JPH0945350A - 燃料電池発電プラント - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 排熱を発電のために最大限利用し、冷却水の
循環利用を促進することにより、高い発電効率が得られ
る燃料電池発電プラントを提供する。 【解決手段】 燃料電池本体１における冷却板４の冷却
水排出側に蒸気分離器６を接続する。蒸気分離器６の蒸
気排出側に、蒸気加熱器１０を介して蒸気タービン１１
を接続する。蒸気加熱器１０を、改質器からの排ガス等
によって流入した蒸気を加熱可能な構成とする。蒸気タ
ービン１１を発電機１２に接続する。蒸気タービン１１
の蒸気排出側に、スチームインジェクター１３を接続す
る。このスチームインジェクター１３における水の混入
側を、熱交換器１４を介して蒸気分離器６の高温水排出
側に接続し、吐出水側を、熱交換器１４を介して冷却板
４の冷却水流入側に接続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池本体に冷
却水が循環可能な系統を備えた燃料電池発電プラントに
係り、特に、電池本体から排出される冷却水の熱を有効
利用することにより発電効率の向上を図った燃料電池発
電プラントに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、アノード極及びカソード極
の二種の反応極を有し、アノード極に供給される水素リ
ッチガス中の水素と、カソード極に供給される酸化剤ガ
ス中の酸素が電気化学的に反応する際のエネルギーを電
気と熱として取り出す発電設備である。このように、燃
料電池は従来の発電方式のような熱エネルギーや運動エ
ネルギーの過程を経ない直接発電であるので、小規模で
も高い発電効率が期待できる。かかる燃料電池におい
て、アノード極に供給される水素リッチガスは、原燃料
に水蒸気を加えた混合ガスを改質器にて水蒸気改質反応
させて生成する。この改質反応に必要な水蒸気は、当該
燃料電池の反応熱を冷却水により回収し、その冷却水の
一部を蒸気とすることによって得ていた。

【０００３】このような燃料電池発電システムの従来例
を、図９に従って以下に説明する。すなわち、燃料電池
本体１は、反応極であるアノード極２及びカソード極３
と、反応熱を除去する冷却板４とを備えている。アノー
ド極２のガス供給側には、改質器５の改質ガス排出側が
接続されている。この改質器５の加熱側には、アノード
極２及びカソード極３のガス排出側が接続されている。
冷却板４は冷却水が循環可能に設けられ、その循環系統
には蒸気分離器６が接続されている。この蒸気分離器６
の水蒸気排出側は、改質器５の原燃料供給側に接続され
ている。蒸気分離器６の高温水排出側は、冷却板４に回
帰する構成となっている。そして、改質器５の改質ガス
排出側、蒸気分離器６の高温水排出側及びカソード極３
の排ガス側には、それぞれ熱交換器７，８，９が設けら
れ、排熱が回収可能な構成となっている。

【０００４】以上のような構成を有する燃料電池発電プ
ラントの作用は、以下の通りである。すなわち、電池発
電によって気液２相流体が発生する。この気液２相流体
は蒸気分離器６によって蒸気と高温水に分離される。分
離された蒸気は、天然ガス等から得られる原燃料と混合
され、改質器５に送られる。この改質器５においては、
アノード極２及びカソード極３の排ガス熱を利用して改
質反応が行われ、改質ガスが発生する。改質ガスは、ア
ノード極２に流れる前に改質ガス熱交換器７から余剰熱
をプラント外に排出する。燃料電池本体１では、アノー
ド極２に流入した改質ガスとカソード極３に流入した空
気を反応させて発電が行われ、反応による発熱は冷却板
４を流れる冷却水によって排出される。冷却板４で熱を
吸収した冷却水は、蒸気分離器６において蒸気と高温水
に分離される。さらに、回収された電池発熱のうちの高
温水となった余剰分は、電池冷却熱交換器８によってプ
ラント外に排出されるとともに、補給水がなされて再び
冷却板４に送られる。また、カソード極３からの排ガス
の余剰熱は、カソード排気熱交換器９から排出される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来の燃料電池発電プラントの一例には、以下の
ような問題点があった。すなわち、プラントの運転に際
して発生する熱のうち、燃料電池本体１の両極から排出
されるガスの熱は、改質用としてプラント内において利
用されているが、他の熱は熱交換器７，８，９によっ
て、プラント外に排出されている。また、改質器５から
の排ガスやアノード極２を出た排ガスの保有する熱の一
部又は全ては有効に利用されることなくプラント外に排
出されていた。

【０００６】これに対処するために、排熱を利用する排
熱利用設備を発電設備とは別個に設けることによって、
総合エネルギー効率を高めることがなされているが、か
かる排熱利用設備を併設することは設置費用がかかり、
設置面積を余分に必要とするため、全ての排熱を活用す
る設備を設置することは困難である。

【０００７】本発明は以上のような従来技術の問題点を
解決するために提案されたものであり、その目的は、排
熱を発電のために最大限利用し、冷却水の循環利用を促
進することにより、高い発電効率が得られる燃料電池発
電プラントを提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１記載の発明は、アノード極とカソード極
とを有する燃料電池本体と、原燃料を改質して前記燃料
電池本体に供給される燃料を生成する改質器と、前記燃
料電池本体に冷却水を供給・循環させる冷却水系統とを
備えた燃料電池発電プラントにおいて、前記冷却水系統
に、前記燃料電池から排出される冷却水から蒸気を分離
する蒸気分離器を設け、この蒸気分離器に、前記蒸気分
離器で分離された蒸気により駆動可能な蒸気タービンを
接続し、この蒸気タービンに発電機を接続するととも
に、この蒸気タービンから排出される蒸気及び前記蒸気
分離器で分離された高温水により駆動可能なスチームイ
ンジェクターを接続し、このスチームインジェクターか
らの吐出水が、冷却水として前記燃料電池本体に供給可
能となるように、前記スチームインジェンクターを前記
燃料電池本体に接続することを特徴とする。

【０００９】以上のような請求項１記載の発明では、電
池本体から排出される冷却水が蒸気分離器に供給され
る。蒸気分離器においては供給された冷却水から蒸気が
分離され、この蒸気が蒸気タービンに供給される。蒸気
タービンにおいては、供給された蒸気によってタービン
が回転し発電機による発電が行われる。さらに、蒸気タ
ービンから排出された蒸気は、スチームインジェンクタ
ーに供給される。スチームインジェンクターにおいて
は、供給された蒸気が蒸気分離器で分離された高温水及
び補給水によって凝縮されて凝縮水となり、電池本体に
冷却水として供給される。

【００１０】請求項２記載の発明は、請求項１記載の燃
料電池発電プラントにおいて、前記蒸気分離器と前記蒸
気タービンとの間に、前記蒸気分離器から前記蒸気ター
ビンへ供給される蒸気を加熱する蒸気加熱器が設けら
れ、前記改質器からの排ガス、前記改質器からの改質ガ
ス、前記カソード極からの排ガス及び前記アノード極か
らの排ガスのうちの少なくとも一つを導く系統が、前記
蒸気加熱器に接続されていることを特徴とする。

【００１１】以上のような請求項２記載の発明では、蒸
気分離器において冷却水から蒸気が分離され、この蒸気
は蒸気加熱器において加熱された後に蒸気タービンに供
給される。蒸気加熱器の熱源としては、改質器からの排
ガス、改質器からの改質ガス、カソード極からの排ガ
ス、アノード極からの排ガスのうちの少なくとも一つを
用いているので、排熱が有効利用される。

【００１２】請求項３記載の発明は、請求項１記載の燃
料電池発電プラントにおいて、前記蒸気分離器と前記蒸
気タービンとの間に、前記蒸気分離器から前記蒸気ター
ビンへ供給される蒸気を加熱する蒸気加熱器が設けら
れ、前記蒸気加熱器の熱源として、電気ヒータ又はガス
バーナが設けられていることを特徴とする。

【００１３】以上のような請求項３記載の発明では、蒸
気加熱器の熱源として電気ヒータ又はガスバーナが用い
られているので、加熱温度を高温に安定させやすく、そ
の調節も容易である。

【００１４】請求項４記載の発明は、請求項１記載の燃
料電池発電プラントにおいて、前記蒸気分離器内部に熱
交換部が設けられ、前記熱交換部に前記改質器からの排
ガス、前記改質器からの改質ガス、前記カソード極から
の排ガス及び前記アノード極からの排ガスのうちの少な
くとも一つを導く系統が接続されていることを特徴とす
る。

【００１５】以上のような請求項４記載の発明では、蒸
気分離器の熱源として改質器からの排ガス、改質器から
の改質ガス、カソード極からの排ガス、アノード極から
の排ガスのうちの少なくとも一つを用いているので、排
熱が有効利用される。

【００１６】請求項５記載の発明は、請求項１記載の燃
料電池発電プラントにおいて、前記蒸気分離器内部に、
電気ヒータ又はガスバーナが設けられていることを特徴
とする。

【００１７】以上のような請求項５記載の発明では、蒸
気分離器の熱源として電気ヒータ又はガスバーナが用い
られているので、加熱温度を高温に安定させやすく、そ
の調節も容易である。従って、蒸気タービンに供給する
蒸気量を安定させやすく、その調節が容易となる。

【００１８】請求項６記載の発明は、請求項１〜５のい
ずれか１項に記載の燃料電池発電プラントにおいて、前
記蒸気分離器に、前記蒸気分離器からの高温水を熱源と
して蒸気を発生させる蒸気発生器が接続され、前記蒸気
発生器には、前記蒸気発生器において発生した蒸気が前
記蒸気タービンに供給可能となるように、前記蒸気ター
ビンが接続されていることを特徴とする。

【００１９】以上のような請求項６記載の発明では、蒸
気分離器からの高温水を電池冷却水として再利用するば
かりでなく、蒸気発生器の熱源として利用し、発生した
蒸気は蒸気タービンに供給される。従って、蒸気タービ
ンによる発電能力が向上し、全体の発電効率も高まる。

【００２０】請求項７記載の発明は、請求項１〜５のい
ずれか１項に記載の燃料電池発電プラントにおいて、前
記蒸気タービンと前記スチームインジェンクターとの間
に、前記蒸気タービンから排出される気液２相流のうち
の蒸気のみを分離して前記スチームインジェクターに供
給するドレン分離器が設けられていることを特徴とす
る。

【００２１】以上のような請求項７記載の発明では、蒸
気タービンから排出される気液２相流は、ドレン分離器
において高温水と蒸気が分離されるので、スチームイン
ジェクターに供給される蒸気は理想的な湿り度の低い蒸
気となる。従って、スチームインジェンクターの機能低
下が防止される。

【００２２】請求項８記載の発明は、請求項１〜５のい
ずれか１項に記載の燃料電池発電プラントにおいて、前
記蒸気タービンに、前記蒸気タービンから排出される蒸
気を凝縮させる凝縮器が接続され、前記凝縮器に、前記
凝縮器により凝縮された凝縮水を加圧するポンプが接続
され、前記ポンプから排出される水が、冷却水として前
記燃料電池本体に供給可能となるように又は前記スチー
ムインジェクター駆動用の給水として利用可能となるよ
うに、前記ポンプの排出側が前記燃料電池本体又は前記
スチームインジェンクターに接続されていることを特徴
とする。

【００２３】以上のような請求項８記載の発明では、蒸
気タービンから排出される蒸気が、凝縮器において凝縮
され、ポンプによって加圧されることにより電池冷却水
として適温に調節され、利用される。

【００２４】請求項９記載の発明は、請求項１〜８のい
ずれか１項に記載の燃料電池発電プラントにおいて、前
記冷却水系統における前記スチームインジェクターの吐
出口側に、水処理装置が設けられていることを特徴とす
る。

【００２５】以上のような請求項９記載の発明では、ス
チームインジェクターから燃料電池本体に供給される冷
却水の水質が、水処理装置によって維持されるので、冷
却効率の低下、装置の劣化が防止される。

【００２６】請求項１０記載の発明は、アノード極とカ
ソード極とを有する燃料電池本体と、原燃料を改質して
前記燃料電池本体に供給される燃料を生成する改質器
と、前記燃料電池本体に冷却水を供給・循環させる冷却
水系統とを備えた燃料電池発電プラントにおいて、前記
冷却水系統に、前記燃料電池本体から排出された冷却水
から蒸気を分離する蒸気分離器が接続し、前記蒸気分離
器に、前記蒸気分離器から排出される蒸気及び高温水に
より駆動可能なスチームインジェクターを接続し、この
スチームインジェクターの吐出口側に水車を設け、この
水車に発電機を接続するとともに、この水車からの排水
が、冷却水として前記燃料電池本体に供給可能となるよ
うに、前記水車を前記燃料電池本体に接続することを特
徴とする。

【００２７】以上のような請求項１０記載の発明では、
燃料電池本体から排出される冷却水が蒸気分離器に供給
される。蒸気分離器においては供給された冷却水から蒸
気が分離され、この蒸気はスチームインジェクターに供
給される。スチームインジェンクタにおいては供給され
た蒸気が、蒸気分離器で分離された高温水及び補給水に
よって凝縮されて凝縮水となり、吐出口から排出され
る。そして、この排水によって水車が回転し発電機によ
る発電が行われる。さらに、発電に使用され水車から排
出された水は、燃料電池本体に冷却水として供給され
る。

【００２８】請求項１１記載の発明は、アノード極とカ
ソード極とを有する燃料電池本体と、原燃料を改質して
前記燃料電池本体に供給される燃料を生成する改質器
と、前記燃料電池本体に冷却水を供給・循環させる冷却
水系統とを備えた燃料電池発電プラントにおいて、前記
燃料電池本体からの冷却水、前記改質器からの排ガス、
前記改質器からの改質ガス、前記カソード極からの排気
ガス、前記アノード極からの排気ガスのうちの少なくと
も一つを熱源とする蒸気発生器を設け、この蒸気発生器
に、この蒸気発生器から排出される蒸気により駆動可能
な蒸気タービンを設け、この蒸気タービンに発電機を接
続するとともに、この蒸気タービンから排出される蒸気
により駆動可能なスチームインジェクターを設け、この
スチームインジェンクターの吐出口側に、前記蒸気発生
器を接続することを特徴とする。

【００２９】以上のような請求項１１記載の発明では、
蒸気発生器において、電池本体からの冷却水、前記改質
器からの排ガス、前記改質器からの改質ガス、前記カソ
ード極からの排気ガス、前記アノード極からの排気ガス
のうちの少なくとも一つを熱源として蒸気が生成され
る。この蒸気は蒸気タービンに供給され、発電機による
発電が行われる。さらに、蒸気タービンから排出された
蒸気は、スチームインジェンクターに供給される。スチ
ームインジェンクターにおいては、供給された蒸気が補
給水によって凝縮されて凝縮水となり、蒸気発生器に供
給される。このように、蒸気タービンによる発電のため
の蒸気循環系統は、冷却水系統とは別個の系統となって
いる。

【００３０】

【発明の実施の形態】

（１）第１の実施の形態 請求項１〜３記載の発明に対応する一つの実施の形態
を、第１の実施の形態として図１を参照して具体的に説
明する。なお、図９に示した従来技術と同一の部材は同
一の符号を付し説明を省略する。

【００３１】（ａ）第１の実施の形態の構成 まず、本実施の形態の構成を説明する。すなわち、燃料
電池本体１における冷却板４の冷却水排出側に接続され
た蒸気分離器６には、その水蒸気排出側に、蒸気加熱器
１０を介して蒸気タービン１１が接続されている。蒸気
加熱器１０は、改質器からの排ガス、改質ガス、カソー
ド極からの排ガス、アノード極からの排ガスの排熱、電
気ヒータ又はガスバーナのうちの少なくとも一つを用い
て、流入した蒸気を更に加熱可能な構成となっている。
蒸気タービン１１は、そのタービンの回転により発電可
能となるように発電機１２に接続されている。蒸気ター
ビン１１の蒸気排出側には、スチームインジェクター１
３が接続されている。このスチームインジェクター１３
における水の混入側には、熱交換器１４を介して蒸気分
離器６の高温水排出側が接続され、吐出水側には、熱交
換器１４を介して冷却板４の冷却水流入側が接続されて
いる。

【００３２】スチームインジェンクター１３は、蒸気を
駆動源とする噴流ポンプであり、駆動用蒸気を高速噴流
にして水噴流を加速昇圧し、運動量保存の法則によって
蒸気の圧力よりも高い圧力の吐出水を得ることができる
装置である。このスチームインジェクター１３は、ポン
プや電動機などの回転機械が不要で、構成がシンプルか
つコンパクトであり、駆動用電源も不要であるなどの長
所を有する。

【００３３】このようなスチームインジェクターの代表
的なものの構成を、図１０（Ａ）に従って以下に説明す
る。すなわち、スチームインジェクター１３は、蒸気の
流入部と水の混入部とを有し、蒸気の通過過程に絞りが
設けられることにより、蒸気ノズル１３ａ、水・蒸気混
合部１３ｂ及びデフューザ１３ｃが構成されている。こ
のようなスチームインジェクター１３自体は、公知の技
術であり、古くは蒸気機関車のボイラ給水用として用い
られたこともある。また、従来、スチームインジェクタ
ーの改良技術や応用技術に関する特許も出願されている
（特開平１−１９６０００号公報、特開平２−２５３１
９５号公報、特開平２−２５３１９６号公報）。

【００３４】（ｂ）第１の実施の形態の作用 以上のような構成を有する本実施の形態の作用は以下の
通りである。すなわち、冷却板４において電池発熱によ
って加熱された冷却水は、蒸気分離器６において蒸気と
水とに分離される。分離された蒸気は従来技術と同様に
改質蒸気として使用される。そして、改質蒸気として使
用されない余剰の蒸気については蒸気加熱器１０によっ
て改質器からの排ガス、改質ガス、カソード極からの排
ガス、アノード極からの排ガスの排熱、電気ヒータ、ガ
スバーナのうちの少なくとも一つを用いて加熱され、蒸
気タービン１１に送られる。この蒸気によって蒸気ター
ビン１１が回転し、発電機１２による発電が行われる。

【００３５】さらに、蒸気タービン１１を出た低圧蒸気
は、スチームインジェクター１３に送られる。スチーム
インジェクター１３においては、蒸気タービン１１を出
た低圧蒸気と、蒸気分離器６からの高温水とが水・蒸気
混合部１３ｂにおいて混合され、蒸気ノズル１３ａから
の蒸気の高速流が水噴流表面に凝縮した後、この水噴流
がデフューザ１３ｃによって昇圧される。すると、図１
０（Ｂ）に示すように、吐出水の圧力は蒸気の圧力より
も高くなり、図１０（Ｃ）に示すように、吐出水の流速
は蒸気の入り口における流速より低くなる。

【００３６】そして、スチームインジェクター１３から
の吐出水は、燃料電池本体１の冷却を行うための理想的
水温より低めであるので、蒸気分離器６からの高温水に
よって熱交換器１４において加熱され電池本体１の冷却
板４に戻される。

【００３７】（ｃ）第１の実施の形態の効果 以上のような構成を有する本実施の形態の効果は、以下
の通りである。すなわち、電池発電によって発生した熱
のうち、改質蒸気として利用される以外の余剰分の蒸気
によって、蒸気タービン１１を駆動させることにより、
効率よく発電を行うことができる。従って、プラント全
体として、発電効率を向上させることが可能となる。

【００３８】また、凝縮器及びポンプ等を使用すること
なく、スチームインジェクター１３を使用することによ
り、蒸気タービン１１を出た低圧蒸気の凝縮と凝縮水の
加圧を同時に行うことが可能となる。従って、蒸気の循
環使用に際して凝縮器及びポンプ等にかかるコストやス
ペースが節約でき、運転に必要な動力が削減できるとと
もに、信頼性が高くメンテナンスも容易なプラントを構
成することができる。

【００３９】そして、スチームインジェクター１３を出
た流体は、蒸気分離器６からの高温水によって加熱する
ことで、特にプラント外から熱を供給することなく冷却
水として循環利用可能となるので、発生熱の利用効率が
さらに高まる。

【００４０】（２）第２の実施の形態 請求項４記載の発明に対応する一つの実施の形態を、第
２の実施の形態として図２を参照して具体的に説明す
る。なお、図９に示した従来技術、図１に示した第１の
実施の形態と同一の部材は同一の符号を付し説明を省略
する。

【００４１】（ａ）第２の実施の形態の構成 まず、本実施の形態の構成を説明する。すなわち、本実
施の形態においては、蒸気分離器６の内部に、改質器か
らの排ガス、改質ガス、カソード極からの排ガス、アノ
ード極からの排ガスの少なくとも一つが保有する熱を、
蒸気分離器６内の高温水に伝達するための熱交換器２１
が設けられている。

【００４２】（ｂ）第２の実施の形態の作用 以上のような構成を有する本実施の形態の作用は、以下
の通りである。すなわち、改質器からの排ガス、改質ガ
ス、カソード極からの排ガス、アノード極からの排ガス
の少なくとも一つによって蒸気分離器６内の水が直接加
熱されるので、より多くの蒸気が発生する。発生した蒸
気は、蒸気タービン１１に送られて発電機１２による発
電が行われる。

【００４３】（ｃ）第２の実施の形態の効果 以上のような本実施の形態の効果は以下の通りである。
すなわち、排熱の有効利用により蒸気タービン１１に送
られる蒸気が増加するので、発電効率をさらに向上させ
ることが可能となる。

【００４４】（３）第３の実施の形態 請求項６記載の発明に対応する一つの実施例を、第３の
実施の形態として、図３を参照して具体的に説明する。
なお、図９に示した従来技術、図１に示した第１の実施
の形態と同一の部材は同一の符号を付し説明を省略す
る。

【００４５】（ａ）第３の実施の形態の構成 まず、本実施の形態の構成を説明する。すなわち、本実
施の形態は、第１の実施の形態における蒸気分離器６の
高温水の排出側に、高温水配管１６を介して蒸気発生器
１５が接続されたものである。この蒸気発生器１５の蒸
気排出側には、熱交換器１４が接続されるとともに、中
圧蒸気配管１７を介して蒸気タービン１１が接続されて
いる。蒸気発生器１５の高温水排出側は、熱交換器１４
を介してスチームインジェクター１３の水の混入側に接
続されている。

【００４６】（ｂ）第３の実施の形態の作用 以上のような構成を有する本実施の形態の作用は以下の
通りである。すなわち、蒸気分離器６を出た高温水は、
高温水配管１６を通って蒸気発生器１５に供給される。
蒸気発生器１５において発生した蒸気は、中圧蒸気配管
１７を介して蒸気タービン１１の中間段に供給される。
蒸気タービン１１においては、蒸気発生器１５からの蒸
気と、第１の実施の形態と同様に改質蒸気として使用さ
れない余剰の蒸気とによって蒸気タービン１１が回転
し、発電機１２による発電が行われる。

【００４７】また、蒸気タービン１１を出た低圧蒸気
と、蒸気発生器１５からの高温水とが水・蒸気混合部１
３ｂにおいて混合され、蒸気ノズル１３ａからの蒸気の
高速流が水噴流表面に凝縮した後、この水噴流がデフュ
ーザ１３ｃによって昇圧される吐出水となる。この吐出
水は、燃料電池本体１の冷却を行うための理想的水温よ
り低めであるので、蒸気発生器１５からの蒸気ととも
に、蒸気分離器６からの高温水によって熱交換器１４に
おいて加熱され燃料電池本体１の冷却板４に戻される。

【００４８】（ｃ）第３の実施の形態の効果 以上のような本実施の形態の効果は以下の通りである。
すなわち、本実施の形態では、蒸気分離器６において高
温水となり蒸気として回収できなかった熱を利用して、
蒸気発生器１５において中圧の蒸気を発生させ、蒸気タ
ービンの中間段に導いて発電に供するため、第１の実施
の形態に比べて、プラント全体の発電効率をさらに高め
ることができる。

【００４９】（４）第４の実施の形態 請求項７記載の発明に対応する一つの実施の形態を、第
４の実施の形態として、図４を参照して具体的に説明す
る。なお、図９に示した従来技術、図１に示した第１の
実施の形態と同一の部材は同一の符号を付し説明を省略
する。

【００５０】（ａ）第４の実施の形態の構成 まず、本実施の形態の構成を説明する。すなわち、本実
施の形態においては、蒸気タービン１１とスチームイン
ジェクター１３との間に、蒸気タービン１１を出た気液
２相流から蒸気と高温水とを分離するドレン分離器１８
が設けられている。

【００５１】（ｂ）第４の実施の形態の作用 以上のような構成を有する本実施の形態の作用は、以下
の通りである。すなわち、蒸気タービン１１での発電で
より大きな電力を回収するには、蒸気タービン１１の出
口圧を低くする方が有利である。しかし、上記実施の形
態においては、このように出口圧を低くすると、蒸気タ
ービン１１の出口における蒸気が気液２相流となり湿り
度が高くなる。一方、スチームインジェクター１３の駆
動のためには湿り度の低い蒸気が理想的である。

【００５２】本実施例においては、スチームインジェク
ター１３からの排出が気液２相流となる場合であって
も、この気液２相流がドレン分離器１８において蒸気と
水とが分離され、高温水が除かれるので、蒸気のみがス
チームインジェクターに導かれる。そして、分離した蒸
気によりスチームインジェクター１３を駆動することに
よって、蒸気の凝縮・昇圧と、蒸気分離器６からの循環
水の昇圧が行われる。

【００５３】（ｃ）第４の実施の形態の効果 以上のような本実施の形態の効果は以下の通りである。
すなわち、蒸気タービン１１の出口圧を低くすることに
よって、蒸気タービン１１での発電でより大きな電力を
回収することができるとともに、スチームインジェンク
ター１３には蒸気のみを供給することができるので、ス
チームインジェクター１３の駆動も理想的なものとな
る。従って、ドレン分離器１８を設けない他の実施の形
態に比べて、スチームインジェクター１３の機能を低下
させることなく、さらに蒸気タービン１１の電力量を増
加することができる。

【００５４】（５）第５の実施の形態 請求項９記載の発明に対応する一つの実施の形態を、第
５の実施の形態として、図５を参照して具体的に説明す
る。なお、なお、図９に示した従来技術、図１に示した
第１の実施の形態と同一の部材は同一の符号を付し説明
を省略する。

【００５５】（ａ）第５の実施の形態の構成 まず、本実施の形態の構成を説明する。すなわち、本実
施の形態においては、スチームインジェクター１３の吐
出水側に、吐出水の水質を保持するための水処理装置１
９が設けられている。

【００５６】（ｂ）第５の実施の形態の作用 以上のような構成を有する本実施の形態の作用は以下の
通りである。すなわち、本実施の形態では、スチームイ
ンジェクター１３を出た後の水は、水処理装置１９に導
かれるため、蒸気分離器６、蒸気加熱器１０、蒸気ター
ビン１１、スチームインジェクター１３等の系統を通過
する際に劣化した電池冷却水の水質が回復する。従っ
て、常にクリーンな水が電池の冷却に循環使用される。

【００５７】（ｃ）第５の実施の形態の効果 以上のような本実施の形態の効果は以下の通りである。
すなわち、本実施の形態においては、水処理装置１９に
よって電池冷却水系統に適した高い水質を保持すること
が可能となるので、冷却効率が向上するとともに、各機
器の劣化が少なくなり装置の耐用年数が伸びる。

【００５８】（６）第６の実施の形態 請求項１０記載の発明に対応する一つの実施例を、第６
の実施の形態として、図６を参照して具体的に説明す
る。なお、図９に示した従来技術、図１に示した第１の
実施の形態と同一の部材は同一の符号を付し説明を省略
する。

【００５９】（ａ）第６の実施の形態の構成 まず、本実施の形態の構成を説明する。すなわち、本実
施の形態では、第１の実施の形態における蒸気タービン
１１を設けることなく、スチームインジェクター１３の
出口部に水車２２が設置されている。この水車２２に
は、発電機１２が接続されている。

【００６０】（ｂ）第６の実施の形態の作用 以上のような構成を有する本実施の形態の作用は以下の
通りである。すなわち、スチームインジェクター１３に
おいて、余剰の電池排熱によって発生した蒸気分離器６
からの蒸気によって循環水と補給水とが加圧され、加圧
された水が排出される。スチームインジェクター１３の
排出側には、水車２２が設けられているので、この水車
２２が加圧水によって回転し、発電機１２による発電が
行われる。

【００６１】（ｃ）第６の実施の形態の効果 以上のような本実施の形態の効果は以下の通りである。
すなわち、本実施の形態においては、余剰の電池排熱を
利用したスチームインジェクター１３によって水車２２
を駆動し発電を行うため、蒸気タービン１１を設けた場
合と同様に、発電効率を向上させることが可能となる。

【００６２】（７）第７の実施の形態 請求項１１記載の発明に対応する一つの実施の形態を、
第７の実施の形態として、図７を参照して具体的に説明
する。なお、図９に示した従来技術、図１に示した第１
の実施の形態と同一の部材は同一の符号を付し説明を省
略する。

【００６３】（ａ）第７の実施の形態の構成 まず、本実施の形態の構成を説明する。すなわち、本実
施の形態においては、従来プラント外に排出されていた
余剰の熱を保有する燃料電池冷却水、改質器からの排ガ
ス、改質ガス、アノード極からの排ガス、カソード極か
らの排ガスのうちの少なくとも一つを熱源として蒸気を
発生する蒸気発生器２０が設けられている。そして、蒸
気発生器２０、蒸気加熱器１０、蒸気タービン１１及び
スチームインジェクター１３を環状に接続し、蒸気発
生、蒸気タービン１１の駆動による発電及び蒸気タービ
ン１１を出た蒸気の凝縮・昇圧を行う循環系統を、電池
冷却水系とは分離して設ける。

【００６４】（ｂ）第７の実施の形態の作用 以上のような構成を有する本実施の形態の形態の作用
は、以下の通りである。すなわち、余剰の熱を保有する
燃料電池冷却水、改質器からの排ガス、改質ガス、アノ
ード極からの排ガス、カソード極からの排ガスの少なく
とも一つを加熱源として、蒸気発生器２０において発生
した蒸気は、蒸気タービン１１に送られて発電機１２に
よって発電が行われる。蒸気タービン１１からの蒸気
は、スチームインジェクター１３に送られて凝縮・昇圧
が行われる。スチームインジェンクター１３からの吐出
水は、蒸気発生器２０に供給されて蒸気発生用に利用さ
れる。

【００６５】（ｃ）第７の実施の形態の効果 以上のような本実施の形態による燃料電池発電プラント
においては、蒸気発生器２０によって、排熱を発電に有
効に活用できる。さらに、蒸気タービン１１における発
電及びスチームインジェクター１３における蒸気の凝縮
・昇圧の系統と、電池冷却水系とが分離されているの
で、高い水質を必要とする電池冷却水系の水質を劣化さ
せることはなく、水処理装置を設けた場合であっても、
その負荷が少なくてすむ。

【００６６】（８）他の実施の形態 本発明は以上のような実施の形態に限定されるものでは
なく、各構成部材は適宜変更可能である。例えば、請求
項８記載の発明に対応する実施の形態として、図８に示
すように、凝縮器１６とポンプ１７を用いてタービン出
口の蒸気の一部、あるいはすべてを凝縮および加圧する
実施の形態とすることも可能である。

【００６７】また、蒸気分離器６及び蒸気加熱器１０の
熱源として、電気ヒータ又はガスバーナを設けることに
より、加熱温度の高温安定化、温度調節の容易化を図
り、蒸気タービン１１に供給する蒸気の安定化、温度調
節の容易化を実現することも可能である。さらに、上記
実施の形態における蒸気加熱器１０を設置しない構成に
することも可能である。

【００６８】

【発明の効果】以上のような本発明によれば、電池本体
の排熱によって蒸気を発生させ、この蒸気を利用して発
電機に接続された蒸気タービン又は水車を駆動させるこ
とによって、排熱を発電のために最大限利用し、冷却水
の循環利用を促進することができ、高い発電効率が得ら
れる燃料電池発電プラントを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池発電プラントの第１の実施の
形態を示す構成図である。

【図２】本発明の燃料電池発電プラントの第２の実施の
形態を示す構成図である。

【図３】本発明の燃料電池発電プラントの第３の実施の
形態を示す構成図である。

【図４】本発明の燃料電池発電プラントの第４の実施の
形態を示す構成図である。

【図５】本発明の燃料電池発電プラントの第５の実施の
形態を示す構成図である。

【図６】本発明の燃料電池発電プラントの第６の実施の
形態を示す構成図である。

【図７】本発明の燃料電池発電プラントの第７の実施の
形態を示す構成図である。

【図８】本発明の燃料電池発電プラントの第８の実施の
形態を示す構成図である。

【図９】従来の燃料電池発電プラントを示す構成図であ
る。

【図１０】一般的なスチームインジェクターを示す説明
図であり、（Ａ）はその構造と流体の状態を示す模式
図、（Ｂ）は（Ａ）の各部の圧力を示すグラフ、（Ｃ）
は（Ａ）の各部の流速を示すグラフである。

【符号の説明】

１…燃料電池本体 ２…アノード極 ３…カソード極 ４…冷却板 ５…改質器 ６…蒸気分離器 ７…改質ガス熱交換器 ８…電池冷却熱交換器 ９…カソード排気熱交換器 １０…蒸気加熱器 １１…蒸気タービン １２…発電機 １３…スチームインジェンクター １４，２１…熱交換器 １５，２０…蒸気発生器 １６…高温水配管 １７…中圧蒸気配管 １８…ドレン分離器 １９…水処理装置 ２２…水車

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 一木 忠治 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 Ｎ ＴＴ日比谷ビル 東芝テクノコンサルティ ング株式会社内

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アノード極とカソード極とを有する燃料
   電池本体と、原燃料を改質して前記燃料電池本体に供給
   される燃料を生成する改質器と、前記燃料電池本体に冷
   却水を供給・循環させる冷却水系統とを備えた燃料電池
   発電プラントにおいて、 前記冷却水系統に、前記燃料電池から排出される冷却水
   から蒸気を分離する蒸気分離器を設け、 この蒸気分離器に、前記蒸気分離器で分離された蒸気に
   より駆動可能な蒸気タービンを接続し、 この蒸気タービンに発電機を接続するとともに、 この蒸気タービンから排出される蒸気及び前記蒸気分離
   器で分離された高温水により駆動可能なスチームインジ
   ェクターを接続し、 このスチームインジェクターからの吐出水が、冷却水と
   して前記燃料電池本体に供給可能となるように、前記ス
   チームインジェンクターを前記燃料電池本体に接続する
   ことを特徴とする燃料電池発電プラント。
2. 【請求項２】 前記蒸気分離器と前記蒸気タービンとの
   間に、前記蒸気分離器から前記蒸気タービンへ供給され
   る蒸気を加熱する蒸気加熱器か設けられ、 前記改質器からの排ガス、前記改質器からの改質ガス、
   前記カソード極からの排ガス及び前記アノード極からの
   排ガスのうちの少なくとも一つを導く系統が、前記蒸気
   加熱器に接続されていることを特徴とする請求項１記載
   の燃料電池発電プラント。
3. 【請求項３】 前記蒸気分離器と前記蒸気タービンとの
   間に、前記蒸気分離器から前記蒸気タービンへ供給され
   る蒸気を加熱する蒸気加熱器が設けられ、 前記蒸気加熱器の熱源として、電気ヒータ又はガスバー
   ナが設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃
   料電池発電プラント。
4. 【請求項４】 前記蒸気分離器内部に熱交換部が設けら
   れ、 前記熱交換部に前記改質器からの排ガス、前記改質器か
   らの改質ガス、前記カソード極からの排ガス及び前記ア
   ノード極からの排ガスのうちの少なくとも一つを導く系
   統が接続されていることを特徴とする請求項１記載の燃
   料電池発電プラント。
5. 【請求項５】 前記蒸気分離器内部に、電気ヒータ又は
   ガスバーナが設けられていることを特徴とする請求項１
   記載の燃料電池発電プラント。
6. 【請求項６】 前記蒸気分離器に、前記蒸気分離器から
   の高温水を熱源として蒸気を発生させる蒸気発生器が接
   続され、 前記蒸気発生器には、前記蒸気発生器において発生した
   蒸気が前記蒸気タービンに供給可能となるように、前記
   蒸気タービンが接続されていることを特徴とする請求項
   １〜５のいずれか１項に記載の燃料電池発電プラント。
7. 【請求項７】 前記蒸気タービンと前記スチームインジ
   ェンクターとの間に、前記蒸気タービンから排出される
   気液２相流のうちの蒸気のみを分離して前記スチームイ
   ンジェクターに供給するドレン分離器が設けられている
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の
   燃料電池発電プラント。
8. 【請求項８】 前記蒸気タービンに、前記蒸気タービン
   から排出される蒸気を凝縮させる凝縮器が接続され、 前記凝縮器に、前記凝縮器により凝縮された凝縮水を加
   圧するポンプが接続され、 前記ポンプから排出される水が、冷却水として前記燃料
   電池本体に供給可能となるように又は前記スチームイン
   ジェクター駆動用の給水として利用可能となるように、
   前記ポンプの排出側が前記燃料電池本体又は前記スチー
   ムインジェンクターに接続されていることを特徴とする
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池発電プラ
   ント。
9. 【請求項９】 前記冷却水系統における前記スチームイ
   ンジェクターの吐出口側に、水処理装置が設けられてい
   ることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載
   の燃料電池発電プラント。
10. 【請求項１０】 アノード極とカソード極とを有する燃
    料電池本体と、原燃料を改質して前記燃料電池本体に供
    給される燃料を生成する改質器と、前記燃料電池本体に
    冷却水を供給・循環させる冷却水系統とを備えた燃料電
    池発電プラントにおいて、 前記冷却水系統に、前記燃料電池本体から排出された冷
    却水から蒸気を分離する蒸気分離器が接続し、 前記蒸気分離器に、前記蒸気分離器から排出される蒸気
    及び高温水により駆動可能なスチームインジェクターを
    接続し、 このスチームインジェクターの吐出口側に水車を設け、 この水車に発電機を接続するとともに、 この水車からの排水が、冷却水として前記燃料電池本体
    に供給可能となるように、前記水車を前記燃料電池本体
    に接続することを特徴とする燃料電池発電プラント。
11. 【請求項１１】 アノード極とカソード極とを有する燃
    料電池本体と、原燃料を改質して前記燃料電池本体に供
    給される燃料を生成する改質器と、前記燃料電池本体に
    冷却水を供給・循環させる冷却水系統とを備えた燃料電
    池発電プラントにおいて、 前記燃料電池本体からの冷却水、前記改質器からの排ガ
    ス、前記改質器からの改質ガス、前記カソード極からの
    排気ガス、前記アノード極からの排気ガスのうちの少な
    くとも一つを熱源とする蒸気発生器を設け、 この蒸気発生器に、この蒸気発生器から排出される蒸気
    により駆動可能な蒸気タービンを設け、 この蒸気タービンに発電機を接続するとともに、 この蒸気タービンから排出される蒸気により駆動可能な
    スチームインジェクターを設け、 このスチームインジェンクターの吐出口側に、前記蒸気
    発生器を接続することを特徴とする燃料電池発電プラン
    ト。