JPH0529015A - 燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、燃料電池本体から回収される熱エネ
ルギを有効に回収すると共に、水処理装置の処理レベ
ル、容量を最適化することにある。 【構成】燃料電池本体１から発生する熱が電池冷却板１
Ｃを介して供給される冷却水を循環させて熱エネルギを
吸収する電池冷却水系を備えた燃料電池発電システムに
おいて、電池冷却水系を系外と物質の出入りのない閉じ
た系として構成し、この電池冷却水系に燃料電池本体１
から回収した熱を電池冷却水系の外部に取出す熱交換器
１５を設けると共に、温度センサ１３により検出された
電池冷却板１Ｃの入口側または出口側の冷却水温度検出
信号をもとに開度信号を求める制御装置１４を設け、こ
の制御装置１４により調節弁１６の開度を調節して熱交
換器１５による系外への熱交換量を制御する。

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３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】図３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
板１Ｃを備えた燃料電池本体で、この燃料電池本体１の
電池冷却板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。

【０００６】この気水分離器２で分離された蒸気は蒸気
ライン３を通して図示しない燃料改質器に燃料改質用蒸
気４として送出され、余剰蒸気は熱利用系に設けられた
吸収式冷凍機５に高品質の熱エネルギーとして供給さ
れ、ここで熱源としての冷熱を発生させる。この吸収式
冷凍機５の冷熱発生によって凝縮した水は、気水分離器
２へ回収される。また、気水分離器２の回収系を分岐し
て凝縮水の一部が排熱利用系水処理装置６へ導入され、
ここで電池冷却水系の水質を維持するため水処理が行わ
れ、凝縮水回収ポンプ７により気水分離器２へ導入され
る。

【０００７】この場合、電池冷却水系から燃料改質器に
燃料改質用蒸気として送出される量は、常時減少して行
くため、この減少量に相当する量の補給水８を排熱利用
系水処理装置６へ導入し、電池冷却系の要求水質を満足
するように処理した後、前述した凝縮水と共に気水分離
２に戻している。

【０００８】一方、気水分離器２で分離された凝縮水
は、気水分離器２から降水管９を経て降下し、電池冷却
水循環ポンプ１０を介して電池冷却水温度調節器（熱交
換器）１１へ送られ、ここで電池入口温度として適温に
調整された冷却水は調節弁１２を介して燃料電池本体１
の電池冷却板１Ｃに流入する。この場合、調節弁１２は
電池冷却板１Ｃ入口の冷却水温度を所定の温度に保つ目
的で、電池冷却板１Ｃの入口側に設けられた温度センサ
１３の検出信号を制御装置１４に入力し、この検出信号
をもとに演算して得られた制御信号により調節弁１２の
開度を制御している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】このように従来の燃料
電池発電システムにおいては、要求水質の異なるルー
プ、つまり電池冷却水系、蒸気発生系、熱利用系の各々
が連通して独立していないため、系統全体の包含水の水
質を要求の最も高い水系の値に合せる必要があった。最
も水質要求の高い水系は電池冷却水系であり、次が蒸気
発生系、そして熱利用系の順となっている。

【００１０】そのため、熱利用系としての包含水および
改質用蒸気の減少分を補填するための補給水に関して、
その水質を水質要求の最も高い水系の要求値に合せる必
要があり、水処理装置に必要とされる性能および処理容
量が最適化されていないのが現状である。

【００１１】また、燃料電池本体１から電池冷却水に吸
収された熱エネルギの内、気水分離器２において取出さ
れた蒸気相当分以外は、電池冷却水系温度調節器１１に
おいて低温側流体に移動し、高温排熱として回収するこ
とができなかった。

【００１２】本発明の目的は、燃料電池本体から回収さ
れる熱エネルギを有効に回収することができると共に、
水処理装置の処理レベル、容量を最適化することができ
る燃料電池発電システムを提供するにある。

【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、燃料電池本体から発生する熱が電池冷却板
を介して供給される冷却媒体を循環させて熱エネルギを
吸収する電池冷却媒体系を備えた燃料電池発電システム
において、前記電池冷却媒体系を系外と物質の出入りの
ない閉じた系として構成し、この電池冷却媒体系に前記
燃料電池本体から回収した熱を外部の系に取出す熱交換
器を設けると共に、この熱交換器の系外への熱交換量を
前記電池冷却媒体系に流れる冷却媒体の温度または圧力
に応じて調節する制御手段を設けるようにしている。

【００１４】また、本発明は燃料電池本体から発生する
熱が電池冷却板を介して供給される冷却媒体を循環させ
て熱エネルギを吸収する電池冷却媒体系を備えた燃料電
池発電システムにおいて、前記電池冷却媒体系を系外と
物質の出入りのない閉じた系として構成し、この電池冷
却媒体系より前記燃料電池本体から回収した熱を系外部
の二次側受熱流体系に伝達してその回収熱により二次冷
却媒体を蒸発させ、且つこの蒸気の気液を分離して蒸気
分を取出す蒸気発生手段を設けている。

【００１５】

【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、燃料電池本体の電池冷却媒体系が系外と物質の出
入りのない閉じた系から、燃料電池本体で回収した熱が
系外に取出すことができるので、電池冷却媒体系の処理
装置の能力を著しく軽減することが可能となる。また、
系外への熱交換量が電池冷却媒体系に流れる冷却媒体の
温度または圧力に応じて調節すれば、燃料電池本体から
回収される熱エネルギを有効に回収することが可能とな
る。

【００１６】

【実施例】以下本発明の実施例を図面を参照して説明す
る。

【００１７】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、図３と同一部品には同
一記号を付して示す。図１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
電池冷却板１Ｃを備えた燃料電池本体で、この燃料電池
本体１の電池冷却板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単相流となっ
て電池冷却板１Ｃより流出し、三方形の調節弁１６の一
方の流出側弁体を通して電池冷却水系熱交換器１５に送
られ、ここで熱交換された電池冷却水は調節弁１６の他
方の流出側弁体を通して熱交換器１５をバイパスする冷
却水と合流して電池冷却水系循環ポンプ１０により、燃
料電池本体１の電池冷却板１Ｃに戻し循環させている。
この場合、調節弁１６は燃料電池本体１の電池冷却板１
Ｃ入口側の温度を検出する温度センサ１３からの温度検
出信号が入力される制御装置１４により弁開度が制御さ
れるようになっている。

【００１８】なお、ここでは電池冷却水入口温度を検出
して制御装置１４により弁開度の制御信号を得るように
しているが、電池冷却水出口温度を検出しても実質的は
同じである。

【００１９】また、電池冷却水系熱交換器１５より電池
冷却水系循環ポンプ１０に至る流路を分岐して電池冷却
水の一部を電池冷却水系水処理装置１８に供給し、ここ
で水処理を行って電池冷却水系循環ポンプ１０の流出路
に戻している。

【００２０】一方、電池冷却水系熱交換器１５の二次側
を通る二次冷却水は電池冷却水から熱回収された熱によ
り低温側出口は二相流状態となり、気水分離器２に導入
される。この気水分離気２で分離された蒸気は蒸気ライ
ン３を通して図示しない改質器に燃料改質用蒸気として
送出され、また余剰蒸気は熱利用系に設けられた吸収式
冷凍機５に高品質の熱エネルギーとして供給され、ここ
で熱源としての冷熱を発生させる。この吸収式冷凍機５
の冷熱発生によって凝縮した水は、凝縮水回収ポンプ７
により気水分離器２で分離された凝縮水と合流し、さら
に二次冷却水循環ポンプ１７により電池冷却水系熱交換
器１５の二次側へ戻している。

【００２１】また、二次冷却水循環ポンプ１７から電池
冷却水系熱交換器１５の二次側に至る流路を分岐して二
次冷却水の一部を排熱利用系水処理装置６へ導入し、こ
こで二次冷却水系の要求水質を満足するように処理した
後、二次冷却水循環ポンプ１７の入口側に戻している。

【００２２】この場合、二次冷却水系から燃料改質器に
燃料改質用蒸気として送出される量は、常時減少して行
くため、この減少量に相当する量の補給水８を排熱利用
系水処理装置６へ導入している。次にこのように構成さ
れた燃料電池発電システムの作用を述べる。

【００２３】燃料電池本体１で発生する熱は、電池冷却
板１Ｃにおいて電池冷却水に回収される。この電池冷却
水は、回収熱量、電池冷却水の流量、圧力、入口温度等
の条件によって異なるが、ここでは単相として電池冷却
板１Ｃより流出する。

【００２４】この電池冷却板１Ｃより出た電池冷却水
は、電池冷却系熱交換器１５へ調節弁１６を通して送水
される。この場合、調節弁１６は電池冷却板１Ｃの入口
温度の電池要求温度を満足する目的で、温度センサ１３
により検出された電池冷却板１Ｃの入口温度検出信号が
入力される制御装置１４により開度制御され、電池冷却
系熱交換器１５における交換熱量が調節されている。従
って、燃料電池本体１から電池冷却水への回収熱量の一
部あるいは全量を排熱利用系に回収させることができる
ことになる。そして、電池冷却系熱交換器１５を出た電
池冷却水は、電池冷却水系循環ポンプ１０を介して電池
冷却板１Ｃへと循環する。

【００２５】一方、二次冷却水は電池冷却水熱交換器１
５を介して回収された熱により、低温側出口は二相流と
なり、気水分離器２に導入される。この気水分離器２に
おいて、二相流は蒸気と凝縮水に分離され、蒸気は蒸気
ライン３から気水分離器２外へ送出され、凝縮水は降水
管９を経て二次冷却水循環ポンプ１７へ送られる。

【００２６】ここで、蒸気ライン３を経て取出された蒸
気の一部は燃料改質蒸気４として燃料改質系に、その残
分が高温排熱蒸気として熱利用系に送出される。この蒸
気は吸収式冷凍機５の熱源として利用され、ここで凝縮
した水は凝縮水回収ポンプ７を介して排熱利用系に戻さ
れ、降水管９を経て送られてきた水と合流し、二次冷却
水循環ポンプ１７を介して昇圧した後、再度電池冷却水
系熱交換器１５へと導入される。

【００２７】このように本実施例のシステムにおいて
は、電池冷却水系がクローズドサイクルとなっているた
め、電池冷却水系の接液部分の材質を水質劣化の少ない
材質とすることで水質管理が容易になる。例えば、循環
水の一部を系内から取出し、イオン交換樹脂程度の電池
冷却水系水処理装置１３にて処理した後、再度系内に戻
すことにより、電池冷却水系の水質要求を満足すること
が可能となる。

【００２８】また、排熱利用系では、燃料改質用蒸気４
の取出しに伴う総水量の減少分を補うため、随時排熱利
用系外からの補給水が必要である。また、蒸気の取出し
による不純物の濃縮を回避するため、水処理が必要であ
る。本実施例では排熱利用系としての要求値を満たすた
めの排熱利用系水処理装置６は必要であるが、排熱利用
系の循環水を電池冷却水系の水質要求値を満足させるた
めに必要な水処理装置に比べれば、簡単な水処理系で対
応させることが可能となる。

【００２９】さらに、電池冷却水については、従来シス
テムの場合、電池冷却板１Ｃ、気水分離器２、電池冷却
水温度調節器および排熱利用系を含む配管等からの水質
低下を補償する処理容量の水処理装置が必要であった
が、本実施例では電池冷却板１Ｃ、電池冷却水系熱交換
器１５、配管等に相当する処理容量の水処理装置があれ
ばよい。すなわち、比較的水質汚染の大きい排熱利用系
が分離されたので、電池冷却水系の水処理装置の能力を
著しく軽減することができる。また、補給水８について
は、従来システムの場合電池冷却水系の水質の補給水が
必要であったが、本実施例によれば排熱利用系の水質の
補給水でよいことになる。よって、従来システムに比較
して水処理系の処理レベル、処理容量を低減することが
できる。

【００３０】以上のように本実施例では、高品質の高温
排熱を燃料電池本体より回収して熱利用系へ回収するこ
とが可能となり、また水処理装置の性能、容量の最適化
が可能となる。図２は本発明の第２の実施例を示す系統
構成図で、第１図と同一部分には同一記号を付して示
す。

【００３１】図２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
板１Ｃを備えた燃料電池本体で、この燃料電池本体１の
電池冷却板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単相流となって電池冷
却板１Ｃより流出し、三方形の調節弁１６の一方の流出
弁体を通して電池冷却水系循環ポンプ１０に導入され、
この電池冷却水系循環ポンプ１０により燃料電池本体１
の電池冷却板１に戻す電池冷却水系を通して循環させて
いる。この場合、調節弁１６は燃料電池本体１の電池冷
却板１Ｃ入口側の温度を検出する温度センサ１３からの
温度検出信号が入力される制御装置１４により弁開度が
制御されるようになっている。

【００３２】なお、ここでは電池冷却水入口温度を検出
して制御装置１４により弁開度の制御信号を得るように
しているが、電池冷却水出口温度を検出しても実質的は
同じである。

【００３３】また、電池冷却水系循環ポンプ１０の導入
側流路を分岐して電池冷却水の一部を電池冷却水系水処
理装置１８に供給し、ここで水処理を行って電池冷却水
系循環ポンプ１０の流出路に戻している。

【００３４】一方、１９は燃料電池本体１で発生した熱
を電池冷却水系から排熱利用系に回収する機能と、この
回収した熱により二次冷却水蒸気を発生させ、且つこの
蒸気を気液分離してその蒸気分を取出す機能を有する蒸
気発生器で、この蒸気発生器１９の伝熱部１９ａに三方
形の電磁弁の他方の流出弁体を介して電池冷却水が導入
され、ここで熱回収された冷却水は電池冷却水系循環ポ
ンプ１０側に送られる。また、蒸気発生器１９で発生し
た二次冷却水蒸気は気液分離部１９ｂより取出され、蒸
気ライン３を通して燃料改質用蒸気として送出されると
共に、その余剰蒸気は吸収式冷凍機５に送込まれ、ここ
で凝縮した水は凝縮水回収ポンプ７を介して蒸気発生器
１９に二次冷却水として戻される。また、凝縮水回収ポ
ンプ７より流出する二次冷却水の一部は排熱利用系水処
理装置６に導入され、ここで水処理された二次冷却水は
凝縮水回収ポンプ７の導入側に戻される。

【００３５】この場合、蒸気ライン３から燃料改質器に
燃料改質用蒸気として送出される二次冷却水蒸気量は、
常時減少して行くため、この減少量に相当する量の補給
水８を排熱利用系水処理装置６へ導入している。次にこ
のように構成された燃料電池発電システムの作用を述べ
る。

【００３６】燃料電池本体１で発生した熱は、電池冷却
板１Ｃにおいて電池冷却水に回収される。この電池冷却
板１Ｃで熱回収した電池冷却水は、三方形の電磁弁１６
の他方の流出弁体を介して蒸気発生器１９の伝熱部１９
ａに送水される。この場合、三方形の電磁弁１６は、電
池冷却板１Ｃの入口温度の電池要求温度を満足する目的
で、温度センサ１３により検出された燃料電池本体１の
入口側の温度検出信号を入力とする制御装置１４の演算
結果に基づき開度制御され、蒸気発生器１９の伝熱部１
９ａにおける交換熱量が調節される。これにより、燃料
電池本体１から電池冷却水に回収された回収熱量の一部
あるいは全量が二次冷却水に移動する。

【００３７】蒸気発生器１９内の二次冷却水は、この移
動した熱エネルギにより昇温、蒸発する。この水蒸気は
気液分離部１９ｂにおいて液分を分離し、蒸気ライン３
を経て一部は燃料改質用蒸気４として，燃料改質器へ送
出され、残分は熱利用系の吸収式冷凍機５に高品質エネ
ルギとして供給される。この吸収式冷凍機５で利用され
て凝縮した液分は凝縮水回収ポンプ７を介して排熱利用
系に戻され、蒸気発生器１９の液部に導入される。

【００３８】このように本実施例のシステムにおいて
は、燃料電池冷却板１Ｃ、電池冷却水系熱交換器１５、
配管等に相当する処理容量の水処理装置１８により電池
冷却水系を構成し、比較的水質汚染の大きい排熱利用系
を分離しているので、従来のシステムに比べて電池冷却
水系の水処理装置の低下を著しく軽減することが可能と
なる。

【００３９】また、本実施例では、排熱利用系としての
要求値を満たすための排熱利用系水処理装置６が必要で
あるが、排熱利用系の循環水を電池冷却水系の水質要求
値を満足させるために必要な水処理装置に比べれば、簡
単な水処理系で対応することができる。さらに、補給水
８についても、従来システムでは電池冷却水系水質の補
給水が必要であったが、本実施例では排熱利用系の水質
の補給水でよいことになる。

【００４０】尚、前述した各実施例では電池冷却板１Ｃ
から流出される電池冷却水が単相流の場合について述べ
たが、電池冷却板１Ｃから二相流となって流出する場合
についても実質的に同じである。

【００４１】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、燃料
電池本体から回収される熱エネルギを有効に回収するこ
とができると共に、水処理装置の処理レベル、容量を最
適化す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】従来の燃料電池発電システムの一例を示す構成
説明図。

【符号の説明】

１……燃料電池本体、１Ａ……燃料極、１Ｂ……空気
極、１Ｃ……電池冷却板、２……気水分離器、３……蒸
気ライン、４……燃料改質用蒸気、５……吸収式冷凍
機、６……排熱利用系水処理装置、７……凝縮水回収ポ
ンプ、８……補給水、９……降水管、１０……電池冷却
水循環ポンプ、１３……温度センサ、１４……制御装
置、１５……熱交換器、１６……調節弁、１７……二次
冷却水系水処理装置、１８……電池冷却水系水処理装
置、１９……蒸気発生器、１９ａ……伝熱部、１９ｂ…
…気液分離部。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料電池本体から発生する熱が電池冷却
   板を介して供給される冷却媒体を循環させて熱エネルギ
   を吸収する電池冷却媒体系を備えた燃料電池発電システ
   ムにおいて、前記電池冷却媒体系を系外と物質の出入り
   のない閉じた系として構成し、この電池冷却媒体系に前
   記燃料電池本体から回収した熱を電池冷却媒体系の外部
   に取出す熱交換器を設けると共に、この熱交換器の系外
   への熱交換量を前記電池冷却媒体系に流れる冷却媒体の
   温度または圧力に応じて調節する制御手段を設けるよう
   に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】 燃料電池本体から発生する熱が電池冷却
   板を介して供給される冷却媒体を循環させて熱エネルギ
   を吸収する電池冷却媒体系を備えた燃料電池発電システ
   ムにおいて、前記電池冷却媒体系を系外と物質の出入り
   のない閉じた系として構成し、この電池冷却媒体系より
   前記燃料電池本体から回収した熱を電池冷却媒体系外の
   二次側受熱流体系に伝達してその回収熱により二次冷却
   媒体を蒸発させ、且つこの蒸気の気液を分離して蒸気分
   を取出す蒸気発生手段を設けたことを特徴とする燃料電
   池発電システム。