JPH0529013A - 燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は電池冷却系の冷却水の温度を調整する
ための冷却器を使用しないでも適切な温度の電池冷却水
の供給が可能になると共に、全体のコージェネシステム
として高品質の熱回収量を高めることにある。 【構成】空気極に酸素が供給され燃料極に水素が供給さ
れ、且つ発電時の反応熱を吸収する電池冷却系を有する
燃料電池本体１と、この燃料電池本体の電池冷却系を通
して流れる少なくとも蒸気と水の二相流化した冷却水を
気相と水相に分離するための気水分離器２と、この気水
分離器で分離された冷却水を電池冷却系を通して循環さ
せる一次冷却系とを備えた燃料電池発電システムにおい
て、燃料電池本体の発電出力を発電出力検出器１０によ
り検出し、この発電出力検出値を流量制御装置１１に与
えて一次冷却系に設けられた流量調整弁９の弁開度を調
節し、電池冷却系１Ｃに流入する冷却水の流量を制御す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電力および熱エネルギを
併給する燃料電池発電システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、新しい高効率の発電方式として燃
料電池発電システムが脚光を浴びつつある。これまでの
燃料電池は発電装置としての側面を主眼とした開発が進
められてきたが、特に電気・熱併給システム（コージェ
ネシステム）として適用した場合、環境問題に融和して
その有用性を発揮する。従って、最近ではコージェネシ
ステムとしての有効性がさらに求められるようになって
きている。

【０００３】しかし、従来システムにおいては、排熱を
効果的に回収し、高品質の熱エネルギを多量に供給する
という点では必ずしも満足すべき状態ではなかった。こ
こで、高品質の熱エネルギとは、二重効用型の吸収式冷
凍機が使用可能な160 ℃程度以上の高温蒸気としての熱
エネルギを意味している。

【０００４】ところで、従来の燃料電池発電プラントに
おいて、高温蒸気を取出す例は殆どなかったが、希に見
る例として燃料電池の冷却系から発生する蒸気を直接取
出す方式があった。図８はかかる従来型の高温蒸気回収
方式の一例を示している。

【０００５】ここで、燃料電池発電システムから排出さ
れる高品質の熱エネルギは、主として燃料電池発電冷却
水から得られる。また、燃料電池冷却には二相流および
単相流方式があるが、二相流の場合でも電池入口温度と
出口温度にある程度の温度差を持たせて電池入口付近で
は単相流冷却としている。図８はこのような単相流／二
相流冷却方式を前提としている。

【０００６】図８において、１は燃料極１Ａおよび空気
極１Ｂを有し、且つ発電時の反応熱を吸収する電池冷却
系１Ｃを備えた燃料電池本体で、この燃料電池本体１の
電池冷却系１Ｃを通して流れる冷却水は燃料電池本体１
の発電に伴う発熱により加熱されて二相流化し、この二
相流は気水分離器２に流入し、ここで水蒸気と水に分離
される。この気水分離器２で分離された水は一次冷却系
の冷却水循環ポンプ３により、電池入口温度まで冷却す
る冷却器４を通して燃料電池本体１の電池冷却系１Ｃに
送られる。

【０００７】ここで、冷却器４の二次側４Ａには適当な
低温流体を使用すれば良く、この冷却器冷却媒体が持ち
去る熱量は低品質の熱エネルギーとして回収することが
できる。

【０００８】一方、気水分離器２で分離された水蒸気は
流量調節弁５を介して図示しない燃料供給ラインに送ら
れ、余剰の水蒸気は圧力調節弁６を通して燃料電池発電
システムの外部に設置された吸収式冷凍機７に供給さ
れ、この冷凍機７を駆動している。この吸収式冷凍機７
を通った水蒸気は凝縮水となり、二次冷却系の冷却水循
環ポンプ８により気水分離器２と冷却水循環ポンプ３と
の間の流路に送られる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】このように図８に示す
構成の燃料電池発電システムにおいて、燃料電池本体１
の冷却は単に電池冷却系１Ｃに冷却水を流せばよいとい
うことではなく、燃料電池本体１の反応に最適な温度に
制御しなければならない。例えば燃料電池の入口、出口
温度を図７に示すグラフのように制御する必要がある。

【００１０】ところで、冷却水の燃料電池本体１の入口
温度は、冷却水循環ポンプ８からの戻り水と気水分離器
２からの高温水の混合度合により決定されるため、気水
分離器２からの高温水の量が多くなればなるほど冷却水
の温度が高くなる。従って、電池冷却系１Ｃに供給され
る冷却水を冷却器４により燃料電池本体１の反応に最適
な温度に冷却しなければならない。例えば図７に示すよ
うに電池冷却系の入口温度は165 ℃であり。出口温度は
180 ℃である。

【００１１】しかし、このように高温の冷却水を冷却器
４により冷却すると、この冷却器４より低品質の排熱を
回収することはできてもコージェネシステムとして高品
質の熱回収量が低下してしまうという問題があった。

【００１２】本発明は電池冷却系の冷却水の温度を調整
するための冷却器を使用しないでも適切な温度の電池冷
却水の供給が可能になると共に、全体のコージェネシス
テムとして高品質の熱回収量を高めることができる燃料
電池発電システムを燃料電池発電システムを提供するこ
とを目的とする。

【００１３】

【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、空気極に酸素が供給され燃料極に水素が供
給され、且つ発電時の反応熱を吸収する電池冷却系を有
する燃料電池本体と、この燃料電池本体の前記電池冷却
系を通して流れる少なくとも蒸気と水の二相流化した冷
却水を気相と水相に分離するための気水分離器と、この
気水分離器で分離された冷却水を前記電池冷却系を通し
て循環させる一次冷却水系とを備えた燃料電池発電シス
テムにおいて、前記燃料電池本体の発電出力を検出する
発電出力検出手段と、この発電出力検出手段で検出され
た発電出力に基いて前記電池冷却系に流れる冷却水の流
量を調整して蒸気の発生量を制御する流量制御手段とを
設ける。

【００１４】また、上記発電出力検出手段に代えて電池
冷却系の入口又は出口の少なくとも一方の冷却水の温度
又は圧力を検出する温度又は圧力検出手段を設け、この
検出手段により検出された冷却水の温度又は圧力に基い
て流量制御手段により電池冷却系に流れる冷却水の流量
を調整して蒸気の発生量を制御する。

【００１５】さらに、上記発電出力検出手段と冷却水の
温度又は圧力を検出する温度又は圧力検出手段の両方を
設け、これら両検出手段で検出された発電出力と冷却水
の温度又は圧力に基いて流量制御手段により電池冷却系
に流れる冷却水の流量を調整して蒸気の発生量を制御す
る。

【００１６】

【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、燃料電池本体の発電出力や電池冷却系の入口又は
出口の少なくとも一方の冷却水の温度又は圧力に応じて
電池冷却系に流れる冷却水の流量が調整されるので、燃
料電池本体にとっては最適な冷却水の温度にすることが
できるばかりでなく、電池冷却系の出口の二相流の蒸気
乾き度をも所定の値に保持することが可能となる。従っ
て、高品質の熱回収量が低下することがなくなり、コー
ジェネシステムとして最適なものとなし得る。

【００１７】

【実施例】以下本発明の実施例を図面を参照して説明す
る。

【００１８】図１は本発明による燃料電池発電システム
の第１の実施例を示す構成図であり、図８と同一部分に
は同一記号を付してその説明を省略し、ここでは異なる
部分について述べる。本実施例では、図１に示すように
燃料電池本体１で加熱されて二相流化した冷却水を蒸気
と水に分離する気水分離器２から冷却水循環ポンプ３を
介して電池冷却系１Ｃに冷却水を流入させる一次冷却水
系の流路に流量調整弁９を設け、また燃料電池本体１側
にはその発電出力を検出する発電出力検出器１０を設け
ると共に、この発電出力検出器１０の検出値に基づいて
流量調整弁９の開度を求め、その開度制御信号を流量調
整弁９に与えて冷却水の流量を制御する流量制御装置１
１を設けるようにしたものである。

【００１９】このような構成の燃料電池発電システムに
おいて、燃料電池本体１の発電出力が変化すると内部の
発熱量も変化する。例えば燃料電池本体１の発電出力が
低下するとそれに伴って内部の発熱量も減少する。従っ
て、燃料電池本体１の温度を図７に示すように負荷に対
して最適な状態に保つためには冷却水の流量を減じる必
要がある。

【００２０】いま、発電出力検出器１０により燃料電池
本体１の発電出力が検出され、その検出値が流量制御装
置１１に与えられると、この流量制御装置１１では発電
出力に基づいて流量調整弁９の開度を求め、開度制御信
号を流量調節弁９に与える。従って、この流量調整弁９
は開度制御信号によりその開度が調節され、燃料電池本
体１の電池冷却系１Ｃに流入する冷却水の流量が制御さ
れる。この場合、冷却水の流量は燃料電池本体１に対し
て最適な温度になるように、且つ電池冷却系より所定の
蒸気乾き度の二相流が得られるように制御される。ここ
で、高品質の排熱として回収される蒸気は、例えば吸収
式冷凍機７で利用されることになる。

【００２１】このように燃料電池本体１の発電出力を検
出し、その検出値に基づいて流量制御弁９の開度を求
め、流量調整弁９に開度制御信号を与えて電池冷却系１
Ｃに流入する冷却水の流量を制御するようにしたので、
従来のように電池冷却系１Ｃの入口側の流路に冷却器を
設けなくても燃料電池本体１にとって最適な温度の冷却
水を供給することができるばかりでなく、電池冷却系１
Ｃ出口の二相流の蒸気乾き度をも所定の値に保持するこ
とが可能となる。従って、従来に比べて高品質の熱とし
て回収できるので、コージェネシステムとしては最適な
ものとなる。図２は本発明の第２の実施例を示すもの
で、図１と同一部品には同一記号を付してその説明を省
略し、ここでは異なる点について述べる。

【００２２】第２の実施例では、図２に示すように燃料
電池本体１の出口側の冷却水流路に流量調整弁９を設
け、この流量調整弁９を第１の実施例と同様に発電出力
検出器１０により検出された検出値を流量制御装置１１
に与えて弁開度を調節し、電池冷却系１Ｃに流入する冷
却水の流量を制御するようにしたものである。

【００２３】このような構成としても第１の実施例と同
様の作用効果を得ることができる。また、図３は本発明
の第３の実施例を示すもので、図１と同一部品には同一
記号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点につ
いて述べる。

【００２４】第３の実施例では、図３に示すように一次
冷却系の冷却水循環ポンプ３側にその回転数を制御する
インバータ１２を設けると共に、このインバータ１２を
制御するインバータ制御装置１３を設け、発電出力検出
器１０により検出された燃料電池本体１の発電出力に基
づいて求められた制御信号をインバータ制御装置１３に
与えて冷却水循環ポンプ３の回転数を制御するようにし
たものである。

【００２５】このような構成としても冷却水循環ポンプ
３の回転数が燃料電池本体１の発電出力に応じて制御さ
れ、電池冷却系１Ｃに流入する冷却水の流量を制御する
ことができるので、第１および第２の実施例同様の効果
を得ることができる。図４は本発明の第４の実施例を示
すもので、図１と同一部品には同一記号を付してその説
明を省略し、ここでは異なる点について述べる。

【００２６】第４の実施例では、図４に示すように冷却
水循環ポンプ３より燃料電池本体１の電池冷却系１Ｃの
入口側の冷却水流路に流量調整弁９を設けると共に、同
流路の温度又は圧力を検出しその検出値に基づいて開度
制御信号を求める流量制御装置１４を設け、その開度制
御信号を流量調整弁９に与えて電池冷却系１Ｃに流入す
る冷却水の流量を制御するようにしたものである。かか
る構成としても前述した各実施例と同様の効果を得るこ
とができる。

【００２７】図５は本発明の第５の実施例を示すもの
で、図４と異なる点は流量調整弁９とその開度を調節す
る流量制御装置１４が燃料電池本体１の電池冷却系１Ｃ
の出口側流路に設けられる以外は第４の実施例と同様な
ので、ここではその説明を省略する。

【００２８】なお、第４および第５の実施例において、
流量制御装置１３により流量調節弁９の開度を調節する
代りに図３に示す実施例のように冷却水循環ポンプ３側
にインバータおよびインバータ制御装置を設けて冷却水
循環ポンプ３の回転数を制御することにより、電池冷却
系１Ｃに流入する冷却水の流量を制御するようにしても
よい。図６は本発明の第６の実施例を示すもので、図１
と同一部品には同一記号を付してその説明を省略し、こ
こでは異なる点について述べる。

【００２９】第６の実施例では、図６に示すように燃料
電池本体１の電池冷却系１Ｃの出口側の流路に流量調整
弁９を設けると共に、二相流化した冷却水の温度又は圧
力を検出する温度又は圧力検出器１５を設け、この温度
又は圧力検出器１５の検出値と発電出力検出器１０によ
り検出された燃料電池本体１の発電出力検出値とを流量
制御装置１６に与え、この流量制御装置１６により両検
出値をもとに演算して得られる開度制御信号により流量
調節弁９の開度を制御するようにしたものである。かか
る構成とすれば、前述した各実施例に比べて電池冷却系
１Ｃに流れる冷却水の流量をより高精度で制御すること
が可能となる。

【００３０】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、電池
冷却系に流れる冷却水の流量を燃料電池本体の発電出力
に応じて最適な値に制御するようにしたので、燃料電池
本体にとって最適な温度にできるだけでなく、蒸気の発
生量をも所定の値にすることが可能となり、従って高品
質の熱回収量を低下させることなく、コージェネシステ
ムとして最適な運転を行う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】本発明による燃料電池発電システムの第１の実
施例を示す構成説明図。

【図２】本発明の第２の実施例を示す構成説明図。

【図３】本発明の第３の実施例を示す構成説明図。

【図４】本発明の第４の実施例を示す構成説明図。

【図５】本発明の第５の実施例を示す構成説明図。

【図６】本発明の第６の実施例を示す構成説明図。

【図７】燃料電池本体の電池冷却系の温度条件を示すグ
ラフ。

【図８】従来の高温蒸気回収方式による燃料電池発電シ
ステムの構成説明図。

【符号の説明】

１……燃料電池本体、１Ａ……燃料極、１Ｂ……空気
極、１Ｃ……電池冷却系、２……気水分離器、３……冷
却水循環ポンプ、５……流量調整弁、６……圧力調節
弁、７……吸収式冷凍機、８……冷却水循環ポンプ、９
……流量調整弁、１０……発電出力検出器、１１，１
４，１６……流量制御装置、１２……インバータ、１３
……インバータ制御装置、１５……温度または圧力検出
器。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 空気極に酸素が供給され燃料極に水素が
   供給され、且つ発電時の反応熱を吸収する電池冷却系を
   有する燃料電池本体と、この燃料電池本体の前記電池冷
   却系を通して流れる少なくとも蒸気と水の二相流化した
   冷却水を気相と水相に分離するための気水分離器と、こ
   の気水分離器で分離された冷却水を前記電池冷却系を通
   して循環させる一次冷却水系とを備えた燃料電池発電シ
   ステムにおいて、前記燃料電池本体の発電出力を検出す
   る発電出力検出手段と、この発電出力検出手段で検出さ
   れた発電出力に基いて前記電池冷却系に流れる冷却水の
   流量を調整し蒸気の発生量を制御する流量制御手段とを
   設けたことを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 【請求項２】 空気極に酸素が供給され燃料極に水素が
   供給され、且つ発電時の反応熱を吸収する電池冷却系を
   有する燃料電池本体と、この燃料電池本体の前記電池冷
   却系を通して流れる少なくとも蒸気と水の二相流化した
   冷却水を気相と水相に分離するための気水分離器と、こ
   の気水分離器で分離された冷却水を前記電池冷却系を通
   して循環させる一次冷却水系とを備えた燃料電池発電シ
   ステムにおいて、前記電池冷却系の入口又は出口の少な
   くとも一方の冷却水の温度又は圧力を検出する温度又は
   圧力検出手段と、この温度又は圧力検出手段で検出され
   た温度又は圧力に基いて前記電池冷却系に流れる冷却水
   の流量を調整し蒸気の発生量を制御する流量制御手段を
   設けたことを特徴とする燃料電池発電システム。