JPH0668889A - 燃料電池用改質ガスの冷却システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】燃料電池に供給する改質ガスを冷却して改質ガ
スに含まれる水蒸気を冷却、凝縮して水にする改質ガス
冷却器に通流する冷却水の水質を向上して改質ガス冷却
器の冷却性能低下や金属腐食による洩れを防止する。 【構成】排ガス凝縮器１４に貯留された不純物の少ない
凝縮水を冷却水としてポンプ２１により昇圧し、冷却器
２２により冷却して改質ガス冷却器８に供給する冷却水
供給系３３を設け、この供給系を経る冷却水により改質
ガス供給系２３を経て改質ガス冷却器８を流れる改質ガ
スを冷却して改質ガスに含まれる水蒸気を冷却，凝縮す
る。さらに改質ガスを冷却して昇温した冷却水を排ガス
凝縮器１４に戻す冷却水排出系３４を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料改質装置で原燃料
を水素に富むガスに改質してなる改質ガスに含まれる水
蒸気を凝縮させ、その水蒸気量を減少して燃料電池に供
給するために、燃料改質装置からの改質ガスを冷却する
燃料電池用改質ガスの冷却システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池発電装置は主要部として燃料改
質装置と燃料電池とから構成される。燃料改質装置は炭
化水素系やアルコール系の原燃料を水蒸気を付加して水
素に富むガスに改質して改質ガスを生成する。燃料電池
は前記改質ガスが燃料改質装置から供給され、別に供給
される空気とにより電池反応を起こして発電する。この
場合、改質ガスには改質反応に寄与しない水蒸気が含ま
れるが、この水蒸気は燃料電池の電池反応に悪影響を与
えるので、改質ガスを冷却してその中に含まれる水蒸気
を凝縮して水として分離し、水蒸気量の少ない改質ガス
を燃料電池に供給している。

【０００３】上記のように燃料電池に供給する改質ガス
を冷却する改質ガス冷却系統として図２に示すものが知
られている。図２において燃料電池１は図示しない電解
質層と、これを挟持する燃料極２及び空気極３と、燃料
電池の発電時生じる熱を除熱して運転温度に保持する冷
却水が通流する冷却通路４とを備えている。熱交換器６
は改質ガス予熱器７と改質ガス冷却器８とが一体化され
たプレートフィン形の熱交換器である。改質ガス予熱器
７は図示しない燃料改質装置から供給される改質ガスに
より後述する気水分離器１０で気水分離された改質ガス
を過熱する。改質ガス冷却器８はステンレス製であり、
改質ガス予熱器７を経た改質ガスと外部冷却水系１２を
経る水道水のような外部冷却水とが熱交換し、改質ガス
に含まれる水蒸気を冷却、凝縮して水にする。

【０００４】気水分離器１０は改質ガス冷却器８で水蒸
気が凝縮してなる水を含む改質ガスを気水分離する。排
ガス凝縮器１４は流入する排ガスに含まれる水蒸気を、
排ガス凝縮器１４内の上部に供給されて散水される冷却
水に直接接触させて冷却，凝縮して水にするものであ
り、上部から排出される排ガスに含まれる水分を捕集す
るデミスタ１５と、供給される冷却水に溶存する炭酸ガ
ス等のガスを脱気する脱気装置１６と、下部に凝縮した
水及びその他の回収水を貯留する回収水タンク１７とを
備えている。

【０００５】冷却水循環系２０は排ガス凝縮器１４の回
収水タンク１７の水をデミスタ１５と脱気装置１６との
間の排ガス凝縮器１４内に供給して散水した後回収水タ
ンク１７に戻す系統であり、ポンプ２１と冷却器２２と
を備えている。なお冷却器２２は熱交換器であり、外部
冷却水により冷却器２２を通流する回収水タンク１７か
らの水を冷却する。

【０００６】改質ガス供給系２３は図示しない燃料改質
装置からの改質ガスを熱交換器６，気水分離器９を経て
燃料電池１の燃料極２に供給する。なお２４は燃料極２
から排出されるオフガスを排出するオフガス排出系であ
る。空気供給系２５は燃料電池１の空気極３に空気を供
給する。排空気排出系２６は燃料電池１の空気極３から
排出される排空気を排ガス凝縮器１４の上部に供給す
る。

【０００７】冷却水供給系２７は冷却水循環系２０の冷
却器２２の出口から分岐し、冷却器２２で冷却された回
収水タンク１７からの水を冷却水として燃料電池１の冷
却通路４に供給する。冷却水排出系２８は冷却通路４か
ら排出される昇温した冷却水を排ガス凝縮器１４の回収
水タンク１７に供給する。回収水供給系２９は気水分離
器１０の貯留された貯留水１１を排ガス凝縮器１４の回
収水タンク１７に供給する。

【０００８】燃焼排ガス系３０は、燃料改質装置にて改
質反応させるため、燃料電池１の燃料極２から排出され
るオフガスを燃焼して生じた燃焼ガスにより改質管を加
熱して排出される燃焼排ガスを排ガス凝縮器１４の上部
に供給する。このような構成により、燃料改質装置にて
原燃料を水蒸気改質した改質ガスは改質ガス供給系２３
を経て熱交換器６の改質ガス予熱器７及び改質ガス冷却
器８を通流して気水分離器１０に流入する。この際改質
ガスは改質ガス予熱器７にて気水分離器９で気水分離し
た改質ガスを過熱して自らは低温となる。そしてさらに
改質ガス冷却器８にて外部冷却水系１２を経る外部冷却
水により冷却され、改質ガスに含まれる水蒸気は凝縮し
て水となる。この改質ガスと水との混合流体は気水分離
器１０に流入して気水分離され、分離された改質ガスは
前述のように改質ガス予熱器７にて過熱されて燃料電池
１の燃料極２に供給される。一方分離された水は気水分
離器１０に貯留され、この貯留水１１は回収水供給系２
９を経て排ガス凝縮器１４の回収水タンク１７に送出さ
れる。

【０００９】燃料電池１は燃料極２に供給される改質ガ
スと、空気供給系２５を経て供給される空気とにより電
池反応を起こして発電する。ところで燃料電池１の発電
時生じる熱は、冷却水供給系２７を経て冷却通路４を流
れる冷却水により除熱され、燃料電池１は運転温度が保
持される。ここで冷却水は排ガス凝縮器１４の回収水タ
ンク１７内の水をポンプ２１により昇圧して冷却水循環
系２０を流れ、冷却器２２により冷却されて供給され
る。なお冷却通路４から昇温して排出される冷却水は冷
却水排出系２８を経て排ガス凝縮器１４の回収水タンク
１７に流入する。

【００１０】燃料電池１で電池反応をして燃料極２から
排出されるオフガスはオフガス排出系２４を経て燃料改
質装置の改質管を加熱する燃焼ガスの燃料として使用さ
れる。一方、空気極３から排出される排空気は排空気排
出系２６を経て排ガス凝縮器１４に流入する。また、燃
料改質装置で改質管を加熱した後の燃焼排ガスも燃焼排
ガス系３０を経て排ガス凝縮器１４に流入する。

【００１１】排ガス凝縮器１４においては、冷却水循環
系２０のポンプ２１により昇圧され、冷却器２２で冷却
された回収水タンク１７内の水が冷却水として排ガス凝
縮器１４の上部に供給されて散水される。この散水され
た冷却水は脱気装置１６にて回収水に溶存する炭酸ガス
等を脱気した後、排ガス凝縮器１４に流入した排空気及
び燃焼排ガスに直接接触してこれらを冷却し、排空気及
び燃焼排ガスに含まれる水蒸気を冷却，凝縮して水と
し、回収水タンク１７に貯留する。なお、凝縮しない排
空気及び燃焼ガスは脱気装置１６にて脱気した炭酸ガス
等とともに外部に放出される。なおこれらのガスに残存
する水はデミスタ１５にて捕集され、下方に落下して回
収水タンク１７に貯留される。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上記のようにステンレ
ス製の改質ガス冷却器８において、この冷却器を通流す
る改質ガスを冷却してこの中に含まれる水蒸気を凝縮さ
せる外部冷却水は通常ユーザー側の都合により水道水が
使用される。この水道水はＫ⁺ ，Ｃａ²⁺等の金属イオン
とともに塩素イオンを含んでおり、また水道水が冷却す
る改質ガスの温度が約１５０℃と高く、このため水道水
は熱交換により昇温されて金属塩等からなる不純物も析
出されやすくなる。

【００１３】また、改質ガス冷却器８はこれを通流する
外部冷却水の流速が冷却性能の点から、通常、配管を流
れる流速に比較して極端に遅くなる構造をとっている。
したがって外部冷却水中の不純物はスケールとして冷却
器の中に残留する。このスケールの付着により冷却性能
の低下やステンレスの腐食を起こし、さらに外部冷却水
に含まれる塩素もステンレスの腐食をひき起こし、腐食
により洩れが生じるという問題がある。

【００１４】本発明の目的は、改質ガス冷却器の冷却性
能の低下や金属腐食の発生を防止できる燃料電池用改質
ガスの冷却システムを提供することである。

【００１５】

【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改質装置にて原燃料を水蒸気改
質して燃料電池の燃料極に供給する改質ガスを冷却水に
より冷却して改質ガスに含まれる水蒸気を冷却，凝縮す
る改質ガス冷却器と、燃料電池の空気極から排出される
排空気及び燃料改質装置から排出される水蒸気改質時の
熱媒体である燃焼ガスの排ガスに含まれる水蒸気を冷
却，凝縮して水にする排ガス凝縮器と、この凝縮器に貯
留された水を前記改質ガス冷却器に前記冷却水として通
流させる改質ガス冷却水系とを備えるものとする。

【００１６】上記の改質ガス冷却水系は、排ガス凝縮器
に貯留された水を昇圧するポンプとこの水を冷却する冷
却器とを備えて改質ガス冷却器に冷却水を供給する冷却
水供給系と、改質ガス冷却器から昇温して排出される冷
却水を排ガス凝縮器に送出する冷却水排出系とからなる
ものとする。

【００１７】

【作用】排ガス凝縮器は燃料電池の空気極からの排空気
及び燃料改質装置の改質管を加熱するため使用される燃
料電池の燃料極からのオフガスを燃焼させた燃焼ガスの
排ガスに含まれる水蒸気を冷却，凝縮した水を貯留する
が、これらの水は水蒸気を凝縮した凝縮水であるので不
純物は少ない。

【００１８】したがって排ガス凝縮器に貯留された不純
物の少ない凝縮水を冷却水としてポンプにより昇圧して
改質ガス冷却水系の冷却水供給系を経て冷却器により冷
却して改質ガス冷却器に供給し、改質ガス冷却器にてこ
の冷却器を流れる改質ガスに含まれる水蒸気を冷却，凝
縮し、この冷却，凝縮により昇温して排出される冷却水
を冷却水排出系を経て排ガス凝縮器に戻すことにより、
改質ガス冷却器には不純物の少ない冷却水が流れるの
で、不純物によるスケールの発生を防止し、冷却性能の
低下や金属腐食の発生を防止する。

【００１９】

【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用改質
ガスの冷却システムの系統図である。なお、図１におい
て図２の従来例と同一部品には同じ符号を付し、その説
明を省略する。図１において従来例と異なるのは、排ガ
ス凝縮器１４に貯留する水を冷却水として改質ガス冷却
器８に給排する改質ガス冷却水系３２を設けたことであ
る。なお、改質ガス冷却水系３２は、冷却水循環系２０
の冷却器２２の出口から分岐し、改質ガス冷却器８の入
口に接続する冷却水供給系３３と改質ガス冷却器８の出
口と排ガス凝縮器１４とに接続する冷却水排出系３４と
から構成される。

【００２０】このような構成により冷却水循環系２０の
ポンプ２１により昇圧され、冷却器２２にて冷却された
排ガス凝縮器１４の回収水タンク１７内の貯留水は冷却
水供給系３２を経て改質ガス冷却器８に供給され、改質
ガス冷却器８を流れる改質ガスを冷却して改質ガスに含
まれる水蒸気を冷却，凝縮して水にする。そして改質ガ
スを冷却した水は昇温して改質ガス冷却器８から冷却水
排出系３３を経て排ガス凝縮器１４に戻される。ここ
で、排ガス凝縮器１４の回収水タンク１７に貯留された
水は不純物の少ない凝縮水であるので、改質ガス冷却器
８にはスケールや金属腐食の発生を防止する。

【００２１】なお、本実施例では改質ガス冷却器８は改
質ガス予熱器７と一体となっているが、分離して設けら
れる場合でも同じ効果が得られる。

【００２２】

【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排ガス凝縮器に貯留される水
質のよい凝縮水からなる冷却水により改質ガス冷却器に
てこれを通流する改質ガスを冷却して改質ガスに含まれ
る水蒸気を冷却，凝縮するので、改質ガス冷却器には塩
素やスケールの影響を排除でき、冷却性能の低下や金属
腐食による洩れを防止できる。この結果改質ガス冷却器
の保守間隔及び寿命の長期化が得られ、全体として燃料
電池発電装置の信頼性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による燃料電池用改質ガスの冷
却システムの系統図

【図２】従来の燃料電池用改質ガスの冷却システムの系
統図

【符号の説明】

１ 燃料電池 ２ 燃料極 ３ 空気極 ８ 改質ガス冷却器 １４ 排ガス凝縮器 ２１ ポンプ ２２ 冷却器 ３２ 改質ガス冷却水系 ３３ 冷却水供給系 ３４ 冷却水排出系

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料改質装置にて原燃料を水蒸気改質して
   燃料電池の燃料極に供給する改質ガスを、冷却水により
   冷却して改質ガスに含まれる水蒸気を冷却，凝縮する改
   質ガス冷却器と、燃料電池の空気極から排出される排空
   気及び前記燃料改質装置から排出される水蒸気改質時の
   熱媒である燃焼ガスの排ガスに含まれる水蒸気を冷却，
   凝縮して水にする排ガス凝縮器と、この凝縮器に貯留さ
   れた水を前記改質ガス冷却器に前記冷却水として通流さ
   せる改質ガス冷却水系とを備えたことを特徴とする燃料
   電池用改質ガスの冷却システム。
2. 【請求項２】請求項１記載のものにおいて、改質ガス冷
   却水系は、排ガス凝縮器に貯留された水を昇圧するポン
   プとこの水を冷却する冷却器とを備えて改質ガス冷却器
   に冷却された水を供給する冷却水供給系と、改質ガス冷
   却器から昇温して排出される水を排ガス凝縮器に送出す
   る冷却水排出系とからなることを特徴とする燃料電池用
   改質ガスの冷却システム。