JPH0652874A

JPH0652874A - 燃料電池発電システム

Info

Publication number: JPH0652874A
Application number: JP4201704A
Authority: JP
Inventors: Hidekazu Sugiyama; 英一杉山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-07-29
Filing date: 1992-07-29
Publication date: 1994-02-25

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】システム運転制御にも容易に対応できる、排熱
利用装置を設けた燃料電池発電システムを提供する。【構成】蒸気発生器12Ａの内部には、燃料電池冷却水系
および排熱利用装置の二次蒸気発生系を加熱するための
加熱ヒータ13を設ける。また、気水分離器３と蒸気発生
器12Ａの間には、配管ライン14と入口制御弁15を設け
る。さらに、気水分離器３と電池冷却水循環ポンプ４の
間には、入口制御弁15をバイパスしたバイパス配管ライ
ン16とバイパス制御弁17が設けられる。一方、蒸気発生
器12Ａと第１の排熱利用装置20との間には、蒸気供給配
管18と圧力調節弁19が設けられる。また、蒸気発生器12
Ａと第２の排熱利用装置24の間には温水供給配管23、蒸
気発生器12Ａと水処理装置25の間には蒸気発生器ブロー
用ライン26が設けられる。

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】周知のように燃料電池発電システムは、
都市ガスやプロパンガス等の燃料が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，
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電流を交流電流に変
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、これと同時に熱も発生
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
効率よく行わせるためには、燃料電池本体の温度を一定
の温度レベルに保つ必要があり、燃料電池に冷却水等を
流して適切な温度に冷却する。このため、燃料電池発電
システムの冷却水系は、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を様々な用
途の熱源として利用されている。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。

【０００５】図４は、燃料電池発電システムの一般的な
発電負荷と総合熱効率の関係を示す特性図である。この
特性図から分かるように、発電負荷に対する発電効率は
40％であるが、温水レベルの低温排熱回収分および蒸気
レベルの高温排熱回収分を全て利用した場合の総合熱効
率は80％以上にもなる。このように本燃料電池発電シス
テムは、発電のみならず、排熱を系外で有効に利用する
ことができ、特に排熱のうち蒸気レベルの高温排熱は、
吸収式冷凍機の駆動源、蒸気タービンの駆動源等の用途
として利用価値が高い。

【０００６】図５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したもので
ある。同図に示すように、燃料極１ａ，空気極１ｂおよ
び電池冷却器１ｃを備えた燃料電池本体１で発生した反
応熱は、電池冷却器１ｃの電池冷却水と熱交換すること
により取出され、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２に導かれ、さらに気水分
離器３に導入される。この気水分離器３では気液二相流
の蒸気３ａを分離液化して冷却水３ｂとし、これを電池
冷却水循環ポンプ４により温度調整用熱交換器５よび電
池冷却水加熱用電気ヒータ６を通して電池冷却器１ｃに
導く電池冷却水系を構成している。

【０００７】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２を気水分離器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。電池冷却器１ｃから排出された電池冷
却水は、気液二相流となっており、発電負荷の変動等に
よる燃料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。

【０００８】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６に示すようなシステム構成のものがある。
すなわち、同図に示すように、燃料極１ａ，空気極１ｂ
および電池冷却器１ｃを備えた燃料電池本体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す
ることにより取出され、その電池冷却水は気液二相流と
なり、気水分離器３に導入される。この気水分離器３で
は気液二相流の蒸気３ａを分離液化して冷却水３ｂと
し、これを電池冷却水循環ポンプ４により温度調整用熱
交換器５および電池冷却水加熱用電気ヒータ６を通して
電池冷却器１ｃに導く電池冷却水系を構成している。ま
た、気水分離器３内の余剰蒸気を、蒸気供給配管７を通
して排熱利用装置８に導入し、ここで液化した凝縮水の
一部は循環ポンプ９により凝縮水戻り配管10を通して気
水分離器３の下流側に戻され、さらに、排熱利用装置８
で液化した凝縮水の他の一部は水処理装置11に導入さ
れ、ここで水処理された冷却水を気水分離器３の下流側
に戻す構成としている。

【０００９】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３より余剰分の蒸気を直接排熱利
用装置８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８
が同一の配管系であるため、排熱利用装置に漏洩防止対
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11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。

【００１０】さらに、燃料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
った。

【００１１】このような問題を解決すべく、気水分離器
の水相出口下流側に電池冷却水系の余剰熱により電池冷
却水系と分離された二次蒸気発生系の水を加熱して蒸気
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方法およびこの蒸
気発生器を用いた排熱利用の多様化に対応する方法の提
案が既になされている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな排熱利用装置を取入れた燃料電池発電システムで
は、排熱利用装置の二次蒸気発生系の起動時間がかかっ
たり、燃料電池本体の冷却水温度が低い場合等には、燃
料電池冷却水系および排熱利用装置の二次蒸気発生系の
発生蒸気温度が低くなり、所望の二次蒸気温度が得られ
なくなり、排熱利用装置側のたとえば吸収式冷凍機の運
転効率が落ちたり、燃料電池発電システム側と排熱利用
装置側との運転温度のマッチング、燃料電池発電システ
ム側と排熱利用装置側との同時運転温度制御が困難にな
る等の問題があった。

【００１３】そこで、本発明の目的は、燃料電池発電シ
ステムの起動時の燃料電池冷却水系および排熱利用装置
の二次蒸気発生系の同時昇温を可能とし、両系の同時昇
温時間の短縮を図るとともに、燃料電池発電プラント運
転時に排熱利用装置側に必要な所望の二次蒸気温度が得
られるよう燃料電池発電システム側の運転温度と排熱利
用装置側の運転温度との同時制御を容易にすることがで
き、また、排熱利用装置も含めた燃料電池発電システム
全体の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、さらに、燃料
電池発電システムの運転時に、排熱利用装置に蒸気を供
給する必要の無い場合の運転制御、逆に、燃料電池発電
システムから発電せず、排熱利用装置の二次蒸気発生系
の運転のみを行う場合の運転制御にも容易に対応できる
排熱利用装置を備えた燃料電池発電システムを提供する
ことにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
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、この燃料電池本体の反応熱により加熱され
二相流化した電池冷却水を気相と水相に分離する気水分
離器、この気水分離器で分離された冷却水を燃料電池本
体の冷却器を通して循環させる電池冷却水循環ポンプお
よび気水分離器の水相出口下流側に電池冷却水系の余剰
熱により燃料電池冷却水系と分離されて排熱利用装置の
二次蒸気発生系に蒸気を供給する蒸気発生器により構成
された燃料電池発電システムにおいて、蒸気発生器の内
部に加熱ヒータを設け、二次蒸気発生系の水を加熱して
蒸気を発生させ、燃料電池発電システムの起動時におけ
る燃料電池冷却水系および排熱利用装置の二次蒸気発生
系の同時昇温時間の短縮を図るとともに、燃料電池発電
システム運転時の燃料電池冷却水系および排熱利用装置
の二次蒸気発生系の同時運転制御を容易にするように構
成したものである。

【００１５】

【作用】このような構成の排熱利用装置を設けた燃料電
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、気水分離器から流出する電池冷却水により蒸気
発生器の二次側（低温側、すなわち、蒸気発生側）の水
を加熱して蒸気を発生させ、この蒸気を排熱利用装置に
供給する際に、燃料電池発電システムの起動時の燃料電
池冷却水系および排熱利用装置の二次蒸気発生系の同時
昇温を可能としその時間の短縮が可能となり、燃料電池
発電システム運転時の燃料電池冷却水系および排熱利用
装置の二次蒸気発生系の同時運転制御を容易にすること
ができる。

【００１６】また、燃料電池発電システムの運転時に、
排熱利用装置の二次蒸気発生系の発生蒸気温度が低い場
合、蒸気発生器の中の一次側（高温側、すなわち、電池
冷却水側）または二次側（低温側、すなわち、蒸気発生
側）に設置した加熱ヒータを作動させ、所望の二次蒸気
温度が得られるようにすることができ、燃料電池発電シ
ステムの排熱利用装置とマッチングさせた効率的な運転
が可能となる。

【００１７】さらに、従来、燃料電池冷却水系に単独で
設置していた電池冷却水加熱用電気ヒータを蒸気発生器
と合体させることができ、プラント設備をコンパクト化
できるとともに、経済的にも有利である。

【００１８】またさらに、蒸気発生器の下流側に、排熱
利用装置への温水供給系を接続して蒸気量分以外の余剰
飽和水（高温水）を取出すことにより、高温水を必要と
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。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図１は、本発明の一実施例を示す構成図である。
同図において、１は燃料極１ａ，空気極１ｂおよび電池
冷却器１ｃを備えた燃料電池本体で、この燃料電池本体
１で発生した反応熱は、電池冷却器１ｃ内の電池冷却水
と熱交換することにより取出され、その二相流化した電
池冷却水は気水分離器３に導入され、蒸気３ａと冷却水
３ｂとに分離される。この気水分離器３で分離された冷
却水３ｂは、電池冷却水循環ポンプ４により気水分離器
３の水相出口下流側に設置された蒸気発生器12Ａの一次
側（高温側）を通して温度調整用熱交換器５に導入し、
さらにこの温度調整用熱交換器５で温度調整された冷却
水を電池冷却器１ｃに戻す電池冷却水系を構成してい
る。

【００２０】以上の構成において、蒸気発生器12Ａに
は、内部に燃料電池冷却水系および排熱利用装置の二次
蒸気発生系を加熱する加熱ヒータ13が設けられている。
この加熱ヒータ13は、電気，蒸気，熱水等を熱源とし、
蒸気発生器12Ａの一次側（電池冷却水側）入口ヘッダー
部に設置されており、電池冷却水系および排熱利用装置
の二次蒸気発生系を加熱することができる構成となって
いる。なお、一次側入口ヘッダ部と一次側出口ヘッダ部
は、伝熱管33で接続されている。また、気水分離器３と
蒸気発生器12Ａとを結ぶ配管ライン14には入口制御弁15
が設けられており、さらに、これら入口制御弁15および
蒸気発生器12Ａをバイパスして気水分離器３からの冷却
水３ｂを電池冷却水循環ポンプ４に流すバイパス配管ラ
イン16が設けられ、このバイパス配管ライン16にバイパ
ス制御弁17が設けられている。ここで、蒸気発生器12Ａ
は、一次側に流れる電池冷却水により二次蒸気発生系の
水を加熱して蒸気を発生させるもので、この蒸気発生器
12Ａで発生した蒸気12ａは蒸気供給配管18を通し、圧力
調節弁19を介して、蒸気排熱を利用する第１の排熱利用
装置20に供給される。そして、この第１の排熱利用装置
20で利用後の凝縮水は、凝縮水循環ポンプ21により凝縮
水戻り配管22を通して蒸気発生器12Ａに戻される。

【００２１】また、蒸気発生器12Ａ内の蒸気分以外の余
剰飽和水（高温水）12ｂは温水供給配管23を通して、温
水排熱を利用する第２の排熱利用装置24に供給されると
同時に、水処理装置25に蒸気発生器ブロー用ライン26を
通して供給され、この水処理装置25で処理された水は電
池冷却水系に導入される。

【００２２】なお、図中27は蒸気発生器12内の蒸気圧力
を検出する圧力検出器、また28は蒸気発生器12Ａの圧力
を所定値に保つように圧力調節弁19の開度を調節する圧
力コントローラである。

【００２３】次にこのように構成された実施例の作用を
説明する。まず、燃料電池発電システムの起動時に、電
池冷却水系の冷却水温度を高めていく場合について説明
する。この場合は、まず電池冷却水循環ポンプ４を起動
して電池冷却水系の冷却水を循環させ、同時に、蒸気発
生器12Ａの一次側（電池冷却水側）入口ヘッダー部上部
設置されている加熱ヒータ13を起動し、蒸気発生器12の
一次側（電池冷却水側）から二次側（蒸気発生側）を加
熱していく。この時、電池冷却水系の冷却水昇温を効率
よく行うために、バイパス制御弁17は閉、入口制御弁15
は開の状態にする。一次側（電池冷却水側）の温度が規
定の温度に達しシステムの運転が始まると、蒸気発生器
12Ａの二次側（蒸気発生側）の圧力調節弁19の開度を調
節することにより、蒸気発生器12Ａの二次側から規定の
蒸気圧の蒸気を発生させ、これを第１の排熱利用装置20
に供給する。

【００２４】ここで、排熱利用装置（20または24）側の
方で蒸気または温水の供給の必要がなく、且つ、電池冷
却水温度も規定の温度よりも高い場合には加熱ヒータ13
の運転を停止させ、バイパス制御弁17を開、入口制御弁
15は閉の状態にする。ただし、電池冷却水側の運転状態
により、電池冷却水系の加熱が必要な場合等は入口制御
弁15は逐次閉にする等、バイパス制御棒17、入口制御弁
15の開閉はプラントの運転特性に合わせて制御すればよ
い。

【００２５】次に、燃料電池発電システムの運転時は、
燃料電池本体１で発生した反応熱を電池冷却器１ｃ内の
電池冷却水と熱交換することにより取出す。その電池冷
却水は、気液二相流となって気水分離器３に導入され、
蒸気３ａと冷却水３ｂとに分離される。この気水分離器
３で分離された冷却水３ｂは、電池冷却水循環ポンプ４
により気水分離器３の水相出口下流側に設置された蒸気
発生器12Ａの一次側（高温側）を通して温度調整用熱交
換器５に導入され、さらにこの温度調整用熱交換器５で
温度調整された冷却水を電池冷却器１ｃに戻す運転を行
う。この時、バイパス制御弁17は閉、入口制御弁15は開
の状態にし、電池冷却水が全て蒸気発生器12Ａに流れる
ようにし、また、蒸気発生器12Ａは一次側（電池冷却水
側）の電池冷却水余剰熱を二次側（蒸気発生側）へ伝
え、二次側に供給される水から蒸気を発生させる通常の
運転を行い、排熱利用装置の二次蒸気発生系に蒸気を供
給する。蒸気発生器12Ａの二次側（蒸気発生側）の温度
は、システムの起動時に加熱ヒータ13を運転していたた
め、既に電池冷却水系の冷却水温度よりも高くなってお
り、蒸気発生器12Ａの二次側（蒸気発生側）の圧力調節
弁19の開度を調節することにより、蒸気発生器12Ａの二
次側から規定の蒸気圧の蒸気を発生させ、これを第１の
排熱利用装置20に供給することがすぐに対応可能であ
る。

【００２６】燃料電池発電システムの通常運転時は、電
池冷却水系を加熱ヒータ13により加熱する必要はほとん
ど無いが、システムの出力負荷を下げたり、負荷変動を
伴う運転を行う場合等は、電池冷却水系の冷却水温度変
動が生じることにより、電池冷却水系の加熱が必要とな
り、このような場合には、蒸気発生器12Ａの二次側（蒸
気発生側）の蒸気発生量も減少するため、電池冷却水系
の冷却水温度および二次蒸気発生系の圧力，温度により
加熱ヒータ13を間欠的にＯＮ−ＯＦＦ制御させ、電池冷
却水系の冷却水温度、排熱利用装置の二次蒸気発生系の
圧力，温度を規定値に維持させる。また、排熱利用装置
20側の運転負荷条件が変動し、排熱利用装置20側に供給
する発生蒸気量または発生蒸気圧力の設定を変える時に
は、蒸気発生器12Ａ内の蒸気圧力を検出する圧力検出器
27で蒸気圧力を検出し、圧力調節弁19の開度を調節する
ことにより圧力を設定値に変更し、発生蒸気の圧力，温
度を設定値に維持させる。これら、電池冷却水系の冷却
水温度および排熱利用装置の二次蒸気発生系の圧力，温
度を制御する際、加熱ヒータ13を間欠的にＯＮ−ＯＦＦ
制御させるのみでなく、バイパス制御弁17，入口制御弁
15の開閉をシステムの運転特性に合わせて制御すれば、
燃料電池発電システム運転時の前記燃料電池冷却水系お
よび排熱利用装置の二次蒸気発生系の同時運転制御を容
易にすることができる。

【００２７】ここで、加熱ヒータ13は、蒸気発生器12Ａ
の一次側（電池冷却水側）に設置されているため、排熱
利用装置（20または24）側のみを起動させるときには、
電池冷却水循環ポンプ４を停止させておき、加熱ヒータ
13を起動させ二次蒸気のみを発生させる。この時、加熱
ヒータ13で発生した熱を排熱利用装置の二次蒸気発生系
のみに供給すべく蒸気発生器12Ａの電池冷却水側出口に
出口制御弁29を設け、入口制御弁15およびこの出口制御
弁29を閉の状態にすることにより、効率良く排熱利用装
置の二次蒸気発生系のみを加熱することが可能である。
なお、蒸気発生器12Ａの構造により、特に、出口制御弁
29を設けなくても電池冷却水系への熱放出が少ない場合
には、出口制御弁29を設けなくてもよい。

【００２８】以上のように本実施例では、気水分離器３
の水相出口下流側に蒸気発生器12Ａを設け、この蒸気発
生器12Ａで二次蒸気発生側の水を電池冷却水の余剰熱に
より加熱して蒸気を発生させるだけでなく、この蒸気発
生器12Ａの一次側（電池冷却水側）入口ヘッダー部上部
に加熱ヒータ13を設置し、燃料電池発電システムの起動
時には、この加熱ヒータ13により一次側（電池冷却水
側）を加熱することにより、燃料電池発電システムの起
動時の燃料電池冷却水系および排熱利用装置の二次蒸気
発生系の両系を同時に昇温することができ、燃料電池冷
却水系および排熱利用装置の二次蒸気発生系の両系の昇
温時間の短縮を図ることができる。これにより、燃料電
池発電システムが発電運転に入ると同時に、排熱利用装
置20側に所望の二次蒸気を供給することができる。ま
た、燃料電池発電システムの通常運転時における電池冷
却水系の冷却水温度制御、排熱利用装置20側に供給する
発生蒸気量または発生蒸気圧力の制御をこの蒸気発生器
12Ａ内に設けた加熱ヒータ13、蒸気発生器12Ａの二次側
（蒸気発生側）の圧力調節弁19，バイパス制御弁17およ
び入口制御弁15の開閉によりまとめて行うことができ、
燃料電池冷却水系および排熱利用装置の二次蒸気発生系
の各々の負荷特性に合わせた同時運転制御を容易にする
ことができる。さらに、蒸気発生器12Ａ内の蒸気分以外
の余剰飽和水（高温水）12ｂは温水供給配管23を通して
第２の排熱利用装置24に高温水として同時に供給できる
ので、排熱の多様化にも対応させることができる。

【００２９】その上、従来、燃料電池冷却水系の燃料電
池本体１の電池冷却器１ｃの上流またはその後流に設け
ていた電池冷却水加熱用電気ヒータを設置する必要が無
くなり、その分だけ電池冷却水循環ポンプの動力も小さ
くでき、このことにより、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。

【００３０】なお、本発明は以上の実施例（以下、第１
の実施例という）に限定されるものではなく、種々変形
実施できる。図２は、本発明の他の実施例（以下、第２
の実施例という）を示す構成図で、図１と同一部分には
同符号を付してその説明を省略する。

【００３１】図２に示す第２の実施例は、加熱ヒータ13
が蒸気発生器12Ｂの一次側（電池冷却水側）入口ヘッダ
ー部30に設けられ、一次側入口ヘッダー部30と一次側出
口ヘッダー部31との間に一次側制御弁32が設けられ、バ
イパス配管ライン16，バイパス制御弁17および気水分離
器３と蒸気発生器12Ｂを結ぶ配管ライン７の入口制御弁
15を省略したものである。加熱ヒータ13を設ける位置
は、第１の実施例と同じく、蒸気発生器12Ｂの一次側
（電池冷却水側）入口ヘッダー部としている。

【００３２】以上のように第２の実施例でも、この蒸気
発生器12Ｂで排熱利用装置の二次蒸気発生系の水を電池
冷却水の余剰熱により加熱し蒸気を発生させるだけでな
く、燃料電池発電システムの起動時には、蒸気発生器12
Ｂの一次側（電池冷却水側）から二次側（蒸気発生側）
を加熱していくことにより、燃料電池発電システムの起
動時の燃料電池冷却水系および排熱利用装置の二次蒸気
発生系を同時に昇温することができ、また、燃料電池冷
却水系および二次蒸気発生系の昇温時間の短縮を図るこ
とができる。これにより、燃料電池発電システムの発電
運転に入ると同時に、排熱利用装置20側に二次蒸気を供
給することができる。

【００３３】この第２の実施例が第１の実施例と相違す
る点は、燃料電池発電プラント起動時の燃料電池冷却水
系および排熱利用装置の二次蒸気発生系が同時昇温する
場合には一次側制御弁32を閉にし、燃料電池冷却系のみ
を昇温する場合には一次側制御弁32を開にするだけとし
て、運転制御をよりシンプル化し、容易にすることがで
きることである。これは、一次側制御弁32を開にする
と、燃料電池冷却水が一次側入口ヘッダー部30から蒸気
発生器12Ｂ内の伝熱管33を介して一次側出口ヘッダー部
31まで流れることによる管内圧力損失は、一次側制御弁
32を介して一次側出口ヘッダー31へ流れる圧力損失より
もはるかに大きいため、冷却水はほとんど一次側制御弁
32を介して流れ、蒸気発生器12Ｂ内の伝熱管33には流れ
ないことによるもので、燃料電池冷却水系の圧力損失を
減少でき、電池冷却水循環ポンプ４の容量を小さくでき
る効果もある。

【００３４】以上のように第２の実施例でも、この蒸気
発生器12Ｂで排熱利用装置の二次蒸気発生系の水を電池
冷却水の余剰熱により加熱し蒸気を発生させるだけでな
く、燃料電池発電システムの起動時には、蒸気発生器12
Ｂの一次側（電池冷却水側）から二次側（蒸気発生側）
を加熱していくことにより、燃料電池発電システムの起
動時の燃料電池冷却水系、および排熱利用装置の二次蒸
気発生系を同時に昇温することができ、また、燃料電池
冷却水系、および、二次蒸気発生系の昇温時間の短縮を
図ることができる。これにより、燃料電池発電システム
の発電運転に入ると同時に、排熱利用装置20側に二次蒸
気を供給することができる。その他、第１の実施例と同
様な効果が得られる。

【００３５】図３は、本発明のさらに異なる他の実施例
（以下、第３の実施例という）を示す構成図で、図１お
よび図２と同一部分には同符号を付してその説明を省略
する。

【００３６】図３に示す第３の実施例は、加熱ヒータ13
を蒸気発生器12Ｃの二次側（蒸気発生側）12ｂ内に設
け、電池冷却水加熱用電気ヒータ６を従来と同じように
設けている。なお、一次側入口ヘッダ部と一次側出口ヘ
ッダ部は、伝熱管33で接続されている。

【００３７】まず、燃料電池発電システムの起動時で、
電池冷却水系の冷却水温度を高めていく場合には、電池
冷却水循環ポンプ４を起動し電池冷却水系の冷却水を循
環させ、同時に、蒸気発生器12Ｃの下部に設けられてい
る加熱ヒータ13を起動し、通常の燃料電池システムの運
転とは逆に、蒸気発生器12Ｃの二次側（蒸気発生側）か
ら一次側（電池冷却水側）を加熱していく。この時、電
池冷却水系の冷却水昇温を効率良く行うために、バイパ
ス制御弁17は閉、入口制御弁15は開の状態にする。

【００３８】システム起動時で、まだ蒸気発生器12Ｃの
二次側の温度が低く、二次側蒸気を発生させる必要のな
いときは、圧力調節弁19の開度を調節し蒸気発生器12Ｃ
の二次側の圧力を高めておき、蒸気発生器12Ｃの二次側
を単に一次側（電池冷却水側）の加熱源として機能させ
る。一次側（電池冷却水側）の温度が規定の温度に達し
システムの運転が始まると、蒸気発生器12Ｃの二次側
（蒸気発生側）の圧力調節弁19の開度を調節することに
より、蒸気発生器12Ｃの二次側から規定の蒸気圧の蒸気
を発生させ、これを第１の排熱利用装置20に供給する。
これにより、従来の電池冷却水加熱用電気ヒータ６を小
形化することができる。その他の効果は、第１の実施例
および第２の実施例と同様である。

【００３９】以上説明した各実施例は、燃料電池冷却水
系および排熱利用装置の二次蒸気発生系の同時運転制御
を容易にすることの代表的な実施例を３つ示したが、例
えば、第１の実施例と第３の実施例を組み合わせたりす
ることにより、燃料電池冷却水系および排熱利用装置の
二次蒸気発生系の同時昇温時間の短縮を図ることができ
る等、本発明に関連した燃料電池発電システムの系統や
各機器の形式は、種々考えられることはいうまでもな
い。

【００４０】また、上記実施例では、蒸気発生器12Ａ，
12Ｂ，12Ｃとしてケトル式ボイラのイメージ図を示した
が、別の形態の蒸気発生器でも同様の排熱回収を行うこ
とができることはいうまでもなく、蒸気発生器12Ａ，12
Ｂ，12Ｃ内の蒸気分以外の余剰飽和水（高温水）12ｂは
温水供給配管23を通して第２の排熱利用装置24に直接供
給するようにしたが、蒸気発生器12Ａ，12Ｂ，12Ｃ内の
二次系圧力は発生蒸気の飽和蒸気圧程度に高く、加圧温
水となっている場合があり、このような場合には温水供
給配管23の途中に減圧弁を設けることで対処することが
できる。

【００４１】さらに、蒸気発生器12Ａ，12Ｂ，12Ｃは、
運転中に器内にスケールや錆等が蓄積し、蒸気発生器と
しての性能を低下させる可能性があり、しかも蒸気発生
器12Ａ，12Ｂ，12Ｃから一時的または連続的に微量ずつ
ブローすることがあるが、このような場合にはこのブロ
ー水を単に外部に排出するだけでなく、水処理装置25に
注入して水処理した後、電池冷却水系へ戻すようにして
もよい。

【００４２】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、電池
冷却水系の余剰熱を電池冷却水系とは分離した形で間接
的に利用価値の高い蒸気として取出し、この蒸気を排熱
利用装置に供給する際に、燃料電池発電システムに起動
時の燃料電池冷却水系および排熱利用装置の二次蒸気発
生系の同時昇温の時間短縮が可能となり、また、排熱利
用装置の二次蒸気発生系に所望の二次蒸気を供給でき、
燃料電池発電プラント運転時の燃料電池冷却酢系および
排熱利用装置の二次蒸気発生系の同時運転制御を容易に
することができ、燃料電池発電プラントの排熱利用装置
とマッチングさせた効率的な運転を可能とする排熱利用
装置付きの燃料電池発電システムを提供することができ
る。

【００４３】さらに、従来、燃料電池冷却水系に単独で
設置していた電池冷却水加熱用電気ヒータを蒸気発生器
と合体させることができ、プラント設備をコンパクト化
できるとともに、排熱利用装置の負荷変動や排熱利用の
多様化に対応可能な排熱利用装置を設けた燃料電池発電
システムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す構成図。

【図２】本発明の他の実施例を示す構成図。

【図３】本発明のさらに異なる実施例を示す構成図。

【図４】本発明に関連する燃料電池発電システムの発電
負荷と総合熱効率の関係を示す曲線図。

【図５】従来の燃料電池発電システムの一例を示す構成
図。

【図６】従来の燃料電池発電システムの図５と異なる他
の例を示す構成図。

【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、３…気水分離器、４…電池冷却水循環ポ
ンプ、12Ａ，12Ｂ，12Ｃ…蒸気発生器、13…加熱ヒー
タ、14…配管ライン、15…入口制御弁、16…バイパス配
管ライン、17…バイパス制御弁、18…蒸気供給配管、19
…圧力調節弁、20…第１の排熱利用装置、23…温水供給
配管、24…第２の排熱利用装置、25…水処理装置、26…
蒸気発生器ブロー用ライン、27…圧力検出器、32…一次
側制御弁。

Claims

【特許請求の範囲】

【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、この燃料電池本体の反応熱により加熱さ
れ二相流化した電池冷却水を気相と水相に分離する気水
分離器、この気水分離器で分離された冷却水を前記燃料
電池本体の前記冷却器を通して循環させる電池冷却水循
環ポンプおよび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
離されて排熱利用装置の二次蒸気発生系に蒸気を供給す
る蒸気発生器により構成された燃料電池発電システムに
おいて、前記蒸気発生器の内部に加熱ヒータを設け、前
記二次蒸気発生系の水を加熱して蒸気を発生させ、燃料
電池発電システムの起動時における前記燃料電池冷却水
系および前記排熱利用装置の前記二次蒸気発生系の同時
昇温時間の短縮を図るとともに、燃料電池発電システム
運転時の前記燃料電池冷却水系および前記排熱利用装置
の二次蒸気発生系の同時運転制御を容易にすることを特
徴とする燃料電池発電システム。