JPH07296836A - 燃料電池余剰蒸気凝縮型気水分離器 - Google Patents
燃料電池余剰蒸気凝縮型気水分離器Info
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- JPH07296836A JPH07296836A JP6091822A JP9182294A JPH07296836A JP H07296836 A JPH07296836 A JP H07296836A JP 6091822 A JP6091822 A JP 6091822A JP 9182294 A JP9182294 A JP 9182294A JP H07296836 A JPH07296836 A JP H07296836A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 電池冷却水系の燃料改質器への必要供給量以
上の余剰蒸気分を凝縮回収させる機能を気水分離器にも
たせること。 【構成】 燃料電池本体１の反応熱により加熱され二相
流化した冷却水を気相と液相に分離し、分離した冷却水
を燃料電池本体の冷却器１ｃに環流するようにした燃料
電池発電システムにおける気水分離器２において、燃料
電池に供給する電池冷却水の一部を気水分離器に設けた
散水スプレーノズル３４の如き冷却手段に供給し、上記
二相流化した冷却水中の余剰蒸気を凝縮させるようにし
た。
上の余剰蒸気分を凝縮回収させる機能を気水分離器にも
たせること。 【構成】 燃料電池本体１の反応熱により加熱され二相
流化した冷却水を気相と液相に分離し、分離した冷却水
を燃料電池本体の冷却器１ｃに環流するようにした燃料
電池発電システムにおける気水分離器２において、燃料
電池に供給する電池冷却水の一部を気水分離器に設けた
散水スプレーノズル３４の如き冷却手段に供給し、上記
二相流化した冷却水中の余剰蒸気を凝縮させるようにし
た。
Description
【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、特に燃料電池からの排熱を利用するための気水
分離器に関する。
に係り、特に燃料電池からの排熱を利用するための気水
分離器に関する。
【０００２】
【従来の技術】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、及び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。上記燃料電池本体は、水素生成により生成され
た水素ガスと空気中の酸素との結合エネルギーを直接電
気エネルギーに変換するものであり、この燃料電池を使
用した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
騒音も少ないクリーンな発電システムとして評価されて
いる。
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、及び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。上記燃料電池本体は、水素生成により生成され
た水素ガスと空気中の酸素との結合エネルギーを直接電
気エネルギーに変換するものであり、この燃料電池を使
用した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
騒音も少ないクリーンな発電システムとして評価されて
いる。
【０００３】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、電池本体の温度を一定の温
度レベルに保つ必要があり、電池本体に電池冷却水等を
流し、適切な温度に冷却することが行なわれている。こ
のため、燃料電池発電システムの冷却水系には気水分離
器や熱交換器等が設けられ、熱交換器から取出される排
熱が様々な用途に熱利用される。上記排熱は一般的に温
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。
効率よく行わせるためには、電池本体の温度を一定の温
度レベルに保つ必要があり、電池本体に電池冷却水等を
流し、適切な温度に冷却することが行なわれている。こ
のため、燃料電池発電システムの冷却水系には気水分離
器や熱交換器等が設けられ、熱交換器から取出される排
熱が様々な用途に熱利用される。上記排熱は一般的に温
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。
【０００４】図８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って、発
電負荷に対する発電効率は、この特性図からわかるよう
に４０％程度である。しかし、温水レベルの低温排熱回
収分及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％以上になる。このように燃料電
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は高い。
発電負荷と総合熱効率の関係を示す特性図であって、発
電負荷に対する発電効率は、この特性図からわかるよう
に４０％程度である。しかし、温水レベルの低温排熱回
収分及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％以上になる。このように燃料電
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は高い。
【０００５】図９、１０は、従来のこのような排熱利用
システムを取入れた電池冷却水の余剰熱を利用して、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た燃料電池発電シス
テムの構成例を示す図である。 図９に示すように、燃
料極１ａ、空気極１ｂ、及び電池冷却器１ｃを備えた燃
料電池本体１で発生した反応熱が、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り出され、この反
応熱によって加熱された電池冷却水は気液二相流となっ
て気水分離器２に導入される。
システムを取入れた電池冷却水の余剰熱を利用して、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た燃料電池発電シス
テムの構成例を示す図である。 図９に示すように、燃
料極１ａ、空気極１ｂ、及び電池冷却器１ｃを備えた燃
料電池本体１で発生した反応熱が、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り出され、この反
応熱によって加熱された電池冷却水は気液二相流となっ
て気水分離器２に導入される。
【０００６】この気水分離器２では気液二相流の蒸気２
ａが分離液化され電池冷却水２ｂとなり、この気水分離
器２の下流に設けられている蒸気発生器３に導入され、
上記電池冷却水２ｂ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が加熱され蒸気が発生され
る。そして、上記蒸気発生器３で温度を下げられた電池
冷却水２ｂは、電池冷却水循環ポンプ４によって温度調
整用熱交換器５を通って冷却器１ｃに還流される。
ａが分離液化され電池冷却水２ｂとなり、この気水分離
器２の下流に設けられている蒸気発生器３に導入され、
上記電池冷却水２ｂ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が加熱され蒸気が発生され
る。そして、上記蒸気発生器３で温度を下げられた電池
冷却水２ｂは、電池冷却水循環ポンプ４によって温度調
整用熱交換器５を通って冷却器１ｃに還流される。
【０００７】一方、気水分離器２で分離された蒸気２ａ
は、燃料改質蒸気過熱器６に供給され、この燃料改質蒸
気過熱器６で過熱され過熱蒸気となり、この過熱蒸気が
燃料と或る一定の比率で混合され燃料改質器７内の触媒
層を通過し、この間に燃料改質器７内のバーナ燃焼ガス
により加熱される吸熱反応により、水素リッチガスに変
成される。
は、燃料改質蒸気過熱器６に供給され、この燃料改質蒸
気過熱器６で過熱され過熱蒸気となり、この過熱蒸気が
燃料と或る一定の比率で混合され燃料改質器７内の触媒
層を通過し、この間に燃料改質器７内のバーナ燃焼ガス
により加熱される吸熱反応により、水素リッチガスに変
成される。
【０００８】図９の場合、燃料改質器７内で燃焼したバ
ーナ燃焼排ガスは、燃料改質器７を出た後、燃料改質器
７のバーナ空気予熱器８の加熱源として空気と熱交換
し、その後流側で燃料電池本体１からの排空気と合流
し、一体型排ガス処理装置９に導入される。この一体型
排ガス処理装置９には、燃料電池本体１の電解質から気
散し、生成水蒸気とともに排出されるリン酸溶液を含む
排ガスからリン酸を除去回収するリン酸除去機能と、排
ガス中に含まれる生成水蒸気を凝縮回収する凝縮水回収
機能を具備している。
ーナ燃焼排ガスは、燃料改質器７を出た後、燃料改質器
７のバーナ空気予熱器８の加熱源として空気と熱交換
し、その後流側で燃料電池本体１からの排空気と合流
し、一体型排ガス処理装置９に導入される。この一体型
排ガス処理装置９には、燃料電池本体１の電解質から気
散し、生成水蒸気とともに排出されるリン酸溶液を含む
排ガスからリン酸を除去回収するリン酸除去機能と、排
ガス中に含まれる生成水蒸気を凝縮回収する凝縮水回収
機能を具備している。
【０００９】また、蒸気発生器３の二次側で発生した飽
和蒸気は蒸気供給ライン１０を通って蒸気排熱利用装置
１１の二次蒸気発生系に供給され、そこで利用された
後、凝縮水となり、蒸気発生器給水ポンプ１２により凝
縮水戻り配管１３を経て蒸気発生器３の下部に戻され
る。
和蒸気は蒸気供給ライン１０を通って蒸気排熱利用装置
１１の二次蒸気発生系に供給され、そこで利用された
後、凝縮水となり、蒸気発生器給水ポンプ１２により凝
縮水戻り配管１３を経て蒸気発生器３の下部に戻され
る。
【００１０】一体型排ガス処理装置９の一次側で生成、
回収した排ガス中の凝縮水は、凝縮水回収ライン１４を
経て水処理装置１５に導入され、ここで水処理された冷
却水が蒸気発生器３から流出する電池冷却水と合流され
て冷却器１ｃに導入される。
回収した排ガス中の凝縮水は、凝縮水回収ライン１４を
経て水処理装置１５に導入され、ここで水処理された冷
却水が蒸気発生器３から流出する電池冷却水と合流され
て冷却器１ｃに導入される。
【００１１】図１０は、図９のうち気水分離器２及び蒸
気発生器３周辺の構成の他の例を示す図であって、蒸気
発生器３の二次側で発生した飽和蒸気は気水分離器２内
に設けられている伝熱管群２０内に流入し、そこでさら
に加熱され過熱蒸気となり、排熱利用装置の二次蒸気発
生系に高品位な過熱蒸気として供給されるとともに、上
記伝熱管群の外表面で電池冷却水の余剰蒸気を凝縮さ
せ、気水分離器で発生する水蒸気量を所望の値に維持す
るようにしてある。
気発生器３周辺の構成の他の例を示す図であって、蒸気
発生器３の二次側で発生した飽和蒸気は気水分離器２内
に設けられている伝熱管群２０内に流入し、そこでさら
に加熱され過熱蒸気となり、排熱利用装置の二次蒸気発
生系に高品位な過熱蒸気として供給されるとともに、上
記伝熱管群の外表面で電池冷却水の余剰蒸気を凝縮さ
せ、気水分離器で発生する水蒸気量を所望の値に維持す
るようにしてある。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
このような蒸気排熱利用装置を取入れた燃料電池発電シ
ステムでは、図９のような場合、燃料電池本体１の電池
冷却器１ｃより気液二相流となって取出した電池冷却水
の気相分の内、燃料改質器７への必要供給量以上の余剰
蒸気分を凝縮回収させる機能がなく、電池冷却水系の温
度を燃料電池本体にとって適切な温度に維持することが
難しいという問題がある。ここで、燃料改質器７への必
要供給量以上の余剰蒸気分が気水分離器２内に発生する
ことについては、燃料電池本体１の運転性能を上げる為
に、例えば電池冷却水量を減らして、燃料電池本体１内
部の電池冷却器１ｃの温度分布が均一になるように、或
る飽和温度の気液二相流領域を増やそうとする場合、電
池冷却器１ｃ出口の気相分の比率が増えること等が考え
られる。
このような蒸気排熱利用装置を取入れた燃料電池発電シ
ステムでは、図９のような場合、燃料電池本体１の電池
冷却器１ｃより気液二相流となって取出した電池冷却水
の気相分の内、燃料改質器７への必要供給量以上の余剰
蒸気分を凝縮回収させる機能がなく、電池冷却水系の温
度を燃料電池本体にとって適切な温度に維持することが
難しいという問題がある。ここで、燃料改質器７への必
要供給量以上の余剰蒸気分が気水分離器２内に発生する
ことについては、燃料電池本体１の運転性能を上げる為
に、例えば電池冷却水量を減らして、燃料電池本体１内
部の電池冷却器１ｃの温度分布が均一になるように、或
る飽和温度の気液二相流領域を増やそうとする場合、電
池冷却器１ｃ出口の気相分の比率が増えること等が考え
られる。
【００１３】一方、図１０に示すものでは、上記課題は
解決することができるけれども、燃料電池本体内部の構
造上、例えば、電池内部のリン酸が運転中、電池出口か
らの排ガス、排空気等に混じって外部に流出することを
防止するため、電池冷却水の電池入口温度を或程度下げ
なくてはならない等の制約がある。しかし、電池冷却水
の電池入口温度を下げるためには、電池冷却水系の電池
入口手前に熱交換器等を介して、電池冷却水系の熱を外
部に放出することが必要になり、高品位で利用価値の高
い電池冷却水系からの高温排熱回収量が減り、高温排熱
回収効率が下がることになり、燃料電池発電プラントの
効率低下にもつながる。
解決することができるけれども、燃料電池本体内部の構
造上、例えば、電池内部のリン酸が運転中、電池出口か
らの排ガス、排空気等に混じって外部に流出することを
防止するため、電池冷却水の電池入口温度を或程度下げ
なくてはならない等の制約がある。しかし、電池冷却水
の電池入口温度を下げるためには、電池冷却水系の電池
入口手前に熱交換器等を介して、電池冷却水系の熱を外
部に放出することが必要になり、高品位で利用価値の高
い電池冷却水系からの高温排熱回収量が減り、高温排熱
回収効率が下がることになり、燃料電池発電プラントの
効率低下にもつながる。
【００１４】また、燃料電池システムを発電運転のみの
ために稼動し、高温排熱を供給する必要がない場合、即
ち、排熱利用装置の二次蒸気発生系に蒸気を供給する必
要がない場合には、燃料改質器７への必要供給量以上の
余剰蒸気分が気水分離器２で発生するために、水蒸気量
を所望の値に維持する燃料電池システム側で、上記とは
別な手段で電池冷却水系の余剰蒸気を凝縮させる必要が
ある。
ために稼動し、高温排熱を供給する必要がない場合、即
ち、排熱利用装置の二次蒸気発生系に蒸気を供給する必
要がない場合には、燃料改質器７への必要供給量以上の
余剰蒸気分が気水分離器２で発生するために、水蒸気量
を所望の値に維持する燃料電池システム側で、上記とは
別な手段で電池冷却水系の余剰蒸気を凝縮させる必要が
ある。
【００１５】さらに、燃料電池システムからの排熱回収
効率を高めるために、気水分離器から改質器に供給する
蒸気量を減らし、スチーム／カーボン比（Ｓ／Ｃ）を下
げた運転を行う場合等も同様である。
効率を高めるために、気水分離器から改質器に供給する
蒸気量を減らし、スチーム／カーボン比（Ｓ／Ｃ）を下
げた運転を行う場合等も同様である。
【００１６】本発明は、このような点に鑑み、気水分離
器内に二次蒸気発生系に蒸気を供給するために設ける伝
熱管群等とは別に、電池冷却水系の燃料改質器への必要
供給量以上の余剰蒸気分を凝縮回収させる機能を気水分
離器にもたせることにより、燃料電池発電システムの間
接蒸気取出しに対応できるとともに、プラント設備を小
形化し、排熱利用の多様化に対応させることができる気
水分離器を得ることを目的とする。
器内に二次蒸気発生系に蒸気を供給するために設ける伝
熱管群等とは別に、電池冷却水系の燃料改質器への必要
供給量以上の余剰蒸気分を凝縮回収させる機能を気水分
離器にもたせることにより、燃料電池発電システムの間
接蒸気取出しに対応できるとともに、プラント設備を小
形化し、排熱利用の多様化に対応させることができる気
水分離器を得ることを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】本発明は、燃料電池本体
の反応熱により加熱され二相流化した冷却水を気相と水
相に分離し、分離された冷却水を上記燃料電池本体の冷
却器に還流するようにした燃料電池発電システムにおけ
る気水分離器において、上記燃料電池に供給される冷却
水の一部が供給され、燃料電池を通過することにより発
生した冷却水中の余剰蒸気を凝縮させる冷却手段を設け
るとともに、上記冷却手段に供給される冷却水の流量を
制御する流量制御手段を設けたことを特徴とする。
の反応熱により加熱され二相流化した冷却水を気相と水
相に分離し、分離された冷却水を上記燃料電池本体の冷
却器に還流するようにした燃料電池発電システムにおけ
る気水分離器において、上記燃料電池に供給される冷却
水の一部が供給され、燃料電池を通過することにより発
生した冷却水中の余剰蒸気を凝縮させる冷却手段を設け
るとともに、上記冷却手段に供給される冷却水の流量を
制御する流量制御手段を設けたことを特徴とする。
【００１８】また、第２の発明は、燃料電池から流出す
る気液二相流の電池冷却水の一部を、気水分離器内の下
部液相部に直接流入させるようにしたことを特徴とす
る。
る気液二相流の電池冷却水の一部を、気水分離器内の下
部液相部に直接流入させるようにしたことを特徴とす
る。
【００１９】
【作用】気水分離器内に燃料電池に供給される冷却水の
一部が供給される冷却手段が設けられ、或は気液二相流
の電池冷却水の一部が気水分離器の下部液相部直接流入
するようにしたので、上記冷却手段等の作動によって電
池冷却水系の余剰蒸気分を液相分に戻し、気水分離器で
発生する水蒸気量を所望の値に維持することができる。
したがって、気水分離器内より電池冷却水系と分離され
た形で間接的の排熱利用装置の二次蒸気発生系に過熱蒸
気等を供給すること、間接過熱蒸気取出し量を増大させ
ることが可能となり、システムからの高温排熱回収率を
高めることができる。
一部が供給される冷却手段が設けられ、或は気液二相流
の電池冷却水の一部が気水分離器の下部液相部直接流入
するようにしたので、上記冷却手段等の作動によって電
池冷却水系の余剰蒸気分を液相分に戻し、気水分離器で
発生する水蒸気量を所望の値に維持することができる。
したがって、気水分離器内より電池冷却水系と分離され
た形で間接的の排熱利用装置の二次蒸気発生系に過熱蒸
気等を供給すること、間接過熱蒸気取出し量を増大させ
ることが可能となり、システムからの高温排熱回収率を
高めることができる。
【００２０】また、廃熱利用装置の二次蒸気発生系に蒸
気を供給する必要がない場合、或はスチーム／カーボン
比を下げた運転を行なうような場合にも、電池冷却水系
の余剰の蒸気分を凝縮させ、気水分離器で発生する水蒸
気量を所望の値にすることができる。したがって、余剰
蒸気分を外部に放出したり、或は余剰蒸気分を熱交換器
等を介して凝縮させる必要がなく、プラント設備をコン
パクトにきるとともに、経済的なものとすることができ
る。
気を供給する必要がない場合、或はスチーム／カーボン
比を下げた運転を行なうような場合にも、電池冷却水系
の余剰の蒸気分を凝縮させ、気水分離器で発生する水蒸
気量を所望の値にすることができる。したがって、余剰
蒸気分を外部に放出したり、或は余剰蒸気分を熱交換器
等を介して凝縮させる必要がなく、プラント設備をコン
パクトにきるとともに、経済的なものとすることができ
る。
【００２１】
【実施例】以下、図１乃至図７を参照して本発明の実施
例について説明する。
例について説明する。
【００２２】図１において、気水分離器２には電池冷却
水入口ノズル２１を介して燃料電池冷却器１ｃから電池
冷却水が導入され、そこで気液二相流の蒸気から分離液
化された電池冷却水２ｂが、水相出口ダウンカマー２２
及び蒸気発生器入口制御弁２３を経て蒸気発生器３に導
入される。この蒸気発生器３の伝熱管群３ｃで二次蒸気
発生系の水と熱交換した電池冷却水は、電池冷却水循環
ポンプ４により温度調整用熱交換器５を介して電池冷却
器１ｃに環流される。なお図中符号２４は蒸気発生器バ
イパスライン、２５はバイパス弁である。
水入口ノズル２１を介して燃料電池冷却器１ｃから電池
冷却水が導入され、そこで気液二相流の蒸気から分離液
化された電池冷却水２ｂが、水相出口ダウンカマー２２
及び蒸気発生器入口制御弁２３を経て蒸気発生器３に導
入される。この蒸気発生器３の伝熱管群３ｃで二次蒸気
発生系の水と熱交換した電池冷却水は、電池冷却水循環
ポンプ４により温度調整用熱交換器５を介して電池冷却
器１ｃに環流される。なお図中符号２４は蒸気発生器バ
イパスライン、２５はバイパス弁である。
【００２３】一方、蒸気排熱利用装置１１から蒸気発生
器給水ポンプ１２により凝縮水戻り配管１３を経て蒸気
発生器３に導入された二次蒸気発生系の凝縮水は、上記
蒸気発生器３で加熱されて飽和蒸気となり、飽和蒸気供
給配管２６を経て気水分離器伝熱管群２０に供給され、
そこで加熱された後、二次蒸気圧力調整弁２７を介し
て、蒸気排熱利用装置１１に供給される。ここで、上記
二次蒸気圧力調整弁２７は、蒸気圧力検出器２８で検出
された圧力信号に応じて圧カコントローラ２９によって
その開度が制御され、蒸気排熱利用装置１１に導入され
る蒸気圧が制御される。
器給水ポンプ１２により凝縮水戻り配管１３を経て蒸気
発生器３に導入された二次蒸気発生系の凝縮水は、上記
蒸気発生器３で加熱されて飽和蒸気となり、飽和蒸気供
給配管２６を経て気水分離器伝熱管群２０に供給され、
そこで加熱された後、二次蒸気圧力調整弁２７を介し
て、蒸気排熱利用装置１１に供給される。ここで、上記
二次蒸気圧力調整弁２７は、蒸気圧力検出器２８で検出
された圧力信号に応じて圧カコントローラ２９によって
その開度が制御され、蒸気排熱利用装置１１に導入され
る蒸気圧が制御される。
【００２４】また、蒸気発生器３内の飽和水の一部は温
水給水管３０を経て水処理装置１５に導入され、その水
処理装置１５で水処理された水が、水処理補給水供給ラ
イン３１を経て電池冷却水循環ポンプ４の入口側で電池
冷却水に合流される。
水給水管３０を経て水処理装置１５に導入され、その水
処理装置１５で水処理された水が、水処理補給水供給ラ
イン３１を経て電池冷却水循環ポンプ４の入口側で電池
冷却水に合流される。
【００２５】上記構成は、図１０に示す従来の装置と同
一であるが、電池冷却器１ｃへの電池冷却水供給管３２
には温度調整用熱交換器５の下流側に、電池冷却水バイ
パスライン３３が分岐されており、その電池冷却水バイ
パスライン３３の先端が前記気水分離器２内の気相部に
配設されている散水スプレーノズル３４に接続されてい
る。また、上記気水分離器２内の気相部には、散水スプ
レーノズル３４と改質器に蒸気を供給する蒸気ノズル３
５との間に、散水スプレーノズル３４から散水されたス
プレー水が蒸気ノズル３５に流入するのを防止するバッ
フル板３６が設けられている。なお、図中符号３７はバ
イパス流量制御弁である。しかして、まず気水分離器２
には、燃料電池本体１の電池冷却器１ｃ内で二相流化し
た電池冷却水が電池冷却水入口ノズル２１を通って流入
し、蒸気（気相）２ａと冷却水（液相）２ｂとに分離さ
れる。一方、上記気相２ａ内には散水スプレーノズル３
４からバイパス水が散水され、この気液分離液面に向け
て散水された散水と気水分離器３内で分離された蒸気と
が直接接触され、散水粒子が液面に到達する間に蒸気が
凝縮する。すなわち、低温側である電池流入前の電池冷
却水の散水粒子の表面で熱交換が行なわれ、散水粒子と
接触した部分の飽和蒸気の潜熱が奪われることにより、
蒸気の凝縮が進行する。
一であるが、電池冷却器１ｃへの電池冷却水供給管３２
には温度調整用熱交換器５の下流側に、電池冷却水バイ
パスライン３３が分岐されており、その電池冷却水バイ
パスライン３３の先端が前記気水分離器２内の気相部に
配設されている散水スプレーノズル３４に接続されてい
る。また、上記気水分離器２内の気相部には、散水スプ
レーノズル３４と改質器に蒸気を供給する蒸気ノズル３
５との間に、散水スプレーノズル３４から散水されたス
プレー水が蒸気ノズル３５に流入するのを防止するバッ
フル板３６が設けられている。なお、図中符号３７はバ
イパス流量制御弁である。しかして、まず気水分離器２
には、燃料電池本体１の電池冷却器１ｃ内で二相流化し
た電池冷却水が電池冷却水入口ノズル２１を通って流入
し、蒸気（気相）２ａと冷却水（液相）２ｂとに分離さ
れる。一方、上記気相２ａ内には散水スプレーノズル３
４からバイパス水が散水され、この気液分離液面に向け
て散水された散水と気水分離器３内で分離された蒸気と
が直接接触され、散水粒子が液面に到達する間に蒸気が
凝縮する。すなわち、低温側である電池流入前の電池冷
却水の散水粒子の表面で熱交換が行なわれ、散水粒子と
接触した部分の飽和蒸気の潜熱が奪われることにより、
蒸気の凝縮が進行する。
【００２６】なお、図の気水分離器２は、その分離器内
での電池冷却水が上半分で蒸気（気相）２ａ、下半分で
冷却水（液相）２ｂとに分離し、散水スプレーノズル３
４、伝熱管群２０の配置をモデル化して表しているもの
であり、また散水スプレーノズル３４、伝熱管群２０の
設置状態、管配列、形状、種類等はその設計手法により
様々な形態が考えられることはいうまでもない。
での電池冷却水が上半分で蒸気（気相）２ａ、下半分で
冷却水（液相）２ｂとに分離し、散水スプレーノズル３
４、伝熱管群２０の配置をモデル化して表しているもの
であり、また散水スプレーノズル３４、伝熱管群２０の
設置状態、管配列、形状、種類等はその設計手法により
様々な形態が考えられることはいうまでもない。
【００２７】ここで、例えば、気水分離器２内の気相２
ａ、液相２ｂの温度が１８５℃とし、理想的な条件で蒸
気発生器３の一次側に１８５℃の温度で流入したとして
も、蒸気発生器３の二次側の温度は、蒸気発生器３の設
計の制約（例えば、熱交換器のピンチ温度と伝熱面積と
の関係で伝熱面積をむやみに増やして、蒸気発生器３を
大きなものにすることはできない）により、１６０℃〜
１７０℃の飽和蒸気としての蒸気取出しができるのみ
で、過熱蒸気としての蒸気取出しは難しいが、伝熱管群
２０の管内側にこの飽和蒸気を流し、気水分離器２内の
気相２ａ部分の熱によってさらに加熱することにより過
熱蒸気を発生させることができ、気水分離器２内の運転
温度にもよるが、気水分離器２内の温度よりも僅かに下
回る程度の１７０〜１８４℃の過熱蒸気を発生させるこ
とが可能となる。一方、散水スプレーノズルから散水さ
れる電池バイパス水の温度は、１６０〜１７０℃程度で
あり、運転条件にあわせた散水スプレーノズル３４の設
計を行ない、かつバイパス流量制御弁３７の制御により
スプレー水量を調節し、気水分離器２内の余剰蒸気分を
凝縮させることができ、気水分離器で発生する水蒸気量
を所望の値に維持することができる。
ａ、液相２ｂの温度が１８５℃とし、理想的な条件で蒸
気発生器３の一次側に１８５℃の温度で流入したとして
も、蒸気発生器３の二次側の温度は、蒸気発生器３の設
計の制約（例えば、熱交換器のピンチ温度と伝熱面積と
の関係で伝熱面積をむやみに増やして、蒸気発生器３を
大きなものにすることはできない）により、１６０℃〜
１７０℃の飽和蒸気としての蒸気取出しができるのみ
で、過熱蒸気としての蒸気取出しは難しいが、伝熱管群
２０の管内側にこの飽和蒸気を流し、気水分離器２内の
気相２ａ部分の熱によってさらに加熱することにより過
熱蒸気を発生させることができ、気水分離器２内の運転
温度にもよるが、気水分離器２内の温度よりも僅かに下
回る程度の１７０〜１８４℃の過熱蒸気を発生させるこ
とが可能となる。一方、散水スプレーノズルから散水さ
れる電池バイパス水の温度は、１６０〜１７０℃程度で
あり、運転条件にあわせた散水スプレーノズル３４の設
計を行ない、かつバイパス流量制御弁３７の制御により
スプレー水量を調節し、気水分離器２内の余剰蒸気分を
凝縮させることができ、気水分離器で発生する水蒸気量
を所望の値に維持することができる。
【００２８】なお、気水分離器２内の伝熱管群２０の管
外側でも電池冷却水系の余剰蒸気を凝縮させることがで
きるため、この余剰蒸気量を燃料電池本体の電池冷却器
１ｃから出る電池冷却水の二相流比を電池冷却水量、或
は電池本体１をバイパスさせる電池バイパス水量等で調
節することにより、蒸気排熱利用装置１１に供給する過
熱蒸気の量を負荷変化に対応させることができる。
外側でも電池冷却水系の余剰蒸気を凝縮させることがで
きるため、この余剰蒸気量を燃料電池本体の電池冷却器
１ｃから出る電池冷却水の二相流比を電池冷却水量、或
は電池本体１をバイパスさせる電池バイパス水量等で調
節することにより、蒸気排熱利用装置１１に供給する過
熱蒸気の量を負荷変化に対応させることができる。
【００２９】上記実施例においては、気水分離器２の下
流側に設置された蒸気発生器３の二次側で加熱され発生
した飽和蒸気が、さらに気水分離器２内に設置された伝
熱管群２０内に流れ、過熱蒸気となり、蒸気排熱利用装
置１１の二次蒸気発生系に供給するようにしているが、
蒸気排熱利用形態により、蒸気発生器３で発生した飽和
蒸気をそのまま蒸気排熱利用装置１１の二次蒸気発生系
に供給する系統の場合にも通用できる。
流側に設置された蒸気発生器３の二次側で加熱され発生
した飽和蒸気が、さらに気水分離器２内に設置された伝
熱管群２０内に流れ、過熱蒸気となり、蒸気排熱利用装
置１１の二次蒸気発生系に供給するようにしているが、
蒸気排熱利用形態により、蒸気発生器３で発生した飽和
蒸気をそのまま蒸気排熱利用装置１１の二次蒸気発生系
に供給する系統の場合にも通用できる。
【００３０】図２は上記気水分離器を燃料電池発電シス
テムに適用した状態を示す図である。 図３は、本発明
の他の実施例を示す図であり、気水分離器２内の余剰蒸
気を凝縮させる手段として、水処理装置１５で水処理さ
れた水を用いる。すなわち、水処理装置１５には水処理
水ライン３８が接続されており、その水処理水ライン３
８の他端が散水スプレーノズル３４に連結されている。
しかして、この場合低温水を気水分離器２内に直接散水
することができ、気水分離器２内の余剰蒸気を効率的に
凝縮させることができる。
テムに適用した状態を示す図である。 図３は、本発明
の他の実施例を示す図であり、気水分離器２内の余剰蒸
気を凝縮させる手段として、水処理装置１５で水処理さ
れた水を用いる。すなわち、水処理装置１５には水処理
水ライン３８が接続されており、その水処理水ライン３
８の他端が散水スプレーノズル３４に連結されている。
しかして、この場合低温水を気水分離器２内に直接散水
することができ、気水分離器２内の余剰蒸気を効率的に
凝縮させることができる。
【００３１】なお、この実施例では、水処理水のみを直
接散水するものを示したが、電池冷却水バイパス水と水
処理された水の両方を気水分離器２内に散水させること
もできる。
接散水するものを示したが、電池冷却水バイパス水と水
処理された水の両方を気水分離器２内に散水させること
もできる。
【００３２】図４は、本発明のさらに他の実施例を示す
図であって、気水分離器２内の気相２ａ部には、散水用
パレット３９が設けられており、この散水用パレット３
９に電池冷却水バイパスライン３３を経て電池冷却水の
一部が供給され、散水用パレット３９の下面に設けられ
た散水口より器内の液面に散水するようにしてある。し
かして、この場合も図１に示す実施例と同様な作用を奏
する。なお、散水用パレット３９に導入する水は、水処
理装置１５からの水処理水を使用することもできる。
図であって、気水分離器２内の気相２ａ部には、散水用
パレット３９が設けられており、この散水用パレット３
９に電池冷却水バイパスライン３３を経て電池冷却水の
一部が供給され、散水用パレット３９の下面に設けられ
た散水口より器内の液面に散水するようにしてある。し
かして、この場合も図１に示す実施例と同様な作用を奏
する。なお、散水用パレット３９に導入する水は、水処
理装置１５からの水処理水を使用することもできる。
【００３３】図５は、本発明の他の実施例を示す図であ
って、気水分離器２内の気相部には、伝熱管群４０が設
けられており、この伝熱管群４０に電池冷却水バイパス
ライン３３を経て導入された電池冷却水が流通されるよ
うにしてある。しかして、この場合、伝熱管群４０の外
表面で、気水分離器２内の余剰蒸気を気水分離器内で凝
縮させることができる。一方、伝熱管群４０内を流れる
水は、気水分離器内の温度で加熱されることにより、飽
和蒸気、或は過熱蒸気となり、蒸気排熱利用装置に二次
蒸気として供給することができる。
って、気水分離器２内の気相部には、伝熱管群４０が設
けられており、この伝熱管群４０に電池冷却水バイパス
ライン３３を経て導入された電池冷却水が流通されるよ
うにしてある。しかして、この場合、伝熱管群４０の外
表面で、気水分離器２内の余剰蒸気を気水分離器内で凝
縮させることができる。一方、伝熱管群４０内を流れる
水は、気水分離器内の温度で加熱されることにより、飽
和蒸気、或は過熱蒸気となり、蒸気排熱利用装置に二次
蒸気として供給することができる。
【００３４】また、図６はさらに他の実施例であり、電
池冷却水バイパスライン３３には、余剰蒸気凝縮機能バ
イパスライン４１が分岐導出されており、その分岐部に
は散水スプレーノズル３４及び上記余剰蒸気凝縮機能バ
イパスライン４１へ流れる電池冷却水の流量を制御する
三方弁４２が設けられている。
池冷却水バイパスライン３３には、余剰蒸気凝縮機能バ
イパスライン４１が分岐導出されており、その分岐部に
は散水スプレーノズル３４及び上記余剰蒸気凝縮機能バ
イパスライン４１へ流れる電池冷却水の流量を制御する
三方弁４２が設けられている。
【００３５】しかして、この三方弁４２の開度を調節す
ることにより気水分離器で発生する水蒸気量を所望の値
に維持させることができる。また、上記バイパスライン
４１を出た水は、電池冷却水系の蒸気発生器３の出口に
流入させることができる。
ることにより気水分離器で発生する水蒸気量を所望の値
に維持させることができる。また、上記バイパスライン
４１を出た水は、電池冷却水系の蒸気発生器３の出口に
流入させることができる。
【００３６】なお、図５及び図６に示す装置において
は、電池冷却水の一部をバイパスして気水分離器２に導
入するようにしたものを示したが、水処理装置１５で水
処理された水を導入するようにしてもよい。
は、電池冷却水の一部をバイパスして気水分離器２に導
入するようにしたものを示したが、水処理装置１５で水
処理された水を導入するようにしてもよい。
【００３７】また、図７は本発明のさらに他の実施例を
示す図であり、電池冷却器１ｃから二相流状態となった
冷却水を気水分離器２に導入する電池冷却水導入管４３
から分岐管４４が分岐導出されており、その分岐管４４
が気水分離器２の下部液相部２ｂ内に開口されており、
その分岐点に三方弁４５が設けられている。
示す図であり、電池冷却器１ｃから二相流状態となった
冷却水を気水分離器２に導入する電池冷却水導入管４３
から分岐管４４が分岐導出されており、その分岐管４４
が気水分離器２の下部液相部２ｂ内に開口されており、
その分岐点に三方弁４５が設けられている。
【００３８】しかして、気液二相流の電池冷却水は従来
と同様に気水分離器２の上部気相部２ａに流入するとと
もに、その一部が分岐管４４へ分岐し、下部液相部２ｂ
に直接流入する。したがって、下部液相部２ｂに流入し
た電池冷却水中の気相分がそこでバブリングを起こし、
凝縮作用が行なわれる。この場合、上部気相部で凝縮さ
せる場合に比べ、凝縮性能を向上させることができる。
と同様に気水分離器２の上部気相部２ａに流入するとと
もに、その一部が分岐管４４へ分岐し、下部液相部２ｂ
に直接流入する。したがって、下部液相部２ｂに流入し
た電池冷却水中の気相分がそこでバブリングを起こし、
凝縮作用が行なわれる。この場合、上部気相部で凝縮さ
せる場合に比べ、凝縮性能を向上させることができる。
【００３９】なお、気水分離器内には、上記バブリング
により気水分離器内の気液界面が変動することを防止し
液面制御に支障がないように、バッフル板４６が設けら
れている。
により気水分離器内の気液界面が変動することを防止し
液面制御に支障がないように、バッフル板４６が設けら
れている。
【００４０】また、気水分離器２内の上部気相部２ａ、
下部液相部２ｂへの流量は、三方弁４５によって制御す
ることができ、その制御によって、気水分離器２で発生
する水蒸気量を所望の値に維持することができる。
下部液相部２ｂへの流量は、三方弁４５によって制御す
ることができ、その制御によって、気水分離器２で発生
する水蒸気量を所望の値に維持することができる。
【００４１】
【発明の効果】以上説明したように、本発明において
は、気水分離器内に、二次蒸気発生系に蒸気を供給する
ための伝熱管群とは別に、燃料電池に供給される冷却水
の一部が供給され、燃料電池を通過することによって発
生した冷却水中の余剰蒸気を凝縮させる冷却手段を設け
たので、電池冷却水系の余剰蒸気を効果的に凝縮させ、
気水分離器で発生する水蒸気量を所望の値に維持するこ
とができる。
は、気水分離器内に、二次蒸気発生系に蒸気を供給する
ための伝熱管群とは別に、燃料電池に供給される冷却水
の一部が供給され、燃料電池を通過することによって発
生した冷却水中の余剰蒸気を凝縮させる冷却手段を設け
たので、電池冷却水系の余剰蒸気を効果的に凝縮させ、
気水分離器で発生する水蒸気量を所望の値に維持するこ
とができる。
【００４２】しかして、気水分離器内より電池冷却水系
と分離された形で間接的の排熱利用装置の二次蒸気発生
系に過熱蒸気等を供給すること、間接過熱蒸気取出量を
増大させることができ、システムからの高温排熱回収効
率を高めることができる。
と分離された形で間接的の排熱利用装置の二次蒸気発生
系に過熱蒸気等を供給すること、間接過熱蒸気取出量を
増大させることができ、システムからの高温排熱回収効
率を高めることができる。
【００４３】また、燃料電池システムを発電運転のみの
ために稼動し、高温排熱を供給する必要がない場合、す
なわち排熱利用装置の二次蒸気発生系に蒸気を供給する
必要のない場合、さらに燃料電池システムからの排熱回
収効率を高めるために、気水分離器から改質器に供給す
る蒸気量を減らし、スチーム／カーボン比（Ｓ／Ｃ）を
下げた運転を行なう場合も、電池冷却水系の余剰蒸気分
を凝縮させ、電池冷却水系の液相部に戻し、気水分離器
で発生する水蒸気量を所望の値に維持することができ
る。
ために稼動し、高温排熱を供給する必要がない場合、す
なわち排熱利用装置の二次蒸気発生系に蒸気を供給する
必要のない場合、さらに燃料電池システムからの排熱回
収効率を高めるために、気水分離器から改質器に供給す
る蒸気量を減らし、スチーム／カーボン比（Ｓ／Ｃ）を
下げた運転を行なう場合も、電池冷却水系の余剰蒸気分
を凝縮させ、電池冷却水系の液相部に戻し、気水分離器
で発生する水蒸気量を所望の値に維持することができ
る。
【００４４】さらに、余剰蒸気分を凝縮させる機能、す
なわち散水スプレーノズル、散水用パレット、及び二次
蒸気過熱器としての伝熱管群も気水分離器の中に組込む
ことにより、プラント設備をコンパクト化できる。
なわち散水スプレーノズル、散水用パレット、及び二次
蒸気過熱器としての伝熱管群も気水分離器の中に組込む
ことにより、プラント設備をコンパクト化できる。
【図１】本発明の燃料電池発電システムの余剰蒸気凝縮
型気水分離器の一例を示す図。
型気水分離器の一例を示す図。
【図２】図１の気水分離器を具備した燃料電池発電シス
テムの概略構成図。
テムの概略構成図。
【図３】本発明の気水分離器の他の実施例を示す図。
【図４】本発明の気水分離器のさらに他の実施例を示す
図。
図。
【図５】本発明の気水分離器の他の実施例を示す図。
【図６】本発明の気水分離器の他の実施例を示す図。
【図７】本発明の気水分離器のさらに他の実施例を示す
図。
図。
【図８】燃料電池発電システムの発電負荷と総合熱効率
の関係を示す特性図。
の関係を示す特性図。
【図９】従来の燃料電池発電システムの概略構成を示す
図。
図。
【図１０】従来の気水分離器の一例を示す図。
１ 燃料電地本体 １ｃ 電池冷却器 ２ 気水分離器 ３ 蒸気発生器 ７ 燃料改質器 １１ 蒸気排熱利用装置 １５ 水処理装置 ２０ 伝熱管群 ２１ 電池冷却水入口ノズル ３３ 電池冷却水バイパスライン ３４ 散水スプレーノズル ３６ バッフル板 ３８ 水処理水ライン ３９ 散水用パレット ４０ 伝熱管群 ４１ 余剰蒸気凝縮機能バイパスライン ４２ 三方弁 ４３ 電池冷却水導入管 ４４ 分岐管 ４５ 三方弁
Claims (7)
- 【請求項１】燃料電池本体の反応熱により加熱され二相
流化した冷却水を気相と水相に分離し、分離された冷却
水を上記燃料電池本体の冷却器に還流するようにした燃
料電池発電システムにおける気水分離器において、上記
燃料電池に供給される冷却水の一部が供給され、燃料電
池を通過することにより発生した冷却水中の余剰蒸気を
凝縮させる冷却手段を設けるとともに、上記冷却手段に
供給される冷却水の流量を制御する流量制御手段を設け
たことを特徴とする、燃料電池余剰蒸気凝縮型気水分離
器。 - 【請求項２】冷却手段は、気水分離器の器内上部の気相
部に冷却水を散水する散水スプレーノズルであることを
特徴とする、請求項１記載の燃料電池余剰蒸気凝縮型気
水分離器。 - 【請求項３】冷却手段は、気水分離器の器内上部の気相
部に配設された伝熱管であることを特徴とする、請求項
１記載の燃料電池余剰蒸気凝縮型気水分離器。 - 【請求項４】冷却手段は、気水分離器内上部の気相部に
設けた散水用パレットであることを特徴とする、請求項
１記載の燃料電池余剰蒸気凝縮型気水分離器。 - 【請求項５】冷却手段に供給される冷却水は燃料電池冷
却水供給側からバイパスされたバイパス水或いは水処理
装置で水処理された水であることを特徴とする、請求項
１乃至第４項のいずれかに記載の燃料電池余剰蒸気凝縮
型気水分離器。 - 【請求項６】燃料電池本体の反応熱により加熱され二相
流化した冷却水を気相と水相に分離し、分離された冷却
水を上記燃料電池本体の冷却器に還流するようにした燃
料電池発電システムにおける気水分離器において、燃料
電池から流出する気液二相流の電池冷却水の一部を気水
分離器内の下部液相部に直接流入させるようにしたこと
を特徴とする、燃料電池余剰蒸気凝縮型気水分離器。 - 【請求項７】燃料電池から流出する気液二相流の電池冷
却水を気水分離器内の上部気相部と下部気相部に分岐導
入させる分岐部には三方弁が設けられ、この三方弁の開
度調節によって上記下部気相部への冷却水流量を制御す
ることを特徴とする、請求項６記載の燃料電池余剰蒸気
凝縮型気水分離器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP09182294A JP3461909B2 (ja) | 1994-04-28 | 1994-04-28 | 燃料電池余剰蒸気凝縮型気水分離器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP09182294A JP3461909B2 (ja) | 1994-04-28 | 1994-04-28 | 燃料電池余剰蒸気凝縮型気水分離器 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003165189A Division JP3936310B2 (ja) | 2003-06-10 | 2003-06-10 | 燃料電池余剰蒸気凝縮型気水分離器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07296836A true JPH07296836A (ja) | 1995-11-10 |
| JP3461909B2 JP3461909B2 (ja) | 2003-10-27 |
Family
ID=14037318
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP09182294A Expired - Fee Related JP3461909B2 (ja) | 1994-04-28 | 1994-04-28 | 燃料電池余剰蒸気凝縮型気水分離器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3461909B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005203189A (ja) * | 2004-01-14 | 2005-07-28 | Sanyo Electric Co Ltd | 固体高分子形燃料電池 |
| JP2006302655A (ja) * | 2005-04-20 | 2006-11-02 | Equos Research Co Ltd | 燃料電池システム |
| JP2010169364A (ja) * | 2009-01-26 | 2010-08-05 | Sumitomo Precision Prod Co Ltd | サーモサイフォン式蒸気発生装置 |
-
1994
- 1994-04-28 JP JP09182294A patent/JP3461909B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005203189A (ja) * | 2004-01-14 | 2005-07-28 | Sanyo Electric Co Ltd | 固体高分子形燃料電池 |
| JP2006302655A (ja) * | 2005-04-20 | 2006-11-02 | Equos Research Co Ltd | 燃料電池システム |
| JP2010169364A (ja) * | 2009-01-26 | 2010-08-05 | Sumitomo Precision Prod Co Ltd | サーモサイフォン式蒸気発生装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3461909B2 (ja) | 2003-10-27 |
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