JPH0260060A - 排熱エネルギ回収装置付きの燃料電池システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、燃料電池システムの運転制御方法において、
燃料電池本体および改質器燃焼部がら排出される高温度
レベルの排熱を有効に利用することにより、高効率で付
加価値の高い燃料電池システムを構築するようにした排
熱エネルギ回収装置付きの燃料電池システムに関する。

〔従来の技術〕

従来の燃料電池システムの例を第２図及び第３図により
説明する。

第２図は、従来の燃料電池システムの系統図で。

太い実線矢印は天然ガスおよび反応ガスの径路、−点鎖
線矢印は空気の径路、二点鎖線矢印は排ガスの径路、破
線矢印は水蒸気の径路、細い実線矢印は冷却水の径路を
示している０図において、１は燃料電池本体で、水素極
１ａ、酸素極１ｂ、および電池冷却装置ｉ１ｃから構成
されている。２は天然ガス等の燃料を改質するための改
質器で、反応部２ａと燃焼部２ｂからなっている。３は
シフトコンバータ、４はエゼクタ（または混合器）、１
３は主燃料調節弁、１４は補助燃料調節弁である。これ
ら主燃料調節弁１３、エゼクタ４、改質器２、シフトコ
ンバータ３を接続し、燃料電池本体１の水素極１ａへ燃
料ガスを供給する配管系と、補助燃料調節弁１４を具備
して改質器２の燃焼部２ｂへ天然ガスを供給する配管系
とで燃料供給系が構成されている。

１２は、空気を供給するためのブロワで、カソード空気
調節弁１５を具備する配管が燃料電池本体１の酸素極１
ｂへ接続され、バーナ空気量調節弁１６を具備する配管
が改質器２の燃焼部２ｂへ接続されて、空気供給系が構
成されている。

５は水蒸気発生器、７は冷却水用熱交換器、１０は冷却
水ポンプで、これらを接続する冷却水配管が燃料電池本
体１の電池冷却装置１ｃに接続されて電池冷却水系のサ
イクルが構成されている。

８は排ガス用熱交換器で、燃料電池本体１の酸素極１ｂ
からの排空気および改質器２の燃焼部２ｂからの排ガス
を循環水等で熱交換しており、排ガス、水分回収系が構
成されている。９は、その回収された水を貯める水タン
ク、１１は、水を電池冷却水系に補給する給水ポンプで
ある。

６は、燃料電池本体１の出力側に設けたインバータであ
る。

このような構成の燃料電池システムの主要な作用を次に
説明する。

天然ガス等の材料は、太い実線で示すように、エゼクタ
４により水蒸気と混合され、改質器２の反応部２ａに供
給され、ここで水素を多量に含む。

いわゆる水素リッチガスに改質される。続いてシフトコ
ンバータ３に導かれ、ガス中の一酸化炭素が水と反応し
、二酸化炭素と水素に変換される。

シフトコンバータ３内でのこの反応は発熱反応であるた
め、次いで、熱交換器１８でガス温度を所定の温度に下
げたのち、燃料電池本体１の水素極１ａに導かれ、ここ
で約８０％〜８５％の水素が消費され、残り１５％〜２
０％の水素を含む水素極排ガスは改質器２の燃焼部２ｂ
に戻され、改質反応に必要な燃焼熱の一部に用いられる
。

空気は、ブロワ１２により昇圧され、−点鎖線の矢印で
示すように、燃料電池本体１の酸素極１ｂおよび改質器
２の燃焼部２ｂに供給される。

燃料電池本体１の酸素極１ｂからの排空気および改質器
２の燃焼部２ｂからの排ガスは、２点鎖線の矢印のよう
に合流して排ガス用熱交換器８に導かれ、循環水等によ
って排ガス中の水分が凝縮するまで冷却することにより
排熱回収および水分回収が行われる０回収された水分は
水タンク９に導かれ再利用される。

冷却水は、冷却水ポンプ１０により昇圧され、細い実線
矢印のように燃料電池本体１の電池冷却装置１ｃに供給
され、燃料電池本体１からの発生熱を奪ったのち、水蒸
気発生器５でフラッシュされる。ここで冷却水の一部は
水蒸気となり、水蒸気流量調節弁１７で流量を調節され
、破線矢印のようにエゼクタ４に導かれる。残りの冷却
水は、給水ポンプ１１から補給水と合流し、再び冷却水
ポンプ１０に導かれる。

この電池冷却水系で発生した余剰の熱は、冷却水用熱交
換器７により温水などの形で回収される。

１９は冷却水用熱交換器７で熱回収が行なわれない場合
に、電池冷却水系の温度を一定に保つように電池冷却水
入口温度指示調節器２０からの信号により作動するエア
フィンクーラである。

第３図、第４図はそれぞれ特開昭５９−１２３００号公
報に記載の排熱エネルギ回収装置を備えた燃料電池シス
テムの系統図である。燃料電池の発電に係る構成の説明
はここでは省略し、排熱エネルギ回収部分の説明を以下
に述べる。

３２は燃料電池の冷却ならびに低沸点媒体の蒸発を行う
ための蒸発器、３３は熱サイクルを構成するパイプ系で
あり、３４はガスタービン発電装置を示し、そのうち３
５はガスタービン、３７は減速器などの結合装置、３８
は交流発電機を示すが直流発電機の場合も有り得る。４
５は媒体の凝縮器であり、３６は冷却水を表わす。

以上の構成により運転される燃料電池システムにおいて
、電池反応により発生する排熱を蒸発器３２に集め、内
部を流れる低沸点媒体を蒸発し高圧気体化し、ガスター
ビン３５を駆動する。Ｎ動後のガス体は凝縮機４５によ
り冷却され、蒸発器３２に環流する熱サイクルを構成す
る。ガスタービン３５を駆動することにより、結合装置
３７を介して発電気３８を駆動し電気エネルギを得たり
（第３図）、あるいはターボ冷凍機４４を駆動しこのよ
うな従来の燃料電池システムにおいて。

前記第２図の冷却水用熱交換器７での熱回収が少量ある
いは全く無い場合を考える。

燃料電池本体１の電池冷却袋［１ｃの冷却水入口温度は
、電池の作動温度をほぼ一定に保つために常に一定温度
（約１７０℃）に保つ必要があるが、冷却水用熱交換器
７での熱回収が少量かあるいは全く無い場合には、電池
冷却装置ＩＣの冷却水入口温度が上昇してしまうため、
エアフィンクーラ１９により糸外に放熱して電池冷却水
入口温度を一定に保つよう制御されていた。

このように、上記第２図に示す従来技術の燃料電池シス
テムは、排熱需用が無い場合の熱出力の有効利用方法の
点について配慮がされておらず、熱エネルギを無駄に系
外に棄てている。

また、第３図及び第４図に示す排熱エネルギ回収装置に
おいては、燃料電池の排熱エネルギを全べて電気エネル
ギもしくは冷熱源（冷房用）としてしか利用できず、ホ
テル、病院、レストラン等に要求される暖房、給湯など
の熱源として使用できないとゆう問題がある。さらに、
燃料電池の冷却に低沸点媒体を使用しているため、燃料
供給系の改質反応に必要とされる水蒸気を発生されるた
めの装置が必要となる。

本発明の目的は、第１図に示した従来技術の無（電気、
暖房、給湯、冷熱源）に対応できるような排熱エネルギ
回収装置付きの燃料電池システム上記目的は、本発明に
係る燃料電池システムの構成を、燃料電池本体と、この
燃料電池本体しこ対する燃料供給系、空気供給系、電池
冷却水系、排ガス・水分回収系及び付属装置とからなる
従来の燃料電池システムに、前記電池冷却水系の冷却水
循環系内に設置されている水蒸気発生器の水蒸気ライン
に、水蒸気発生器から発生した水蒸気を前記燃料供給系
内に設置されている改質器の燃焼部から排出される排ガ
スにより加熱するための熱交換器と、同じく前記水蒸気
ラインに設置され、水蒸気の流量を前記電池冷却水入口
温度を一定に保つように制御する温度調節弁と、この調
節弁の後流にｉｎされ、水蒸気の保有するエネルギによ
り駆動するスチームタービンと、このスチームタービン
の運動（回転）エネルギを電気エネルギに変換する発電
機と、この発電機から出力される電気エネルギを蓄積す
るための充電器および蓄電池と、前記スチームタービン
の後流側に設置され、スチームから熱を奪いとり、水に
するための復水器とからなる、排熱エネルギ回収装置を
設けることにより達成される。

〔作用〕

水蒸気発生器内でフラッシュさせた冷却水は、飽和液と
飽和水蒸気が共存する、いわゆる湿り蒸気の状態にある
。液と水蒸気の割合は水蒸気発生器内の温度と圧力が与
えられると決まる。

しかし、湿り蒸気では蒸気圧曲線に示されるように温度
と圧力は独立ではないから、水蒸気発生器内の温度、す
なわち（冷却水用熱交換器での熱回収が無い場合には）
電池冷却水入口温度は、水蒸気の発生量により変化する
。

この原理を利用し、！池冷却水入口温度を水蒸気ライン
に設置した調節弁により、蒸気流量を変化させることに
より電池冷却水入口温度を調節することができる。すな
わち、冷却水用熱交換器での熱回収が少量かあるいは無
い場合に、電池冷却水入口温度は上昇しようとするが、
これをおさえるように前記調節弁を開いて水蒸気を余分
に発生させる０発生した水蒸気は、前述したように飽和
水蒸気であるため、水蒸気輸送途中で配管等からの放熱
損失があると、水が凝縮してしまう。

これを防止し、更に、改質器の燃焼部から排出される排
熱を回収するための熱交換器を設けて。

過熱水蒸気にした後、スチームタービンへ導く。

スチームタービン内では、水蒸気が断熱膨張し、水蒸気
の保有しているエネルギが運動（回転）エネルギに変換
され、スチームタービンに連らなる発電機を駆動する。

このようにして、電池本体の排熱および改質器燃焼部の
排熱は電気エネルギに変換される。変換されたエネルギ
は充電器により蓄電池内に蓄積される。

一方、断熱膨張した水蒸気は復水器で冷却されて凝縮し
、水となり水タンク内に戻され、電池冷却水として再利
用される。

〔実施例〕

以下１本発明の実施例を第１図および第５図を参照して
説明する。

第１図は、本発明の一実施例に係る燃料電池システムの
系統図、第５図は、第１図の充電器および？＃電池をＣ
ＶＣＦ　（無停電電源装置）に置き変えた場合の系統図
である。図中、先の第２図と同一符号のものは従来技術
と同等部分であるか−ら、その説明を省略する。また各
流体の径路を示す矢わ 印の種別もそれぞれ第２図にツヒている。

第１図において、２１は水蒸気発生器５から発生した水
蒸気ラインの途中に設置した熱交換器で改質器２の燃焼
部２ｂから排出された排ガスと熱交換を行うためのもの
である。２２は同じく水蒸気ラインに設置され、電池冷
却水入口温度指示調節計２０からの信号により水蒸気流
量を調節するための電池冷却水入口温度調節弁である。

２３は前記水蒸気により駆動するスチームタービン、２
５はスチームタービン２３に連らなり、スチームタービ
ン２３の運動（回転）エネルギを電気エネルギに変換し
て出力する発電機である。

また、２６．２７はそれぞれ発電機２５から出力された
電気エネルギを蓄積するための充電器および蓄電池であ
る。

２４はスチームタービン２３から排出された水蒸気を循
環水等により凝縮して水にし、水タンク１９へ戻すため
の復水器である。

次に、このような構成の排熱回収装置付きの燃料電池シ
ステムにおいて、冷却水用熱交換器７での熱回収が少量
かあるいは無い場合の作用を説明する。冷却水用熱交換
器７での熱回収が少量かあるいは無い場合、電池冷却水
入口温度が上昇する。

電池冷却水入口温度指示調節計２０の制御回路にあらか
じめ、制御目標値を設定しておき、測定値と設定値の偏
差を計算させ、この偏差をＯにするように電池冷却水入
口温度調節弁２２へ開度指令信号を送る。Ｗｉ池冷却水
入口温度指示調節計２０からの信号により、電池冷却水
入口温度調節弁２２の開度は増加し、水蒸気発生器５内
から発生する水蒸気量が増加する。同時に水蒸気発生器
５内の冷却水温度が下がる。この動作は、電池冷却水入
口温度が制御目標値に達するまで続けられる。

このようにして得られた水蒸気は、熱交換器２１で改質
器２の燃焼器２ｂからの排ガスにより加熱され過熱水蒸
気となってスチームタービン２３へ導かれる。スチーム
タービン２３内では水蒸気が断熱膨張し、水蒸気の保有
しているエネルギが運動（回転）エネルギに変換され、
スチームタービン２３に連結された発電機２５を駆動す
る。２６゜２７はそれぞれこのようにして出力された電
気エネルギを蓄積するための充電器および蓄電池である
。また、スチームタービン２３で断熱膨張した水蒸気は
復水器２４で冷却されて凝縮し水となり、水タンク９内
に戻され、電池冷却水として再利用される。

このようにして蓄電池２７内に蓄積された電気エネルギ
は、 （１）電力負荷が多い場合には補助電力として利用され
る、 （２）電力負荷急増時に、燃料供給系内および空気供給
系から燃料電池本体１の水素極１ａおよび酸素極１ｂへ
の供給遅れ時間内をバックアップすることによりシステ
ムの負荷応答性を向上するのに利用する。

このように利用すれば、従来、冷却水用熱交換器７での
熱回収が少量かあるいは無い場合にエアフィンクーラ１
９により無駄に系外へ棄てていた排熱を有効に活用する
ことができ、システム全体の効率向上を図ることができ
る。

第５図は、第１図における、充電器２６および蓄電池２
７の部分をＣＶＣＦに置き変えた場合の本発明の他の実
施例を示す図である。排熱回収の方法は第１図と同様で
あるのでここでは説明を省略する。

発電機２５の電気出力をＣＶＣＦ２８の充電に利用する
ことにより、燃料電池システムを無停電電源としても活
用することができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、例えば定格出力１１００ｋの燃料電池
シ・ステムで、冷却水用熱交換器で熱回収が無い場合に
ついて試算すると、約１５ｋｗの電気出力の回収ができ
る。

もし、冷却水用熱交換器での熱出力に対する利用率を７
割と仮定すると、年間では、 １５ｋｗＸ（１−０，７）Ｘ２４ＨｒＸ３６５日＝３９
，４２０ｋ　ｗ　ｈｋ　ｗ　ｈ当り、３２円とすると ３９．４２０ｋ　ｗ　ｈ　Ｘ　３２円／　ｋ　ｗ　ｈ　
”＝　１，２６０，０００円の節約となり、大きな経済
的メリットが得られることになる。

また、発生した電気出力を電力負荷が多い場合の補助電
力として利用したり、電力負荷急増時の負荷追従遅れ時
間内をバックアップするなどの利用により、付加価値の
高い燃料電池システムが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による排熱エネルギ回収装置付きの燃料
電池システムの一実施例を示す系統図、第２図は従来の
燃料電池システム系統図、第３図及び第４図はそれぞれ
従来の排熱エネルギ回収装置を備えた燃料電池システム
系統図、第５図は第１図における充電器２６および蓄電
池２７をＣＶＣＦ２８に置き換えた場合の本発明の他の
実施例を示す系統図である。 １・・・燃料電池本体、２・・・改質器、３・・・シフ
トコンバータ、４・・・エゼクタ、５・・・水蒸気発生
器、６・・・インバータ、７・・・冷却水用熱交換器、
８・・・排ガス用熱交換器、９・・・水タンク、１０・
・・冷却水ポンプ、１１・・・給水ポンプ、１２・・・
ブロワ、１８・・・燃料ガス冷却用熱交換器、１９・・
・エアフィンクーラ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、燃料電池本体と、この燃料電池本体に対する燃料供
   給系、空気供給系、電池冷却水系、排ガス・水分回収系
   及び付属装置とからなる燃料電池システムにおいて、前
   記電池冷却水系の冷却水循環系途中に設置される水蒸気
   発生器の水蒸気ラインに、水蒸気発生器から発生した水
   蒸気を前記燃料供給系内に設置されている改質器の燃焼
   部から排出される排ガスにより加熱するための熱交換器
   と、同じく前記水蒸気ラインに設置され、水蒸気の流量
   を前記電池冷却水系の冷却水温度を一定に保つように制
   御する温度調節弁と、この調節弁の後流側に設置され、
   水蒸気の保有するエネルギにより駆動するスチームター
   ビンと、このスチームタービンの運動（回転）エネルギ
   を電気エネルギに変換する発電機と、この発電機から出
   力される電気を蓄積するための充電器および蓄電池と、
   前記スチームタービンの後流側に設置され、スチームか
   ら熱をうばいとり水にするための復水器とからなる、排
   熱エネルギ回収装置を設けたことを特徴とする、排熱エ
   ネルギ回収装置付きの燃料電池システム。 ２、特許請求の範囲第１項において、充電器および蓄電
   池の部分を無停電電源装置としたことを特徴とする、排
   熱エネルギ回収装置付きの燃料電池システム。