JPH05144452A - 燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】高温排熱を間接的に回収可能な燃料電池発電シ
ステムを提供する。 【構成】本発明の燃料電池発電システムは、燃料電池本
体１に電池冷却板１Ｃを設け、この電池冷却板１Ｃに冷
却水を通すことにより発電時に生じた熱を吸収させ、加
熱された冷却水を電池冷却水出口ライン１０を介して気
水分離器２に流入させることにより水と水蒸気とに分離
し、分離した水を電池冷却板１Ｃに戻すように構成して
あり、さらに、電池冷却水入口ライン１１から分岐さ
れ、燃料電池１を迂回して気水分離器２に接続される電
池バイパスライン１２を設けるとともに、電池冷却水入
口ライン１１に熱交換器３１を設けてある。また、電池
冷却水入口ライン１１および電池バイパスライン１２を
通る冷却水の流量を制御する制御手段１５を設け、気水
分離器２で発生する水蒸気量を上述の改質装置の要求値
に維持しつつ熱交換器３１の２次側で発電時の熱を回収
可能に構成してある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は燃料電池発電システムに
係り、特に、排熱を有効に利用可能な燃料電池発電シス
テムに関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池発電システムは、空気などから
得られた酸素と、天然ガスなどを改質して得られた水素
との電気化学反応を利用して直流電力を取り出す発電シ
ステムであるとともに、電気化学反応により生じた熱を
高温蒸気の形で取り出し、この高温蒸気を、天然ガスを
改質して水素を発生させるのに利用可能に構成してある
ため、いわゆるコジェネレーションシステムを実現可能
な発電システムとして注目されている。

【０００３】図６は、従来の燃料電池発電システムを示
したものである。

【０００４】従来の燃料電池発電システムは、電池冷却
水系から高温蒸気を直接取り出す熱回収方式であり、図
６でわかるように、燃料極１Ａおよび空気極１Ｂを有す
る燃料電池本体１に発電時の発熱を吸収する電池冷却板
１Ｃを設け、この電池冷却板１Ｃを通った冷却水を下流
の気水分離器２に流入させて水蒸気および水に分離し、
分離した水を冷却水循環ポンプ３で冷却器４に送り、こ
の冷却器４で冷却した冷却水を再び燃料電池本体１の電
池冷却板１Ｃに戻すことによって燃料電池本体１を所定
の温度範囲に維持するようになっている。

【０００５】ここで、冷却板１Ｃを通った冷却水は、上
述の電気化学反応により加熱された後、気体と液体との
２相流となって気水分離器２に送られ、水蒸気と水とに
分離される。

【０００６】気水分離器２で分離された水は、冷却水循
環ポンプ３で冷却器４に送られ、冷却器４は、受け取っ
た水を電池冷却板１Ｃの入口温度まで冷却してから電池
冷却板１Ｃに送る。

【０００７】冷却器４は、適当な冷却媒体を２次側配管
４Ａに流すことができるように構成してある。

【０００８】また、従来の燃料電池発電システムは、気
水分離器２で分離した水蒸気を制御弁５を介して図示し
ない改質装置に送り、この改質装置で燃料電池用の水素
を発生させることにより燃料電池の発電時に生じた熱を
回収可能に構成してある。

【０００９】さらに、従来の燃料電池発電システムは、
改質装置に送った残りの余剰水蒸気を制御弁６を介して
吸収式冷凍機７に送ることにより、燃料電池の発電時に
生じた熱を回収可能に構成してある。

【００１０】すなわち、燃料電池の電気化学反応で生じ
た熱は、燃料電池の燃料である水素の発生と吸収式冷凍
機７の駆動とに利用される。

【００１１】吸収式冷凍機７から出た凝縮水は、冷却水
ポンプ８に送られ、冷却水ポンプ８は凝縮水を気水分離
器２に戻すようになっている。

【００１２】従来の燃料電池発電システムを作動させる
と、燃料極１Ａおよび空気極１Ｂとの間に挟まれた図示
しない電解質部分で電気化学反応が発生するので、燃料
極１Ａおよび空気極１Ｂとの間で直流電力を取り出すこ
とができる。

【００１３】このように、従来の燃料電池発電システム
は、燃料電池冷却水系いわば１次冷却水系から吸収式冷
凍機７の冷却水系いわば２次冷却系に熱交換器等を介さ
ずに直接蒸気を送り込むことによって排熱を利用するよ
うになっているので、直接取出し法と呼ばれる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】ここで、燃料電池本体
１を含む１次水系は、腐食に強いステンレス鋼で作って
あり、一方、吸収式冷凍機７を含む２次冷却系は、炭素
鋼等を用いて構成してあるのが一般的である。

【００１５】したがって、２次系の冷却水を１次系の冷
却水に戻すと、腐食に弱い不純物を含んだいわば水質の
悪い水が２次系から１次系に流入し燃料電池１を含む１
次系を腐食させ燃料電池の運転に支障を来すおそれがあ
る。

【００１６】このため、従来の燃料電池発電システムで
は、高性能の水処理装置を２次系に設ける必要があっ
た。

【００１７】一方、この水処理装置のコストを低減する
ために１次系と２次系とを完全に分離した間接取出し法
によって高温排熱を回収しようとした場合、以下の問題
が生じる。

【００１８】すなわち、間接取出し法で高温排熱を回収
するには、１次系と２次系とを分離し、１次系と２次系
との間、図６に示した例では、制御弁６の前あるいは後
に凝縮熱交換器を設け、この凝縮熱交換器の１次側に、
気水分離器２で分離された水蒸気のうち余剰水蒸気を送
り込む必要がある。

【００１９】しかしながら、余剰水蒸気の量は燃料電池
１の運転条件により大幅に変化するため、凝縮熱交換器
の１次側を通る水蒸気量は大きく変動し、したがって水
蒸気が１次側で凝縮する位置、その凝縮量あるいは１次
側配管の熱応力の大きさ等を特定できず、凝縮熱交換器
の設計がきわめて困難になる。

【００２０】本発明は、上述した事情を考慮してなされ
たもので、燃料電池の運転条件を最適範囲に維持しつ
つ、高温排熱を間接取出し法で回収することができる燃
料電池発電システムを提供することを目的とする。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の燃料電池発電システムは請求項１に記載し
たように、燃料極および空気極を有する燃料電池本体に
電池冷却板を設け、この電池冷却板に冷却水を通すこと
により発電時に生じた熱を吸収させ、加熱された冷却水
を電池冷却水出口ラインを介して気水分離器に流入させ
ることにより水と水蒸気とに分離し、分離した水を冷却
水循環ポンプにより電池冷却水入口ラインを介して電池
冷却板に戻すように構成した燃料電池発電システムにお
いて、電池冷却水入口ラインから分岐され、燃料電池を
迂回して気水分離器に接続される電池バイパスラインを
設けるとともに、電池冷却水出口ライン、電池冷却水入
口ラインおよび電池バイパスラインのうち、少なくとも
いずれか１つのラインに熱交換器を設け、さらに、電池
冷却水出口ライン、電池冷却水入口ラインおよび電池バ
イパスラインのうち、少なくともいずれか１つのライン
を通る冷却水の流量を制御する制御手段を設け、気水分
離器で発生する水蒸気量を所望の値に維持しつつ、熱交
換器の２次側で発電時の熱を回収可能に構成したもので
ある。

【００２２】

【作用】電池冷却水入口ラインから分岐され、燃料電池
を迂回して気水分離器に接続される電池バイパスライン
を設けるとともに、電池冷却水出口ライン、電池冷却水
入口ラインおよび電池バイパスラインのうち、少なくと
もいずれか１つのラインに熱交換器を設けたので、燃料
電池の発電時に生じた熱を熱交換器の２次側で回収しつ
つ、１次系と２次系とを分離することができる。

【００２３】このため、腐食性の不純物を含む２次系の
水が１次系の水に混入して燃料電池の運転に支障をきた
すおそれがなくなる。

【００２４】また、上述の電池バイパスラインを設ける
とともに、電池冷却水出口ライン、電池冷却水入口ライ
ンおよび電池バイパスラインのうち、少なくともいずれ
か１つのラインを通る冷却水の流量を制御する制御手段
を設け、気水分離器で発生する水蒸気量を所望の値に維
持可能に構成したので、水蒸気量を燃料改質装置に必要
な量に維持して余剰水蒸気の発生を抑制することができ
る。

【００２５】このため、余剰水蒸気が発生せず、凝縮熱
交換器等の付加的な装置が不要となる。

【００２６】

【実施例】以下、本発明の燃料電池発電システムの実施
例について、添付図面を参照して説明する。

【００２７】なお、従来の燃料電池発電システムと同一
の部品については、同一の番号を付しその説明を省略す
る。

【００２８】図１は、第１の実施例の燃料電池発電シス
テムの概略構成例を示すものである。

【００２９】本実施例の燃料電池発電システムは、燃料
極１Ａおよび空気極１Ｂを有する燃料電池１本体に電池
冷却板１Ｃを設け、この電池冷却板１Ｃに冷却水を通す
ことにより発電時に生じた熱を吸収させ、加熱された冷
却水を電池冷却水出口ライン１０を介して気水分離器２
に流入させることにより水と水蒸気とに分離し、分離し
た水を冷却水循環ポンプ３により電池冷却水入口ライン
１１を介して電池冷却板１Ｃに戻すように構成してあ
り、さらに、電池冷却水入口ライン１１から分岐され、
燃料電池１を迂回して気水分離器２に接続される電池バ
イパスライン１２を設けるとともに、電池冷却水入口ラ
イン１１に熱交換器１３を設けてある。

【００３０】本実施例の燃料電池発電システムは、気水
分離器２で分離した水蒸気を制御弁１４を介して図示し
ない改質装置に送るようになっており、改質装置は、こ
の水蒸気で天然ガスを改質することにより水素を発生さ
せ、発生させた水素を燃料電池１の燃料極１Ａに送るよ
うになっている。

【００３１】また、本実施例の燃料電池発電システム
は、電池冷却水入口ライン１１および電池バイパスライ
ン１２を通る冷却水の流量を制御する制御手段１５を設
け、気水分離器２で発生する水蒸気量を上述の改質装置
の要求値に維持しつつ、熱交換器１３の２次側で発電時
の熱を回収可能に構成してある。

【００３２】制御手段１５は、電池冷却水入口ライン１
１および電池バイパスライン１２にそれぞれ設けられた
制御弁１６、１７と、気水分離器２に設けられた圧力あ
るいは温度検出手段１８と、温度あるいは圧力検出手段
１８からの信号およびプラント特性信号を用いて演算処
理し、この演算結果に基づいて制御弁１６、１７を作動
制御する制御装置１９とからなり、制御弁１６、１７に
より電池冷却水入口ライン１１および電池バイパスライ
ン１２を通る冷却水の流量を制御可能に構成してある。

【００３３】すなわち、制御装置１９は、上述の信号を
用いて演算処理することにより、気水分離器２が改質装
置の要求水蒸気量を発生するのに必要な電池バイパスラ
イン１２および電池冷却水入口ライン１１の冷却水の流
量を算定し、この算定結果に基づいて各制御弁１６、１
７のうち少なくとも１つを作動させるように構成してあ
る。

【００３４】上述のプラント特性信号には、改質装置の
要求水蒸気量データが含まれる。

【００３５】また、電池冷却水入口ライン１１には流量
検出器２０を設けてあり、制御装置１９の演算結果の通
りの流量になっているかどうかを確認可能になってい
る。

【００３６】熱交換器１３の２次側には閉サイクルの２
次冷却水ライン２１を設けてある。また、２次冷却水ラ
イン２１には、制御弁２２、吸収式冷凍機７および循環
ポンプ２３を順次設けてあり、燃料電池の発電時の熱を
回収可能に構成してある。

【００３７】本実施例の燃料電池発電システムを用いて
発電を行うには、まず、燃料電池本体１に、図示しない
水素あるいは水素に富むガスおよび酸素あるいは空気を
供給する。

【００３８】水素および酸素が供給された燃料電池１で
は、水素と酸素が化合して水が生成する電気化学反応が
生じ、この電気化学反応によって直流電力を取り出すこ
とができる。

【００３９】この電気化学反応に伴い燃料電池本体１に
は熱が発生するが、燃料電池は広い負荷範囲にわたって
作動するため、発生する熱は大きく変動する。

【００４０】これに対し、燃料電池本体１を常に所定の
温度範囲に維持して燃料電池の健全性を保つ必要があ
る。

【００４１】したがって、燃料電池本体１から取り除く
べき熱は変動する。

【００４２】この熱は、冷却水循環ポンプ３から冷却板
１Ｃに供給された冷却水によって取り除かれ、冷却水自
身は加熱されて温度が上昇し、その一部は蒸気となる。

【００４３】すなわち、電池本体１の出口では冷却水は
２相流となる。

【００４４】２相流となった冷却水は、電池冷却水出口
ライン１０を通って気水分離器２へ導かれ、蒸気と水と
に分離される。

【００４５】この蒸気の一部を制御弁１４を介して改質
装置に送り、改質装置ではこの高温蒸気で天然ガスを改
質して水素をつくり、この水素を燃料電池１に送る。

【００４６】ここで、上述したように電池冷却水出口ラ
イン１０における蒸気の発生量は発電プラントの負荷に
より変化し、高負荷ほど多量の蒸気を発生する。

【００４７】したがって、高負荷においては、気水分離
器２では、改質等に必要な蒸気量以上の余剰蒸気を発生
することになる。

【００４８】しかし、本実施例では、電池バイパスライ
ン１２を設けたことにより、燃料電池本体１から熱を受
けていない低温冷却水が気水分離器２へ流入し、流入し
た低温冷却水は、電池冷却水出口ライン１０から流入し
た２相流と混合して気水分離器２の温度あるいは圧力を
低下させることができる。

【００４９】したがって、制御弁１７および制御弁１６
を駆動して電池バイパスライン１２および電池冷却水入
口ライン１１を流れる冷却水の流量を制御装置１９で制
御することにより、気水分離器２での発生蒸気量を、改
質装置に必要な所望の値に維持して、余剰水蒸気の発生
を抑制することができる。

【００５０】２次冷却水ライン２１では、循環ポンプ２
３により供給された２次冷却水が熱交換器１３へ送ら
れ、１次冷却水を冷却しつつ、２次冷却水自身は加熱さ
れて蒸気となる。

【００５１】次に、発生した高温蒸気を、流量を制御弁
２２で制御しながら吸収式冷凍機７へ供給する。

【００５２】吸収式冷凍機７では、高温蒸気で冷水をつ
くり、自身は冷却されて例えば約９０°Ｃの温水とな
り、循環ポンプ２３により再び熱交換器１３へ送られ
る。

【００５３】かくして、燃料電池１の発電時に生じた熱
を、間接取出し法で回収することができる。

【００５４】本実施例では、電池冷却水入口ライン１１
に設けた制御弁１６および電池バイパスライン１２に設
けた制御弁１７を制御装置１９で作動制御することによ
り、電池冷却水入口ライン１１および電池バイパスライ
ン１２を流れる冷却水の流量を制御する構成としたが、
どちらか一方を省略してもよい。

【００５５】例えば、電池バイパスライン１２だけに制
御弁１７を設け、この制御弁１７を制御装置１９で作動
制御することにより、電池バイパスライン１２を流れる
冷却水の流量だけを制御する構成としてもよい。

【００５６】また、流量検出器２０を電池冷却水入口ラ
イン１１に設けたが、電池バイパスライン１２に設けて
もよいし、場合によってはこれを省略してもよい。

【００５７】また、本実施例では、熱交換器１３を電池
冷却水入口ライン１１に設けたが、図２に示すように、
これに加えて第２の熱交換器２４を電池バイパスライン
１２に設けてもよい。

【００５８】図２に示す構成により、電池バイパスライ
ン１２を流れる冷却水の温度を上述の実施例よりも下げ
ることができるので、気水分離器２で発生する余剰水蒸
気をさらに効果的に抑制することができる。

【００５９】また、２次側の冷却水は、熱交換器１３、
２４の両方から熱を受け取るため、熱交換器１３での水
蒸気発生効率が向上する。

【００６０】さらに、電池バイパスライン１２を流れる
冷却水の流量を少なくすることができるので、循環ポン
プ３の動力負担を低減させることができる。

【００６１】次に、第２の実施例に係る燃料電池発電シ
ステムを説明する。

【００６２】なお、上述の実施例と同一の部品について
は同一の符号を付してその説明を省略する。

【００６３】図３に示す第２の実施例は、電池冷却水入
口ライン１１に熱交換器２５を設け、この熱交換器２５
の２次側に第２の気水分離器２６を設けてある。

【００６４】第１の実施例の熱交換器１３は、熱交換の
機能に加えて、気水分離の機能をも持たせたものであっ
たが、第２の実施例では、この機能を、熱交換器２５と
第２の気水分離器２６とに分けたものである。

【００６５】このような構成とすることにより、水蒸気
の発生効率を向上させることができる。

【００６６】すなわち、吸収式冷凍機７等から出た不純
物は、水蒸気発生過程で第２の気水分離器２６に付着し
て濃縮されるため、熱交換器２５に流入する不純物の量
は少なくなる。

【００６７】このため、たとえ熱交換器２５の２次側で
２相流となって水蒸気が発生し熱交換器２５に不純物が
付着したとしても、熱伝達性能を劣化させるおそれはほ
とんどなくなり、かくして第２の気水分離器２６での水
蒸気発生効率が向上する。

【００６８】図３には示していないが、循環ポンプを第
２の気水分離器２６と熱交換器２５との間に設けてもよ
い。

【００６９】次に、第３の実施例に係る燃料電池発電シ
ステムを説明する。

【００７０】図４に示すように、第３の実施例は、熱交
換器１３を電池冷却水ライン１１に、熱交換器２４を電
池バイパスライン１２にそれぞれ設けてあり、これらの
熱交換器１３および２４が構成する２次側でのみ、発電
時の熱を回収するようにしてある。

【００７１】他の構成は第１の実施例で示した燃料電池
発電システムと実質的に異ならないので、同一の符号を
付してその説明を省略する。

【００７２】第１の実施例では、改質装置に送る水蒸気
を気水分離器２から取り出していたが、第３の実施例で
は、制御弁２２の下流の２次側の冷却水ライン２１から
制御弁３５を介して取り出すようにしてある。

【００７３】このような構成により、燃料電池１を含む
１次側の冷却水を、他の系と完全に分離することがで
き、燃料電池１の健全性を向上させることができる。

【００７４】次に、第４の実施例に係る燃料電池発電シ
ステムを説明する。

【００７５】図５に示す第４の実施例は、第２の実施例
で説明したように、第２の気水分離器２６を設けるとと
もに、第３の実施例で説明したと同様に、２次側でのみ
発電時の熱を回収するようにしてある。

【００７６】他の構成は第１の実施例で示した燃料電池
発電システムと実質的に異ならないので、同一の符号を
付してその説明を省略する。

【００７７】このような構成により、水蒸気の発生効率
を向上させることができるとともに１次側の冷却水を他
の系と完全に分離することができる。

【００７８】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の燃料電池発
電システムは、電池冷却水入口ラインから分岐され、燃
料電池を迂回して気水分離器に接続される電池バイパス
ラインを設けるとともに、電池冷却水出口ライン、電池
冷却水入口ラインおよび電池バイパスラインのうち、少
なくともいずれか１つのラインに熱交換器を設けたの
で、燃料電池の発電時に生じた熱を熱交換器の２次側で
回収しつつ、１次系と２次系とを分離することができ
る。

【００７９】このため、腐食性の不純物を含む２次系の
水が１次系の水に混入して燃料電池の運転に支障をきた
すおそれがなくなる。

【００８０】また、上述の電池バイパスラインを設ける
とともに、電池冷却水出口ライン、電池冷却水入口ライ
ンおよび電池バイパスラインのうち、少なくともいずれ
か１つのラインを通る冷却水の流量を制御する制御手段
を設け、気水分離器で発生する水蒸気量を所望の値に維
持可能に構成したので、水蒸気量を燃料改質装置に必要
な量に維持して余剰水蒸気の発生を抑制することができ
る。

【００８１】このため、余剰水蒸気が発生せず、凝縮熱
交換器等の付加的な装置が不要となり、スペース、コス
トの両面で有利となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池発電システムの第１の実施例
を示すブロック構成図。

【図２】熱交換器を２つ設けた第１の実施例の燃料電池
発電システムのブロック構成図。

【図３】第２の実施例に係る燃料電池発電システムを示
すブロック構成図。

【図４】第３の実施例に係る燃料電池発電システムを示
すブロック構成図。

【図５】第４の実施例に係る燃料電池発電システムを示
すブロック構成図。

【図６】従来の燃料電池発電システムのブロック構成
図。

【符号の説明】

１ 燃料電池本体 ２ 気水分離器 ３ 冷却水循環ポンプ ７ 吸収式冷凍機 １０ 電池冷却水出口ライン １１ 電池冷却水入口ライン １２ 電池バイパスライン １３ 熱交換器 １４ 制御弁 １５ 制御手段 １６ 制御弁 １７ 制御弁 １８ 温度あるいは圧力検出手段 １９ 制御装置

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料極および空気極を有する燃料電池本
   体に電池冷却板を設け、この電池冷却板に冷却水を通す
   ことにより発電時に生じた熱を吸収させ、加熱された冷
   却水を電池冷却水出口ラインを介して気水分離器に流入
   させることにより水と水蒸気とに分離し、分離した水を
   冷却水循環ポンプにより電池冷却水入口ラインを介して
   電池冷却板に戻すように構成した燃料電池発電システム
   において、電池冷却水入口ラインから分岐され、燃料電
   池を迂回して気水分離器に接続される電池バイパスライ
   ンを設けるとともに、電池冷却水出口ライン、電池冷却
   水入口ラインおよび電池バイパスラインのうち、少なく
   ともいずれか１つのラインに熱交換器を設け、さらに、
   電池冷却水出口ライン、電池冷却水入口ラインおよび電
   池バイパスラインのうち、少なくともいずれか１つのラ
   インを通る冷却水の流量を制御する制御手段を設け、気
   水分離器で発生する水蒸気量を所望の値に維持しつつ、
   前記熱交換器の２次側で発電時の熱を回収可能に構成し
   たことを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 【請求項２】 前記制御手段は、前記電池冷却水出口ラ
   イン、前記電池冷却水入口ラインおよび前記電池バイパ
   スラインのうち、少なくとも１つのラインに設けられた
   制御弁と、前記電池冷却水出口ライン、前記電池冷却水
   入口ライン、前記電池バイパスラインおよび前記気水分
   離器のうち、少なくとも１つに設けられた圧力あるいは
   温度検出手段と、前記温度あるいは圧力検出手段からの
   信号およびプラント特性信号のうち、少なくとも１つの
   信号を用いて演算処理し、この演算結果に基づいて前記
   制御弁を作動制御する制御装置とからなり、この制御弁
   により前記電池冷却水出口ライン、前記電池冷却水入口
   ラインおよび前記電池バイパスラインのうち、少なくと
   も１つのラインを通る冷却水の流量を制御可能に構成し
   た請求項１記載の燃料電池発電システム。
3. 【請求項３】 前記熱交換器の２次側に第２の気水分離
   器を設けた請求項１記載の燃料電池発電システム。
4. 【請求項４】 前記熱交換器の２次側でのみ、発電時の
   熱を回収可能に構成した請求項１記載の燃料電池発電シ
   ステム。