JPH08255624A - 燃料電池発電装置の冷却水予熱システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】燃料電池発電装置において、起動時、燃料電池
の昇温及び発電運転時、燃料改質器の改質管の水蒸気改
質反応に適切な温度にする温度制御を、燃料改質器から
の燃焼排ガスの排熱により昇温された燃焼空気により温
度調整される燃料電池の冷却水を介して行なう。 【構成】冷却水循環系３０から分岐し、流量制御弁４０
と、燃焼空気予熱器１３から排出する燃焼排ガスにより
昇温した燃焼空気と熱交換する冷却水予熱器４１を備
え、水蒸気分離器１７に接続する冷却水戻り系４２を設
け、冷却水予熱器４１での昇温された燃焼空気との熱交
換により冷却水の温度を昇温して燃料電池１４の昇温を
行ない、また、発電運転時バーナ８に供給する燃焼空気
温度を調整して改質管７の温度制御を行なう。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料改質器と燃料電池
とを主要構成部とする燃料電池発電装置において、燃料
電池を起動時昇温し、発電時冷却した水蒸気を含む冷却
水を水蒸気と水とに分離する水蒸気分離器内の冷却水と
しての水を冷却水ポンプにより取出して燃料電池をバイ
パスして水蒸気分離器内に戻す冷却水を加熱する燃料電
池発電装置の冷却水予熱システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池発電装置は燃料改質器と燃料電
池とを主要構成部として構成され、天然ガス等の原燃料
を燃料改質器で水素リッチなガスに水蒸気改質した改質
ガスを燃料電池に供給し、この改質ガスと別に供給され
る空気とにより燃料電池にて電池反応を起こして発電す
る。

【０００３】上記のような燃料電池発電装置において、
起動時は、燃料改質器での水蒸気改質反応を進めるに足
る温度まで燃料改質器を昇温し、一方、燃料電池での電
池反応を進めるに足る温度まで燃料電池を昇温し、ま
た、発電時は、燃料改質器の改質管を水蒸気改質反応に
適切な温度に保持し、一方、燃料電池を電池反応に適切
な温度に保持している。以下図面を用いて従来技術につ
いて説明する。

【０００４】図２は従来の燃料電池発電装置の系統図で
ある。図２において、燃料改質器１は、容器２と、容器
２内に配設され、下部に通路３を有して内部を仕切る仕
切管４を囲む内管５と外管６とからなる環状の改質管７
と、容器２の上部にバーナ８とを備えて構成されてい
る。なお、改質管７の仕切管４と内管５との間には改質
触媒が充填された触媒層９が形成されている。

【０００５】脱硫器１１は脱硫触媒部１２を備え、天然
ガス等の原燃料に含まれる硫黄分を脱硫する。燃焼空気
予熱器１３は、燃料改質器１のバーナ８での燃焼により
改質管７を加熱した後の燃焼排ガスと熱交換して燃焼空
気を加熱する。燃料電池１４は図示しない電解質層と、
これを挟持する燃料極及び空気極と、燃料電池１４を冷
却や昇温する冷却水が流れる冷却管１５とを備えてい
る。

【０００６】水蒸気分離器１７は燃料電池１４の冷却管
１５から排出される水蒸気を含む冷却水を水蒸気と水と
に分離する。なお、１８は水蒸気分離器１７内の水を加
熱する電気ヒータである。原燃料供給系２０は原燃料供
給源から燃料改質器１の改質管７の原燃料入口とに接続
し、脱硫器１１を備えて設けられ、原燃料を改質管７に
供給する。

【０００７】改質ガス供給系２１は改質管７の改質ガス
出口と燃料電池１４の燃料極とに接続して設けられ、燃
料改質器１で生成した改質ガスを燃料電池１４に供給す
る。燃焼用原燃料供給系２２は脱硫器１１より上流の原
燃料供給系２０から分岐し、燃料改質器１のバーナ８に
接続して設けられ、燃焼用原燃料をバーナ８に供給す
る。

【０００８】燃料オフガス供給系２３は燃料電池１４の
燃料極から燃料改質器１のバーナ８に接続して設けら
れ、燃料電池１４の発電時、燃料極から排出される燃料
オフガスをバーナ８に供給する。燃焼空気供給系２４は
ブロワ２５を備え、燃焼空気予熱器１３を経てバーナ８
に接続して設けられ、燃焼空気をバーナ８に供給する。

【０００９】燃焼排ガス排出系２８は燃焼空気予熱器１
３を経て燃料改質器１の容器２の上部に接続して設けら
れ、バーナ８での燃焼により生じた燃焼熱により改質管
７を加熱した後の燃焼排ガスを外部に排出する。冷却水
循環系３０は、水蒸気分離器１７の下部の冷却水の貯水
部，燃料電池１４の冷却管１５、及び水蒸気分離器１７
の水蒸気部に接続し、燃料電池１４の冷却管１５の入口
側に冷却水ポンプ３１を、また冷却管１５の出口側に冷
却媒体が通流する冷却管３２を備える冷却器３３を備え
て設けられている。

【００１０】水蒸気放出系３５は水蒸気分離器１７の水
蒸気部に接続して圧力制御用の水蒸気放出弁３６を備え
て設けられ、水蒸気分離器１７内の水蒸気を放出して水
蒸気分離器１７内の圧力を所定圧力に制御する。水蒸気
供給系３７は水蒸気分離器１７の水蒸気部と脱硫器１１
より下流の原燃料供給系２０とに接続し、流量制御弁３
８を備えて設けられ、原燃料に付加する水蒸気を供給す
る。

【００１１】このような構成により、燃料改質器１の起
動時には、燃焼用原燃料供給系２２を経て原燃料をバー
ナ８に供給する。このバーナ８に供給された原燃料は燃
焼空気供給系２４を経る燃焼空気によりバーナ８にて燃
焼され、この燃焼熱により改質管７を加熱して水蒸気改
質反応を進めるに足る温度に改質管７の触媒層９を昇温
する。なお、改質管７を加熱した後の燃焼排ガスは、燃
焼排ガス排出系２８に設けられた燃焼空気予熱器１３に
て燃焼空気と熱交換してこれを加熱した後、外部に排出
する。

【００１２】一方、燃料電池１４の起動時には、水蒸気
分離器１７に設けられた電気ヒータ１８に通電して水蒸
気分離器１７内の冷却水としての水を加熱して昇温す
る。そして冷却水ポンプ３１の駆動により昇温した冷却
水を冷却水循環系３０を循環させ、冷却管１５を流れる
昇温した冷却水により燃料電池１４を電池反応を進める
に足る温度に昇温する。

【００１３】なお、電気ヒータ１８の代りに図示しない
別置したボイラにより水蒸気分離器１７内の水を加熱す
ることも知られている。燃料電池発電装置の発電運転時
には、発電量に対応する流量の原燃料が脱硫器１１で脱
硫された後、水蒸気供給系３７を経て流量制御弁３８に
より原燃料の流量に応じて流量制御された水蒸気が付加
されて燃料改質器１の改質管７に流入し、改質管７の外
管６と仕切管４との通路を下方に流れ、下部の通路３で
Ｕターンして仕切管４と内管５との間にある触媒層９を
上方に流れる。この間、後述するように燃料電池１４の
燃料極から排出される電池反応に寄与しない水素を含む
燃料オフガスが燃料オフガス供給系２３を経てバーナ８
に供給される。そして、この供給された燃料オフガス
は、燃焼空気供給系２４を経てバーナ８に供給され、燃
焼空気予熱器１３にて燃焼排ガスにより加熱された燃焼
空気により燃焼され、この際生じた燃焼熱により改質管
７を加熱して改質管７を前述のように流れる水蒸気を付
加した原燃料を水素リッチなガスに改質する。この改質
ガスは改質ガス供給系２１を経て燃料電池１４の燃料極
に供給される。

【００１４】改質管７を加熱した後の燃焼排ガスは燃焼
排ガス排出系２８を経て排出されるが、燃焼空気予熱器
１３にて燃焼空気と熱交換してこれを加熱する。燃料電
池１４は前述のように供給された改質ガスと別に供給さ
れる空気とにより電池反応を起こして発電する。なお、
電池反応に寄与しない水素を含む燃料オフガスは燃料オ
フガス供給系２３を経て燃料改質器１のバーナ８に燃料
として供給される。

【００１５】ところで、上記の燃料電池発電装置の発電
運転時、燃料改質器１の改質管７の触媒層９の温度は水
蒸気改質反応に適切な温度に、また燃料電池１４の温度
を電池反応に適切な温度に制御する必要がある。したが
って、燃料改質器１の改質管７の触媒層９の温度が低い
ため、前記適切な温度に昇温する必要があるときには、
改質管７に供給する原燃料流量を大きくし、水蒸気改質
して生じた改質ガス量を多くして燃料電池１４に供給す
ることにより、燃料電池１４の燃料極から排出される燃
料オフガスの流量を多くして、この増量した燃料オフガ
スのバーナ８での燃焼により増加した燃焼熱により改質
管７の触媒層の温度を昇温する。

【００１６】一方、改質管７の触媒層の温度が高い場合
には燃焼空気の流量を大きくすることにより、触媒層を
冷却して降温する。したがって、上記の昇温と降温とに
より改質管７の触媒層の温度を水蒸気改質反応に適切な
温度に制御する。一方、燃料電池１４では、燃料電池１
４の電池反応時の温度は定格負荷時及びこの近傍の負荷
時は電池反応により発熱する熱量が大きいので、水蒸気
分離器１７の水蒸気放出弁３６を開にすることにより、
前記発熱の除熱により増加した水蒸気を放出して水蒸気
分離器１７内の圧力を所定圧力に制御して電池反応時の
発熱を除熱して冷却したり、冷却水循環系３０に設けら
れた冷却器３３の冷却管３２を流れる冷却媒体により冷
却水の温度を低下させて電池反応時の発熱を除熱して冷
却し、電池反応に適切な温度に制御する。

【００１７】また、低負荷のときは、原燃料に付加する
水蒸気の流量を得るのに冷却水の除熱により得られる熱
量が不足するので、前記電気ヒータ１８等で水蒸気分離
器１７内の水を加熱する。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】燃料電池１４の起動時
の昇温を、電気ヒータ１８で水蒸気分離器１７内の冷却
水としての水を加熱して昇温した冷却水により行なう場
合、燃料電池発電装置が受電する電力は電気ヒータ１８
の容量に大きく支配される。電気ヒータ１８の容量は燃
料電池発電装置の定格負荷時の電力の約５０％になり、
小規模需要家では大きな負担になるという問題がある。

【００１９】また、燃料電池発電装置は年数回ないし数
十回の起動，停止を予定しているが、水蒸気分離器１７
内の水を加熱するため加熱用ボイラを別置する場合、起
動時のみに使用する加熱用ボイラは採算に合わないとい
う問題がある。また、起動用の加熱用ボイラは発生する
熱量が多く、安定した水蒸気分離器１７内の加熱による
圧力制御が難かしい欠点があり、電気ヒータを併用する
必要があるという問題もある。

【００２０】また、燃料電池発電装置の発電運転時、燃
料改質器１の改質管７の触媒層９の温度制御に、燃焼空
気流量を多くして触媒層を冷却すると、燃焼空気を送気
するブロワ２５の動力が大きくなり、発電装置の効率を
低下するという問題がある。また、水蒸気改質するため
の原燃料に付加する水蒸気は、燃料電池１４から排出さ
れる排空気や燃料改質器１から排出される燃焼排ガスに
含まれる水蒸気を冷却，凝縮して水として回収し、この
回収水を水蒸気分離器１７に送水して得ているので、燃
焼空気量が多くなると、水の回収が困難になるという問
題がある。

【００２１】本発明の目的は、起動時の燃料電池の昇
温、発電運転時の燃料改質器の改質管の触媒層の水蒸気
改質反応に適切な温度にすることを、電気ヒータ等の使
用や燃焼空気流量の制御を必要としないで、燃料電池の
冷却水を予熱することにより得ることのできる燃料電池
発電装置の冷却水予熱システムを提供することである。

【００２２】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明によれば原燃料が通流する改質触媒が充填
された改質管をバーナで燃料を燃焼空気により燃焼させ
て生じる燃焼熱により加熱して水素リッチなガスに改質
する燃料改質器と、この改質器から供給される改質ガス
と別に供給される空気とにより電池反応を起こして発電
する燃料電池と、燃料改質器での燃焼により生じた燃焼
排ガスと燃焼空気予熱器にて熱交換して加熱された燃焼
空気をバーナに供給する燃焼空気供給系と、燃料電池を
起動時昇温し、発電時冷却した水蒸気を含む冷却水を水
蒸気と水とに分離し、分離した水蒸気を放出して圧力制
御する水蒸気放出弁を備える水蒸気分離器と、燃料電池
と水蒸気分離器との間を冷却水ポンプの駆動により水蒸
気分離器内の水を冷却水として循環させ、冷却水を冷却
する冷却器を備える冷却水循環系とを備え、前記冷却水
を加熱する燃料電池発電装置の冷却水予熱システムにお
いて、水蒸気分離器内の冷却水としての水を冷却水ポン
プにより燃料電池をバイパスして水蒸気分離器に戻し、
流量制御弁を備える冷却水戻り系と、この冷却水戻り系
を流れる冷却水を、燃焼空気予熱器から排出され、燃焼
空気供給系を流れる燃焼空気との熱交換により加熱する
冷却水予熱器とを備えるものとする。

【００２３】前記冷却水戻り系は、冷却水循環系の冷却
水ポンプと燃料電池との間から分岐させるものとする。

【００２４】

【作用】燃料電池と、この燃料電池から排出される水蒸
気を含む冷却水を水蒸気と水とに分離する水蒸気分離器
との間で冷却水が冷却水ポンプにより循環する冷却水循
環系と別に水蒸気分離器内の水を冷却水ポンプにより取
出し、燃料電池をバイパスして水蒸気分離器に戻し、流
量制御弁を備える冷却水戻り系を設ける。この場合、冷
却水戻り系は冷却水循環系の冷却水ポンプと燃料電池と
の間から分岐させる。そして、燃焼空気供給系に設けら
れた燃焼空気予熱器にて、燃料改質器のバーナでの燃焼
により生じた燃焼熱により改質触媒が充填された改質管
を加熱した後の燃焼排ガスにより加熱された燃焼空気と
熱交換して冷却水戻り系を流れる冷却水を加熱する冷却
水予熱器を設けることにより、起動時、冷却水予熱器に
て燃焼排ガスにより加熱された燃焼空気との熱交換によ
り昇温した冷却水が冷却水戻り系を経て水蒸気分離器に
供給され、この昇温された冷却水が冷却水循環系を経て
燃料電池に供給され、燃料電池の昇温が行なわれる。こ
の際、冷却水の温度は、冷却水戻り系に設けられた流量
制御弁による冷却水の流量制御により制御される。

【００２５】なお、燃料改質器の起動時の昇温は冷却水
予熱器で冷却水を加熱することにより、燃焼空気は冷却
されるので、この割合に相当する燃焼用原燃料を多くし
て燃焼すればよい。燃料電池発電装置の発電運転時は、
燃料改質器の改質管は、原燃料の水蒸気改質のため、発
電量に対応する燃料電池から排出される燃料オフガスを
所定の空燃比の燃焼空気で燃焼させて加熱されている
が、燃料改質器の改質管内の改質触媒からなる触媒層の
温度が水蒸気改質反応に適切な温度にする温度制御は、
冷却水予熱器にて冷却水を流量制御弁によりその流量を
制御して燃焼空気予熱器を流れる燃焼空気の温度を制御
することにより行なわれる。この際、水蒸気分離器内の
圧力を制御するときに水蒸気が過剰になるときは、水蒸
気放出弁から水蒸気を放出して所定圧力に制御し、また
は冷却水循環系に設けた冷却器により冷却媒体を介して
冷却水を冷却する。

【００２６】なお、燃料電池の負荷が低く、水蒸気分離
器での水蒸気を発生する熱が不足し、水蒸気分離器内の
圧力が低下する場合には、燃料改質器の改質管に供給す
る原燃料の流量を多くし、前述のように燃料電池から排
出される燃料オフガスの流量を多くし、この多くなった
燃料オフガスのバーナでの燃焼により燃焼熱を増加させ
ることにより、燃焼排ガスと熱交換する燃焼空気予熱器
及び冷却水予熱器で回収する熱量を増加させて水蒸気分
離器内の圧力を増加させ、冷却水の温度を上昇させる。

【００２７】

【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冷却水予熱シス
テムを備えた燃料電池発電装置の系統図である。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において図２の従来例と
異なるのは下記の通りである。

【００２８】冷却水循環系３０の冷却水ポンプ３１の吐
出側から分岐して燃料電池１４をバイパスし、流量制御
弁４０と冷却水予熱器４１とを備えて水蒸気分離器１７
の上部に接続する冷却水戻り系４２を設けている。冷却
水予熱器４１は冷却水戻り系４２を流れる冷却水と、燃
焼空気供給系２４を流れ、燃焼空気予熱器１３にて燃焼
排ガスにより加熱された燃焼空気と熱交換する。

【００２９】このような構成により、燃料改質器１の起
動時には、燃焼用原燃料供給系２２を経る都市ガスの原
燃料をバーナ８で燃焼空気供給系２４を経る燃焼空気で
燃焼させる。この燃焼による燃焼熱により燃料改質器１
の改質管７を加熱して原燃料の水蒸気改質反応を進める
に足る温度に昇温する。この際、改質管７を加熱した後
の燃焼排ガスは燃焼排ガス排出系２８を流れて外部に排
出されるが、燃焼空気予熱器１３にて燃焼排ガスは燃焼
空気を加熱する。

【００３０】一方、冷却水ポンプ３１の駆動により、水
蒸気分離器１７内の水は冷却水として冷却水循環系３０
を循環し、燃料電池１４の冷却管１５を流れた後、水蒸
気分離器１７内に戻る。一方、冷却水戻り系４２を流れ
た冷却水は流量制御弁４０により流量制御されて冷却水
予熱器４１を流れた後、水蒸気分離器１７内に戻る。こ
の間、冷却水戻り系４２を流れる冷却水は、冷却水予熱
器４１にて燃焼空気予熱器１３から排出され、燃焼排ガ
スにより加熱された燃焼空気と熱交換して加熱，昇温さ
れる。

【００３１】したがって、水蒸気分離器１７内の冷却水
は昇温され、この昇温された冷却水は冷却水循環系３０
を流れて冷却管１５を介して燃料電池１４を電池反応を
進めるに足る温度に昇温する。なお、水蒸気分離器１７
内の冷却水の温度の制御は、流量制御弁４０により、冷
却水予熱器４１を流れる冷却水の流量を制御することに
より行なわれる。

【００３２】燃料電池発電装置の発電運転時では、燃料
改質器１の改質管７の触媒層９の温度を水蒸気改質反応
に適切な温度にする温度制御は、冷却水予熱器４１を流
れる冷却水の流量を流量制御弁４０にて制御してバーナ
８で燃焼させる燃焼空気の温度を制御することにより行
なわれる。なおこの際、冷却水予熱器４１で熱交換して
得られた冷却水の熱量が大きいときには、水蒸気放出弁
３６から水蒸気分離器１７内の水蒸気を放出して水蒸気
分離器１７内の圧力を所定圧力に制御して、水蒸気分離
器１７内の冷却水の温度を制御するか、又は冷却水循環
系３０に設けた冷却器３３により冷却して冷却水の温度
を制御する。

【００３３】また、燃料電池１４の負荷が低く、燃料電
池１４の発熱量が不足し、水蒸気分離器１７内の圧力が
低下する場合は、都市ガスの原燃料を燃料改質器１の改
質管７に供給する量を増加すれば、前述のように燃料電
池１４から排出され、バーナ８に供給される燃料オフガ
スが増加し、バーナ８での燃焼による燃焼熱が増加し、
これに伴って燃焼空気予熱器１３にて燃焼排ガスにより
加熱される燃焼空気の温度がさらに増加する。したがっ
て、冷却水予熱器４１にて燃焼空気により加熱される冷
却水が回収する熱が増し、水蒸気分離器１７内の圧力を
上昇させることができる。

【００３４】

【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、冷却水戻り系を流れる冷却
水を流量制御して冷却水予熱器にて燃料改質器からの燃
焼排ガスにより加熱された燃焼空気との熱交換により燃
焼排ガスの排熱を回収して燃料電池の起動時の昇温を行
なうので、昇温用の電気ヒータや起動ボイラを設置する
必要がなくなる。さらに発電運転時の低負荷のとき、水
蒸気分離器の温度，圧力制御を直接都市ガスの原燃料の
燃焼による熱を熱源として行なうので、燃料電池で発電
した電気で電気ヒータにより加熱する場合に比べて、熱
効率が高くなる。

【００３５】また、燃料改質器の水蒸気改質反応時の改
質管の触媒層の温度制御を所定の空燃比の燃焼空気の下
に冷却水予熱器による燃焼空気の温度制御により行なう
ので、従来のように過剰な燃焼空気量による温度制御に
比べてブロワの動力が小さくなり、発電装置の効率が向
上するとともに、燃料改質器から排出される燃焼排ガス
や燃料電池の排空気からの回収水の回収は、燃焼空気量
が過剰でないので、容易に行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による冷却水予熱システムを備
えた燃料電池発電装置の系統図

【図２】従来の燃料電池発電装置の系統図

【符号の説明】

１ 燃料改質器 ７ 改質管 ８ バーナ ９ 触媒層 １３ 燃焼空気予熱器 １４ 燃料電池 １７ 水蒸気分離器 ２４ 燃焼空気供給系 ２８ 燃焼排ガス排出系 ３０ 冷却水循環系 ３３ 冷却器 ３６ 水蒸気放出弁 ４０ 流量制御弁 ４１ 冷却水予熱器 ４２ 冷却水戻り系

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】原燃料が通流する改質触媒が充填された改
   質管をバーナで燃料を燃焼空気により燃焼させて生じる
   燃焼熱により加熱して水素リッチなガスに改質する燃料
   改質器と、この改質器から供給される改質ガスと別に供
   給される空気とにより電池反応を起こして発電する燃料
   電池と、燃料改質器での燃焼により生じた燃焼排ガスと
   燃焼空気予熱器にて熱交換して加熱された燃焼空気をバ
   ーナに供給する燃焼空気供給系と、燃料電池を起動時昇
   温し、発電時冷却した水蒸気を含む冷却水を水蒸気と水
   とに分離し、分離した水蒸気を放出して圧力制御する水
   蒸気放出弁を備える水蒸気分離器と、燃料電池と水蒸気
   分離器との間を冷却水ポンプの駆動により水蒸気分離器
   内の水を冷却水として循環させ、冷却水を冷却する冷却
   器を備える冷却水循環系とを備え、前記冷却水を加熱す
   る燃料電池発電装置の冷却水予熱システムにおいて、水
   蒸気分離器内の冷却水としての水を冷却ポンプの駆動に
   より燃料電池をバイパスして水蒸気分離器に戻し、流量
   制御弁を備える冷却水戻り系と、この冷却水戻り系を流
   れる冷却水を、燃焼空気予熱器から排出され、燃焼空気
   供給系を流れる燃焼空気との熱交換により加熱する冷却
   水予熱器とを設けたことを特徴とする燃料電池発電装置
   の冷却水予熱システム。
2. 【請求項２】請求項１に記載するものにおいて、冷却水
   戻り系は、冷却水循環系の冷却水ポンプと燃料電池との
   間から分岐したことを特徴とする燃料電池発電装置の冷
   却水予熱システム。