JPH06231787A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】燃料電池発電装置において、燃料電池から排出
される空気オフガスと燃料改質装置から排出される燃焼
排ガスとを冷却してこれらに含まれる水分を凝縮する排
ガス冷却器並びに燃料改質装置からの改質ガスを冷却し
てこれに含まれる水分を凝縮する改質ガス冷却器の冷却
通路を流れる冷却媒体により冷却通路の閉塞や冷却通路
を形成する材料の応力腐食割れを防ぐ。 【構成】回収水供給系４４の水処理装置１７の出口から
分岐して改質ガス冷却器２１の冷却通路２２，排ガス冷
却器１４の冷却通路１５，回収水冷却器４７を経由して
水処理装置１７に戻る回収水循環系４８を設け、改質ガ
ス冷却器２１，排ガス冷却器１４を流れる冷却媒体を水
処理装置１７にて水処理された純水にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料改質装置からの改
質ガスや燃焼排ガス、並びに燃料電池からの空気オフガ
スを冷却媒体と熱交換して冷却する熱交換器を有する燃
料電池発電装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】天然ガス，ＬＰＧ，ナフサ等の炭化水素
系やメタノール等のアルコール系の原燃料を燃料改質装
置にて水素に富む改質ガスに改質し、この改質ガスを燃
料電池に供給し、別に供給される空気とにより電池反応
を起こさせて発電する燃料電池発電装置においては、プ
ラントの熱効率を高めたり、運転に必要な水を回収する
ために各種の熱交換器が使用されている。図２はこのよ
うな熱交換器を備えた従来の炭化水素系の原燃料を改質
原料とする燃料電池発電装置の系統図である。図４にお
いて燃料電池発電装置の主要構成機器は下記の通りであ
る。

【０００３】脱硫反応器１は炭化水素系の原燃料に含ま
れる硫黄分を除去する脱硫触媒が充填されている。改質
器２は脱硫反応器１からの脱硫した原燃料を水素に富む
改質ガスに改質する改質触媒が充填された反応部３と、
反応部３を加熱する燃焼ガスを生じさせるバーナ４とを
備えている。ＣＯ変成器５は改質器２からの改質ガスに
含まれるＣＯを変成する変成触媒が充填されるとともに
冷却水が流れる冷却通路６を備えている。

【０００４】燃料電池７は図示しない電解質層と、これ
を挟持する燃料極８及び空気極９と、冷却通路１０を有
する冷却板１１とを備えている。水蒸気分離器１３は燃
料電池７の発電時生じる熱を除熱した冷却水に含まれる
水蒸気を冷却水から分離する。排ガス冷却器１４は工業
用水又は市水が流れる冷却通路１５と、下部に回収水を
貯留する回収水タンク１６とを備え、燃料電池７からの
空気オフガスと改質器２のバーナ４にての燃焼による燃
焼排ガスを冷却し、これらに含まれる水分を凝縮して回
収水にして回収し、下部の回収水タンク１６に貯留す
る。

【０００５】水処理装置１７は回収水タンク１６からの
回収水を純水にするイオン交換式水処理装置である。原
燃料予熱器１８と燃料ガス予熱器１９とは一体化され、
原燃料予熱器１８を流れる原燃料を、また燃料ガス予熱
器１９を流れる水蒸気が付加された原燃料を改質器２か
らの改質ガスと熱交換してそれぞれ加熱する熱交換器で
ある。

【０００６】改質ガス予熱器２０と改質ガス冷却器２１
とは一体化された熱交換器であり、改質ガス冷却器２１
には冷却水としての工業用水又は市水が流れる冷却通路
２２を備え、下部に改質ガス冷却器２１にて改質ガスを
冷却してこれに含まれる水分を凝縮した回収水を貯留す
る回収水タンク２３を備えている。燃焼系予熱器２４は
改質器２からの燃焼排ガスにより改質器２のバーナ４に
供給する燃焼空気及び燃料電池７からの燃料オフガスを
加熱する熱交換器である。

【０００７】このような主要機器の構成により、炭化水
素系の原燃料は原燃料供給系２５を経て原燃料予熱器１
８にて改質ガスとの熱交換により加熱されて脱硫反応器
１に供給され、脱硫される。脱硫された原燃料は脱硫原
燃料供給系２６を経てエゼクタ２７により水蒸気分離器
１３にて冷却水から分離した水蒸気が付加される。そし
て、この水蒸気が付加された原燃料は燃料ガス予熱器１
９にて改質ガスと熱交換して加熱されて改質器２の反応
部３に供給される。

【０００８】改質器２においては、バーナ４にて燃料電
池７の発電時燃料極８から排出され、燃料オフガス排出
系２８を経て供給される未反応水素を含む燃料オフガス
が燃焼空気供給系２９を経てブロワ３０により供給され
る空気により燃焼し、この燃焼ガスにより改質器２の反
応部３を加熱して反応部３を通流する水蒸気が付加され
た原燃料を水素に富む改質ガスに水蒸気改質する。この
際、燃料オフガス及び燃焼空気は燃焼系予熱器２４によ
り改質器２からの燃焼排ガスと熱交換して加熱されてバ
ーナ４に供給される。

【０００９】改質器２で水蒸気改質された改質ガスは改
質ガス供給系３２を経て原燃料予熱器１８，燃料ガス予
熱器１９にて原燃料及び水蒸気を付加した原燃料をそれ
ぞれ熱交換により加熱した後ＣＯ変成器５に供給され、
改質ガスに含まれるＣＯが変成され、ＣＯ濃度の低い改
質ガスになる。なお、ＣＯの変成時発生する熱は、燃料
電池７の発電時生じる熱を除熱する冷却水循環系３９か
ら分岐するＣＯ変成器冷却系３３を経て冷却通路６を流
れる冷却水により除熱され、反応温度が保持される。

【００１０】ＣＯ変成器５からの改質ガスは改質ガス予
熱器２０，改質ガス冷却器２１を流れ、冷却通路２２を
流れる工業用水又は市水により冷却されて改質ガスに含
まれる水分は凝縮して回収水になり、さらに改質ガス予
熱器２０にて改質ガスと熱交換して加熱されて燃料電池
７の燃料極８に供給される。なお、前記回収水は改質ガ
ス冷却器２１の下部の回収水タンク２３に貯留され、回
収水送水系３４を経て排ガス冷却器１４の回収水タンク
１６に送水される。

【００１１】一方、ブロワ３６により空気は空気供給系
３７を経て燃料電池７の空気極９に供給され、燃料電池
７は前記供給される改質ガスとにより電池反応を起こし
て発電する。そして発電時生じる熱は、冷却板１１の冷
却通路１０と水蒸気分離器１３とを経由する冷却水循環
系３９をポンプ４０により循環される冷却水により冷却
板１１を介して除熱され、運転温度が保持される。

【００１２】ここで、空気極９から排出される空気オフ
ガスは空気オフガス排出系４１を経て排ガス冷却器１４
に供給され、冷却通路１５を流れる工業用水又は市水に
より冷却され、電池反応時生じた空気オフガスに含まれ
る水分は凝縮して回収水になる。また同時に改質器２の
バーナ４での燃焼による燃焼排ガスも燃焼排ガス排出系
４２を経て排ガス冷却器１４に供給されて前述と同様に
冷却され、燃焼排ガスに含まれる水分は凝縮して回収水
になり、回収水タンク１６に貯留される。そして、回収
水タンク１６の回収水はポンプ４３により回収水供給系
４４を経て水処理装置１７に送水され、純水にして冷却
水循環系３９に合流される。ここで、純水にするのは燃
料電池７を流れる冷却水の電気抵抗を大きくして外部と
電気的に絶縁するためである。

【００１３】なお、排ガス冷却器１４で凝縮しない気体
は排気系５０から外部に排気される。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上記の燃料電池発電装
置において、運転に必要とする水は熱交換器である改質
ガス冷却器２１にて改質ガスに含まれる水分を冷却，凝
縮した回収水と、熱交換器である排ガス冷却器１４にて
空気オフガス及び燃焼排ガスに含まれる水分を冷却，凝
縮した回収水とを使用しているが、改質ガス冷却器２１
の冷却通路２２及び排ガス冷却器１４の冷却通路１５を
流れる冷却媒体である冷却水は工業用水や市水が使われ
ている。このため冷却水中の残留分の影響で冷却通路２
２，１５が閉塞したり、冷却通路２２，１５を形成する
材料の応力腐食割れを起こして運転が不能になるという
問題がある。

【００１５】本発明の目的は、運転に必要な水を回収す
る熱交換器に冷却媒体による閉塞や応力腐食割れを起こ
させない燃料電池発電装置を提供することである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明によれば燃料電池から排出される空気オフガ
ス及び燃料改質装置から排出される燃焼排ガスを冷却通
路を流れる第１の冷却媒体により冷却して空気オフガス
と燃焼排ガスとに含まれる水分を凝縮して回収水にする
排ガス冷却器と、燃料改質装置からの改質ガスを冷却通
路を流れる第２の冷却媒体により冷却して改質ガスに含
まれる水分を凝縮して回収水にする改質ガス冷却器と、
前記両冷却器からの回収水を純水にする水処理装置とを
備える燃料電池発電装置において、排ガス冷却器及び改
質ガス冷却器の第１，第２の冷却媒体を水処理装置から
の純水にし、排ガス冷却器及び改質ガス冷却器から排出
される純水を冷却通路を流れる第３の冷却媒体により冷
却して水処理装置に供給する回収水冷却器とを設けるも
のとする。

【００１７】上記において水処理装置からの純水は、改
質ガス冷却器の冷却通路を通流した後排ガス冷却器の冷
却通路を通流し、排ガス冷却器から排出された純水を回
収水冷却器で冷却して水処理装置に戻す回収水循環系を
設けるものとする。

【００１８】

【作用】燃料電池の電池反応による発電時排出される空
気オフガス及び燃料改質装置での原燃料を水蒸気改質の
ために加熱する熱媒体として使用する燃料電池の発電時
排出される燃料オフガスを燃焼した燃焼ガスの燃焼排ガ
スを冷却して空気オフガスと燃焼排ガスとに含まれる水
分を凝縮する排ガス冷却器と、燃料改質装置からの改質
ガスを冷却してこのガスに含まれる水分を凝縮して回収
水にする改質ガス冷却器との各冷却通路を通流する冷却
媒体を、前記両冷却器からの回収水を水処理装置により
水処理した純水にすることにより、排ガス冷却器と改質
ガス冷却器との冷却通路には純水が流れるので、冷却通
路が閉塞したり、冷却通路を形成する材料の応力腐食割
れは生じない。

【００１９】なお、空気オフガス，燃焼排ガス並びに改
質ガスを冷却して昇温した純水は回収水冷却器にて冷却
媒体により冷却されて水処理装置に戻される。ここで、
水処理装置からの純水は水処理装置→改質ガス冷却器→
排ガス冷却器→回収水冷却器→水処理装置を経る回収水
循環系を流れ、改質ガス冷却器にて改質ガスを冷却した
後、この冷却器から排出され昇温した純水は排ガス冷却
器にて空気オフガス及び燃焼排ガスを冷却する。

【００２０】

【実施例】以下図面に基づいて本発明の実施例について
説明する。図１は本発明の実施例による燃料電池発電装
置の系統図である。図１において図２の従来例と異なる
のは、回収水供給系４４の水処理装置１７の出口から分
岐して循環ポンプ４６を備え、改質ガス冷却器２１の冷
却通路２２、排ガス冷却器１４の冷却通路１５を経て回
収水供給系４４のポンプ４３の入口に合流し、さらに水
処理装置１７とポンプ４３との間に排ガス冷却器１４の
冷却通路１５から排出される回収水を冷却する回収水冷
却器４７を設けた回収水循環系４８を設けたことであ
る。なお、回収水冷却器４７は冷却通路４９を備え、冷
却通路４９を流れる冷却媒体は工業用水又は市水とす
る。

【００２１】このような構成により、水処理装置１７に
て水処理された純水の回収水は循環ポンプ４６により昇
圧されて改質ガス冷却器２１の冷却通路２２を通流して
改質ガス冷却器２１に通流する改質ガスを冷却してこれ
に含まれる水分を凝縮して回収水にし、つぎに冷却通路
２２から排出された純水の回収水は排ガス冷却器１４の
冷却通路１５を通流し、排ガス冷却器１４に流入する空
気オフガス及び燃焼排ガスを冷却し、これらに含まれる
水分を凝縮して回収水にする。そして、排ガス冷却器１
４の冷却通路１５から排出される純水の回収水はポンプ
４３により水処理装置１７に送出される。

【００２２】なお、回収水冷却器４７により排ガス冷却
器１４の冷却通路１５から排出され昇温した純水の回収
水は回収水タンク１６からの回収水とともに回収水冷却
器４７の冷却通路４９を流れる工業用水又は市水により
冷却される。この場合、回収水冷却器では温度レベル的
に低いため、冷却水として工業用水又は市水を使用して
も冷却通路４９の閉塞や冷却通路４９を形成する材料の
応力腐食割れが生じない。

【００２３】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば前述の構成により、改質ガス冷却器及び排ガス
冷却器の各冷却通路を流れる冷却媒体は水処理装置によ
り水処理された純水の回収水としたので、冷却通路の閉
塞や冷却通路を形成する材料の応力腐食割れが生ぜず、
このため発電装置として長期間の安定した運転が可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による燃料電池発電装置の系統
図

【図２】従来の燃料電池発電装置の系統図

【符号の説明】

２ 改質器 ７ 燃料電池 １４ 排ガス冷却器 １５ 冷却通路 １７ 水処理装置 ２１ 改質ガス冷却器 ２２ 冷却通路 ４７ 回収水冷却器 ４８ 回収水循環系

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料電池から排出される空気オフガス及び
   燃料改質装置から排出される燃焼排ガスを冷却通路を流
   れる第１の冷却媒体により冷却して空気オフガスと燃焼
   排ガスとに含まれる水分を凝縮して回収水にする排ガス
   冷却器と、燃料改質装置からの改質ガスを冷却通路を流
   れる第２の冷却媒体により冷却して改質ガスに含まれる
   水分を凝縮して回収水にする改質ガス冷却器と、前記両
   冷却器からの回収水を純水にする水処理装置とを備える
   燃料電池発電装置において、排ガス冷却器及び改質ガス
   冷却器の第１，第２の冷却媒体を前記水処理装置からの
   純水にし、排ガス冷却器及び改質ガス冷却器から排出さ
   れる純水を冷却通路を流れる第３の冷却媒体により冷却
   して水処理装置に供給する回収水冷却器とを備えたこと
   を特徴とする燃料電池発電装置。
2. 【請求項２】請求項１記載のものにおいて、水処理装置
   からの純水は、改質ガス冷却器の冷却通路を通流した後
   排ガス冷却器の冷却通路を通流し、排ガス冷却器から排
   出された純水を回収水冷却器で冷却して水処理装置に戻
   す回収水循環系を設けたことを特徴とする燃料電池発電
   装置。