JPH07169485A - 燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明の目的は、スチーム排熱回収特性を向
上させることである。 【構成】 本発明の燃料電池発電システムは、電気化学
反応を生じさせる燃料電池と、バーナ燃焼熱により原料
ガスを水素リッチガスに改質する燃料改質器と、前記燃
料電池の電気化学反応熱を除去する冷却水循環系統と、
この冷却水循環系統中に配置されて蒸気と高温水の分離
を行う気水分離器を有し、電池出口冷却水または前記高
温水の少なくと一部を用いて前記燃料改質器のバーナ燃
焼排ガスの冷却を行うように構成したことを特徴とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は燃料電池発電システムに
係り、特にスチーム排熱回収特性の改良を可能とした燃
料電池発電システムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】天然ガスなどの原燃料を改質して得られ
る水素リッチガスと、空気などの酸化剤ガスとを電気化
学的に反応させ、原燃料のもつ化学エネルギを直接電気
エネルギに変換する燃料電池発電システムは、高効率で
しかも低公害のシステムであり、さらに排熱がスチーム
や温水の形で回収しやすいという利点があることから、
電気と熱の双方を供給できる優れたコジェネレーション
システムとして近年広く注目を集めている。

【０００３】図10は、この種の燃料電池発電システムの
従来の一構成例を示すものである。この例では、水素リ
ッチガスを得るために通常行われる方式の一つとして、
燃料改質器１を用いている。この燃料改質器１は、天然
ガスや石炭ガス等炭化水素からなる原料ガスを導入し、
これをスチーム改質により水素リッチな改質ガスに転換
している。

【０００４】燃料改質器１は、内部に触媒層を有する改
質反応管２と、改質器バーナ３とを備えており、改質反
応管２へは、原料ガス４および改質用スチームが、それ
ぞれ原料ガス供給管およびスチーム供給管５、６により
調節弁７、８を介して導入される。原料ガス４および改
質用スチームが供給された改質反応管２では、改質器バ
ーナ３により加熱されることで改質反応熱が与えられ、
上記原料ガスが水素リッチな改質ガスに転換される。

【０００５】さらにこの改質ガスは冷却器９で冷却され
た後、ＣＯ変成器10において水質ガス中の一酸化炭素と
スチームとが反応することでさらに水素リッチなガスに
変成された上、燃料電池11の燃料極11ａに供給される。
冷却器９は、改質器出口での高温の改質ガスをＣＯ変成
器の反応温度レベルに冷却するために設けられている。

【０００６】燃料電池11の空気極11ｂへは、空気供給系
統12が接続され、酸化剤としての空気が調節弁13を介し
て供給され、燃料極11ａ側の水素と電気化学反応するこ
とで直流電力が発生する。この空気供給系統12において
は、ブロワ14を用いて大気よりシステムに必要な空気量
を送入するように構成されている。

【０００７】一方、燃料電池11の燃料極11ａ出口から
は、未反応の水素ガス分を含む排燃料ガスがガス排出管
15により排出されるが、この排燃料ガスは燃料改質器１
の改質器バーナ３へ燃料として与えられ、空気供給管16
から調節弁17を介して供給される燃焼用空気と混合され
て燃焼する。

【０００８】この排燃料ガスと燃焼用空気との燃焼ガス
は改質器１で改質反応管２を加熱した後、ガス排出管18
ａから燃焼排ガスとして、燃料電池11の空気極11ｂ出口
からのガス排出管18ｂを通る排空気とともにガス排気系
統18から系外へ排出される。

【０００９】なお、上記燃料電池11の発電出力は、直流
電力として外部に取り出されるが、必要であれば、図示
しない直交変換装置を介して交流出力に変換された後、
電気負荷または電力系統に供給される。

【００１０】燃料電池11における発電にともない燃料極
11ａと空気極11ｂとの間で生じる反応熱は、冷却器11ｃ
に冷却水を流通させることで除去するが、このために冷
却水循環系統20が設けられている。

【００１１】この冷却水循環系統20では、燃料電池11の
冷却器11ｃにより熱交換されて温度上昇しあるいは沸騰
した電池出口冷却水21は、気水分離器22に導入されてス
チーム23と高温水24とに分離される。分離されたスチー
ム23の一部は、改質用スチームとしてスチーム供給管６
を介し燃料改質器11へ供給されるが、残余分は燃料電池
システムからの排熱回収スチームとして、スチーム排出
系統25から系外の熱負荷へ供給される。

【００１２】一方、高温水24は、ポンプ26および冷却熱
交換器27を経て、再び燃料電池の冷却器11ｃへ循環され
る。また気水分離器22でのスチーム分離による循環冷却
水の減少を補うため、給水系統28が設けられている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
燃料電池発電システムにおいては、燃料電池システムの
排熱利用をコジェネレーションシステムとして考えた場
合、利用価値の高いスチーム排熱の回収特性に優れたシ
ステムが望ましい。言い替えれば、系外の熱負荷へでき
るだけ多量のスチームが供給できることが望ましい。

【００１４】図10に示されるような従来の燃料電池発電
システムの構成においては、気水分離器22で分離される
スチーム量は、発電電力に比例する電池発熱量および冷
却水量により左右され、冷却水量が小さいほどスチーム
量が増えるが、実際には電池冷却器11ｃの冷却性能を維
持するために冷却水量は一定量以上の水量が必要とな
る。このため、特定の発電負荷に対して分離できるスチ
ーム量はほぼ決まってしまい、増やすことができない。

【００１５】一方、燃料改質器１に供給される改質用ス
チームは燃料改質器１の改質特性を維持するために必要
量が決まり、減らすことができない。したがって、系外
の熱負荷へスチーム排出系統25から供給されるスチーム
量は現状以上に大きく増やすことは困難であった。従っ
て、従来の燃料電池発電システムでは、スチーム排熱回
収特性を改善することが難しいという問題点があった。

【００１６】本発明は、上述したような問題点を改善す
るために提案されたものであり、その目的は、スチーム
排熱回収特性を向上させ得る燃料電池発電システムを提
供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る燃料電池発
電システムは、上述した課題を解決するために請求項１
に記載したように、電気化学反応を生じさせる燃料電池
と、バーナ燃焼熱により原料ガスを水素リッチガスに改
質する燃料改質器と、前記燃料電池の電気化学反応熱を
除去する冷却水循環系統と、この冷却水循環系統中に配
置されて蒸気と高温水の分離を行う気水分離器とを有
し、電池出口冷却水または前記高温水の少なくとも一部
を用いて前記燃料改質器のバーナ燃焼排ガスの冷却を行
うように構成したものである。

【００１８】また、本発明の燃料電池発電システムは、
上述した課題を解決するために、請求項２に記載したよ
うに、電気化学反応を生じさせる燃料電池と、バーナ燃
焼熱により原料ガスを水素リッチガスに改質する燃料改
質器と、前記燃料電池の電気化学反応熱を除去する冷却
水循環系統と、この冷却水循環系統中に配置されて蒸気
と高温水の分離を行う気水分離器とを有し、電池出口冷
却水または前記高温水の少なくとも一部を用いて前記水
素リッチガスの冷却を行うように構成したものである。

【００１９】さらに、本発明の燃料電池発電システム
は、上述した課題を解決するために、請求項３に記載し
たように、燃料極と空気極との間で電気化学反応を生じ
させる燃料電池と、燃料電池の燃料極からの排燃料ガス
を燃焼させる燃焼器と、前記燃料電池の電気化学反応熱
を除去する冷却水循環系統と、この冷却水循環系統中に
配置されて蒸気と高温水の分離を行う気水分離器とを有
し、電池出口冷却水または前記高温水の少なくとも一部
を用いて前記燃焼器の燃焼排ガスの冷却を行うように構
成したものである。

【００２０】さらに、本発明の燃料電池発電システム
は、上述した課題を解決するために、請求項４に記載し
たように、請求項１、２、３に示される本発明の燃料電
池発電システムにおいて、前記燃焼排ガスまたは前記水
素リッチガスの冷却は、前記電池出口冷却水または前記
高温水の蒸気潜熱によって行うようにしたものである。

【００２１】

【作用】この燃料電池発電システムにおいては、冷却水
循環系統の電池出口冷却水または気水分離器で分離され
た高温水を用いて、高温の燃焼排ガスや水素リッチガス
を冷却するように構成したので、従来は系外に捨てられ
ていたこれらの高温ガスの熱量を前記電池出口冷却水や
前記高温水の加熱に用いることができる。

【００２２】このように加熱されて熱量が増加した電池
出口冷却水や高温水を、気水分離器において気水分離す
ることにより、分離されるスチーム量が増加するので、
燃料電池発電システムの系外の熱負荷に供給されるスチ
ーム量が増加し、スチーム排熱回収特性を向上させるこ
とができる。

【００２３】

【実施例】以下、本発明に係る燃料電池発電システムの
一実施例について、添付図面を参照して説明する。図１
から図９に示す燃料電池発電システムの各実施例を説明
するに当たり、図10に示す燃料電池発電システムを構成
する部材と共通の部材には、同じ符号を付して説明を省
略する。

【００２４】図１は、本発明の燃料電池発電システムの
第一実施例を示す系統図である。この燃料電池発電シス
テムは、燃料電池11の電池出口冷却水21と改質器バーナ
３の燃焼排ガス排出管18ａとの間に熱交換器30を設ける
ことにより、電池出口冷却水を用いて燃料改質器１のバ
ーナ燃焼排ガスの冷却を行うように構成している点が図
10に示す従来の燃料電池発電システムと基本的に相違す
る。

【００２５】電池出口冷却水21は熱交換器30を経て気水
分離器22に導入され、スチーム23と高温水24とに分離さ
れる。高温水はポンプ26と冷却熱交換器27を経て燃料電
池11の冷却器11ｃに循環され、冷却器11ｃにて燃料電池
11で発生した反応熱を除熱するように構成されている。
この場合、燃料電池冷却器11ｃを循環する電池冷却水の
流量や、冷却器11ｃの入口温度、出口温度は図10の従来
例の燃料電池システムの場合と同等に設定することがで
きるので、冷却器11ｃから電池冷却水が除熱する熱量は
従来の場合と変わりはない。従って、気水分離器22に
は、熱交換器30で与えられた熱量の分だけ増加した熱量
を持つ電池出口冷却水が導入されることになる。

【００２６】この燃料電池発電システムにおいては、燃
料電池11の電池出口冷却水21と改質器バーナ３の燃焼排
ガス排出管18ａとの間に熱交換器30を設けることによ
り、電池出口冷却水を用いて燃料改質器１のバーナ燃焼
排ガスの冷却を行い、気水分離器22には、熱交換器30で
与えられた熱量の分だけ増加した熱量を持つ電池出口冷
却水が導入される。電池冷却水流量や気水分離器の温度
・圧力を従来と同等に設定しておけば、気水分離器22に
おいて、上述の増加した熱量分の大部分は、スチーム23
の増加分として分離することができる。

【００２７】気水分離器22で分離されたスチーム23か
ら、改質用スチームとして燃料改質器１に供給されるス
チーム量は従来と同様であるので、燃料電池発電システ
ムの系外の熱負荷へスチーム排出系統25から供給される
排熱回収スチームの量が増加するという、本発明の作用
を得る。

【００２８】なお、燃料電池11の冷却器11ｃを出た電池
出口冷却水21が高温沸騰水である場合は、熱交換器30に
おけるバーナ燃焼排ガスの冷却は、電池出口冷却水の蒸
発潜熱によって行うことが効果的である。この場合、熱
交換器30での除熱熱量は全てスチーム分となってそのま
ま気水分離器22へ導入されるので、気水分離器22の入り
口にスチーム分離を行うための減圧弁または減圧オリフ
ィス等の減圧要素を設ける必要がない。

【００２９】従って、この燃料電池発電システムでは、
熱交換器30を設けて、電池出口冷却水を用いて燃料改質
器１のバーナ燃焼排ガスの冷却を行うように構成したこ
とにより、燃料電池発電システムの系外の熱負荷に供給
される排熱回収スチームの供給量を増加させることがで
き、燃料電池発電システムのスチーム排熱回収特性を向
上させることができる。

【００３０】図２は、本発明の燃料電池発電システムの
第２実施例を示す系統図である。この燃料電池発電シス
テムは、改質器バーナ３の燃焼排ガス排出管18ａを、気
水分離器22に設けられた熱交換部31に接続し、気水分離
器22内の高温水24を用いて燃料改質器１のバーナ燃焼排
ガスの冷却を行うように構成している点が図10に示す従
来の燃料電池発電システムと基本的に相違する。

【００３１】電池出口冷却水21は気水分離器22に導入さ
れ、スチーム23と高温水24とに分離される。高温水ポン
プ26と冷却熱交換器27を経て燃料電池11の冷却器11ｃに
循環され、冷却器11ｃにて燃料電池11で発生した反応熱
を除熱するように構成されている。

【００３２】一方、気水分離器22内には、熱交換部31が
設けられており、改質器バーナ３の燃焼排ガス排出管18
ａと接続されて、バーナの燃焼排ガスが導入される構成
としている。この熱交換部31は、高温水24を加熱するよ
うに構成されているので、改質器バーナ３の燃焼排ガス
は、高温水24を加熱してスチームを発生させる。高温水
24は飽和状態にあるので、熱交換部31での加熱熱量分は
全てスチームの生成に使われる。この生成スチームは、
蒸気分離器22内でスチーム23の一部として分離される。

【００３３】燃料電池冷却器11ｃを循環する電池冷却水
の流量や、冷却器11ｃの入口温度、出口温度は図10の従
来例の燃料電池システムの場合と同等に設定することが
できるので、冷却器11ｃから電池冷却水が除熱する熱量
は従来の場合と変わりはない。従って、気水分離器22で
は、熱交換部31で与えられた熱量の分だけ分離されるス
チーム量が増加することになる。

【００３４】この燃料電池発電システムにおいては、気
水分離器22内に、改質器バーナ３の燃焼排ガスを導入す
る熱交換部31を設けることにより、気水分離器22内の高
温水24を用いて燃料改質器１のバーナ燃焼排ガスの冷却
を行い、これによって、気水分離器22内で熱交換部31で
与えられた熱量分に相当するスチーム23の増加分を得る
ことができる。

【００３５】気水分離器22で分離されたスチーム23か
ら、改質用スチームとして燃料改質器１に供給されるス
チーム量は従来と同様であるので、燃料電池発電システ
ムの系外の熱負荷へスチーム排出系統25から供給される
排熱回収スチームの量が増加するという、本発明の作用
を得る。

【００３６】従って、この燃料電池発電システムでは、
気水分離器22内に熱交換器31を設けて、高温水を用いて
燃料改質器１のバーナ燃焼排ガスの冷却を行うように構
成したことにより、燃料電池発電システムの系外の熱負
荷に供給される排熱回収スチームの供給量を増加させる
ことができ、燃料電池発電システムのスチーム排熱回収
特性を向上させることができる。

【００３７】図３は、本発明の燃料電池発電システムの
第３実施例を示す系統図である。この燃料電池発電シス
テムは、気水分離器22で分離される高温水24の一部を用
いた第２冷却水循環系統32と燃料改質器３の燃焼排ガス
排出管18ａとの間に熱交換器33を設けることにより、気
水分離器22で分離される高温水24の一部で燃料改質器１
のバーナ燃焼排ガスの冷却を行うように構成している点
が図10に示す従来の燃料電池発電システムと基本的に相
違する。

【００３８】図３の燃料電池発電システムにおいて、燃
料電池11の冷却器11ｃを循環する電池冷却水の流量や、
冷却器11ｃの入口温度、出口温度は図10の従来例の燃料
電池システムの場合と同等に設定することができるの
で、冷却器11ｃから電池冷却水が除熱する熱量は従来の
場合と変わりはない。一方、気水分離器22からポンプ26
を経て第２冷却水循環系統32を循環する高温水は、熱交
換器33にて燃料改質器１のバーナ燃焼排ガスからの回収
熱量を得て気水分離器22に還流されることになる。

【００３９】この燃料電池発電システムにおいては、気
水分離器22で分離される高温水24の一部を用いた第２冷
却水循環系統32と燃料改質器３の燃焼排ガス排出管18ａ
との間に熱交換器33を設けることにより、気水分離器22
で分離される高温水24の一部で燃料改質器１のバーナ燃
焼排ガスの冷却を行い、気水分離器22には、熱交換器33
で回収した熱量の分だけ増加した高温水が還流される。
電池冷却水流量や気水分離器の温度・圧力を従来と同等
に設定しておけば、気水分離器22において、上述の増加
した熱量分の大部分は、スチーム23の増加分として分離
することができる。

【００４０】気水分離器22で分離されたスチーム23か
ら、改質用スチームとして燃料改質器１に供給されるス
チーム量は従来と同様であるので、燃料電池発電システ
ムの系外の熱負荷へスチーム排出系統25から供給される
排熱回収スチームの量が増加するという、本発明の作用
を得る。

【００４１】なお、熱交換器33におけるバーナ燃焼排ガ
スの冷却は、第２冷却水循環系統32を循環する高温水の
蒸発潜熱によって行うことが効果的である。この場合、
熱交換器33での回収熱量は全てスチーム分となってその
まま気水分離器22へ導入されるので、気水分離器22の入
り口にスチーム分離を行うための減圧弁または減圧オリ
フィス等の減圧要素を設ける必要がない。

【００４２】従って、この燃料電池発電システムでは、
熱交換器33を設けて、高温水の一部を用いて燃料改質器
１のバーナ燃焼排ガスの冷却を行うように構成したこと
により、燃料電池発電システムの系外の熱負荷に供給さ
れる排熱回収スチームの供給量を増加させることがで
き、燃料電池発電システムのスチーム排熱回収特性を向
上させることができる。

【００４３】図４は、本発明の燃料電池発電システムの
第４実施例を示す系統図である。この燃料電池発電シス
テムは、燃料電池11の電池出口冷却水21と、改質器１の
改質反応管２の出口側の水素リッチガスライン９ａとの
間に、従来の冷却器９に代えて熱交換器９ｂを設けるこ
とにより、電池出口冷却水を用いて燃料改質器１出口の
水素リッチガスの冷却を行うように構成している点が図
10に示す従来の燃料電池発電システムと基本的に相違す
る。

【００４４】電池出口冷却水21は熱交換器９ｂを経て気
水分離器22に導入され、スチーム23と高温水24とに分離
される。高温水はポンプ26と冷却熱交換器27を経て燃料
電池11の冷却器11ｃに循環され、冷却器11ｃにて燃料電
池11で発生した反応熱を除熱するように構成されてい
る。この場合、燃料電池冷却器11ｃを循環する電池冷却
水の流量や、冷却器11ｃの入口温度、出口温度は図10の
従来例の燃料電池システムの場合と同等に設定すること
ができるので、冷却器11ｃから電池冷却水が除熱する熱
量は従来の場合と変わりはない。従って、気水分離器22
には、熱交換器９ｂで与えられた熱量の分だけ増加した
熱量を持つ電池出口冷却水が導入されることになる。

【００４５】この燃料電池発電システムにおいては、燃
料電池11の電池出口冷却水21と改質器出口の水素リッチ
ガスライン９ａとの間に熱交換器９ｂを設けることによ
り、電池出口冷却水を用いて水素リッチガスの冷却を行
い、気水分離器22には、熱交換器９ｂで与えられた熱量
の分だけ増加した熱量を持つ電池出口冷却水が導入され
る。電池冷却水流量や気水分離器の温度・圧力を従来と
同等に設定しておけば、気水分離器22において、上述の
増加した熱量分の大部分は、スチーム23の増加分として
分離することができる。

【００４６】気水分離器22で分離されたスチーム23か
ら、改質用スチームとして燃料改質器１に供給されるス
チーム量は従来と同様であるから、燃料電池発電システ
ムの系外の熱負荷へスチーム排出系統25から供給される
排熱回収スチームの量が増加するという、本発明の作用
を得る。

【００４７】なお、燃料電池11の冷却器11ｃを出た電池
出口冷却水21が高温沸騰水である場合は、熱交換器９ｂ
におけるバーナ燃焼排ガスの冷却は、電池出口冷却水の
蒸発潜熱によって行うことが効果的である。この場合、
熱交換器９ｂでの除熱熱量は全てスチーム分となってそ
のまま気水分離器22へ導入されるので、気水分離器22の
入り口にスチーム分離を行うための減圧弁または減圧オ
リフィス等の減圧要素を設ける必要がない。

【００４８】従って、この燃料電池発電システムでは、
熱交換器９ｂを設けて、電池出口冷却水を用いて燃料改
質器１より供給される水素リッチガスの冷却を行うよう
に構成したことにより、燃料電池発電システムの系外の
熱負荷に供給される排熱回収スチームの供給量を増加さ
せることができ、燃料電池発電システムのスチーム排熱
回収特性を向上させることができる。

【００４９】図５は、本発明の燃料電池発電システムの
第５実施例を示す系統図である。この燃料電池発電シス
テムは、改質器１の改質反応管２の出口側の水素リッチ
ガスライン９ａを、気水分離器22内に設けられた熱交換
部31に接続し、気水分離器22内の高温水24を用いて水素
リッチガスの冷却を行うように構成している点が図10に
示す従来の燃料電池発電システムと基本的に相違する。

【００５０】電池出口冷却水21は気水分離器22に導入さ
れ、スチーム23と高温水24とに分離される。高温水はポ
ンプ26と冷却熱交換器27を経て燃料電池11の冷却器11ｃ
に循環され、冷却器11ｃにて燃料電池11で発生した反応
熱を除熱するように構成されている。

【００５１】一方、気水分離器22内には、熱交換部31が
設けられており、改質器１の改質反応管２の出口側の水
素リッチガスライン９ａと接続されて、水素リッチガス
が導入される構成としている。この熱交換部31は、高温
水24を加熱するように構成されているので、水素リッチ
ガスは、高温水24を加熱してスチームを発生させる。高
温水24は飽和状態にあるので、熱交換部31での加熱熱量
分は全てスチームの生成に使われる。この生成スチーム
は、蒸気分離器22内でスチーム23の一部として分離され
る。

【００５２】燃料電池冷却器11ｃを循環する電池冷却水
の流量や、冷却器11ｃの入口温度、出口温度は図10の従
来例の燃料電池システムの場合と同等に設定することが
できるので、冷却器11ｃから電池冷却水が除熱する熱量
は従来の場合と変わりはない。従って、気水分離器22で
は、熱交換部31で与えられた熱量の分だけ分離されるス
チーム量が増加することになる。

【００５３】この燃料電池発電システムにおいては、気
水分離器22内に、改質器１から供給される水素リッチガ
スを導入する熱交換部31を設けることにより、気水分離
器22内の高温水24を用いて水素リッチガスの冷却を行
い、これによって、気水分離器22内で、熱交換部31で与
えられた熱量分に相当するスチーム23の増加分を得るこ
とができる。

【００５４】気水分離器22で分離されたスチーム23か
ら、改質用スチームとして燃料改質器１に供給されるス
チーム量は従来と同様であるので、燃料電池発電システ
ムの系外の熱負荷へスチーム排出系統25から供給される
排熱回収スチームの量が増加するという、本発明の作用
を得る。

【００５５】従って、この燃料電池発電システムでは、
気水分離器22内に熱交換部31を設けて、高温水を用いて
燃料改質器１から供給される水素リッチガスの冷却を行
うように構成したことにより、燃料電池発電システムの
系外の熱負荷に供給される排熱回収スチームの供給量を
増加させることができ、燃料電池発電システムのスチー
ム排熱回収特性を向上させることができる。

【００５６】図６は、本発明の燃料電池発電システムの
第６実施例を示す系統図である。この燃料電池発電シス
テムは、気水分離器22で分離される高温水24の一部を用
いた第２冷却水循環系統32と、改質器１の改質反応管２
の出口側の水素リッチガスライン９ａとの間に熱交換器
９ｂを設けることにより、気水分離器22で分離される高
温水24の一部で燃料改質器１から供給される水素リッチ
ガスの冷却を行うように構成している点が図10に示す従
来の燃料電池発電システムと基本的に相違する。

【００５７】図６の発電システム燃料電池発電システム
において、燃料電池11の冷却器11ｃを循環する電池冷却
水の流量や、冷却器11ｃの入口温度、出口温度は図10の
従来例の燃料電池システムの場合と同等に設定すること
ができるので、冷却器11ｃから電池冷却水が除熱する熱
量は従来の場合と変わりはない。一方、気水分離器22か
らポンプ26を経て第２冷却水循環系統32を循環する高温
水は、熱交換器９ｂにて燃料改質器１から供給される水
素リッチガスからの回収熱量を得て気水分離器22に還流
されることになる。

【００５８】この燃料電池発電システムにおいては、気
水分離器22で分離される高温水24の一部を用いた第２冷
却水循環系統32と、水素リッチガスライン９ａとの間に
熱交換器９ｂを設けることにより、気水分離器22で分離
される高温水24の一部で水素リッチガスの冷却を行い、
気水分離器22には、熱交換器９ｂで回収した熱量の分だ
け増加した高温水が還流される。電池冷却水流量や気水
分離器の温度・圧力を従来と同等に設定しておけば、気
水分離器22において、上述の増加した熱量分の大部分
は、スチーム23の増加分として分離することができる。

【００５９】気水分離器22で分離されたスチーム23か
ら、改質用スチームとして燃料改質器１に供給されるス
チーム量は従来と同様であるので、燃料電池発電システ
ムの系外の熱負荷へスチーム排出系統25から供給される
排熱回収スチームの量が増加するという、本発明の作用
を得る。

【００６０】なお、熱交換器９ｂにおけるバーナ燃焼排
ガスの冷却は、第２冷却水循環系統32を循環する高温水
の蒸発潜熱によって行うことが効果的である。この場
合、熱交換器９ｂでの回収熱量は全てスチーム分となっ
てそのまま気水分離器22へ導入されるので、気水分離器
22の入り口にスチーム分離を行うための減圧弁または減
圧オリフィス等の減圧要素を設ける必要がない。熱交換
器９ｂでの冷却をできるだけ高温水の蒸発潜熱で行うた
めに、気水分離器22からポンプ26を経て熱交換器９ｂに
至る冷却水循環ライン上には冷却要素を設けず、高温水
の温度の低下を最小に抑えることが効果がある。なお、
図６ではポンプ26を電池冷却水循環系統と第２冷却水循
環系統とで共用しているが、別々のポンプとする構成で
もよい。

【００６１】従って、この燃料電池発電システムでは、
熱交換器９ｂを設けて、高温水の一部を用いて燃料改質
器１から供給される水素リッチガスの冷却を行うように
構成したことにより、燃料電池発電システムの系外の熱
負荷に供給される排熱回収スチームの供給量を増加させ
ることができ、燃料電池発電システムのスチーム排熱回
収特性を向上させることができる。

【００６２】図７は、本発明の燃料電池発電システムの
第７実施例を示す系統図である。この実施例に示された
燃料電池発電システムは、水素リッチガスの生成に燃料
改質器を用いず、ソーダ電解工程から得られる副生水素
などの高濃度の水素リッチガスを燃料電池11への燃料と
して用いた燃料電池発電システムの例である。

【００６３】副生水素等の水素リッチガスは、ガス供給
系統40により調節弁41を介して燃料電池11の燃料極11ａ
へ供給され、電気化学反応（電池反応）に供される。電
気化学反応に相当する水素が消費された後の排燃料ガス
は、ガス排気管15により燃焼器42に導入され、この燃焼
器42で空気供給管16からの燃焼用空気と混合して燃焼さ
れる。燃焼器42からの燃焼排ガスは、ガス排気管43を通
り、燃料池11の空気極11ｂからの排空気と合流してガス
排気系統18から排出される。

【００６４】その際に、燃料電池11の電池出口冷却水21
と、燃焼器42からの燃焼排ガス排出管43との間に熱交換
器44に設けることにより、電池出口冷却水を用いて燃焼
器42からの燃焼排ガスの冷却を行うように構成してい
る。

【００６５】電池出口冷却水21は熱交換器44を経て気水
分離器22に導入され、スチーム23と高温水24とに分離さ
れる。高温水はポンプ26と冷却熱交換器27を経て燃料電
池11の冷却器11ｃに循環され、冷却器11ｃにて燃料電池
11で発生した反応熱を除熱するように構成されている。
この場合、燃料電池冷却器11ｃを循環する電池冷却水の
流量や、冷却器11ｃの入口温度、出口温度は図10の従来
例の燃料電池システムの場合と同等に設定することがで
きるので、冷却器11ｃから電池冷却水が除熱する熱量は
従来の場合と変わりはない。従って、気水分離器22に
は、熱交換器44で与えられた熱量の分だけ増加した熱量
を持つ電池出口冷却水が導入されることになる。

【００６６】この燃料電池発電システムにおいては、燃
料電池11の電池出口冷却水21と燃焼器42の燃焼排ガス排
出管43との間に熱交換器44を設けることにより、電池出
口冷却水を用いて燃焼器42からの燃焼排ガスの冷却を行
い、気水分離器22には、熱交換器44で与えられた熱量の
分だけ増加した熱量を持つ電池出口冷却水が導入され
る。電池冷却水流量や気水分離器の温度・圧力を従来と
同等に設定しておけば、気水分離器22において、上述の
増加した熱量分の大部分は、スチーム23の増加分として
分離することができる。

【００６７】気水分離器22で分離されたスチーム23か
ら、改質用スチームとして燃料改質器１に供給されるス
チーム量は従来と同様であるので、燃料電池発電システ
ムの系外の熱負荷へスチーム排出系統25から供給される
排熱回収スチームの量が増加するという、本発明の作用
を得る。

【００６８】なお、燃料電池11の冷却器11ｃを出た電池
出口冷却水21が高温沸騰水である場合は、熱交換器44に
おけるバーナ燃焼排ガスの冷却は、電池出口冷却水の蒸
発潜熱によって行うことが効果的である。この場合、熱
交換器44での除熱熱量は全てスチーム分となってそのま
ま気水分離器22へ導入されるので、気水分離器22の入り
口にスチーム分離を行うための減圧弁または減圧オリフ
ィス等の減圧要素を設ける必要がない。

【００６９】従って、この燃料電池発電システムでは、
熱交換器44を設けて、電池出口冷却水を用いて燃焼器42
からの燃焼排ガスの冷却を行うように構成したことによ
り、燃料電池発電システムの系外の熱負荷に供給される
排熱回収スチームの供給量を増加させることができ、燃
料電池発電システムのスチーム排熱回収特性を向上させ
ることができる。

【００７０】図８は、本発明の燃料電池発電システムの
第８実施例を示す系統図である。本例は、第７実施例と
同じく、水素リッチガスの生成に燃料改質器を用いず、
副生水素などの高濃度の水素リッチガスを燃料改質器11
への燃料として用いた燃料電池発電システムの例であ
る。

【００７１】この燃料電池発電システムでは、燃焼器42
の燃焼排ガス排出管43を、気水分離器22内に設けられた
熱交換部31に接続し、気水分離器22内の高温水24を用い
て燃焼器42からの燃焼排ガスの冷却を行うように構成し
ている。

【００７２】電池出口冷却水21は気水分離器22に導入さ
れ、スチーム23と高温水24とに分離される。高温水はポ
ンプ26と冷却熱交換器27を経て燃料電池11の冷却器11ｃ
に循環され、冷却器11ｃにて燃料電池11で発生した反応
熱を除熱するように構成されている。

【００７３】一方、気水分離器22内には、熱交換部31が
設けられており、燃焼器42からの燃焼排ガス排出管43と
接続されて、バーナの燃焼排ガスが導入される構成とし
ている。この熱交換部31は、高温水24を加熱するように
構成されているので、燃焼器42の燃焼排ガスは、高温水
24を加熱してスチームを発生させる。高温水24は飽和状
態にあるので、熱交換部31での加熱熱量分は全てスチー
ムの生成に使われる。この生成スチームは、蒸気分離器
22内でスチーム23の一部として分離される。

【００７４】燃料電池冷却器11ｃを循環する電池冷却水
の流量や、冷却器11ｃの入口温度、出口温度は図10の従
来例の燃料電池システムの場合と同等に設定することが
できるので、冷却器11ｃから電池冷却水が除熱する熱量
は従来の場合と変わりはない。従って、気水分離器22で
は、熱交換部31で与えられた熱量の分だけ分離されるス
チーム量が増加することになる。

【００７５】この燃料電池発電システムにおいては、気
水分離器22内に、燃焼器42からの燃焼排ガスを導入する
熱交換部31を設けることにより、気水分離器22内の高温
水24を用いて燃焼器42の燃焼排ガスの冷却を行い、これ
によって、気水分離器22内で、熱交換部31で与えられた
熱量分に相熱するスチーム23の増加分を得ることができ
る。

【００７６】気水分離器22で分離されたスチーム23か
ら、改質用スチームとして燃料改質器１に供給されるス
チーム量は従来と同様であるので、燃料電池発電システ
ムの系外の熱負荷へスチーム排出系統25から供給される
排熱回収スチームの量が増加するという、本発明の作用
を得る。

【００７７】従って、この燃料電池発電システムでは、
気水分離器22内に熱交換部31を設けて、高温水を用いて
燃焼器42からの燃焼排ガスの冷却を行うように構成した
ことにより、燃料電池発電システムの系外の熱負荷に供
給される排熱回収スチームの供給量を増加させることが
でき、燃料電池発電システムのスチーム排熱回収特性を
向上させることができる。

【００７８】図９は、本発明の燃料電池発電システムの
第３実施例を示す系統図である。本例もまた、第７実施
例と同じく、水素リッチガスの生成に燃料改質器を用い
ず、副生水素などの高濃度の水素リッチガスを燃料改質
器11への燃料として用いた燃料電池発電システムの例で
ある。

【００７９】この燃料電池発電システムは、気水分離器
22で分離される高温水24の一部を用いた第２冷却水循環
系統32と、燃焼器42の燃焼排ガス排出管43との間に熱交
換器45を設けることにより、気水分離器22で分離される
高温水24の一部で燃焼器42からの燃焼排ガスの冷却を行
うように構成している。

【００８０】図９の燃料電池発電システムにおいて、燃
料電池11の冷却器11ｃを循環する電池冷却水の流量や、
冷却器11ｃの入口温度、出口温度は図10の従来例の燃料
電池システムの場合と同等に設定することができるの
で、冷却器11ｃから電池冷却水が除熱する熱量は従来の
場合と変わりはない。一方、気水分離器22からポンプ26
を経て第２冷却水循環系統32を循環する高温水は、熱交
換器45にて燃焼器42の燃焼排ガスからの回収熱量を得て
気水分離器22に還流されることになる。

【００８１】この燃料電池発電システムにおいては、気
水分離器22で分離される高温水24の一部を用いた第２冷
却水循環系統32と、燃焼器42の燃焼排ガス排出管43との
間に熱交換器45を設けることにより、気水分離器22で分
離される高温水24の一部で燃料改質器１のバーナ燃焼排
ガスの冷却を行い、気水分離器22には、熱交換器45で回
収した熱量の分だけ増加した高温水が還流される。電池
冷却水流量や気水分離器の温度・圧力を従来と同等に設
定しておけば、気水分離器22において、上述の増加した
熱量分の大部分は、スチーム23の増加分として分離する
ことができる。

【００８２】気水分離器22で分離されたスチーム23か
ら、改質用スチームとして燃料改質器１に供給されるス
チーム量は従来と同様であるので、燃料電池発電システ
ムの系外の熱負荷へスチーム排出系統25から供給される
排熱回収スチームの量が増加するという、本発明の作用
を得る。

【００８３】なお、熱交換器45における燃焼排ガスの冷
却は、第２冷却水循環系統32を循環する高温水の蒸発潜
熱によって行うことが効果的である。この場合、熱交換
器45での回収熱量は全てスチーム分となってそのまま気
水分離器22へ導入されるので、気水分離器22の入り口に
スチーム分離を行うための減圧弁または減圧オリフィス
等の減圧要素を設ける必要がない。

【００８４】従って、この燃料電池発電システムでは、
熱交換器45を設けて、高温水の一部を用いて燃焼器42の
燃焼排ガスの冷却を行うように構成したことにより、燃
料電池発電システムの系外の熱負荷に供給される排熱回
収スチームの供給量を増加させることができ、燃料電池
発電システムのスチーム排熱回収特性を向上させること
ができる。

【００８５】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、電
気化学反応を生じさせる燃料電池と、バーナ燃焼熱によ
り原料ガスを水素リッチガスに改質する燃料改質器と、
前記燃料電池の電気化学反応熱を除去する冷却水循環系
統と、この冷却水循環系統中に配置されて蒸気と高温水
の分離を行う気水分離器とを有し、電池出口冷却水また
は前記高温水の少なくとも一部を用いて前記燃料改質器
のバ〜ナ燃焼排ガスの冷却を行うように構成したので、
気水分離器で分離せしめられるスチーム量を増加させる
ことができ、スチーム排熱回収性能を向上させることが
できる。

【００８６】また、この燃料電池発電システムは、請求
項２に記載したように、電池出口冷却水または前記高温
水の少なくとも一部を用いて燃料改質器から得られる水
素リッチガスの冷却を行うように構成したので、気水分
離器で分離せしめられるスチーム量を増加させることが
でき、スチーム排熱回収性能を向上させることができ
る。

【００８７】さらに、この燃料電池発電システムは、請
求項３に記載したように、電池出口冷却水または前記高
温水の少なくとも一部を用いて燃焼器の燃焼排ガスの冷
却を行うように構成したので、気水分離器で分離せしめ
られるスチーム量を増加させることができ、スチーム排
熱回収性能を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による燃料電池発電システムの第１実施
例を示す構成図

【図２】本発明による燃料電池発電システムの第２実施
例を示す構成図

【図３】本発明による燃料電池発電システムの第３実施
例を示す構成図

【図４】本発明による燃料電池発電システムの第４実施
例を示す構成図

【図５】本発明による燃料電池発電システムの第５実施
例を示す構成図

【図６】本発明による燃料電池発電システムの第６実施
例を示す構成図

【図７】本発明による燃料電池発電システムの第７実施
例を示す構成図

【図８】本発明による燃料電池発電システムの第８実施
例を示す構成図

【図９】本発明による燃料電池発電システムの第９実施
例を示す構成図

【図１０】従来の燃料電池発電システムの一例を示す構
成図

【符号の説明】

１…燃料改質器 ２…改質反応管 ３…改質器バーナ ４…原料ガス ５…原料ガス供給管 ６…スチーム供給管 ７…調節弁 ８…調節弁 ９…冷却器 10…ＣＯ変成器 11…燃料電池 11ａ…燃料極 11ｂ…空気極 11ｃ…冷却器 12…空気供給系統 13…調節弁 14…ブロワ 15…ガス排出管 16…空気供給管 17…調節弁 18…ガス排気系統 18ａ…ガス排出管 18ｂ…ガス排出管 20…冷却水循環系統 21…電池出口冷却水 22…気水分離器 23…スチーム 24…高温水 25…スチーム排出系統 26…ポンプ 27…冷却熱交換器 28…給水系統

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電気化学反応を生じさせる燃料電池と、
   バーナ燃焼熱により原料ガスを水素リッチガスに改質す
   る燃料改質器と、前記燃料電池の電気化学反応熱を除去
   する冷却水循環系統と、この冷却水循環系統中に配置さ
   れて蒸気と高温水の分離を行う気水分離器とを有し、電
   池出口冷却水または前記高温水の少なくとも一部を用い
   て前記燃料改質器のバーナ燃焼排ガスの冷却を行うよう
   に構成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】 電気化学反応を生じさせる燃料電池と、
   バーナ燃焼熱により原料ガスを水素リッチガスに改質す
   る燃料改質器と、前記燃料電池の電気化学反応熱を除去
   する冷却水循環系統と、この冷却水循環系統中に配置さ
   れて蒸気と高温水の分離を行う気水分離器とを有し、電
   池出口冷却水または前記高温水の少なくとも一部を用い
   て前記水素リッチガスの冷却を行うように構成したこと
   を特徴とする燃料電池発電システム。
3. 【請求項３】 燃料極と空気極との間で電気化学反応を
   生じさせる燃料電池と、燃料電池の燃料極からの排燃料
   ガスを燃焼させる燃焼器と、前記燃料電池の電気化学反
   応熱を除去する冷却水循環系統と、この冷却水循環系統
   中に配置されて蒸気と高温水の分離を行う気水分離器と
   を有し、電池出口冷却水または前記高温水の少なくとも
   一部を用いて前記燃焼器の燃焼排ガスの冷却を行うよう
   に構成したことを特徴とする燃料電池発電システム。
4. 【請求項４】 前記燃焼排ガスまたは前記水素リッチガ
   スの冷却は、前記電池出口冷却水または前記高温水の蒸
   気潜熱によって行うようにしたことを特徴とする請求項
   １、請求項２または請求項３に記載の燃料電池発電シス
   テム。