JPH1092455A - 燃料電池発電装置の生成水回収装置 - Google Patents

燃料電池発電装置の生成水回収装置

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JPH1092455A
JPH1092455A JP8244481A JP24448196A JPH1092455A JP H1092455 A JPH1092455 A JP H1092455A JP 8244481 A JP8244481 A JP 8244481A JP 24448196 A JP24448196 A JP 24448196A JP H1092455 A JPH1092455 A JP H1092455A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】発電負荷の変動に伴い供給されるガス流量が変
動しても、所要の生成水が過不足なく回収され、かつ、
回収に用いる冷却水が適度の温水に加熱されて取り出さ
れ、有効に活用されるものとする。 【解決手段】空気極オフガスと燃焼排ガスを導入して冷
却し、回収水を生成し排ガスを放出する熱交換器3、熱
交換器3に通水する冷却水の流量を調整する流量調整弁
4、排ガスの温度を検出する温度計5、熱交換器3の温
度を設定する温度設定器7、ならびに温度計5の検出信
号と温度設定器7設定信号を受けて流量調整弁4に弁開
度制御信号を送る温度調整器6とにより生成水回収装置
9を構成し、流量計8A,8B,8Cからの燃焼空気、
原燃料、反応空気の流量信号を温度設定器7に送って、
これをもとに熱交換器3の温度を設定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、燃料電池発電装
置において発電運転に伴って生じる生成水を効果的に過
不足なく回収する生成水回収装置に関する。
【0002】
【従来の技術】図2は、従来より用いられている燃料電
池発電装置の反応ガスと生成水の流れを示すフロー図で
ある。酸素を含む反応空気を燃料電池本体1の空気極に
供給し、原燃料と水蒸気との混合ガスを改質器2で改質
して得られた水素濃度の高い改質ガスを燃料電池本体1
の燃料極に供給して、酸素と水素との電気化学反応によ
り発電が行われる。燃料極より排出される残存水素を含
む燃料極オフガスは、燃焼空気とともに改質器2の燃焼
器2aへと送られて燃焼され、改質器2を加熱して改質
反応の促進に用いられる。上記の電気化学反応において
は反応生成水が生じ、また改質器2の燃焼器2aでの燃
焼に際しても燃焼生成水が生じる。したがって、燃料電
池本体1の空気極から排出される空気極オフガスと燃焼
器2aから排出される燃焼排ガスは、冷却水配管を備え
た熱交換器3へと送られて冷却され、含有する水分が凝
縮、液化されて回収され、排ガスが外部へ取り出される
こととなる。熱交換器3で回収された回収水は原燃料と
混合する水蒸気として利用される。
【0003】燃料電池本体1へ供給される反応空気なら
びに改質器2を経て燃料電池本体1へ供給される原燃料
の流量は、発電負荷に応じて制御され、また、改質器2
の燃焼器2aに供給される燃焼空気の流量も、発電負荷
に応じて変動する燃料極オフガスの組成、流量や改質器
2の運転条件に則して制御される。したがって、空気極
から排出される空気極オフガスならびに燃焼器2aから
排出される燃焼排ガスの組成、流量も、燃料電池本体1
の運転条件によって変動する。このため、熱交換器3で
得られる回収水の量が原燃料と混合して用いる水蒸気の
必要量を常に満たすように、発電負荷の最大条件、すな
わち回収水が最大となる条件に合わせて流量調整弁4を
調整し、熱交換器3の冷却水配管に通水する冷却水の温
度、流量を設定して運転する方法が一般に用いられてい
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来の
燃料電池発電装置の生成水回収装置においては、熱交換
器3の冷却水配管に通水する冷却水の温度、流量を、発
電負荷の最大条件に合わせて設定しているので、発電負
荷が変動しても常に必要量の回収水が得られ、原燃料と
混合して、所定量の改質ガスが得られることとなる。
【0005】ところで、熱交換器3においては、冷却水
配管に通水された冷却水は、空気極オフガスならびに燃
焼排ガスとの熱交換により加熱され、温水として外部へ
取り出されることとなる。したがって、この温水を、例
えば給湯用などに活用すれば、廃熱が有効に利用され、
効率のよいシステムが得られることとなる。しかしなが
ら従来の装置においては、上記のように、冷却水配管に
通水する冷却水の条件が発電負荷の最大条件に合わせて
設定されているので、発電負荷が低くなると供給される
空気極オフガスならびに燃焼排ガスの温度、流量が低下
し、これと熱交換して取り出される温水の温度が低下す
るので、温水として活用できる範囲が限定されるという
難点がある。
【0006】本発明の目的は、発電負荷の変動に伴い原
燃料、反応空気あるいは燃焼空気等が変動する場合にあ
っても、所要の生成水が過不足なく回収され、かつ、回
収のために通水される冷却水が加熱されて適度の温度の
温水として取り出され、有効に熱利用される燃料電池発
電装置の生成水回収装置を提供することにある。
【0007】
【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、本発明においては、原燃料と水蒸気との混合ガス
を水素リッチな改質ガスに改質する改質器と、改質ガス
を燃料極に導入し反応空気を空気極に導入して電気化学
反応により発電する燃料電池本体とを備えた燃料電池発
電装置に用いられる生成水回収装置で、燃焼空気と燃料
極から排出される燃料極オフガスを燃焼させて改質器の
加熱に用いたのち排出される燃焼排ガスと、空気極から
排出される空気極オフガスとを導入し、外部より供給さ
れる冷却水の配管系と熱交換させて冷却し、含まれる生
成水を凝縮させて回収し、排ガスを排出する熱交換器を
備えた生成水回収装置において、 (1)冷却水の配管系を流れる冷却水流量を調整する流
量調整弁と、排ガスの温度を測定する温度検出手段と、
排ガスの温度を設定する温度設定器と、温度検出手段の
検出信号を入力し、検出温度が温度設定器により設定さ
れた温度に制御されるよう流量調整弁に弁開度制御信号
を出力する温度調節器を備えることとする。
【0008】(2)さらに(1)の燃料電池発電装置の
生成水回収装置において、温度設定器が、原燃料の流量
を測定する流量検出手段、反応空気の流量を測定する流
量検出手段、および燃焼空気の流量を測定する流量検出
手段のうち少なくともいずれか一つの流量検出手段から
の検出信号を入力し、これらの検出流量に対応して温度
を設定するよう構成することとする。
【0009】図3は、図2に対応させて各系統を流れる
ガスの組成を示したフロー図で、原燃料として CH4を供
給し、改質器に供給する混合ガスの炭素と水蒸気のモル
比を1:3、燃料電池本体における水素利用率を80
%、酸素の利用率を50%、改質器の燃焼器に供給する
燃焼空気の酸素量を必要量の2倍としたときのバランス
を示したものである。原燃料として供給される CH4に対
応して、12.8N2+3.2O2の反応空気と 3.2N2+0.8O2
燃焼空気が供給され、生成水を回収する熱交換器には、
空気極オフガス(12.8N2+1.6O2 +3.2H2O)と燃焼排ガ
ス( CO2+0.4O2+1.8H2O+3.2N2 )を合算した CO2
2O2+ 5H2O +16N2の組成のガスが送られることとな
る。熱交換器において外部からの冷却水と熱交換させて
冷却すると、排ガスに含まれる水分は飽和水蒸気分(2H
2O)に限定され、残余の水分(3H2O)は凝縮し回収され
て原燃料と混合される。
【0010】したがって、上記(1)のごとくとすれ
ば、熱交換器の排ガスの温度を設定温度に任意に制御で
きることとなるので、適量の冷却水を通水することによ
り所定の回収水が得られ、同時に、適度に加熱された温
水が得られるよう調整することが可能となる。とくに、
上記(2)のごとくとすれば、各ガスの供給量から熱交
換器へと送られるガスの組成が演算でき、熱交換器の排
ガスの温度を設定し制御することにより回収される水量
が規定できる。したがって、適度に加熱された温水がよ
り効果的に得られることとなる。
【0011】
【発明の実施の形態】図1は、本発明による生成水回収
装置の実施例を示す燃料電池発電装置の反応ガスと生成
水の流れのフロー図である。本実施例の特徴は、熱交換
器3と、熱交換器3の排ガスの温度を検出する温度計5
と、熱交換器3に冷却水を供給し温水を得る流量調整弁
4を備えた冷却水供給系と、熱交換器3の温度を設定す
る温度設定器7と、温度計5の検出信号と温度設定器7
の設定信号を受けて流量調整弁4に弁開度制御信号を送
る温度調節器6とを備えてなる生成水回収装置9を有
し、さらに燃焼空気供給系、原燃料供給系、反応空気供
給系に備えられた流量計8A,8B,8Cの流量検出信
号が温度設定器7へと送られている点にある。すなわ
ち、本構成においては、流量計8A,8B,8Cの流量
検出信号、ならびに予め設定された原燃料流量と水蒸気
流量の比によって温度設定器7において熱交換器3の設
定温度が演算され、この設定値を基に、温度調節器6に
よって流量調整弁4が制御され、熱交換器3の冷却系へ
と供給される冷却水の流量が調整される。熱交換器3に
おいては、排ガスと冷却水との熱交換により、排ガスが
冷却されて露点が下がり、凝縮した水は回収水として回
収され、原燃料と混合する水蒸気として用いられる。ま
た、冷却水は排ガスによって加熱され、温水として外部
に取り出されて、例えば給湯用として活用される。本構
成では、このように燃料電池発電装置の運転条件に対応
して冷却水の供給量が調整されるので、所要の回収水が
過不足なく得られ、また、排ガスと熱交換して取り出さ
れる温水も過度に低温とならないよう調整されることと
なる。
【0012】なお、図1に示した実施例では、3個の流
量計8A,8B,8Cからの燃焼空気流量検出信号、原
燃料流量検出信号、反応空気流量検出信号を温度設定器
7へと送り、これをもとに熱交換器3の設定温度を演算
することとしているが、この構成に限ることなく、例え
ば、燃料電池発電装置の運転条件に対応して燃料利用率
(燃料電池本体での燃料の消費割合)、空燃比(反応空
気流量と燃料流量との比)、空気利用率(燃料電池本体
での反応空気の消費割合)を予め設定し、これを温度設
定器7における熱交換器3の設定温度の演算に用いるこ
ととすれば、上記の3個の流量計の流量検出信号のうち
いずれか1個の流量検出信号のみを用いることによっ
て、同様の効果が得られることとなる。
【0013】
【発明の効果】上述のように、本発明によれば、燃料電
池発電装置に用いられる生成水回収装置を、 (1)請求項1に記載のごとくに構成することとしたの
で、発電負荷の変動に伴い原燃料、反応空気あるいは燃
焼空気等が変動する場合にあっても、所要の生成水が過
不足なく回収され、かつ、回収のために通水される冷却
水が加熱されて適度の温度の温水として取り出され、有
効に熱利用される燃料電池発電装置の生成水回収装置が
得られることとなった。
【0014】(2)さらに、請求項2に記載のごとくに
構成することとすれば、上記のごとき性能をもつ燃料電
池発電装置の生成水回収装置としてより好適である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による生成水回収装置の実施例を示す燃
料電池発電装置の反応ガスと生成水の流れのフロー図
【図2】従来より用いられている燃料電池発電装置の反
応ガスと生成水の流れを示すフロー図
【図3】図2に示した各系統を流れるガスの組成を示し
たフロー図
【符号の説明】
1 燃料電池本体 2 改質器 2a 燃焼器 3 熱交換器 4 流量調整弁 5 温度計 6 温度調節器 7 温度設定器 8A,8B,8C 流量計 9 生成水回収装置

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】原燃料と水蒸気との混合ガスを水素リッチ
    な改質ガスに改質する改質器と、改質ガスを燃料極に導
    入し反応空気を空気極に導入して電気化学反応により発
    電する燃料電池本体とを備えた燃料電池発電装置に用い
    られる生成水回収装置で、燃焼空気と燃料極から排出さ
    れる燃料極オフガスを燃焼させて改質器の加熱に用いた
    のち排出される燃焼排ガスと、空気極から排出される空
    気極オフガスとを導入し、外部より供給される冷却水の
    配管系と熱交換させて冷却し、含まれる生成水を凝縮さ
    せて回収し、排ガスを排出する熱交換器を備えた生成水
    回収装置において、 前記の冷却水の配管系を流れる冷却水流量を調整する流
    量調整弁と、 排ガスの温度を測定する温度検出手段と、 排ガスの温度を設定する温度設定器と、 温度検出手段の検出信号を入力し、検出温度が温度設定
    器により設定された温度に制御されるよう流量調整弁に
    弁開度制御信号を出力する温度調節器を備えたことを特
    徴とする燃料電池発電装置の生成水回収装置。
  2. 【請求項2】請求項1に記載の燃料電池発電装置の生成
    水回収装置において、前記温度設定器が、原燃料の流量
    を測定する流量検出手段、反応空気の流量を測定する流
    量検出手段、および燃焼空気の流量を測定する流量検出
    手段のうち少なくともいずれか一つの流量検出手段から
    の検出信号を入力し、これらの検出流量に対応して排ガ
    スの温度を設定するよう構成されてなることを特徴とす
    る燃料電池発電装置の生成水回収装置。
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