JPH06310163A - 燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 エネルギーの有効利用に供する燃料電池発電
システムを提供する。 【構成】 電気を発生すると共に、熱を利用する排熱利
用機器１１０に、発電の際に発生した熱を供給する燃料
電池発電システム１において、水素ガスを成分とする原
燃料ガスから、水素ガスを分離するガス分離部１０と、
ガス分離部１０が発生した水素ガスを燃料として用いて
発電する燃料電池部２０と、ガス分離部１０で分離され
た後の残ガスと燃料電池部２０で未反応となった水素ガ
スと原燃料ガスとの少なくとも１つのガスを燃焼して温
水または蒸気を発生し、この温水または蒸気の有する熱
エネルギーを排熱利用機器に供給するボイラ部３０とを
有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、燃料電池で電気を発
生する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には、燃料として
ＬＮＧ（液化天然ガス）、都市ガス（１３Ａ）、ＬＰＧ
（液化石油ガス）、メタノールなどを原燃料として用い
るものがある。この燃料電池発電システムの一例を図２
に示す。

【０００３】この燃料電池発電システム５０では、改質
器５１で、導管２０１からの原燃料と、水蒸気分離器５
２から導管２０２を通って来る水蒸気Ａとを５００〜７
００度の温度で反応させて、水素リッチな改質ガスを発
生させる。

【０００４】熱交換器５３で改質器５１のバーナの燃焼
排ガスから熱を回収して排熱利用機器３０１に送り、熱
交換器５４で改質器５１からの改質ガスから熱を回収し
て、排熱利用機器３０１に送る。

【０００５】電池スタック５５は、改質ガス中の水素
を、空気ブロア５６からの空気中の酸素と反応させて電
気を発生する。このとき、電池スタック５５で未反応の
残水素ガスは、改質器５１のバーナで燃焼する。熱交換
器５７で電池スタック５５から排出される残空気から熱
を回収して排熱利用機器３０１に送る。

【０００６】また、電池スタック５５は、発電時に、水
蒸気分離器５２から循環ポンプ５８を経由して来る循環
水Ｂで冷却される。熱交換器５９で電池スタック５５を
冷却した循環水から高温の熱を回収して排熱利用機器３
０２に送る。

【０００７】このような燃料電池発電システムは、燃料
エネルギーから電気を発生すると共に、排熱を利用する
ことができるので、エネルギーを有効に利用できる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、先に述べた
燃料電池発電システムは、水素ガスを成分とする原燃料
ガスであっても、水素ガスを製造するときに、改質器５
１を用いる。すなわち、この改質器５１に原燃料と水蒸
気分離器５２で気水分離された水蒸気Ａを投入して加熱
することによって水素を製造する。このために、水素ガ
スを成分とする原燃料ガスから水素を得るのに効率が悪
く、熱交換器５９で回収できる高温の熱が水蒸気Ａの保
有する熱分だけ少なくなる。

【０００９】また、電池スタック５５の起動時に、水素
ガスと空気中の酸素との反応を促進するために、加熱し
た循環水Ｂを電池スタック５５に供給するが、電気ヒー
タ５２Ａで加熱するため長時間を要する。

【００１０】この発明の目的は、このような欠点を除
き、効率のよい燃料電池発電システムを提供することに
ある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】その目的を達成するた
め、第１の発明は、水素ガスを成分とする原燃料ガスか
ら、水素ガスを分離するガス分離部と、ガス分離部が発
生した水素ガスを燃料として用いて発電する燃料電池部
とを有する。

【００１２】第２の発明は、電気を発生すると共に、熱
を利用する排熱利用機器に、発電の際に発生した熱を供
給する燃料電池発電システムにおいて、水素ガスを成分
とする原燃料ガスから、水素ガスを分離するガス分離部
と、ガス分離部が発生した水素ガスを燃料として用いて
発電する燃料電池部と、ガス分離部で分離されなかった
残ガスと燃料電池部で未反応となった水素ガスと原燃料
ガスとの少なくとも１つのガスを燃焼して温水または蒸
気を発生し、この温水または蒸気の有する熱エネルギー
を排熱利用機器に供給するボイラ部とを有する。

【００１３】

【作用】第１の発明により、燃料電池部は、ガス分離部
が分離した水素ガスを燃料として発電する。

【００１４】また、第２の発明により、ボイラ部で、ガ
ス分離部からの残ガスや燃料電池部からの残水素ガス等
を燃焼して温水または蒸気を発生し、この温水または蒸
気の有する熱エネルギーを排熱利用機器に供給する。

【００１５】

【実施例】次に、この発明の実施例を、図面を用いて説
明する。

【００１６】図１は、この発明の一実施例を示す説明図
である。この燃料電池発電システム１は、電気を発生す
ると共に、発電に寄与しなかった残水素やガス分離部で
分離されなかった残ガスあるいは原燃料ガスをボイラ３
１で燃焼して温水や蒸気を得て、その温水や蒸気の熱を
排熱利用機器１１０に供給する。ここで用いられる排熱
利用機器１１０としては、吸収式冷凍機や外燃機関（ス
ターリングエンジン等）などがある。この燃料電池発電
システム１は、ガス分離部１０と、燃料電池部２０と、
ボイラ部３０と、制御部４０とを備える。

【００１７】燃料電池発電システム１のガス分離部１０
は、水素ガスを成分とする原燃料ガスから水素ガスを分
離する。ガス分離部１０は、ガス分離器１１と、三方バ
ルブ１２，１３とを備える。

【００１８】ガス分離部１０のガス分離器１１は、導管
１０１から三方バルブ１２を通って来る原燃料ガスから
水素ガスを分離する。この分離のために、ガス分離器１
１には、たとえばガス分離膜（図示を省略）を用いる。
このガス分離膜として、ポリイミド分離膜などがある。
ガス分離器１１は、分離されなかった残ガスをボイラ部
３０に送る。

【００１９】三方バルブ１２は、制御部４０の制御で、
原燃料ガスをガス分離器１１またはボイラ部３０に送
る。三方バルブ１３は、制御部４０の制御で、燃料電池
部２０からの残水素ガスをボイラ部３０に送るか、また
は再び燃料電池部２０に送る。

【００２０】燃料電池発電システム１のボイラ部３０
は、燃料電池部２０の発電中はガス分離器１１からの残
ガスや、燃料電池部２０で未反応の残水素ガスを燃焼し
て温水や蒸気を発生し、この温水や蒸気の有する熱を排
熱利用機器１１０に供給する。ボイラ部３０は、温水ま
たは蒸気ボイラ３１と、三方バルブ３２，３３と、熱交
換器３４とを備える。

【００２１】ボイラ部３０の温水または蒸気ボイラ３１
は、三方バルブ１２からの原燃料ガスやガス分離器１１
からの残ガスや三方バルブ１３からの残水素ガスを燃料
として、温水や蒸気を発生して三方バルブ３２に送る。

【００２２】三方バルブ３２は、制御部４０の制御で、
温水または蒸気ボイラ３１からの温水や蒸気を熱交換器
３４または排熱利用機器１１０に送る。三方バルブ３３
は、制御部４０の制御で、熱交換器３４または熱交換器
２３で熱交換を終えた低温水やドレンを温水または蒸気
ボイラ３１に戻す。

【００２３】熱交換器３４で、燃料電池部２０の起動時
に、導管１０２を流れる循環水が加熱され、電池スタッ
ク２１を発電可能な温度まで昇温する。

【００２４】燃料電池発電システム１の燃料電池部２０
は、ガス分離器１１が発生した水素ガスを燃料として用
いて発電する。燃料電池部２０は、電池スタック２１
と、空気ブロア２２と、熱交換器２３，２４と、水蒸気
分離器２５と、循環ポンプ２６とを備える。

【００２５】燃料電池部２０の電池スタック２１は、単
電池（セル）を複数枚、重ね合わせたものである。単電
池は電解質を燃料極（負極）と空気極（正極）とで挟ん
で一組としたものである。電池スタック２１の各燃料極
には、ガス分離器１１からの水素ガスが供給され、各空
気極には空気ブロア２２からの空気が供給される。そし
て、空気中の酸素と水素が電気化学的に反応して電気を
発生する。

【００２６】水蒸気分離器２５は、発電時の電池スタッ
ク２１を冷却した循環水（気液二相流）を気水分離す
る。また、水蒸気分離器２５は、燃料電池保護のための
ダミーロード用として用いられる電気ヒータ２５Ａを備
える。

【００２７】循環ポンプ２６は、水蒸気分離器２５の保
有する循環水を電池スタック２１に送り込む。

【００２８】熱交換器２３で電池スタック２１からの排
ガス、すなわち電池スタック２１内で酸素が消費された
排空気から低温の熱を回収して三方バルブ３３に送る。
熱交換器２４で電池スタック２１の排熱を高温水として
回収し、三方バルブ１１１に送る。

【００２９】燃料電池発電システム１の制御部４０は、
電池スタック２１の起動時や発電時に、三方バルブ１
２，１３，３２，３３を制御して、ガスや温水、蒸気等
の流れる方向を変える。

【００３０】次に、この実施例の動作について説明す
る。

【００３１】まず、電池スタック２１の起動時には、燃
料電池発電システム１は次の動作をする。

【００３２】制御部４０は、三方バルブ１２を制御し
て、導管１０１から来る原燃料ガスをボイラ３１に送
り、温水または蒸気ボイラ３１で温水または蒸気を得
る。

【００３３】一方、制御部４０は、三方バルブ３２，３
３を制御して、温水または蒸気ボイラ３１からの温水ま
たは蒸気を熱交換器３４に送る。熱交換器３４で循環ポ
ンプ２６により導管１０２を流れる循環水を加熱する。
この加熱された循環水により、電池スタック２１が発電
可能な温度まで昇温される。

【００３４】電池スタック２１の運転時には、燃料電池
発電システム１は、次の動作をする。

【００３５】制御部４０は、三方バルブ１２，１３を制
御して、ガス分離器１１からの残ガスや電池スタック２
１からの残水素ガス、場合によっては導管１０１からの
原燃料ガスを温水または蒸気ボイラ３１に送る。また、
三方バルブ３２，３３を制御して温水または蒸気ボイラ
３１からの温水または蒸気の有する熱エネルギーを排熱
利用機器１１０に送る。

【００３６】電池スタック２１は、ガス分離器１１から
の水素ガスと空気ブロア２２からの空気とで発電を続け
る。

【００３７】熱交換器２３で電池スタック２１から排出
される残空気から低温水として熱を回収して、その低温
水を三方バルブ３３に送る。温水または蒸気ボイラ３１
は、ガス分離器１１からの残ガスや電池スタック２１か
らの残水素ガスなどを燃焼して、熱交換器２３で回収し
た燃料電池の低温排熱を加熱して、高位の排熱（たとえ
ば、高温水や高温・高圧蒸気）に変換する。この高位排
熱に変換された低温水は、三方バルブ１１１，１１２と
により、排熱利用機器１１０に送られる。また、熱交換
器２４で電池スタック２１からの高温高圧の循環水から
高位の熱を回収する。この回収された高位の排熱は、三
方バルブ１１１，１１２とにより、排熱利用機器１１０
に送られる。排熱利用機器１１０は、このようにエネル
ギー的に高品質の熱を駆動源とて動作する。

【００３８】この実施例のように、ガス分離されなかっ
た残ガスを有効に利用できる。

【００３９】また、従来の燃料電池発電システムで使用
される改質器５１を不要にして、システムの簡略化を可
能にすると共に、改質器５１に投入する燃料ガス改質用
の蒸気が不要であることから、熱交換器２４での高温の
排熱回収量が増加する。

【００４０】なお、この実施例では、高位の熱を回収す
る熱交換器２４で電池スタック２１から来る循環水から
燃料電池の排熱を高温水として回収したが、熱の回収は
特にこれに限定されない。たとえば、電池スタック２１
から来る高温高圧の循環水に含まれる水蒸気を分離し
て、排熱利用機器１１０に直接、供給してもよい。

【００４１】また、温水または蒸気ボイラ３１として、
蒸気ボイラを用いれば、排熱利用機器１１０として蒸気
タービンなどにも適用可能である。

【００４２】

【発明の効果】以上、説明したように、第１の発明は、
ガス分離部が水素ガスを成分とする原燃料ガスから水素
ガスを分離・生成するので、改質用の水蒸気が不要とな
り、水蒸気の保有するエネルギー分だけ高位の排熱回収
量が増加する。

【００４３】また、第２の発明は、ガス分離されなかっ
た可燃性ガスや燃料電池部の残水素ガス等をボイラ部で
燃焼し、燃料電池部の低位排熱を高位排熱に変換して排
熱利用機器に供給するので、エネルギーの有効利用に供
することができる。また、燃料電池部の昇温にボイラ部
の熱を利用することにより、起動時間の短縮や起動時の
消費電力の低減等が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示す説明図である。

【図２】従来の燃料電池発電システムを示す説明図であ
る。

【符号の説明】

１ 燃料電池発電システム １０ ガス分離部 ２０ 燃料電池部 ３０ ボイラ部 １１０ 排熱利用機器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水素ガスを成分とする原燃料ガスから、
   水素ガスを分離するガス分離部と、 前記ガス分離部が発生した水素ガスを燃料として用いて
   発電する燃料電池部とを有する燃料電池発電システム。
2. 【請求項２】 電気を発生すると共に、熱を利用する排
   熱利用機器に、発電の際に発生した熱を供給する燃料電
   池発電システムにおいて、 水素ガスを成分とする原燃料ガスから、水素ガスを分離
   するガス分離部と、 前記ガス分離部が発生した水素ガスを燃料として用いて
   発電する燃料電池部と、 前記ガス分離部で分離された後の残ガスと前記燃料電池
   部で未反応となった水素ガスと前記原燃料ガスとの少な
   くとも１つのガスを燃焼して温水または蒸気を発生し、
   この温水または蒸気の有する熱エネルギーを前記排熱利
   用機器に供給するボイラ部とを有することを特徴とする
   燃料電池発電システム。