JP5593948B2

JP5593948B2 - 燃料電池発電装置

Info

Publication number: JP5593948B2
Application number: JP2010180461A
Authority: JP
Inventors: 邦幸高橋; 正小松
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2010-08-11
Filing date: 2010-08-11
Publication date: 2014-09-24
Anticipated expiration: 2030-08-11
Also published as: JP2012038688A

Description

本発明は、発電運転に伴って生じる排ガス中の水分を凝縮させて回収する燃料電池発電装置に関する。

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、リン酸形燃料電池や固体高分子形燃料電池を用いた燃料電池発電装置は、改質装置で炭化水素系原燃料を水蒸気で水素を主成分とする燃料ガスに改質し、燃料電池本体で燃料ガスと酸化剤ガス（反応空気）との電気化学的反応に基づいて電気を発生する。

そして、原燃料の改質に用いる水蒸気は、燃料電池の空気極から反応後に排出される空気極排ガスや、改質装置の燃焼部から排出される燃焼排ガスを冷却することにより、排ガス中に含まれる水分を凝縮し、これを回収して再利用される。この水回収を行なわず、市水などをイオン交換樹脂で精製して供給することも可能であるが、その場合、イオン交換樹脂に要する費用により、燃料電池発電装置の経済性が損なわれる。

特許文献１には、固体高分子形燃料電池発電システムが、特許文献２には、リン酸形燃料電池発電システムが記載されている。いずれも、燃料電池本体から排出された空気極排ガスと改質器から排出された燃焼排ガスを、排ガス冷却器に導入し、冷却して含有水分を回収する構成となっている。

排ガス冷却器は、燃焼ガスの顕熱および水回収に伴う水の潜熱を除去するため冷却が必要であり、冷却した回収水を排ガス冷却器に循環させ排ガスの冷却に供している。
特許文献１には、この回収水の冷却に伴って発生する排熱を回収して暖房用に有効利用することが記載されている。
また、特許文献３には、燃料電池発電装置の排熱を有効利用するために、吸収式ヒートポンプと組み合わせた構成が記載されており、燃料電池本体の冷却水の熱と排ガスの熱とを各々吸収式ヒートポンプの再生器にて回収する構成が記載されている。

図５に特許文献１に記載された固体高分子形燃料電池発電装置を示す。
１は燃料電池本体である。1aは燃料極、1bは空気極、1cは電池冷却水が通過する冷却板であり、これらが複数枚積層され燃料電池本体１を構成している。発電時には、燃料極1aに水素を主成分とする改質ガスが、空気極1bに反応空気ブロワ７から空気が供給され、直流電力と共に熱を発生する。燃料極1aに供給される改質ガスは、原燃料(都市ガス等の炭化水素系気体、灯油、軽油等の炭化水素系液体等)を脱硫器２により脱硫した後、改質用水ポンプ１５にて送出され水処理装置１４により純化された改質用水と合流し、改質器３にて水蒸気改質反応して得られる。さらに後段のCO変成器４、CO除去器５により、改質ガスの一酸化炭素の濃度レベルを10ppm以下に低減して燃料極1aに供給し、燃料電池本体１の発電に伴い水素の一部が消費される。燃料極1aにて消費されなかった残余の水素は改質器３のバーナ部にて燃焼し改質反応の熱源となる。
改質器３の燃焼排ガスと燃料電池本体１の空気極1bを通過した空気は、排ガス冷却器１０により冷却されて凝縮水を生成し、凝縮水は回収水として回収される。
回収水は、回収水温度検出器１３に基づき、回収水冷却器１１のファンと回収水循環ポンプ１２とを駆動し、回収水冷却器１１で大気と熱交換することにより冷却されたのち、排ガス冷却器１０の上部から散水して排ガスの冷却に用いられる。凝縮水が回収された後の燃焼排ガスおよび空気は、排気配管２２を経由して燃料電池発電装置の筐体２５の外に排気される。

燃料電池本体１の排熱は、電池冷却水ポンプ８および電池冷却水冷却器９の電池冷却水系機器を介して、温水循環ポンプ２０により送出される温水により、貯湯槽２１に蓄熱される。

特開2004-103487 特開2010-45012 特開2000-48843

上述のように、大気による空冷式の回収水冷却器では、大気温度が高い季節には、回収水と大気との温度差が小さくなり、十分に回収水の温度を下げることができず、従って、回収水による排ガス中の水分の凝縮が十分に行うことができないという課題があった。
排ガスの冷却により、改質用水として使用する水の量以上の凝縮水を回収して、外部からの補給水なしで運転 (以下、水自立ともいう) 可能にするためには、排ガスの冷却に用いる回収水の流量と、その温度が重要である。発電出力50kWの燃料電池の排ガス冷却器での排ガスの除熱線図である図6を用いて説明する。空気極排ガスと燃焼排ガスの混合ガスの温度変化は線ａで示されるように、185℃で排ガス冷却器に入り、顕熱を除去され露点(A点)まで温度が下がる。露点（Ａ点）からは排ガス中に含まれる水分が凝縮する潜熱により、除熱に対する温度低下が小さくなる。回収水量は除熱量に比例して得られ、回収水自立点(B点)が、改質用水として必要な量と回収水量とがバランスする点であり、排ガス冷却器では自立点(B点)以上の除熱が必要である。

自立点(B点)での排ガス温度は47℃であるので、回収水冷却器の出口温度は、排ガス冷却器での熱交換温度を3℃とすれば、44℃以下にする必要がある。
図６において、排ガス冷却器と回収水冷却器とを循環する回収水の温度変化は線ｂで表され、回収水は、C点(42℃) で回収水冷却器を出て排ガス冷却器に戻り、排ガスとの熱交換により70℃まで上昇する。尚、水の比熱は、ほぼ一定なので傾きは水量を示す。回収水の除熱線ｂは、排ガス除熱線ａと交差することはできないので、水量を少なくするほど、点線ｃに示すように排ガス冷却器に戻る回収水温を下げる必要がある。

回収水冷却器出口温度を42℃(C点)とし、回収水冷却器の入口と出口の温度差を5℃で設計した場合、大気温度が37℃以上では水自立ができなくなる。水自立ができず、市水からの補給水が燃料電池発電装置に入ると水処理装置の負荷になるばかりでなく、補給水に含まれるシリカなどに対応できる水処理装置を設置する必要が生じる。

一方、特許文献３には、排ガス（空気極排ガスと燃焼排ガス）の熱を吸収式ヒートポンプの蒸発器に与える構成が記載されているが、燃料電池発電装置が水自立できる温度まで排ガスを冷却できるものではなかった。

上記課題を解決するために、本願発明は、水と原燃料とから水素を主成分とする改質ガスを生成する改質反応を行う改質器と、前記改質ガスが導入される燃料極と空気が導入される空気極とを備えた燃料電池本体と、前記空気極から排出される空気極排ガスおよび前記改質器の燃焼部から排出される燃焼排ガスの少なくとも何れかを含む排ガスを冷却し、冷却により生成した凝縮水を回収する排ガス冷却器とを備え、前記凝縮水を前記改質器に供給して改質反応に利用する燃料電池発電装置において、冷媒を加温して蒸発させる冷媒蒸発器、前記冷媒蒸発器を通過した冷媒を圧縮する圧縮機、前記圧縮機で圧縮された冷媒の熱を被加熱水に伝熱する冷媒凝縮器、及び前記冷媒凝縮器を通過した冷媒を減圧して温度を下げる膨張弁を冷媒循環経路に備える圧縮式ヒートポンプを設け、前記排ガス冷却器により回収した前記排ガスの熱を前記冷媒蒸発器において前記冷媒に与える構成とした。

また、前記冷媒蒸発器が前記排ガス冷却器内に設けられ、前記排ガスと前記冷媒とを熱交換するものとした。
また、前記排ガス冷却器が、前記凝縮水の貯留部と、該貯留部よりも上方に設けられた散水部とを有し、前記散水部から散水される凝縮水と前記排ガスとを熱交換させるものであり、前記冷媒蒸発器が、前記貯留部と前記散水部とを接続する配管経路に設けられ、前記配管経路を通流する凝縮水と前記冷媒とを熱交換させるものであり、前記配管経路の貯留部側から前記散水部側へと凝縮水を送水するポンプを備えるものとした。

さらに、前記ヒートポンプの冷媒の循環経路の冷媒凝縮器と膨張弁との間に、前記冷媒を冷却する冷却器を設けることとした。
またさらには、燃料電池本体の反応熱を回収した温水を貯湯槽に供給する温水流路を備え、前記温水を前記ヒートポンプの冷媒凝縮器の被加熱媒体とするものとした。

上述の構成により、外気温度に関係なく、回収水の冷却を設定温度まで冷却することが可能となり、これにより、排ガスを燃料電池発電装置が水自立できる温度まで冷却することができ、水道水等による補給水が不要となるため、水処理装置の負荷を小さくすることができる。

またヒートポンプにより回収した排ガスの熱は、より高温の温水として取り出して有効利用することができる。
さらに、排ガスの熱を回収したヒートポンプの冷媒は、圧縮機で高温になるので、温水利用が少なく、かつ、外気温が高い場合でも、冷媒の熱を大気に捨てることができる。

本発明の第１の実施例に係る燃料電池発電装置の構成図。本発明の第２の実施例に係る燃料電池発電装置の回収水冷却装置の構成図。本発明の第３の実施例に係る燃料電池発電装置の回収水冷却装置の構成図。本発明の第４の実施例に係る燃料電池発電装置の回収水冷却装置の構成図。従来の燃料電池発電装置の構成図。排ガス冷却器における排ガスの除熱線図。

本発明の燃料電池発電装置の実施例について、図５に示す従来技術と同一の構成については、同一符号を付して説明を省略し、本発明の特徴部分である空気極排ガスおよび改質器の燃焼排ガス(以下、排ガスという)を冷却するための構成を中心に説明する。本発明の燃料電池発電装置は、排ガスの熱を回収して外部に供給する圧縮式ヒートポンプを備える。

図１は、本発明の第１の実施例に係る燃料電池発電装置の構成図である。
図１に示すように、本発明の燃料電池発電装置は、排ガスの熱を回収する圧縮式ヒートポンプ３０を備えている。圧縮式ヒートポンプ３０は、冷媒が循環流通する配管からなる冷媒循環経路３１に、冷媒蒸発器３２、圧縮機３３、冷媒凝縮器３４、および膨張弁３５から構成されている。また排ガス冷却器に接続された排気配管２２には、温度センサ３６が備えられている。

冷媒循環経路３１を流れる冷媒としては、臨界温度が高く、地球温暖化係数が低く、オゾン破壊係数の低いものが好ましく用いられる。このような媒体としては、Ｒ２４５ｆａ、ハイドロフルオロエーテル系媒体、自然媒体であるペンタン等を好ましく用いることができる。

本実施形態においては、冷媒蒸発器３２は、排ガス冷却器１０の気相部に配置され、排ガスと冷媒蒸発器３２を流通する冷媒とが熱交換するよう構成されている。本実施例の冷媒蒸発器３２はフィン付のチューブ内に冷媒を流通させ、フィンに排ガスを接触させる構造のものを用いることができる。

冷媒は、冷媒蒸発器３２において排ガスの熱を受け取って昇温されたのち、圧縮機３３にて所定の圧力まで圧縮されて高温高圧媒体となる。この高温高圧媒体は、冷媒凝縮器３４において、外部から供給される被加熱水により冷却され、次に、膨張弁３５にて所定の圧力まで膨張して温度を下げ、冷媒蒸発器３２に再び流入して排ガスの熱回収に用いられる。また、冷媒凝縮器３４で温水となった被加熱水は、外部の温水利用に供される。

排ガスが冷却された後の排気温度は、排気配管２２に設けられた温度センサ３７により計測され、この排気温度計測値は制御装置３８に入力される。制御装置３８は、排気温度計測値と予め設定された排気温度設定値とを比較し、温度センサ３６の計測値が排気温度設定値よりも大きい場合は圧縮機３３の回転数を増加させ、温度センサ３６の計測値が排気温度設定値よりも小さい場合は、圧縮機３３の回転数を減少させる制御を行う。

また、上記の排気温度設定値は、本発明が適用される燃料電池発電装置が水自立可能となる排気温度以下に設定する。本実施形態の燃料電池発電装置では、水自立が可能な排気温度４７℃に対して排気温度設定値を４５℃に設定した。

さらに、排気温度設定値４５℃となるように膨張弁３５を制御する。

図２に、本発明の第２の実施例に係る燃料電池発電装置の排ガス冷却器１０およびヒートポンプ４０の構成図を示す。
本実施例では、図５の従来技術と同様に、排ガス冷却器１０の下部から回収水を回収水ポンプ１２により回収水循環経路２３中を通流させ、排ガス冷却器１０の上部から散水して、排ガスと直接接触させることにより、排ガスを冷却している。

さらに、回収水循環経路２３上に、ヒートポンプ４０の冷媒蒸発器４２が配置されており、回収水循環経路２３を流れる回収水と冷媒とが熱交換する構成となっている。本実施例の冷媒蒸発器４２には、プレート式熱交換器を用いることができる。

排ガス冷却器１０における排ガスとの直接接触により排ガスの熱を得た回収水と冷媒とは、冷媒蒸発器４２で熱交換して冷媒に熱を与える。昇温された冷媒は、実施例１と同様に、圧縮機４３にて所定の圧力まで圧縮され、冷媒凝縮器４４において、外部から供給される被加熱水に熱を与えて冷却され、次に、膨張弁４５で断熱膨張により温度を下げたのち冷媒蒸発器４２へと戻る。

本実施例においては、実施例１において、排気配管２２に設けた温度センサ３７に代えて、回収水循環経路２３の冷媒蒸発器４２の出口側に温度センサ４３を設け、温度センサ４３の計測値に基づいて圧縮機４３および膨張弁４５の制御を行った。

実施例１と同様に排ガスの排気温度を４５℃とするため、回収水の冷媒蒸発器４２の出口温度設定値を４２℃とし、温度センサ４３の計測値が設定値（４２℃）となるように、圧縮機４３および膨張弁４５を制御した。

図３は、本発明の第３の燃料電池発電装置の排ガス冷却器１０およびヒートポンプ５０の構成図を示す。本実施例において、第２の実施例と相違する点は、冷媒循環経路４１の冷媒凝縮器４４の出口側と膨張弁４５の入口側との間に、温度センサ５１および冷媒冷却器５２を備える点である。

冷媒冷却器５２は、冷媒凝縮器４４における温水の取り出し需要が少ない場合に、余剰となる熱を大気に排熱する。冷媒凝縮器４４と冷媒冷却器５２との間に設けられた温度センサ５１により計測された冷媒の計測値は制御装置４８に入力され、予め設定された冷媒凝縮器出口温度設定値と比較して、設定値よりも高い場合は冷媒冷却器５２を稼動し、温度センサ５１の計測値が設定値となるように冷媒冷却器５２の駆動を制御する。

図４は、本発明の第４の燃料電池発電装置の排ガス冷却器１０およびヒートポンプ５０の構成図を示す。
本実施例においては、温水循環ポンプ２０により電池冷却水冷却器から貯湯槽２１へと送られる温水流通経路上に冷媒凝縮器４４を配置し、ヒートポンプ６０で回収した回収水の熱を貯湯槽２１内に蓄熱して、温水利用に供する。また、本実施例の構成においては、回収した熱が余剰の場合は、従来（図５）から備えている温水温度センサ１９の計測値に基づいて駆動が制御される温水冷却器１８により温水の放熱を行い所定の温度にした上で、電池冷却水冷却器へと送られる。

本実施例では、実施例３の冷媒冷却器５２を省略して、温水冷却器１８がその機能を兼ねる。また、回収水から回収した熱と、電池冷却水から回収した熱とを一つの貯湯槽から供給することができ、装置構成を簡略化することができる。

１燃料電池本体
３改質器
９電池冷却水冷却器
１０排ガス冷却器
１１回収水冷却器
１２回収水循環ポンプ
１５回収水ポンプ
１８温水冷却器
１９温水温度センサ
２０温水循環ポンプ
２１貯湯槽
２２排気配管
２３回収水循環経路
３０、４０，５０，６０圧縮式ヒートポンプ
３１、４１冷媒循環経路
３２、４２冷媒蒸発器
３３、４３圧縮機
３４、４４冷媒凝縮器
３５、４５膨張弁
３６、４６、５１温度センサ
３８、４８制御装置
５２冷媒冷却器

Claims

水と原燃料とから水素を主成分とする改質ガスを生成する改質反応を行う改質器と、
前記改質ガスが導入される燃料極と空気が導入される空気極とを備えた燃料電池本体と、
前記空気極から排出される空気極排ガスおよび前記改質器の燃焼部から排出される燃焼排ガスの少なくとも何れかを含む排ガスを冷却し、冷却により生成した凝縮水を回収する排ガス冷却器とを備え、前記凝縮水を前記改質器に供給して改質反応に利用する燃料電池発電装置において、
冷媒循環経路に、冷媒を加温して蒸発させる冷媒蒸発器、前記冷媒蒸発器を通過した冷媒を圧縮する圧縮機、
前記圧縮機で圧縮された冷媒の熱を被加熱水に伝熱する冷媒凝縮器、
及び前記冷媒凝縮器を通過した冷媒を減圧して温度を下げる膨張弁を有する圧縮式ヒートポンプを備え、
前記排ガス冷却器が、前記凝縮水の貯留部と、該貯留部よりも上方に設けられた散水部とを有し、前記散水部から散水される凝縮水と前記排ガスとを熱交換させるものであり、
前記冷媒蒸発器が、前記貯留部と前記散水部とを接続する配管経路に設けられ、前記配管経路を通流する凝縮水と前記冷媒とを熱交換させるものであり、
前記配管経路の貯留部側から前記散水部側へと凝縮水を送水するポンプを備えたことを特徴とする燃料電池発電装置。
冷却後の前記排ガスの流路に温度検出手段を備え、
前記温度検出手段により検出される排ガスの温度が設定値以下となるように、前記ヒートポンプの出力制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
前記冷媒蒸発器と前記散水部との間の前記配管経路に温度検出手段を備え、
前記温度検出手段により検出される凝縮水の温度が設定値以下となるように前記ヒートポンプの出力制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
前記ヒートポンプの冷媒の循環経路の冷媒凝縮器と膨張弁との間に、前記冷媒を冷却する冷却器を設けたことを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の燃料電池発電装置。