケージ内の前記外気取込口近傍には放熱器が設けられるとともに、前記連通部近傍には前記パッケージ内の空気を換気する換気ファンが設けられており、燃料改質器の燃焼排ガスおよび／または燃料電池本体から排出される空気であるプロセス排気を前記放熱器に供給すると共に当該放熱器から排出されるプロセス排気をパッケージ外へ導く排気配管と、前記放熱器による放熱が不要な時に前記プロセス排気の流路を、前記放熱器をバイパスするように切り替えるバイパス手段と、を具備したことを特徴とする。

この構成により、放熱器による放熱が不要な時にプロセス排気の流路を、放熱器をバイパスするように切り替えるので、パッケージ内の温度を常に適切な温度に維持することができる。

本発明によれば、凍結防止用ヒータ等の発熱器によるエネルギー消費が無く、しかもパッケージ外から専用の凍結防止用配管で温水を導入することなく、パッケージ内の凍結を防止でき、凍結防止に要する運転コストの抑制を図ると共に温水を循環させる凍結防止用配管が不要で設備コストを低減することができる。

以下、本発明の実施の形態の燃料電池発電装置について添付図面を参照して詳細に説明する。

図１は本発明の一実施の形態に係る燃料電池発電装置の概略的な構成図である。
本実施の形態の燃料電池発電装置は、パッケージ１内に燃料電池本体、燃料改質系機器等が収納されている。パッケージ１の下方部側壁には外気取込口２が設けられている。パッケージ１の天井部にはパッケージ内雰囲気を外部へ排出するための連通部３が形成されていて、当該連通部３に換気ファン４が設置されている。パッケージ１下方部の外気取込口２からパッケージ１内に取り込んだ空気が、パッケージ１天井部の連通部３からパッケージ外へ吹き抜ける空気通流路が形成されるように構成されている。

パッケージ１には、パッケージ内の排熱を回収する排熱回収装置５が設置されている。排熱回収装置５から排出されるプロセス排気は排気配管６を経由してパッケージ外へ導かれる。本実施の形態は、排気配管６の途中に放熱器７を接続し、当該放熱器７を外気取込口２の近傍に配置している。放熱器７は、排熱回収装置５から排出されるプロセス排気が排気配管６経由で供給され、当該プロセス排気の熱を放熱する機能を備える。すなわち、本実施の形態は、排熱回収装置５から排出されるプロセス排気の熱を、放熱器７を用いてパッケージ１内で放熱して凍結防止に利用するように構成されている。

図３は本実施の形態に係る燃料電池発電装置の系統図であり、パッケージ内の構成が示されている。燃料電池本体１１は、燃料極１２及び空気極１３からなる複数の単位セルと、当該単位セルを複数個重ねる毎に配設される冷却管を有する冷却板１４とから構成される。燃料電池本体１１の前段に、燃料改質系機器としての燃料改質器１５及びＣＯ変成器１６が設けられている。

燃料改質器１５のバーナへは、燃焼空気供給用のブロア２２が接続されている。燃料改質器１５は、原燃料供給系１７を経て供給される天然ガスなどの原燃料を、水素に富むガスに改質した改質ガスを生成する。燃料改質器１５では、水蒸気分離器１８で分離され水蒸気供給系１９を経て水蒸気が供給されると共に、改質触媒下にてバーナでのオフガス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１５で生成された改質ガスは、ＣＯ変成器１６を有する改質ガス供給系２０を経由して燃料電池本体１１の燃料極１２に供給される。一方、燃料極１２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２１を経て燃料改質器１５のバーナに燃料として供給される。燃料改質器１５から出た燃焼排ガスは、燃焼排ガス系２３により水回収用凝縮器２４へと送られる。オフガス供給系２１及び燃焼排ガス系２３には熱交換器５０が設けられている。熱交換器５０はブロア２２で導入される空気の熱交換も行っている。

燃料電池本体１１には、空気極１３に空気を供給する反応空気ブロア２５を備えた空気供給系２６と、電池反応後の空気を水回収用凝縮器２４へ供給する空気排出系２７とが接続されている。

燃料電池本体１１の冷却板１４の冷却管には、燃料電池本体１１の発電時に冷却水を循環するため冷却水循環系２８が接続されている。冷却水循環系２８は、水蒸気分離器１８、冷却水循環ポンプ２９および熱交換器３０を備えている。水蒸気分離器１８では、燃料電池本体１１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、燃料改質器１５に向かう原燃料と混入するように、水蒸気供給系１９を経て送出される。その際、元圧の低い原燃料と水蒸気とを混合するためにエジェクタ３１を使用している。このエジェクタ３１は、蒸気を駆動流体とすると共に、原燃料を被駆動流体としている。原燃料供給系１７は、脱硫器３２を備えている。

水回収用凝縮器２４には、上記した通り、燃焼排ガス系２３及び空気排出系２７がそれぞれ接続されており、凝縮された水がタンク３３下部に回収される。一方、タンク３３上部にプロセス排気をパッケージ外へ排出するための排気配管６の一端部が接続されている。排気配管６は水回収用凝縮器２４から放出されるプロセス排気をパッケージ外へ排出するように配管されている。本実施の形態では、放熱器７の放熱でパッケージ内の冷却水系機器を効果的に加熱できる場所として図１に示すように外気取込口２に近接した位置を選択している。

また、タンク３３下部から回収水が補給水ポンプ３４によって取り出される。タンク３３下部から取り出された回収水は、水処理装置３５に導入されて純水化される。回収水を純水化して得た水は、給水ポンプ３６により水蒸気分離器１８へ還流供給される。

また、水回収用凝縮器２４のタンク３３下部から排熱低温水吐出ポンプ３７により低温水をパッケージ外へ吐出している。パッケージ外へ取り出された低温水は、図示されていない空冷式冷却器へ導かれ、空冷式冷却器にて排熱処理がなされる。排熱処理された冷却水は、再びパッケージ内の水回収用凝縮器２４に戻される。

また、熱交換器３０からパッケージ外へ高温冷却水を吐出し、図示されていない排熱高温水熱交換装置にて熱交換し、さらに高温側空冷式冷却器を有する排熱処理装置へと高温冷却水を流入させる。高温側空冷式冷却器にて排熱処理がなされた高温水を再びパッケージ内に取り込み、熱交換器３０へと戻して熱交換に供されるようにしている。

図１に示す排熱回収装置５は、図３の系統図において燃料電池本体１１、燃料改質器１５、ＣＯ変成器１６等から排熱を回収するために冷却水を通流させる各設備（例えば、水回収用凝縮器２４、ポンプ２９、３４、３６、３７及びそれらを連結する配管）で構成される。

次に、以上のように構成された燃料電池発電装置における凍結防止動作について説明する。発電装置運転中は、パッケージ外部から原燃料が脱硫器３２を介して燃料改質器１５へ供給されると共に、パッケージ外部からブロア２２，２５で取り込まれた空気が燃料改質器１５のバーナ及び燃料電池本体１１の空気極１３へ供給される。また、水回収用凝縮器２４のタンク３３から燃料電池本体１１の冷却水循環系２８に冷却水が供給され、冷却水循環ポンプ２９により冷却水循環系２８経由で燃料電池本体１１に冷却水が循環される。また、ＣＯ変成器１６には冷却水循環系２８から分岐した分岐配管３８にて冷却水が循環される。冷却水循環系２８を循環する高温冷却水は熱交換器３０で熱交換される。一方、水回収用凝縮器２４ではタンク３３に蓄積した回収水がポンプ３７により取り出され、パッケージ外に設置した空冷式冷却器で冷却した後、再びパッケージ内の水回収用凝縮器２４に戻される。

水回収用凝縮器２４に対しては、燃料電池本体１１の空気極１３から空気排出系２７を介して排空気が流入すると共に、燃料改質器１５から燃焼排ガス系２３を経由して燃焼排ガスが流入する。水回収用凝縮器２４において燃料電池本体１１の排空気及び燃料改質器１５の燃焼排ガス中の水を回収してタンク３３へ蓄積する。このとき、水回収用凝縮器２４で発生したプロセス排気は排気配管６から放熱器７を経由してパッケージ外へ排出される。

放熱器７は、水回収用凝縮器２４から供給されるプロセス排気の熱エネルギーを放熱し、熱エネルギーを放出したプロセス排気をパッケージ外へ放出している。このとき、放熱器７がパッケージ下部の外気取込口２近傍に設置されていて、パッケージ天井部で換気ファン４が回転して排気しているので、放熱器７がパッケージ内部において放熱した熱はパッケージ下部の外気取込口２付近からパッケージ天井部の連通部３に掛けて形成された空気流路に沿って移動する。これにより、放熱器７で放熱された熱はパッケージ内を広い範囲で拡散し、パッケージ内に分散配置されている凍結防止対象の冷却水系機器（例えば、補給水ポンプ３４、水処理装置３５、給水ポンプ３６、排熱低温水吐出ポンプ３７、水回収用凝縮器２４とパッケージ外の空冷式冷却器とを連結する配管）をそれぞれ加熱する。

このように本実施の形態によれば、パッケージ内に配置された排熱回収装置５のプロセス排気をそのまま破棄せずに、パッケージ内で放熱器７により放熱して凍結防止対象の冷却水系機器（補給水ポンプ３４、水処理装置３５、給水ポンプ３６、排熱低温水吐出ポンプ３７、水回収用凝縮器２４とパッケージ外の空冷式冷却器とを連結する配管）をそれぞれ加熱するようにしたので、凍結防止のためのヒータ等の発熱器によるエネルギー消費が無く、しかもパッケージ外から凍結防止用に温水を導入する専用の凍結防止用配管を設置する必要がなくなり、エネルギー消費の抑制及び構成の簡素化を同時に実現することができる。

また本実施の形態によれば、放熱器７をパッケージ下部の外気取込口２近傍に設置してパッケージ天井部からパッケージ内雰囲気を排出する構成としたので、放熱器７で放熱された熱をパッケージ内の広い範囲に拡散でき、凍結防止対象の冷却水系機器が分散配置されている場合であっても確実に凍結防止することができる。

以上の説明では、発電装置運転中は放熱器７で常にプロセス排気をパッケージ内に放熱しているが、凍結防止が必要な時に限定して放熱させるように構成しても良い。

図２は冷却水系機器の凍結防止が必要な時に限定して放熱できるように構成した燃料電池発電装置の概略的な構成図である。図１に示す燃料電池発電装置と同一部分には同一符号を付している。

排気配管６は、排熱回収装置５から放熱器７入側までの入側配管６ａと、放熱器７出側から連通部３までの出側配管６ｂとで構成される。本変形例では、プロセス排気の流路を、放熱器７の上流側で、入側配管６ａから出側配管６ｂへバイパスできるように構成している。図２では入側配管６ａの途中から出側配管６ｂの途中へバイパスするためのバイパス配管４０を接続し、入側配管６ａとバイパス配管４０の連結部に切替器４１を設けている。切替器４１の第１の状態ではバイパス配管４０側を閉じて放熱器７側へプロセス排気を導き、切替器４１の第２の状態では入側配管６ａの放熱器７側を閉じてバイパス配管４０側へ導くように開閉弁が制御される。

また、パッケージ外には外気取込口２近傍に温度計測器４２を設置している。切替器４１は、温度計測器４２から外気温度を取り込んで監視し、冷却水系機器の凍結防止が必要な外気温度になった時に第１の状態に切り替えてプロセス排気の熱をパッケージ内で放熱させる。また、外気温度が凍結防止が不要な温度のときは第２の状態に切り替えて、プロセス排気が放熱器７をバイパスしてパッケージ外へ放出されるように制御する。

このように、パッケージ内に設置された冷却水系機器の凍結防止が必要な外気温度の時に限定してプロセス排気をパッケージ内で放熱させることにより、パッケージ内の温度を常に適切な温度に維持することができる。
尚、上記の実施の形態では、水回収用凝縮器２４から排出される燃料改質器の燃焼排ガスと燃料電池本体からの排空気の両方のプロセス排気を放熱器７に導くよう構成されているが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば各プロセス排気が別々の排熱回収装置を経由する場合は、何れかのプロセス排気のみを放熱器７に導く構成としてもよい。さらに、切替器４１は入側配管６ａとバイパス配管４０を切り替える以外に、流量配分を制御する構成としてもよい。

本発明は、発電装置運転中にパッケージ内に設置された冷却水系機器の凍結防止が必要な燃料電池発電装置に適用可能である。

本発明の一実施の形態に係る燃料電池発電装置の概略的な構成図上記一実施の形態の変形例に係る燃料電池発電装置の概略的な構成図上記一実施の形態及び変形例に係る燃料電池発電装置の系統図従来の燃料電池発電装置の系統図

符号の説明

１…パッケージ、２…外気取込口、３…連通部、４…換気ファン、５…排熱回収装置、６…排気配管、６ａ…入側配管、６ｂ…出側配管、７…放熱器、１１…燃料電池本体、１２…燃料極、１３…空気極、１４…冷却板、１５…燃料改質器、１６…ＣＯ変成器、１７…原燃料供給系、１８…水蒸気分離器、１９…水蒸気供給系、２０…改質ガス供給系、２１…オフガス供給系、２３…燃焼排ガス系、２４…水回収用凝縮器、２５…反応空気ブロア、２６…空気供給系、２７…空気排出系、２８…冷却水循環系、２９…冷却水循環ポンプ、３０…熱交換器、３１…エジェクタ、３２…脱硫器、３３…タンク、３４…補給水ポンプ、３５…水処理装置、３６…給水ポンプ、３７…排熱低温水吐出ポンプ、３８…分岐配管、４０…バイパス配管、４１…切替器、４２…温度計測器、５０…熱交換器

Claims

燃料ガスを水蒸気改質する燃料改質系機器と、水蒸気改質された燃料ガスと空気との電気化学反応に基づいて電気および熱エネルギーを発生する燃料電池本体と、燃料電池本体を冷却する冷却水系機器と、装置内で発生した熱を外部に熱交換するための熱交換器と、をパッケージ内に収納してなる燃料電池発電装置であって、
前記パッケージ内には、前記パッケージの下方部に設けられた外気取込口と、前記パッケージの天井部に設けられた連通部と、から構成される空気流通路が設けられており、
前記パッケージ内の前記外気取込口近傍には放熱器が設けられるとともに、前記連通部近傍には換気ファンが設けられており、
燃料改質器の燃焼排ガスおよび／または燃料電池本体から排出される空気であるプロセス排気を前記放熱器に供給し、プロセス排気の熱をパッケージ内で放熱させるとともに、前記換気ファンにて前記パッケージ内の空気を換気することを特徴とする燃料電池発電装置。
燃料ガスを水蒸気改質する燃料改質系機器と、水蒸気改質された燃料ガスと空気との電気化学反応に基づいて電気および熱エネルギーを発生する燃料電池本体と、燃料電池本体を冷却する冷却水系機器と、装置内で発生した熱を外部に熱交換するための熱交換器と、をパッケージ内に収納してなる燃料電池発電装置であって、
前記パッケージ内には、前記パッケージの下方部に設けられた外気取込口と、前記パッケージの天井部に設けられた連通部と、から構成される空気流通路が設けられており、
前記パッケージ内の前記外気取込口近傍には放熱器が設けられるとともに、前記連通部近傍には前記パッケージ内の空気を換気する換気ファンが設けられており、
燃料改質器の燃焼排ガスおよび／または燃料電池本体から排出される空気であるプロセス排気を前記放熱器に供給すると共に当該放熱器から排出されるプロセス排気をパッケージ外へ導く排気配管と、前記放熱器による放熱が不要な時に前記プロセス排気の流路を、前記放熱器をバイパスするように切り替えるバイパス手段と、
を具備したことを特徴とする燃料電池発電装置。