JPH10334935A - 燃料電池発電システム - Google Patents
燃料電池発電システムInfo
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- JPH10334935A JPH10334935A JP9144933A JP14493397A JPH10334935A JP H10334935 A JPH10334935 A JP H10334935A JP 9144933 A JP9144933 A JP 9144933A JP 14493397 A JP14493397 A JP 14493397A JP H10334935 A JPH10334935 A JP H10334935A
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- heat exchange
- water
- fuel cell
- coil
- gas
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
- Y02P20/10—Process efficiency
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- Fuel Cell (AREA)
- Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 燃料電池発電システムの各反応器における無
駄な発熱量を抑制し、システムの発電効率を向上させ
る。 【解決手段】 改質器(126) 、高温変成器(127a) 、低
温変成器(127b)、電池本体(101) をガス配管で接続して
ガス流通路(180) が構成されている。また、改質器(12
6) への水供給系(140) の水流通路(141) は、コイル側
通路(141a)とバイパス側通路(141b)とに分岐されてい
る。コイル側通路(141a)には、各反応器(127a,127b,12
8) 内に配置された熱交換コイル(172a,172b,171) と、
熱交換器(152,153,154) 内の水側熱交換コイルとが介設
されている。各熱交換コイル(171,172a,172b) と各熱交
換器(152,153,154) により熱回収とガスの冷却とを行い
ながら、各流量制御弁(161,162,163) により、各熱交換
コイル(171,172b,172a) の水量を調整して、各反応器(1
27a,127b,128) で異なる適正温度に応じた温度制御を行
う。
駄な発熱量を抑制し、システムの発電効率を向上させ
る。 【解決手段】 改質器(126) 、高温変成器(127a) 、低
温変成器(127b)、電池本体(101) をガス配管で接続して
ガス流通路(180) が構成されている。また、改質器(12
6) への水供給系(140) の水流通路(141) は、コイル側
通路(141a)とバイパス側通路(141b)とに分岐されてい
る。コイル側通路(141a)には、各反応器(127a,127b,12
8) 内に配置された熱交換コイル(172a,172b,171) と、
熱交換器(152,153,154) 内の水側熱交換コイルとが介設
されている。各熱交換コイル(171,172a,172b) と各熱交
換器(152,153,154) により熱回収とガスの冷却とを行い
ながら、各流量制御弁(161,162,163) により、各熱交換
コイル(171,172b,172a) の水量を調整して、各反応器(1
27a,127b,128) で異なる適正温度に応じた温度制御を行
う。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、酸素・水素の結合
反応を利用して発電を行う燃料電池発電システムの改良
に関するものである。
反応を利用して発電を行う燃料電池発電システムの改良
に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来より、水やアルコール類などの燃料
がもっている化学エネルギーを燃やして熱に変換するこ
となしに、電池内で、燃料，酸化剤（空気，酸素など）
をそれぞれカソード，アノードにおける電子をやりとり
する電極反応を行わせ、全体として燃料の燃焼反応と同
じ形の反応を行わせるようにした燃料電池は、高い熱交
換効率を発揮することができるので、病院，学校，ビル
等の施設の電力源として応用されつつある。
がもっている化学エネルギーを燃やして熱に変換するこ
となしに、電池内で、燃料，酸化剤（空気，酸素など）
をそれぞれカソード，アノードにおける電子をやりとり
する電極反応を行わせ、全体として燃料の燃焼反応と同
じ形の反応を行わせるようにした燃料電池は、高い熱交
換効率を発揮することができるので、病院，学校，ビル
等の施設の電力源として応用されつつある。
【０００３】図２は、従来の固体高分子型燃料電池を利
用した燃料電池発電システム(100X)の構成を概略的に示
す配管系統図である。同図において、(101) は電池本体
を示し、該電池本体(101) の内部には、カソード(102)
と、アノード(103) とが設けられている。また、(120)
は取り入れた外気を圧縮して燃料電池(101) 等に送り込
むための空気圧縮機、(121) は都市ガス中の硫黄成分を
取り除くための脱硫器、(122) は脱硫された都市ガスを
圧縮して高圧にするためのガス圧縮機、(124)はポンプ
(123) 等を介して送られる水を貯留するタンク、(126)
はバーナー(126a)を付設しガス圧縮機(122) から送られ
る都市ガスとポンプ(125) を介してタンク(124) から送
られる水とを反応させるための改質器、(127a,127b) は
それぞれ改質器(126) で発生したＣＯガスを変成するた
めの高温変成器及び低温変成器、(128) は低温変成器(1
27b)から出る改質ガス中のＣＯガスをさらに部分的に酸
化させた後、電池本体(101) に送るための部分酸化反応
器をそれぞれ示す。上記改質器(126) 、各反応器(127a,
127b ,128) 及び電池本体(101) をガス配管で接続して
ガス流通路(180) が構成されている。また、(131) は電
池冷却水を放熱させるための放熱器、(132) は上記改質
器(126) で生じる水蒸気を凝縮するための凝縮器、(13
6) はカソード(102) で生じる水蒸気を凝縮するための
凝縮器、(137)はアノード(103) で生じる水蒸気を凝縮
するための凝縮器をそれぞれ示す。そして、各凝縮器(1
31,136,137) で生成された水は上記タンク(124) に戻さ
れる一方、気体は外部に排出されるように構成されてい
る。
用した燃料電池発電システム(100X)の構成を概略的に示
す配管系統図である。同図において、(101) は電池本体
を示し、該電池本体(101) の内部には、カソード(102)
と、アノード(103) とが設けられている。また、(120)
は取り入れた外気を圧縮して燃料電池(101) 等に送り込
むための空気圧縮機、(121) は都市ガス中の硫黄成分を
取り除くための脱硫器、(122) は脱硫された都市ガスを
圧縮して高圧にするためのガス圧縮機、(124)はポンプ
(123) 等を介して送られる水を貯留するタンク、(126)
はバーナー(126a)を付設しガス圧縮機(122) から送られ
る都市ガスとポンプ(125) を介してタンク(124) から送
られる水とを反応させるための改質器、(127a,127b) は
それぞれ改質器(126) で発生したＣＯガスを変成するた
めの高温変成器及び低温変成器、(128) は低温変成器(1
27b)から出る改質ガス中のＣＯガスをさらに部分的に酸
化させた後、電池本体(101) に送るための部分酸化反応
器をそれぞれ示す。上記改質器(126) 、各反応器(127a,
127b ,128) 及び電池本体(101) をガス配管で接続して
ガス流通路(180) が構成されている。また、(131) は電
池冷却水を放熱させるための放熱器、(132) は上記改質
器(126) で生じる水蒸気を凝縮するための凝縮器、(13
6) はカソード(102) で生じる水蒸気を凝縮するための
凝縮器、(137)はアノード(103) で生じる水蒸気を凝縮
するための凝縮器をそれぞれ示す。そして、各凝縮器(1
31,136,137) で生成された水は上記タンク(124) に戻さ
れる一方、気体は外部に排出されるように構成されてい
る。
【０００４】また、燃料電池システム(100X)内には各反
応器から出る排熱を回収しながら改質器(126) に水を供
給するための水供給系(140) が設けられている。この水
供給系(140) の水流通路(141) には、ポンプ(125) と水
処理装置(142) とが介設されている。
応器から出る排熱を回収しながら改質器(126) に水を供
給するための水供給系(140) が設けられている。この水
供給系(140) の水流通路(141) には、ポンプ(125) と水
処理装置(142) とが介設されている。
【０００５】さらに、改質器(126) の出口に設けられた
第１熱交換器(151) と、高温変成器(127a)の出口に設け
られた第２熱交換器(152) と、低温変成器(127b)の出口
に設けられた第３熱交換器(153) と、部分酸化反応器(1
28) の出口に設けられた第４熱交換器(154) とが配設さ
れていて、各熱交換器(151,152,153,154)には、上記ガ
ス流通路(180) に介設されたガス側熱交換コイルと、上
記水側流通路(141) に介設された水側熱交換コイルとが
収納されている。すなわち、この水側熱交換コイルとガ
ス側熱交換コイルとによって、ガス流通路(180) の改質
ガスと水流通路(141) の水との熱交換を行うように構成
されている。
第１熱交換器(151) と、高温変成器(127a)の出口に設け
られた第２熱交換器(152) と、低温変成器(127b)の出口
に設けられた第３熱交換器(153) と、部分酸化反応器(1
28) の出口に設けられた第４熱交換器(154) とが配設さ
れていて、各熱交換器(151,152,153,154)には、上記ガ
ス流通路(180) に介設されたガス側熱交換コイルと、上
記水側流通路(141) に介設された水側熱交換コイルとが
収納されている。すなわち、この水側熱交換コイルとガ
ス側熱交換コイルとによって、ガス流通路(180) の改質
ガスと水流通路(141) の水との熱交換を行うように構成
されている。
【０００６】なお、(134) は脱硫器(121) を経た都市ガ
スと水流通路(141) の水とを混合させるための混合器、
(135) は圧縮機(120) から送られる外気と低温変成器(1
27b)から出る改質ガスとを混合させるための混合器、(1
55) は電池本体(101) のアノード(103) 、カソード(10
2) から排出されて改質器(126) のバーナー(126a)に送
られるカソード排ガス及びアノード排ガスと改質器(12
6) から排出される燃焼排ガスとの熱交換を行うための
第５熱交換器をそれぞれ示す。
スと水流通路(141) の水とを混合させるための混合器、
(135) は圧縮機(120) から送られる外気と低温変成器(1
27b)から出る改質ガスとを混合させるための混合器、(1
55) は電池本体(101) のアノード(103) 、カソード(10
2) から排出されて改質器(126) のバーナー(126a)に送
られるカソード排ガス及びアノード排ガスと改質器(12
6) から排出される燃焼排ガスとの熱交換を行うための
第５熱交換器をそれぞれ示す。
【０００７】次に、上記燃料電池システム(100X)におけ
るエネルギーの流れを概略的に説明する。改質器(126)
においては、脱硫された都市ガスとスチームとの混合ガ
スがガスバーナー(126a)で加熱されて触媒の存在下でＣ
Ｏ2 ガスと水素とを含む改質ガスが生成される。その
際、電池本体(101) で反応しきれなかった水素を含むア
ノード排ガスと空気を含むカソード排ガスが改質器(12
6) に戻されてバーナー(126a)の燃焼源とされる。ただ
し、この改質ガス中にはＣＯガスも含まれているので、
高温変成器(127a)及び低温変成器(127b)でこのＣＯガス
をＣＯ2 ガスに変える。さらに、固体高分子型燃料電池
システムにおいては、効率の低下を招くＣＯガスの量を
極度に減らすために、部分酸化反応器(128) を設け、こ
の部分酸化反応器(128) において、低温変成器(127b)か
ら出る改質ガスに空気圧縮機(120) から送られる空気を
混合させてＣＯガスをさらに酸化させている。このよう
にして、ＣＯガスの含有量が極めて少ない改質ガスが電
池本体(101) に送られる。そして、電池本体(101) で、
部分酸化反応器(128) から送られる改質ガス中の水素
と、空気圧縮機(120) から送られる空気中の酸素とを結
合させて、そのときに生じるイオンをカソード(102) ，
アノード(103) の電荷に変えることで、電力が得られ
る。
るエネルギーの流れを概略的に説明する。改質器(126)
においては、脱硫された都市ガスとスチームとの混合ガ
スがガスバーナー(126a)で加熱されて触媒の存在下でＣ
Ｏ2 ガスと水素とを含む改質ガスが生成される。その
際、電池本体(101) で反応しきれなかった水素を含むア
ノード排ガスと空気を含むカソード排ガスが改質器(12
6) に戻されてバーナー(126a)の燃焼源とされる。ただ
し、この改質ガス中にはＣＯガスも含まれているので、
高温変成器(127a)及び低温変成器(127b)でこのＣＯガス
をＣＯ2 ガスに変える。さらに、固体高分子型燃料電池
システムにおいては、効率の低下を招くＣＯガスの量を
極度に減らすために、部分酸化反応器(128) を設け、こ
の部分酸化反応器(128) において、低温変成器(127b)か
ら出る改質ガスに空気圧縮機(120) から送られる空気を
混合させてＣＯガスをさらに酸化させている。このよう
にして、ＣＯガスの含有量が極めて少ない改質ガスが電
池本体(101) に送られる。そして、電池本体(101) で、
部分酸化反応器(128) から送られる改質ガス中の水素
と、空気圧縮機(120) から送られる空気中の酸素とを結
合させて、そのときに生じるイオンをカソード(102) ，
アノード(103) の電荷に変えることで、電力が得られ
る。
【０００８】一方、水供給系(140) においては、タンク
(124) から排出される水が、水処理装置(142) 、第４熱
交換器(154) 、第３熱交換器(153) 、第２熱交換器(15
2) 、第１熱交換器(151) を順に経た後、改質器(126)
に供給される。そして、各熱交換器(154,153,152,151)
で部分酸化反応器(128) 、低温変成器(127b)、高温変成
器(127a)、改質器(126) から出る改質ガスと水との熱交
換を行う。
(124) から排出される水が、水処理装置(142) 、第４熱
交換器(154) 、第３熱交換器(153) 、第２熱交換器(15
2) 、第１熱交換器(151) を順に経た後、改質器(126)
に供給される。そして、各熱交換器(154,153,152,151)
で部分酸化反応器(128) 、低温変成器(127b)、高温変成
器(127a)、改質器(126) から出る改質ガスと水との熱交
換を行う。
【０００９】ここで、各反応器(127a,127b,128) におけ
る反応は発熱反応である。改質器(126) における反応温
度はたとえば８００℃程度であり、高温変成器(127a)に
おける処理温度はたとえば４００℃程度であり、低温変
成器(127b)における処理温度はたとえば２００℃程度で
あり、部分酸化反応器(128) における処理温度はたとえ
ば１４０℃程度である。一方、構造上、電池本体(101)
は１００℃程度の温度に保持する必要がある。つまり、
電池本体(101) に供給される改質ガスは、各反応器(12
6,127a,127b,128) を経るにつれて次第に低温下での反
応を行うように構成されている。そこで、各熱交換器(1
54,153,152,151) における熱交換によって、ガス流通路
(180) においては下流側に供給される改質ガスを冷却す
る一方、水流通路(141) の水を次第に高温にして、最終
的に水が改質器(126) に供給されるときには、できるだ
け高温になるように構成している。
る反応は発熱反応である。改質器(126) における反応温
度はたとえば８００℃程度であり、高温変成器(127a)に
おける処理温度はたとえば４００℃程度であり、低温変
成器(127b)における処理温度はたとえば２００℃程度で
あり、部分酸化反応器(128) における処理温度はたとえ
ば１４０℃程度である。一方、構造上、電池本体(101)
は１００℃程度の温度に保持する必要がある。つまり、
電池本体(101) に供給される改質ガスは、各反応器(12
6,127a,127b,128) を経るにつれて次第に低温下での反
応を行うように構成されている。そこで、各熱交換器(1
54,153,152,151) における熱交換によって、ガス流通路
(180) においては下流側に供給される改質ガスを冷却す
る一方、水流通路(141) の水を次第に高温にして、最終
的に水が改質器(126) に供給されるときには、できるだ
け高温になるように構成している。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の燃料電池システムにおいては、以下のような問題が
あった。
来の燃料電池システムにおいては、以下のような問題が
あった。
【００１１】上記各反応器(127a,127b,128) はガス精製
用の反応器であるために、それぞれの反応器に入るガス
は適正な温度域に設定されている。ところが、上記従来
の燃料電池システムにおいては、各反応器(126,127a,12
7b,128)間に熱交換器(153,152,151) を設けることによ
って、電池本体(101) に供給される改質ガスが各反応器
(127a,127b,128) を経るにつれて次第に低温になるよう
にしているものの、途中の熱交換器(153,152,151) を経
ても、なお各反応器に供給される改質ガスが過昇温され
ていることがあり、種々の問題を引き起こしていた。特
に、ＣＯガスの含有量の多い改質ガスが高温で流通した
ときには、反応器における発熱量も増大することにな
る。たとえば、部分酸化反応器(128) においては、下記
反応式(1) 2CO+O2 →２ＣＯ2 (1) による反応を行って、ＣＯガスを減らすのであるが、高
温状態では、下記式(2)，(3) ＣＯ＋３Ｈ2 →ＣＨ4 ＋Ｈ2 Ｏ (2) ２Ｈ2 ＋Ｏ2 →２Ｈ2 Ｏ (3) による反応を行う。つまり、大量の発熱を生じるととも
に、電池本体(101) に供給すべき水素ガスを酸化してし
まい燃料電池の効率を低下させる。
用の反応器であるために、それぞれの反応器に入るガス
は適正な温度域に設定されている。ところが、上記従来
の燃料電池システムにおいては、各反応器(126,127a,12
7b,128)間に熱交換器(153,152,151) を設けることによ
って、電池本体(101) に供給される改質ガスが各反応器
(127a,127b,128) を経るにつれて次第に低温になるよう
にしているものの、途中の熱交換器(153,152,151) を経
ても、なお各反応器に供給される改質ガスが過昇温され
ていることがあり、種々の問題を引き起こしていた。特
に、ＣＯガスの含有量の多い改質ガスが高温で流通した
ときには、反応器における発熱量も増大することにな
る。たとえば、部分酸化反応器(128) においては、下記
反応式(1) 2CO+O2 →２ＣＯ2 (1) による反応を行って、ＣＯガスを減らすのであるが、高
温状態では、下記式(2)，(3) ＣＯ＋３Ｈ2 →ＣＨ4 ＋Ｈ2 Ｏ (2) ２Ｈ2 ＋Ｏ2 →２Ｈ2 Ｏ (3) による反応を行う。つまり、大量の発熱を生じるととも
に、電池本体(101) に供給すべき水素ガスを酸化してし
まい燃料電池の効率を低下させる。
【００１２】しかも、各反応器(127a,127b,128) 内で反
応を行う際の適正な温度は互いに同じではないので、各
反応器(127a,127b,128) 内の温度をそれぞれ所望の適正
温度に制御するのは極めて困難であった。
応を行う際の適正な温度は互いに同じではないので、各
反応器(127a,127b,128) 内の温度をそれぞれ所望の適正
温度に制御するのは極めて困難であった。
【００１３】本発明は、かかる点に鑑みてなされたもの
であり、その目的は、改質器に水を供給するための水供
給系を利用して燃料電池システムの各反応器における温
度を適正に制御しうる手段を講ずることにより、燃料電
池の運転効率の向上を図ることにある。
であり、その目的は、改質器に水を供給するための水供
給系を利用して燃料電池システムの各反応器における温
度を適正に制御しうる手段を講ずることにより、燃料電
池の運転効率の向上を図ることにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
るために本発明が講じた手段は、水流通路をガスとの熱
交換を行う通路と熱交換を行わない通路とに分岐したも
のである。
るために本発明が講じた手段は、水流通路をガスとの熱
交換を行う通路と熱交換を行わない通路とに分岐したも
のである。
【００１５】具体的には、請求項１〜１０に記載されて
いる燃料電池発電システムに関する手段を講じている。
いる燃料電池発電システムに関する手段を講じている。
【００１６】本発明の燃料電池発電システムは、請求項
１に記載されているように、水素と酸素とをアノード(1
03) ，カソード(102) で電極反応させるように構成され
た電池本体(101) と、原料を水の存在下で反応させて水
素を含む改質ガスを発生するための改質器(126) と、上
記改質器(126) から出る改質ガス中のＣＯガスを減ずる
ための反応を行う反応器と、上記改質器(126) ，各反応
器及び電池本体（１０１）を順にガス配管で接続して構
成されるガス流通路（１８０） と、上記改質器(126)
に水を供給するための水供給系(140) とを備えた燃料電
池発電システムを前提としている。そして、上記水供給
系(140) の水流通路(141) には、上記ガス流通路(180)
内の改質ガスと水流通路(141) 内の水との熱交換を行う
ための少なくとも１つの熱交換コイルが介設されてお
り、上記水流通路(141) は、上記熱交換コイルを通過す
るコイル側通路(141a)と、上記熱交換コイルを通過しな
いバイパス側通路(141b)とに分岐されている。
１に記載されているように、水素と酸素とをアノード(1
03) ，カソード(102) で電極反応させるように構成され
た電池本体(101) と、原料を水の存在下で反応させて水
素を含む改質ガスを発生するための改質器(126) と、上
記改質器(126) から出る改質ガス中のＣＯガスを減ずる
ための反応を行う反応器と、上記改質器(126) ，各反応
器及び電池本体（１０１）を順にガス配管で接続して構
成されるガス流通路（１８０） と、上記改質器(126)
に水を供給するための水供給系(140) とを備えた燃料電
池発電システムを前提としている。そして、上記水供給
系(140) の水流通路(141) には、上記ガス流通路(180)
内の改質ガスと水流通路(141) 内の水との熱交換を行う
ための少なくとも１つの熱交換コイルが介設されてお
り、上記水流通路(141) は、上記熱交換コイルを通過す
るコイル側通路(141a)と、上記熱交換コイルを通過しな
いバイパス側通路(141b)とに分岐されている。
【００１７】請求項１及び以下の各請求項の発明特定事
項は全て図１に記載されている。請求項１により、コイ
ル側通路(141a)とバイパス側通路(141b)との分配量を配
管径などによって適宜調整できるので、熱交換コイルに
おけるガス流通路(180) の改質ガスと水流通路(141) の
水との熱交換量の調整、つまり反応器における反応温度
や反応熱を考慮したガス温度の制御が可能になる。した
がって、水供給系(140) の水を利用して、ガス流通路(1
80) における改質ガスの熱を回収して改質器(126) で反
応のために必要な熱量を補充しながら、ガス流通路(18
0) における改質ガスの温度を所望の適正温度に調節す
ることが可能となり、燃料電池発電システム全体の発電
効率を高めることができる。
項は全て図１に記載されている。請求項１により、コイ
ル側通路(141a)とバイパス側通路(141b)との分配量を配
管径などによって適宜調整できるので、熱交換コイルに
おけるガス流通路(180) の改質ガスと水流通路(141) の
水との熱交換量の調整、つまり反応器における反応温度
や反応熱を考慮したガス温度の制御が可能になる。した
がって、水供給系(140) の水を利用して、ガス流通路(1
80) における改質ガスの熱を回収して改質器(126) で反
応のために必要な熱量を補充しながら、ガス流通路(18
0) における改質ガスの温度を所望の適正温度に調節す
ることが可能となり、燃料電池発電システム全体の発電
効率を高めることができる。
【００１８】請求項２に記載されているように、請求項
１に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記コイル
側通路(141a)とバイパス側通路(141b)との水の流量を調
整するための流量制御手段をさらに備えることが好まし
い。
１に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記コイル
側通路(141a)とバイパス側通路(141b)との水の流量を調
整するための流量制御手段をさらに備えることが好まし
い。
【００１９】これにより、熱交換コイルにおける熱交換
量をさらに正確に調整できることになる。
量をさらに正確に調整できることになる。
【００２０】請求項３に記載されているように、請求項
１又は２に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記
反応器が、上記改質器(126) から出る改質ガスを酸化す
るための変成器(127) と該変成器(127) から出る改質ガ
ス中のＣＯガスをさらに酸化する部分酸化反応器(128)
とである場合には、上記熱交換コイルは、少なくとも上
記部分酸化反応器(128) 内の改質ガスとコイル側通路(1
41a)内の水との熱交換を行う酸化反応用熱交換コイル(1
71) を含んでいることが好ましい。
１又は２に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記
反応器が、上記改質器(126) から出る改質ガスを酸化す
るための変成器(127) と該変成器(127) から出る改質ガ
ス中のＣＯガスをさらに酸化する部分酸化反応器(128)
とである場合には、上記熱交換コイルは、少なくとも上
記部分酸化反応器(128) 内の改質ガスとコイル側通路(1
41a)内の水との熱交換を行う酸化反応用熱交換コイル(1
71) を含んでいることが好ましい。
【００２１】これにより、部分酸化反応器(128) におい
てＣＯガスが過昇温されたときに生じるメタネーション
反応や水素と酸素との反応が抑制されるので、無駄な発
熱量の発生が抑制され、燃料電池発電システムの効率が
向上することになる。
てＣＯガスが過昇温されたときに生じるメタネーション
反応や水素と酸素との反応が抑制されるので、無駄な発
熱量の発生が抑制され、燃料電池発電システムの効率が
向上することになる。
【００２２】請求項４に記載されているように、請求項
１又は２に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記
反応器が、上記改質器(126) で発生した上記改質ガスを
酸化するための高温変成器(127a)及び低温変成器(127b)
と、該低温変成器(127b)から出る改質ガス中のＣＯガス
をさらに酸化する部分酸化反応器(128) とを含んでいる
場合には、上記コイル側通路(141a)に、上記各反応器(1
28,127b,127a) 内の改質ガスとコイル側通路(141a)内の
水との熱交換をそれぞれ行う酸化反応用熱交換コイル(1
71) ，低温変成用熱交換コイル(172b)及び高温変成用熱
交換コイル(172a)を水流通路(141) の上流側から順に介
設することが好ましい。
１又は２に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記
反応器が、上記改質器(126) で発生した上記改質ガスを
酸化するための高温変成器(127a)及び低温変成器(127b)
と、該低温変成器(127b)から出る改質ガス中のＣＯガス
をさらに酸化する部分酸化反応器(128) とを含んでいる
場合には、上記コイル側通路(141a)に、上記各反応器(1
28,127b,127a) 内の改質ガスとコイル側通路(141a)内の
水との熱交換をそれぞれ行う酸化反応用熱交換コイル(1
71) ，低温変成用熱交換コイル(172b)及び高温変成用熱
交換コイル(172a)を水流通路(141) の上流側から順に介
設することが好ましい。
【００２３】これにより、水供給系(140) の水を利用し
て、各反応器(128,127b,127a) の温度を個別にかつ確実
に制御することが可能になる。
て、各反応器(128,127b,127a) の温度を個別にかつ確実
に制御することが可能になる。
【００２４】請求項５に記載されているように、請求項
４に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記酸化反
応用熱交換コイル(171) ，低温変成用熱交換コイル(172
b)及び高温変成用熱交換コイル(172a)を、上記部分酸化
反応器(128) ，低温変成器(127b)及び高温変成器(127a)
内にそれぞれ配置することがより好ましい。
４に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記酸化反
応用熱交換コイル(171) ，低温変成用熱交換コイル(172
b)及び高温変成用熱交換コイル(172a)を、上記部分酸化
反応器(128) ，低温変成器(127b)及び高温変成器(127a)
内にそれぞれ配置することがより好ましい。
【００２５】これにより、各熱交換コイル(171,172b,17
2a) における熱交換効率がより高まることになる。
2a) における熱交換効率がより高まることになる。
【００２６】請求項６に記載されているように、請求項
１，２，３，４又は５に記載の燃料電池発電システムに
おいて、上記ガス流通路(180) における上記各反応器(1
27a,127b,128) の出口側通路の改質ガスとコイル側通路
(141a)の水との熱交換を行う熱交換器(152,153,154) を
さらに備えることが好ましい。
１，２，３，４又は５に記載の燃料電池発電システムに
おいて、上記ガス流通路(180) における上記各反応器(1
27a,127b,128) の出口側通路の改質ガスとコイル側通路
(141a)の水との熱交換を行う熱交換器(152,153,154) を
さらに備えることが好ましい。
【００２７】これにより、発熱反応により温度が上昇し
た改質ガスが反応器から出てきた際に、この改質ガスが
下流側の反応器に入る前に水流通路の水で冷却される。
したがって、下流側の反応器において改質ガス中のＣＯ
ガスの過昇温による異常反応が生じるのを未然に防止す
ることが可能になる。
た改質ガスが反応器から出てきた際に、この改質ガスが
下流側の反応器に入る前に水流通路の水で冷却される。
したがって、下流側の反応器において改質ガス中のＣＯ
ガスの過昇温による異常反応が生じるのを未然に防止す
ることが可能になる。
【００２８】請求項７に記載されているように、請求項
４又は５に記載の燃料電池発電システムにおいて、 上
記コイル側通路(142a) とバイパス側通路(141b) とを、
上記酸化反応用熱交換コイル(171) の上流側の点(Q) で
分岐させて上記高温変成用熱交換コイル(172a)の下流側
の点(U) で合流させ、上記コイル側通路(141a)における
上記酸化反応用熱交換コイル(171) −上記低温変成用熱
交換コイル(172b)間の点(R) と上記バイパス側通路(141
b)における点(P) の下流側かつ点(U) の上流側の点(Q)
との間に第１連絡通路(141c)を設け、上記コイル側通路
(141a)における上記高温変成用熱交換コイル(172a)−低
温変成用熱交換コイル(172b)間の点(T)と上記バイパス
側通路(141b)における点(Q) の下流側かつ点(U) の上流
側の点(S) との間に第２連絡通路(141d)を設けて、上記
点(p) −酸化反応用熱交換コイル((171) 間のコイル側
通路(141a)と各連絡通路(141c,141d) に、上記流量制御
手段としての流量制御弁(161,162,163) をそれぞれ介設
することが好ましい。
４又は５に記載の燃料電池発電システムにおいて、 上
記コイル側通路(142a) とバイパス側通路(141b) とを、
上記酸化反応用熱交換コイル(171) の上流側の点(Q) で
分岐させて上記高温変成用熱交換コイル(172a)の下流側
の点(U) で合流させ、上記コイル側通路(141a)における
上記酸化反応用熱交換コイル(171) −上記低温変成用熱
交換コイル(172b)間の点(R) と上記バイパス側通路(141
b)における点(P) の下流側かつ点(U) の上流側の点(Q)
との間に第１連絡通路(141c)を設け、上記コイル側通路
(141a)における上記高温変成用熱交換コイル(172a)−低
温変成用熱交換コイル(172b)間の点(T)と上記バイパス
側通路(141b)における点(Q) の下流側かつ点(U) の上流
側の点(S) との間に第２連絡通路(141d)を設けて、上記
点(p) −酸化反応用熱交換コイル((171) 間のコイル側
通路(141a)と各連絡通路(141c,141d) に、上記流量制御
手段としての流量制御弁(161,162,163) をそれぞれ介設
することが好ましい。
【００２９】これにより、各熱交換コイル(171,172a,17
2b) における水の流量が微細に調整されるので、各反応
器(128,127a,127b) ごとに異なる条件に応じた熱交換量
の制御が可能になる。
2b) における水の流量が微細に調整されるので、各反応
器(128,127a,127b) ごとに異なる条件に応じた熱交換量
の制御が可能になる。
【００３０】請求項８に記載されているように、請求項
７に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記ガス流
通路(180) における上記各反応器(127a,127b,128) の出
口側通路の改質ガスとコイル側通路(141a)の水との熱交
換を行う熱交換器(152,153,154) をさらに備えることが
好ましい。
７に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記ガス流
通路(180) における上記各反応器(127a,127b,128) の出
口側通路の改質ガスとコイル側通路(141a)の水との熱交
換を行う熱交換器(152,153,154) をさらに備えることが
好ましい。
【００３１】これにより、請求項６と同様の作用効果が
得られる。
得られる。
【００３２】請求項９に記載されているように、請求項
７又は８に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記
コイル側流通路(141a)の水が上記各熱交換コイル(171,1
72a,172b) においてそれぞれ蒸発するように構成してお
くことが好ましい。
７又は８に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記
コイル側流通路(141a)の水が上記各熱交換コイル(171,1
72a,172b) においてそれぞれ蒸発するように構成してお
くことが好ましい。
【００３３】これにより、各熱交換コイル(171,172a,17
2b) で蒸発した水に対して、各点(R,T,U) において、各
連絡通路(141c,141d) から低温の水が加えられていく。
したがって、水流通路(141) の上流側の熱交換コイルに
おける冷却能力の不足を生じることなく、水の潜熱を利
用した高い熱交換能力を発揮することができる。
2b) で蒸発した水に対して、各点(R,T,U) において、各
連絡通路(141c,141d) から低温の水が加えられていく。
したがって、水流通路(141) の上流側の熱交換コイルに
おける冷却能力の不足を生じることなく、水の潜熱を利
用した高い熱交換能力を発揮することができる。
【００３４】請求項１０に記載されているように、請求
項１，２，３，４，５，６，７，８又は９に記載の燃料
電池発電システムにおいて、上記原料は、都市ガスであ
ることが好ましい。
項１，２，３，４，５，６，７，８又は９に記載の燃料
電池発電システムにおいて、上記原料は、都市ガスであ
ることが好ましい。
【００３５】これにより、ビルや病院等の施設に設置す
るのに適した燃料電池発電システムとなる。
るのに適した燃料電池発電システムとなる。
【００３６】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施形態に係る
固体高分子型燃料電池を用いた燃料電池発電システム(1
00A)の構成を概略的に示す配管系統図である。
固体高分子型燃料電池を用いた燃料電池発電システム(1
00A)の構成を概略的に示す配管系統図である。
【００３７】同図において、(101) は電池本体を示し、
該電池本体(101) の内部には、カソード(102) と、アノ
ード(103) とが設けられている。また、(120) は取り入
れた外気を圧縮して燃料電池(101) 等に送り込むための
空気圧縮機、(121) は都市ガス中の硫黄成分を取り除く
ための脱硫器、(122) は脱硫された都市ガスを圧縮して
高圧にするためのガス圧縮機、(124) はポンプ(123) 等
を介して送られる水を貯留するタンク、(126) はバーナ
ー(126a)を付設しガス圧縮機(122) から送られる都市ガ
スと、ポンプ(125) を介してタンク(124) から送られる
水とを反応させるための改質器、(127a,127b) はそれぞ
れ改質器(126) で発生したＣＯガスを変成するための高
温変成器及び低温変成器、(128) は低温変成器(127b)か
ら出る改質ガス中のＣＯガスをさらに部分的に酸化させ
た後、電池本体(101) に送るための部分酸化反応器をそ
れぞれ示す。上記改質器(126) 、各反応器(127a,127b ,
128) 及び電池本体(101) をガス配管で接続してガス流
通路(180) が構成されている。
該電池本体(101) の内部には、カソード(102) と、アノ
ード(103) とが設けられている。また、(120) は取り入
れた外気を圧縮して燃料電池(101) 等に送り込むための
空気圧縮機、(121) は都市ガス中の硫黄成分を取り除く
ための脱硫器、(122) は脱硫された都市ガスを圧縮して
高圧にするためのガス圧縮機、(124) はポンプ(123) 等
を介して送られる水を貯留するタンク、(126) はバーナ
ー(126a)を付設しガス圧縮機(122) から送られる都市ガ
スと、ポンプ(125) を介してタンク(124) から送られる
水とを反応させるための改質器、(127a,127b) はそれぞ
れ改質器(126) で発生したＣＯガスを変成するための高
温変成器及び低温変成器、(128) は低温変成器(127b)か
ら出る改質ガス中のＣＯガスをさらに部分的に酸化させ
た後、電池本体(101) に送るための部分酸化反応器をそ
れぞれ示す。上記改質器(126) 、各反応器(127a,127b ,
128) 及び電池本体(101) をガス配管で接続してガス流
通路(180) が構成されている。
【００３８】また、(131) は電池冷却水を放熱させるた
めの放熱器、(132) は上記改質器(126) で生じる水蒸気
を凝縮するための凝縮器、(136) はカソード(102) で生
じる水蒸気を凝縮するための凝縮器、(137) はアノード
(103) で生じる水蒸気を凝縮するための凝縮器をそれぞ
れ示す。そして、各凝縮器(131,136,137) で生成された
水は上記タンク(124) に戻される一方、気体は外部に排
出されるように構成されている。
めの放熱器、(132) は上記改質器(126) で生じる水蒸気
を凝縮するための凝縮器、(136) はカソード(102) で生
じる水蒸気を凝縮するための凝縮器、(137) はアノード
(103) で生じる水蒸気を凝縮するための凝縮器をそれぞ
れ示す。そして、各凝縮器(131,136,137) で生成された
水は上記タンク(124) に戻される一方、気体は外部に排
出されるように構成されている。
【００３９】また、燃料電池システム(100A)内には各反
応器から出る排熱を回収しながら改質器(126) に水を供
給するための水供給系(140) が設けられている。この水
供給系(140) の水流通路(141) には、ポンプ(142) と水
処理装置(142) とが介設されている。
応器から出る排熱を回収しながら改質器(126) に水を供
給するための水供給系(140) が設けられている。この水
供給系(140) の水流通路(141) には、ポンプ(142) と水
処理装置(142) とが介設されている。
【００４０】さらに、改質器(126) の出口に設けられた
第１熱交換器(151) と、高温変成器(127a)の出口に設け
られた第２熱交換器(152) と、低温変成器(127b)の出口
に設けられた第３熱交換器(153) と、部分酸化反応器(1
28) の出口に設けられた第４熱交換器(154) とが配設さ
れていて、各熱交換器(151,152,153,154)には、上記ガ
ス流通路(180) に介設されたガス側熱交換コイルと、上
記水側流通路(141) に介設された水側熱交換コイルとが
収納されている。すなわち、この水側熱交換コイルとガ
ス側熱交換コイルとによって、ガス流通路(180) のガス
と水流通路(141) の水との熱交換を行うように構成され
ている。
第１熱交換器(151) と、高温変成器(127a)の出口に設け
られた第２熱交換器(152) と、低温変成器(127b)の出口
に設けられた第３熱交換器(153) と、部分酸化反応器(1
28) の出口に設けられた第４熱交換器(154) とが配設さ
れていて、各熱交換器(151,152,153,154)には、上記ガ
ス流通路(180) に介設されたガス側熱交換コイルと、上
記水側流通路(141) に介設された水側熱交換コイルとが
収納されている。すなわち、この水側熱交換コイルとガ
ス側熱交換コイルとによって、ガス流通路(180) のガス
と水流通路(141) の水との熱交換を行うように構成され
ている。
【００４１】なお、(134) は脱硫器(121) を経た都市ガ
スと水流通路(141) の水とを混合させるための混合器、
(135) は圧縮機(120) から送られる外気と低温変成器(1
27b)から出る改質ガスとを混合させるための混合器、(1
55) は電池本体(101) のアノード(103) 、カソード(10
2) から排出されて改質器(126) のバーナー(126a)に送
られるカソード排ガス及びアノード排ガスと改質器(12
6) から排出される燃焼排ガスとの熱交換を行うための
第５熱交換器をそれぞれ示す。
スと水流通路(141) の水とを混合させるための混合器、
(135) は圧縮機(120) から送られる外気と低温変成器(1
27b)から出る改質ガスとを混合させるための混合器、(1
55) は電池本体(101) のアノード(103) 、カソード(10
2) から排出されて改質器(126) のバーナー(126a)に送
られるカソード排ガス及びアノード排ガスと改質器(12
6) から排出される燃焼排ガスとの熱交換を行うための
第５熱交換器をそれぞれ示す。
【００４２】以上の構成は、上記従来の燃料電池発電シ
ステム(100X)と同じである。
ステム(100X)と同じである。
【００４３】ここで、本実施形態に係る燃料電池発電シ
ステム(100A)の主な特徴は、上記部分酸化反応器(128)
内に配置された酸化反応用熱交換コイル(171) と、上記
低温変成器(127b)内に配置された低温変成用熱交換コイ
ル(172b)と、上記高温変成器(127a)内に配置された高温
変成用熱交換コイル(172a)とを備え、水流通路(141)が
各熱交換コイル(171,172b,172a) 及び各熱交換器(154,1
53,152) を通るコイル側通路(141a)とこれらを通らない
バイパス側通路(141b)とに分岐している点である。上記
コイル側通路(141a)とバイパス側通路(141b)とは、水処
理装置(142) −第４熱交換器(154) 間の点(P) で分岐し
て、混合器(134) −高温変成器(127a)間の点(U) で合流
している。上記コイル側通路(141a)において、分岐点
(P) −第４熱交換器(154) 間には、水の流量を調整する
ための第１流量制御弁(161) が介設されている。また、
バイパス側通路(141b)の点(Q) と、コイル側通路(141a)
における部分酸化反応器(128) −第３熱交換器(153) 間
の点(R) とを接続する第１連絡通路(141c)が設けられて
いて、この第１連絡通路(141c)には第２流量制御弁(16
2) が介設されている。さらに、バイパス側通路(142b)
における点(Q) −点(U)間の点(S) と、コイル側通路(14
1a)における低温変成器(127b)−第２熱交換器(152) 間
の点(T) とを接続する第２連絡通路(141d)が設けられて
いて、この第２連絡通路(141d)に第３流量制御弁(163)
が介設されている。
ステム(100A)の主な特徴は、上記部分酸化反応器(128)
内に配置された酸化反応用熱交換コイル(171) と、上記
低温変成器(127b)内に配置された低温変成用熱交換コイ
ル(172b)と、上記高温変成器(127a)内に配置された高温
変成用熱交換コイル(172a)とを備え、水流通路(141)が
各熱交換コイル(171,172b,172a) 及び各熱交換器(154,1
53,152) を通るコイル側通路(141a)とこれらを通らない
バイパス側通路(141b)とに分岐している点である。上記
コイル側通路(141a)とバイパス側通路(141b)とは、水処
理装置(142) −第４熱交換器(154) 間の点(P) で分岐し
て、混合器(134) −高温変成器(127a)間の点(U) で合流
している。上記コイル側通路(141a)において、分岐点
(P) −第４熱交換器(154) 間には、水の流量を調整する
ための第１流量制御弁(161) が介設されている。また、
バイパス側通路(141b)の点(Q) と、コイル側通路(141a)
における部分酸化反応器(128) −第３熱交換器(153) 間
の点(R) とを接続する第１連絡通路(141c)が設けられて
いて、この第１連絡通路(141c)には第２流量制御弁(16
2) が介設されている。さらに、バイパス側通路(142b)
における点(Q) −点(U)間の点(S) と、コイル側通路(14
1a)における低温変成器(127b)−第２熱交換器(152) 間
の点(T) とを接続する第２連絡通路(141d)が設けられて
いて、この第２連絡通路(141d)に第３流量制御弁(163)
が介設されている。
【００４４】次に、上記燃料電池システム(100A)におけ
るエネルギーの流れを概略的に説明する。改質器(126)
においては、脱硫された都市ガスとスチームとの混合ガ
スがガスバーナー(126a)で加熱されて触媒の存在下でＣ
Ｏ2 ガスと水素とを含む改質ガスが生成される。その
際、電池本体(101) で反応しきれなかった水素を含むア
ノード排ガスと空気を含むカソード排ガスが改質器(12
6) に戻されてバーナー(126a)の燃焼源とされる。ただ
し、この改質ガス中にはＣＯガスも含まれているので、
高温変成器(127a)及び低温変成器(127b)でこのＣＯガス
をＣＯ2 ガスに変える。さらに、固体高分子型燃料電池
システムにおいては、性能劣化の要因となるＣＯガスの
量を極度に減らすために、部分酸化反応器(128) を設
け、この部分酸化反応器(128) において、低温変成器(1
27b)から出る改質ガスに空気圧縮機(120) から送られる
空気を混合させてＣＯガスをさらに酸化させている。こ
のようにして、ＣＯガスの含有量が極めて少ない改質ガ
スが電池本体(101) に送られる。そして、電池本体(10
1) で、部分酸化反応器(128) から送られる改質ガス中
の水素と、空気圧縮機(120) から送られる空気中の酸素
とを結合させて、そのときに生じるイオンをカソード(1
02) ，アノード(103) の電荷に変えることで、電力が得
られる。
るエネルギーの流れを概略的に説明する。改質器(126)
においては、脱硫された都市ガスとスチームとの混合ガ
スがガスバーナー(126a)で加熱されて触媒の存在下でＣ
Ｏ2 ガスと水素とを含む改質ガスが生成される。その
際、電池本体(101) で反応しきれなかった水素を含むア
ノード排ガスと空気を含むカソード排ガスが改質器(12
6) に戻されてバーナー(126a)の燃焼源とされる。ただ
し、この改質ガス中にはＣＯガスも含まれているので、
高温変成器(127a)及び低温変成器(127b)でこのＣＯガス
をＣＯ2 ガスに変える。さらに、固体高分子型燃料電池
システムにおいては、性能劣化の要因となるＣＯガスの
量を極度に減らすために、部分酸化反応器(128) を設
け、この部分酸化反応器(128) において、低温変成器(1
27b)から出る改質ガスに空気圧縮機(120) から送られる
空気を混合させてＣＯガスをさらに酸化させている。こ
のようにして、ＣＯガスの含有量が極めて少ない改質ガ
スが電池本体(101) に送られる。そして、電池本体(10
1) で、部分酸化反応器(128) から送られる改質ガス中
の水素と、空気圧縮機(120) から送られる空気中の酸素
とを結合させて、そのときに生じるイオンをカソード(1
02) ，アノード(103) の電荷に変えることで、電力が得
られる。
【００４５】次に、上記水供給系(140) における動作に
ついて説明する。
ついて説明する。
【００４６】水処理装置(142) を出た水は分岐点(P) で
コイル側通路(141a) とバイパス側通路(141b)とに分流
される。そして、コイル側通路(141a)では、まず、第４
熱交換器(154) で部分酸化反応器(128) を出た改質ガス
と水との熱交換が行われ、電池本体(101) に供給される
改質ガスが冷却されるとともに部分酸化反応器(128)内
の酸化反応用熱交換コイル(171) に入る水が昇温され
る。このとき、第１流量制御弁(161) によってコイル側
通路(141a)の水の流量の調整によって、第４熱交換器(1
54) における熱交換量が適正に調整される。
コイル側通路(141a) とバイパス側通路(141b)とに分流
される。そして、コイル側通路(141a)では、まず、第４
熱交換器(154) で部分酸化反応器(128) を出た改質ガス
と水との熱交換が行われ、電池本体(101) に供給される
改質ガスが冷却されるとともに部分酸化反応器(128)内
の酸化反応用熱交換コイル(171) に入る水が昇温され
る。このとき、第１流量制御弁(161) によってコイル側
通路(141a)の水の流量の調整によって、第４熱交換器(1
54) における熱交換量が適正に調整される。
【００４７】次に、酸化反応用熱交換コイル(171) で部
分酸化反応器(128) 内の改質ガスと水との熱交換が行わ
れ、部分酸化反応器(128) 内全体が冷却されるので、改
質ガスとＯ2 の反応熱による過昇温が確実に抑制され
る。本実施形態では、特に、第１流量制御弁(161) によ
り、酸化反応用熱交換コイル(171) で水が蒸発するよう
に水の流量を制御して、水の潜熱を利用した効率の高い
熱交換を行っている。
分酸化反応器(128) 内の改質ガスと水との熱交換が行わ
れ、部分酸化反応器(128) 内全体が冷却されるので、改
質ガスとＯ2 の反応熱による過昇温が確実に抑制され
る。本実施形態では、特に、第１流量制御弁(161) によ
り、酸化反応用熱交換コイル(171) で水が蒸発するよう
に水の流量を制御して、水の潜熱を利用した効率の高い
熱交換を行っている。
【００４８】次に、酸化反応用熱交換コイル(171) を出
た水蒸気に対して、点(R) で第１連絡通路(141c)からガ
スとの熱交換を行っていない低温の水が加えられる。し
たがって、いったん蒸発した水が再び冷却され、その後
の第３熱交換器(153) において、水が改質ガスを冷却す
る能力が十分得られる。
た水蒸気に対して、点(R) で第１連絡通路(141c)からガ
スとの熱交換を行っていない低温の水が加えられる。し
たがって、いったん蒸発した水が再び冷却され、その後
の第３熱交換器(153) において、水が改質ガスを冷却す
る能力が十分得られる。
【００４９】その後、各熱交換器(153,152) における熱
交換と、各熱交換コイル(172b,172a) における水の蒸発
による反応器(127b,127a) 内の冷却及び熱の回収が行わ
れ、各反応器(127b,127a) を出たときには、各合流点
(T) ，(U) で熱交換を行っていない低温の水が加えられ
ていく。
交換と、各熱交換コイル(172b,172a) における水の蒸発
による反応器(127b,127a) 内の冷却及び熱の回収が行わ
れ、各反応器(127b,127a) を出たときには、各合流点
(T) ，(U) で熱交換を行っていない低温の水が加えられ
ていく。
【００５０】そして、最終的に混合器(134) で空気と混
合された水が第１熱交換器(151) を経て改質器(126) に
供給される。
合された水が第１熱交換器(151) を経て改質器(126) に
供給される。
【００５１】本実施形態によれば、従来の燃料電池発電
システム(100X)におけると同様に、改質器(126) に供給
される水を利用して各反応器(126,127a,127b,128) の反
応熱を回収しながら、電池本体(101) に供給される改質
ガスを順次低温に冷却していくことができるという効果
を発揮することができるに加えて、以下の効果を発揮す
ることができる。
システム(100X)におけると同様に、改質器(126) に供給
される水を利用して各反応器(126,127a,127b,128) の反
応熱を回収しながら、電池本体(101) に供給される改質
ガスを順次低温に冷却していくことができるという効果
を発揮することができるに加えて、以下の効果を発揮す
ることができる。
【００５２】第１に、水供給系(140) の水流通路(141)
をコイル側通路(141a)とバイパス側通路(141b)とに分岐
して第１流量制御弁(161) により各通路(141a,141b) へ
の水の分配量を調整することにより、改質器(126) に供
給する水の温度と各反応器(127a,127b,128) や電池本体
(101) に供給する改質ガスの温度とが所望の温度になる
ように調整することが可能になる。なお、流量制御弁を
有しない場合でも、各通路(141a,141b,141c,141d) を構
成する配管の径を予め設定しておくなどによって、水の
分配比を所望の値にしておくことも可能である。
をコイル側通路(141a)とバイパス側通路(141b)とに分岐
して第１流量制御弁(161) により各通路(141a,141b) へ
の水の分配量を調整することにより、改質器(126) に供
給する水の温度と各反応器(127a,127b,128) や電池本体
(101) に供給する改質ガスの温度とが所望の温度になる
ように調整することが可能になる。なお、流量制御弁を
有しない場合でも、各通路(141a,141b,141c,141d) を構
成する配管の径を予め設定しておくなどによって、水の
分配比を所望の値にしておくことも可能である。
【００５３】第２に、各反応器(127a,127b,128) 内に熱
交換コイル(171,172,173) が配置されているので、高い
熱交換能力を得ることができ、よって、各反応器(127a,
127b,128) の温度をより正確に制御できるとともに、ガ
ス流通路(180) を流れる改質ガスの熱回収の効率をも高
めることができる。
交換コイル(171,172,173) が配置されているので、高い
熱交換能力を得ることができ、よって、各反応器(127a,
127b,128) の温度をより正確に制御できるとともに、ガ
ス流通路(180) を流れる改質ガスの熱回収の効率をも高
めることができる。
【００５４】第３に、各熱交換コイル(171,172,173) に
おいて、コイル側通路(141a)における水と改質ガスとの
熱交換によって水が蒸発するので、高い熱伝達率が得ら
れ、燃料電池発電システム(100A)全体のコンパクト化を
図ることができる。一方、各反応器(128,127b,127a) を
出た直後のコイル側通路(141a)に、熱交換を行っていな
い低温の水が流入していくので、コイル側通路(141) の
下流側の熱交換器(153,152,151) 及び熱交換コイル(172
b,172a) における水の熱回収能力及びガス冷却能力は常
に高く保持されている。
おいて、コイル側通路(141a)における水と改質ガスとの
熱交換によって水が蒸発するので、高い熱伝達率が得ら
れ、燃料電池発電システム(100A)全体のコンパクト化を
図ることができる。一方、各反応器(128,127b,127a) を
出た直後のコイル側通路(141a)に、熱交換を行っていな
い低温の水が流入していくので、コイル側通路(141) の
下流側の熱交換器(153,152,151) 及び熱交換コイル(172
b,172a) における水の熱回収能力及びガス冷却能力は常
に高く保持されている。
【００５５】第５に、部分酸化反応器(128) 内では、Ｃ
Ｏガスの過昇温を抑制することができるので、上記反応
式(2) ，(3) による反応が生じるのを確実に抑制して、
反応式(1) による反応の発生確率を高めることができ
る。したがって、大量の無駄な発熱を防止できるという
著効を発揮できる。
Ｏガスの過昇温を抑制することができるので、上記反応
式(2) ，(3) による反応が生じるのを確実に抑制して、
反応式(1) による反応の発生確率を高めることができ
る。したがって、大量の無駄な発熱を防止できるという
著効を発揮できる。
【００５６】以上のように、水供給系(140) の水流通路
(141) をコイル側通路(141a)とバイパス側通路(141b)と
に分け、さらに両者間に連絡通路(141c,141d) を設け
て、各流量制御弁(161,162,163) で水流量の調整をしな
がら、各反応器(128,127b,127a) 内に配置された熱交換
コイル(171,172,173) や各熱交換器(151,152,153,154)
において電池本体(101) への改質ガスと水との熱交換を
行うことにより、発電効率が極めて高い燃料電池発電シ
ステムを構成することができる。
(141) をコイル側通路(141a)とバイパス側通路(141b)と
に分け、さらに両者間に連絡通路(141c,141d) を設け
て、各流量制御弁(161,162,163) で水流量の調整をしな
がら、各反応器(128,127b,127a) 内に配置された熱交換
コイル(171,172,173) や各熱交換器(151,152,153,154)
において電池本体(101) への改質ガスと水との熱交換を
行うことにより、発電効率が極めて高い燃料電池発電シ
ステムを構成することができる。
【００５７】なお、水流通路(141) をコイル側通路(141
a)とバイパス側通路(141b)とに分岐する方法は、蒸気図
１に示す分岐方法に限定されるものではない。たとえ
ば、各熱交換器及び熱交換コイルを経た水がいったんバ
イパス側通路と合流するように、つまり、各コイル側通
路が孤立するように設け、各コイル側通路に流量制御弁
を介設するような分岐方法も可能である。
a)とバイパス側通路(141b)とに分岐する方法は、蒸気図
１に示す分岐方法に限定されるものではない。たとえ
ば、各熱交換器及び熱交換コイルを経た水がいったんバ
イパス側通路と合流するように、つまり、各コイル側通
路が孤立するように設け、各コイル側通路に流量制御弁
を介設するような分岐方法も可能である。
【００５８】上記実施形態においては、改質器(126) で
燃焼させる原料（燃料）として都市ガスを使用する燃料
電池発電システムについて説明したが、本発明はかかる
実施形態に限定されるものではなく、アルコール等の他
の原料を燃料として使用する種類のものについても適用
することができる。
燃焼させる原料（燃料）として都市ガスを使用する燃料
電池発電システムについて説明したが、本発明はかかる
実施形態に限定されるものではなく、アルコール等の他
の原料を燃料として使用する種類のものについても適用
することができる。
【００５９】また、本発明に係る燃料電池は、固体高分
子電解質を用いた固体高分子型燃料電池に限定されるも
のではなく、化成カリを電解液とする燃料電池、超酸を
電解液とする燃料電池、濃厚燐酸を電解質とする燃料電
池等にも適用できるものである。
子電解質を用いた固体高分子型燃料電池に限定されるも
のではなく、化成カリを電解液とする燃料電池、超酸を
電解液とする燃料電池、濃厚燐酸を電解質とする燃料電
池等にも適用できるものである。
【００６０】また、上記各実施形態において、変成器は
必ずしも高温変成器(127a)と低温変成器(127b)とにより
構成されている必要はなく、単一の変成器で構成されて
いてもよいものとする。
必ずしも高温変成器(127a)と低温変成器(127b)とにより
構成されている必要はなく、単一の変成器で構成されて
いてもよいものとする。
【００６１】
【発明の効果】以上説明したように、請求項１〜１０に
よれば、改質器から反応器を経て電池本体に接続される
ガス流通路と、改質器に水を供給する水供給系の水流通
路とを備えた燃料電池発電システムにおいて、水流通路
をコイル側通路とバイパス側通路とに分岐して、コイル
側通路にガス流通路の改質ガスと水流通路の水との熱交
換を行うための熱交換コイルを介設するようにしたの
で、各反応器に流入する改質ガスや反応器内の温度を所
望の適正温度に制御することができ、よって、燃料電池
発電システムの発電効率の向上を図ることができる。
よれば、改質器から反応器を経て電池本体に接続される
ガス流通路と、改質器に水を供給する水供給系の水流通
路とを備えた燃料電池発電システムにおいて、水流通路
をコイル側通路とバイパス側通路とに分岐して、コイル
側通路にガス流通路の改質ガスと水流通路の水との熱交
換を行うための熱交換コイルを介設するようにしたの
で、各反応器に流入する改質ガスや反応器内の温度を所
望の適正温度に制御することができ、よって、燃料電池
発電システムの発電効率の向上を図ることができる。
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池発電システム
の構成を概略的に示す配管系統図である。
の構成を概略的に示す配管系統図である。
【図２】従来の燃料電池発電システムの構成を概略的に
示す配管系統図である。
示す配管系統図である。
100 燃料電池システム 101 電池本体 102 カソード 103 アノード 120 空気圧縮機 121 脱硫器 122 ガス圧縮機 123 ポンプ 124 タンク 125 ポンプ 126 改質器 126a バーナー 127 変成器 128 酸化反応器 131 放熱器 132 凝縮器 134 混合器 135 混合器 136 凝縮器 137 凝縮器 140 水供給系 141 水流通路 141a コイル側通路 141b バイパス側通路 141c 第１連絡通路 141d 第２連絡通路 142 水処理装置 151 第１熱交換器 152 第２熱交換器 153 第３熱交換器 154 第４熱交換器 155 第５熱交換器 161 第１流量制御弁 162 第２流量制御弁 163 第３流量制御弁 171 酸化反応用熱交換コイル 172a 高温変成用熱交換コイル 172b 低温変成用熱交換コイル
Claims (10)
- 【請求項１】 水素と酸素とをアノード(103) ，カソー
ド(102) で電極反応させるように構成された電池本体(1
01) と、原料を水の存在下で反応させて水素を含む改質
ガスを発生するための改質器(126) と、上記改質器(12
6) から出る改質ガス中のＣＯガスを減ずるための反応
を行う反応器と、上記改質器(126) ，各反応器及び電池
本体(101) を順にガス配管で接続して構成されるガス流
通路(180) と、上記改質器(126) に水を供給するための
水供給系(140) とを備えた燃料電池発電システムにおい
て、 上記水供給系(140) の水流通路(141) には、上記ガス流
通路(180) 内の改質ガスと水流通路(141) 内の水との熱
交換を行うための少なくとも１つの熱交換コイルが介設
されており、 上記水流通路(141) は、上記熱交換コイルを通過するコ
イル側通路(141a)と、上記熱交換コイルを通過しないバ
イパス側通路(141b)とに分岐されていることを特徴とす
る燃料電池発電システム。 - 【請求項２】 請求項１に記載の燃料電池発電システム
において、 上記コイル側通路(141a)とバイパス側通路(141b)との水
の流量を調整するための流量制御手段をさらに備えてい
ることを特徴とする燃料電池発電システム。 - 【請求項３】 請求項１又は２に記載の燃料電池発電シ
ステムにおいて、 上記反応器は、上記改質器(126) から出る改質ガスを酸
化するための変成器(127) と該変成器(127) から出るガ
ス中のＣＯガスをさらに酸化する部分酸化反応器(128)
とであり、 上記熱交換コイルは、少なくとも上記部分酸化反応器(1
28) 内の改質ガスとコイル側通路(141a)内の水との熱交
換を行う酸化反応用熱交換コイル(171) を含むことを特
徴とする燃料電池発電システム。 - 【請求項４】 請求項１又は２に記載の燃料電池発電シ
ステムにおいて、 上記反応器は、上記改質器(126) で発生した上記改質ガ
スを酸化するための高温変成器(127a)及び低温変成器(1
27b)と、該低温変成器(127b)から出る改質ガス中のＣＯ
ガスをさらに酸化する部分酸化反応器(128) とを含み、 上記コイル側通路(141a)には、上記各反応器(128,127b,
127a) 内の改質ガスとコイル側通路(141a)内の水との熱
交換をそれぞれ行う酸化反応用熱交換コイル(171) ，低
温変成用熱交換コイル(172b)及び高温変成用熱交換コイ
ル(172a)が、水流通路(141) の上流側から順に介設され
ていることを特徴とする燃料電池発電システム。 - 【請求項５】 請求項４に記載の燃料電池発電システム
において、 上記酸化反応用熱交換コイル(171) ，低温変成用熱交換
コイル(172b)及び高温変成用熱交換コイル(172a)は、上
記部分酸化反応器(128) ，低温変成器(127b)及び高温変
成器(127a)内にそれぞれ配置されていることを特徴とす
る燃料電池発電システム。 - 【請求項６】 請求項１，２，３，４又は５に記載の燃
料電池発電システムにおいて、 上記ガス流通路(180) における上記各反応器(127a,127
b,128) の出口側通路の改質ガスとコイル側通路(141a)
の水との熱交換を行う熱交換器(152,153,154) をさらに
備えていることを特徴とする燃料電池発電システム。 - 【請求項７】 請求項４又は５に記載の燃料電池発電シ
ステムにおいて、 上記コイル側通路(141a) とバイパス側通路(141b) と
は、上記酸化反応用熱交換コイル(171) の上流側の点
(Q) で分岐して上記高温変成用熱交換コイル(172a)の下
流側の点(U) で合流しており、 上記コイル側通路(141a)における上記酸化反応用熱交換
コイル(171) −上記低温変成用熱交換コイル(172b)間の
点(R) と上記バイパス側通路(141b)における点(P) の下
流側かつ点(U) の上流側の点(Q) との間には第１連絡通
路(141c)が設けられ、 上記コイル側通路(141a)における上記高温変成用熱交換
コイル(172a)−低温変成用熱交換コイル(172b)間の点
(T) と上記バイパス側通路(141b)における点(Q) の下流
側かつ点(U) の上流側の点(S) との間には、第２連絡通
路(141d)が設けられていて、 上記点(p) −酸化反応用熱交換コイル(171) 間のコイル
側通路(141a)と各連絡通路(141c,141d) には、上記流量
制御手段としての流量制御弁(161,162,163) がそれぞれ
介設されていることを特徴とする燃料電池発電システ
ム。 - 【請求項８】 請求項７に記載の燃料電池発電システム
において、 上記ガス流通路(180) における上記各反応器(127a,127
b,128) の出口側通路の改質ガスとコイル側通路(141a)
の水との熱交換を行う熱交換器(152,153,154) をさらに
備えていることを特徴とする燃料電池発電システム。 - 【請求項９】 請求項７又は８に記載の燃料電池発電シ
ステムにおいて、 上記コイル側流通路(141a)の水は、上記各熱交換コイル
(171,172a,172b) においてそれぞれ蒸発するように構成
されていることを特徴とする燃料電池発電システム。 - 【請求項１０】 請求項１，２，３，４，５，６，７，
８又は９に記載の燃料電池発電システムにおいて、 上記原料は、都市ガスであることを特徴とする燃料電池
発電システム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14493397A JP3743118B2 (ja) | 1997-06-03 | 1997-06-03 | 燃料電池発電システム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14493397A JP3743118B2 (ja) | 1997-06-03 | 1997-06-03 | 燃料電池発電システム |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10334935A true JPH10334935A (ja) | 1998-12-18 |
| JP3743118B2 JP3743118B2 (ja) | 2006-02-08 |
Family
ID=15373580
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP14493397A Expired - Fee Related JP3743118B2 (ja) | 1997-06-03 | 1997-06-03 | 燃料電池発電システム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3743118B2 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
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