JPH05159793A - 燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、プラント設備を小形化し、且つ安価
にして排熱利用の多様化に対応させることにある。 【構成】燃料電池本体１と、燃料を改質して生成された
水素ガスを燃料電池本体の燃料極に供給する燃料改質器
２と、燃料電池本体の反応熱により加熱され二相流化し
た冷却水を気相と水相に分離する気水分離器５およびこ
の気水分離器で分離された冷却水を燃料電池本体の電池
冷却器１ｃを通して循環させ熱エネルギーを回収する電
池冷却水系とを備えた燃料電池発電システムにおいて、
気水分離器５の下流側に排熱回収系の水を飽和水になる
まで加熱する排熱回収予熱器７を設け、燃料改質器の下
流側に排熱回収予熱器７で加熱された排熱回収系の水を
排ガスの熱エネルギーにより加熱して蒸気を発生させる
蒸気発生器３を設ける構成として、この蒸気発生器３よ
り発生する蒸気を排熱利用装置１２に供給する。

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、特に排熱を利用した蒸気および温水供給システム
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池システムは、都市ガスやプロパ
ンガス等の燃料に有する化学エネルギーを電気エネルギ
ーに変換するもので、燃料電池本体および都市ガスやプ
ロパンガス等の燃料から水素を生成する装置、燃料電池
本体で発電される直流出力を交流に変換する変換装置、
燃料電池本体の動作や水素生成に適した温度に作動ガス
の温度を保つための熱交換器等により構成されている。
燃料電池本体は水素生成装置により生成された水素ガス
と、空気中の酸素の結合エネルギーを直接電気エネルギ
ーに変換するが、その際熱も発生する。

【０００３】このように燃料電池発電システムは、化学
反応による発電のため、発電効率が高く、また大気汚染
物質の排出が少なく、しかも騒音も小さいクリーンな発
電システムとして評価されている。

【０００４】ところで、燃料電池本体の電気化学反応を
効率よく行なわせるためには、電池本体の温度を一定の
温度レベルに保つ必要があり、冷却水等で適切な温度に
冷却される。この冷却水系は気水分離器、ポンプ、熱交
換器等で構成され、熱交換器から取出される排熱は様々
な用途の熱利用がなされている。この排熱は一般的に温
水として取出されているが、近年では排熱利用の用途の
範囲を拡大するために蒸気取出しの要求が強くなってい
る。図２はかかる排熱利用システムを取入れた従来の燃
料電池発電システムの構成例を示すものである。

【０００５】図２に示すように、燃料極２１ａ、空気極
２１ｂおよび電池冷却器２１ｃを備えた燃料電池本体２
１で発生した反応熱を電池冷却器２１ｃ内の電池冷却水
と熱交換させることで取出し、その電池冷却水は気液二
相流となって高温排熱回収用熱交換器２２に導かれ、さ
らに気水分離器２３に導入される。この気水分離器２３
では気液二相流の蒸気２３ａを液化して冷却水２３ｂと
し、これを電池冷却水循環ポンプ２４により排熱回収用
熱交換器２５および電池冷却水電気ヒータ２６を通して
冷却器２１ｃに導く電池冷却水系を構成している。

【０００６】このような構成の燃料電池発電システムに
おいては、高温排熱回収用熱交換器２２を気水分離器２
３の手前に設置しているので、高温排熱を間接的に取出
すことは可能である。しかし、電池冷却器２１ｃを出た
電池冷却水は気液二相流となっており、発電負荷の変動
等による電池の発電量の変化により電池冷却水の気液混
合比が変るため、高温排熱回収量が変動し、安定した高
温排熱の取出しや利用方法が難しいという問題がある。

【０００７】一方、上記とは異なる燃料電池発電システ
ムとして、気水分離器より余剰分の蒸気を直接取出すよ
うにした図３に示すようなシステム構成のものがある。
すなわち図３に示すように、燃料極３１ａ、空気極３１
ｂおよび冷却器３１ｃを備えた燃料電池本体３１で発生
した反応熱を冷却管３１ｃ内の電池冷却水と熱交換させ
ることで取出し、その電池冷却水は気液二相流となって
気水分離器３２に導入される。この気水分離器３２では
気液二相流の蒸気３２ａを液化して冷却水３２ｂとし、
これを電池冷却水循環ポンプ３３により排熱回収用熱交
換器３４および電池冷却水電気ヒータ３５を通して冷却
管３１ｃに導く電池冷却水系を構成している。また、気
水分離器３２内の余剰蒸気を蒸気供給配管３６を通して
排熱利用装置３７に導入し、ここで液化した冷却水の一
部は循環ポンプ３８により凝縮水戻り配管３９を通して
気水分離器３２の下流側に戻され、さらに排熱利用装置
３７で液化した冷却水の他の一部は水処理装置４０に導
入され、ここで水処理された冷却水を気水分離器３２の
下流側に戻す構成としている。

【０００８】このような構成の燃料電池発電システムに
おいては、気水分離器３２より余剰分の蒸気を直接排熱
回収装置３７に導入しているため、温度レベルの高い蒸
気を取出せる利点はあるが、電池冷却水系と排熱利用装
置３７が同一の配管系であるため、排熱利用装置３７に
漏洩防止対策や水質汚染対策が必要となり、使用装置、
材料の高級化、水処理装置４０の容量アップとなり、こ
れもまたプラント設備が大きくなりコストも高くなると
いう問題がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】このように従来の燃料
電池発電システムは、高温排熱を回収できる構成になっ
ているが、上述したような排熱利用装置を利用しようと
すると、プラント設備の容量アップによる大型化、コス
トアップにつながるという問題があった。

【００１０】さらに、電池冷却水系から高温排熱を取出
す形態として常に高温蒸気のみを必要とするばかりでな
く、高温水として取出す場合もあるが、従来のシステム
ではこれら高温蒸気と高温水を同時に取出すことができ
ず、排熱利用の多様化に対応することは困難である。本
発明は、プラント設備を小形化し、且つ安価にして排熱
利用の多様化に対応させ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。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するため、燃料極、空気極および冷却器を備えた燃料
電池本体と、燃料を改質して生成された水素ガスを前記
燃料電池本体の燃料極に供給する燃料改質器と、前記燃
料電池本体の反応熱により加熱され二相流化した冷却水
を気相と水相に分離する気水分離器およびこの気水分離
器で分離された冷却水を前記燃料電池本体の冷却器を通
して循環させる電池冷却水循環ポンプにより構成された
電池冷却水系とを備えた燃料電池発電システムにおい
て、前記気水分離器の水相出口下流側に前記電池冷却水
系の余剰熱により前記電池冷却系と分離された排熱回収
系の水を飽和水になるまで加熱する排熱回収予熱器を設
け、前記燃料改質器の排ガス放出系の下流側に前記排熱
回収予熱器で加熱された前記排熱回収系の水を前記排ガ
スの熱エネルギーにより加熱して蒸気を発生させる蒸気
発生器を設け、この蒸気発生器より発生する蒸気を排熱
利用装置に供給するものである。

【００１２】

【作用】このような構成の燃料電池発電システムにあっ
ては、電池冷却水系とは分離した状態で、排熱回収系の
水を排熱回収予熱器により飽和水になるまで加熱し、さ
らにこれを蒸気発生器に供給して燃料改質器より排気さ
れる排ガスの熱エネルギーにより加熱して蒸気を発生さ
せているので、排熱の利用価値の高い加熱蒸気或いは飽
和蒸気を排熱利用装置に供することが可能となり、従来
に比べてプラント設備を小形化できると共に、経済的に
も有利になる。

【００１３】また、排熱回収予熱器の下流側に温水供給
系を接続して排熱回収予熱器から蒸気発生器で発生し得
る蒸気量分以外の余剰飽和水を取出すことにより、温水
を必要とする排熱利用装置に高温水を供給することがで
き、排熱利用の多様化に対応することができる。

【００１４】

【実施例】以下本発明の一実施例を図面を参照して説明
する。

【００１５】図１は本発明による燃料電池発電システム
の構成図である。図１において、１は燃料極１ａ、空気
極１ｂおよび冷却器１ｃを備えた燃料電池本体で、この
燃料電池本体１の燃料極１ａには燃料改質器２により燃
料を改質して生成された水素ガスが供給され、その排ガ
スは再び燃料改質器２を経て蒸気発生器３の一次側（高
温側）を通り、排ガス冷却器４で冷却された後外部へ排
気される。

【００１６】また、燃料電池本体１で発生した反応熱は
電池冷却器１ｃ内の電池冷却水と熱交換させることで取
出され、その二相流化した電池冷却水は気水分離器５に
導入される。この気水分離器５で二相流化した電池冷却
水を電池冷却水循環ポンプ６により排熱回収予熱器７の
一次側（高温側）を通して温度調整用熱交換器８に導入
し、さらにこの温度調整用熱交換器８で温度調整された
冷却水を電池冷却水電気ヒータ９を通して電池冷却器２
１ｃに戻す電池冷却水系を構成している。

【００１７】一方、排熱回収予熱器７は、一次側に流れ
る気水分離器５からの高温の電池冷却水により、二次側
（低温側）の排熱回収系に流れる水を飽和水まで加熱す
るもので、ここで加熱された水は蒸気発生器３の二次側
に流れ、燃料改質器２より排気される高温の排ガスによ
りさらに加熱されて蒸気を発生し、この蒸気は蒸気供給
配管１０を通り、圧力調整弁１１を介して第１の排熱利
用装置１２に供給される。また、排熱回収予熱器７で飽
和水まで加熱された温水の一部は高温水取出用配管１３
を通して第２の排熱利用装置１４に供給される。そし
て、これら第１の排熱利用装置１２および第２の排熱利
用装置１４で利用後の凝縮水は凝縮水循環ポンプ１５に
より再び排熱回収予熱器７に戻る蒸気発生循環系を構成
している。

【００１８】なお、図中１６は蒸気供給配管１０内を流
れる蒸気圧力を検出する圧力検出器、また１７は蒸気発
生器３の圧力を所定値に保つように圧力調整弁１１の開
度を調節する圧力コントローラである。

【００１９】このような構成の燃料発電システムにあっ
ては、電池冷却水系の気水分離器５の下流側に設けられ
た排熱回収予熱器７により、排熱回収系の水は一次側を
流れる高温の電池冷却水により飽和水まで加熱され、さ
らに燃料改質器２の下流側に設けられた蒸気発生器３に
導入されると、燃料改質器２の排ガスにより加熱されて
蒸気を発生する。

【００２０】したがって、この蒸気発生器３より発生す
る蒸気を取出すことにより、第１の排熱利用装置１１に
電池冷却水系の発生蒸気とは分離した形で飽和蒸気だけ
でなく、加熱蒸気をも供給すことができる。

【００２１】また、電池冷却水循環ポンプ６は、例えば
配管等による電池冷却水系の圧損が大きい場合、水の飽
和蒸気圧以下に下がるとキャビテーションを起こす心配
があり、このことはポンプが騒音、振動を起こして性能
が低下すことにつながる。しかし、排熱回収予熱器７を
冷却水循環ポンプ６の手前に設置することにより、燃料
電池本体１の反応熱により高温になった電池冷却水を冷
却（アンダクール）することはポンプの有効利用ＮＰＳ
Ｈ（正味吸込水頭）を大きくできることになり、ポンプ
にとって有効に作用する。この場合、排熱回収系予熱器
７での電池冷却水系の圧損による圧力効果は、上記アン
ダークルー分に比較すると微小である。

【００２２】さらに、排熱回収予熱器７は水−水熱交換
であるため、一般のシェル・チューブ式あるいはプレー
ト式熱交換器等で対応することができ、しかも排熱回収
系の水は排熱回収予熱器７で飽和水まで加熱されている
ため、蒸気発生器３の容積を小さくできることから、プ
ラント設備の小形化と、コストダウンを図ることができ
る。

【００２３】一方、排熱利用側において、温水だけが必
要な場合には圧力調整弁１１により排熱回収系の圧力を
下げるか、高温水取出用配管１３に二次蒸気発生系の水
を流すことで、温水のみを取出すことができる。また、
蒸気発生器３および排熱回収予熱器７を同時に作動する
ことにより、排熱回収量の大きい加熱蒸気と温水を同時
に取出すことができる。

【００２４】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、燃料
改質器の排ガス系の余剰熱と電池冷却水系の余剰熱を利
用することにより、電池冷却水とは分離した形で間接的
に熱利用価値の高い加熱蒸気を取出すことができるの
で、プラント設備を小形化し、且つ安価にして排熱利用
の多様化に対応させることができる燃料電池発電システ
ムを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明よる燃料電池発電システムの一実施例を
示す構成図。

【図２】従来の燃料電池発電システムの一例を示す構成
図。

【図３】従来の燃料電池発電システムの異なる例を示す
構成図。

【符号の説明】

１……燃料電池本体、１ａ……燃料極、１ｂ……空気
極、１ｃ……電池冷却器、２……燃料改質器、３……蒸
気発生器、４……排ガス冷却器、５……気水分離器、６
……電池冷却水循環ポンプ、７……排熱回収予熱器、８
……温度調整用熱交換器、９……電池冷却水電気ヒー
タ、１０……蒸気供給配管、１１……圧力調整弁、１２
……第１の排熱利用装置、１３……高温水取出用配管、
１４……第２の排熱利用装置、１５……凝縮水循環ポン
プ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料極、空気極および冷却器を備えた燃
   料電池本体と、燃料を改質して生成された水素ガスを前
   記燃料電池本体の燃料極に供給する燃料改質器と、前記
   燃料電池本体の反応熱により加熱され二相流化した冷却
   水を気相と水相に分離する気水分離器およびこの気水分
   離器で分離された冷却水を前記燃料電池本体の冷却器を
   通して循環させる電池冷却水循環ポンプにより構成され
   た電池冷却水系とを備えた燃料電池発電システムにおい
   て、前記気水分離器の水相出口下流側に前記電池冷却水
   系の余剰熱により前記燃料電池冷却水系と分離された排
   熱回収系の水を飽和水になるまで加熱する排熱回収予熱
   器を設け、前記燃料改質器の排ガス放出系の下流側に前
   記排熱回収予熱器で加熱された前記排熱回収系の水を前
   記排ガスの熱エネルギーにより加熱して蒸気を発生させ
   る蒸気発生器を設け、この蒸気発生器より発生する蒸気
   を排熱利用装置に供給することを特徴とする燃料電池発
   電システム。