JPS6139371A - 燃料電池発電プラント - Google Patents

燃料電池発電プラント

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JPS6139371A
JPS6139371A JP59158601A JP15860184A JPS6139371A JP S6139371 A JPS6139371 A JP S6139371A JP 59158601 A JP59158601 A JP 59158601A JP 15860184 A JP15860184 A JP 15860184A JP S6139371 A JPS6139371 A JP S6139371A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は直接接触熱交換器を用いることg二より装置を
小形化し、据付面積の縮小を計った燃料電池発電プラン
H二関する。
第1図は燃料電池発電プラントの一例を示す系統図であ
る。ここでは発電プラントの70−スキームの中より主
要な構成機器のみを示し、熱回収のための多数の熱交換
器は省略して示しである0燃料電池本体1は多数の燃料
電池セルを積み重4、ffi料極カススペース5、空気
極ガススペース6より構成される単セルの燃料電池を示
しである。
燃料電池から得られる電流は、直流であるので、通常こ
の直流電流はインバータを介して交流に変換された後、
変圧器により所定の電圧5二変成されて既設の電力系統
に接続される。以下の説明ではインバータ以降の回路を
単に負荷7として述べる。
燃料電池本体1から生ずる電流は空気極3から外部回路
負荷7を経て再び燃料極2へ戻り、閉回路を形成してい
る。また燃料電池本体1の冷却のため冷却ループが構成
されており、燃料電池本体1の中では多数本(図では1
本のみ示す)の冷却管8に分流されて電池本体各部を冷
却している。
さて、このような燃料電池本体1の中では、外部より供
給される水素リッチの燃料ガスと酸化剤である空気中の
酸素とにより公知の次の反応g二より、電気を外部回路
負荷7へ送るとともに、水を生成する。
燃料極反応 H2→2H+2e− 空気極反応 2H” 十”/ioz + 2e−→H2
0:総合反応  H2+1/202→H20燃料電池発
電プラントにおいては、上記反応に必要な水素リッチの
燃料ガスを供給するように、各種の反応器を配備してい
る。図示しない燃料タンク又は供給装置より燃料供給管
9を介して供給された燃料(炭化水素または水素リッチ
のガスなど)は図示していない燃料前処理系により、有
害な不純物が除去されて、燃料改質装置10(−供給さ
れる。
燃料改質装置10においては、炭化水素燃料と蒸気とC
二より改質反応をおこして、水素リッチのガスを製造す
る。燃料の代表例としてメタン(CH4)をとり示すと
以下の反応となる。
OH4+H90→Co +3H2 この公知の反応により水素リッチガスが製造される。改
質反応C二必要な蒸気は蒸気供給管11より供給される
。燃料改質装置10を通過した改質ガス中には、まだ多
量のCOガスを含むので、一般には高温シフト反応器1
2と低温シフト反応器13とにより下記のシフト反応に
よりCOガス−4co2ガスとH2ガス5二変成される
co + H20−*  C09+ H2両シフト反応
器12.13を出た水素リッチガスは多量の水蒸気を含
むので、燃料電池本体1の燃料極ガススペース5へ供給
する前に、除湿を行う。燃料極大口凝縮器14により水
蒸気を凝縮し、次いで気水分離器15に′より水分を分
離する。このようにして湿分制御された水素リッチの燃
料ガスは、燃料電池本体1の燃料極ガススペース5へ供
給される。ここで前述の電気化学的反応により水を生成
する。分離除去された水は水タンク25へ送られ、図示
しyいない水処理装置を経て冷却水補給管冴より冷却ル
ープへ補給される。燃料極ガススペース5より流出した
ガス流中には未反応の水素ガスなどの可燃ガスを含むの
で、燃料極出口凝縮器16で水蒸気を凝縮し、次いで気
水分離器17により水  ′分を除去し、燃料改質装置
10の燃料室へ送り、燃焼させる。これにより、前述の
改質反応に必要な加熱源とする。燃料改質装置10より
の燃焼排ガスはタービン18へ送られ仕事をする。ター
ビン18の仕事は空気圧縮機19へ伝へられて、空気を
加圧し燃料電池本体1の空気極ガススペース6と燃料改
質装置10の燃焼室とへ送る。
燃料電池本体1の空気極ガススペース6へ供給された空
気は、前述の電気化学的反応により電流を外部回路負荷
7へ流すとともC二、その酸素の一部は水を生成する。
″未反応の空気(多量の窒素と未反応の酸素)と反応生
成水(蒸気)は空気極ガススペース6を流出し、空気極
出口凝縮器20番重工り水蒸気を凝縮し、気水分離器2
1により水分を除去して燃料改質装置゛10より流出す
る燃焼排ガスと合流してタービン18へ送られ仕事をす
る。
空気圧縮機19より供給された空気の一部は分岐されて
、燃料改質装置10の燃焼室へ送られ、燃料電池本体1
の燃料極ガススペース5より排出された未反応燃料と燃
焼反応を行い前述の改質反応を進める加熱源となる。
燃料電池本体1の冷却系の構成は以下の通りである。冷
却水循環ポンプ22より供給された冷却水は電池本体1
の多数の冷却管8へ分岐供給され、燃料電池本体1の各
部を冷却し、冷却水の一部は蒸発して蒸気となって、燃
料電池本体1を流出する。この蒸気は気水分離器23で
分離される。分離した蒸気は前述の蒸気供給管11を経
て燃料改質装置10へ送られ、改質反応C二おける蒸気
として用いられる。また気水分離器23より分離された
水はポンプ22へ送られ再び循環する。ポンプ22の上
流には、水タンク25より供給され、図(二は示してい
ない水処理装置を経た水が水の補給管24より補給され
る。
このように燃料電池発電プラン)−1於ては、複数の凝
縮器を必要とし、改質反応に必要な水を供給した燃料よ
り回収している。これにより、外部より補給水を必要と
しないようgニブラントを構成することができる。
以上が燃料電池発電プラントの概要であるが、これらの
凝縮器においては、非凝縮性ガスを多量に含む蒸気を処
理する必要があるために、蒸気凝縮のための熱交換器は
大型とならざるを得す、従って高価格C二なりがちであ
った。又プラント敷地も大きくなり、従ってプラント価
格も高額C二なりがちであった。
本発明は、凝縮器として小形で安価な直接接触熱交換器
を使用しプラント敷地の縮小化を計り、プラント価格を
低減した燃料電池発電プラントを得ることを目的とする
以下図面を参照して本発明を説明する。第2図は本発明
の〜実施例を示す系統図で、第1図と同一部分には同一
符号を付しその説明は省略し、異なる部分5二ついての
み説明する。
30は燃料極ガススペース5の入口側に設けられ31 
により冷却されポンプ32より吐出された冷却水を供給
管33により供給して、水素リッチ燃料ガスと冷却水と
を直接接触させて、燃料ガスを直接冷却するとともに、
燃料ガス中の水蒸気を冷却して凝縮させ分離することに
より燃料極ガススペース5へ供給する水素リッチ燃料ガ
スの湿分を制御するものである。
凝縮した水は供給管33より供給された水とともl二凝
縮器30の下方より回収管34を二より排出され、冷却
装置31へ導かれ、冷却装置31 Cより冷却されて再
び直接接触熱交換器30・\導かれる。
燃料極ガススペース5の出口側の凝縮器35は前述と同
様g1直接接触熱交換器であり、冷却器31で冷却され
た冷却水を供給管33で導゛き、燃料極より流出したガ
スを冷却し、除湿ゝ・分離された水は回収管34により
回収され再び冷却装置31へ導かれる。
空気極ガススペース6の出口側の凝縮器36も前述と同
様(1直接接触熱交換器であり、冷却器31で冷却され
た冷却水を供給管33で導き、空気極より流出したガス
を冷却し、除湿・分離された水は回収管345二より再
び冷却装置31へ導かれる。
冷却装置31は公知の方法の冷却塔であり、空冷または
水冷のいづれの方式の冷却塔であっても可能である。し
かし、燃料電池発電プラントが、外部より補給水を必要
としないということC二特徴をもたせるものであれば、
空冷であることが望ましい0 冷却装置31は導入管40.導出管41を有し、導入管
40の上流Cは、各々の直接接触熱交換器30.35及
び36からの分離水が供給され、冷却水に合流されてい
る。
冷却装置31の導出管41の下流には分岐管42があり
、循環冷却水の一部が分岐されてタンク25へ送られ、
図示していない水処理装置を経て、燃料電池本体1の冷
却水ループの水の補給管241=供給されて、冷却水ル
ープの保有水量の減少を補償している。
また冷却装置31のi小管41の下流には、循環ポYプ
32が配備され、供給管33より各々の直接接触熱交換
器3(1,35及び36への直接接触冷却用の冷却水を
供給できるようC二なっていることは前述の通りである
またここに配備されている直接接触熱交換器30゜35
及び36は、冷却水と被冷却ガスとが充分を二接触して
熱交換できるように第3図にその一例を示すような直接
接触熱交換器を使用する。第3図は直接接触熱交換器の
中心の概略垂直断面図である。
第3図において矢印実線は冷却水の流路を、矢印破線は
被冷却ガスの流路を示す。直接接触熱交換器30は、密
閉容器50で構成されていて、ガスの流入口51は容器
50の上部に配備され、流入口51より筒状のガス通路
52が容器50の内部下方C1延びている。またガスの
流出口53も容器50の上部に配備されている。容器5
0の上方側面には冷却水の流入口54があり、容器50
の下部の流出口55より冷却水は導出される。容器50
の内部にはガス通路52の外側面及び容器50の内側面
を利用して冷却水を受ける内部中空(ドーナツ状)の浅
い受皿56.57.58が設けられる。受皿56はガス
通路碍の外側面に取付けられ、その外周側の底に多数の
小孔を有し、冷却水流入口54から供給された冷却水を
貯水すると共に、上記小孔より貯水を受皿57に落下さ
せる。
受皿57は容器50の内側面に取付けられ、その中空内
周側の底に多数の小孔を有し、受皿56から落下した冷
却水を貯水すると共≦二、上記小孔より貯水を受皿58
に落下させる。受皿58はガス通路制の外側面に取付け
られ、受皿56と同様の構造を有し、受皿57から落下
した冷却水を貯水すると共I:、小孔より貯水を落下さ
せる。更に容器50の下方側面には冷却水の流入口59
が設けられ、ガス通路52の内部に設けられた水スプレ
ー60.61に連結されている。尚容器50の下部は冷
却水の貯水槽62を形成する。
本発明の燃料電池発電プラントにおいては、熱交換器と
して上記構成の直接接触熱交換器を使用する。上部のガ
ス流入口51より流入し、ガス通路52内を下降するガ
スは、一般3二、非凝縮性ガスを含む蒸気であり、冷却
水流入口59より導入され水スプレー60.61により
上方に放出された冷却水のジェットとガス通路52を流
下する下降過程ζ1於て激しく衝突しつつ、混合し、蒸
気分を凝縮し、噴射された冷却水および、凝縮した水は
ともに下部の貯水槽62に落下し貯まる。
冷却水のジェットと熱交換したガスは上昇過程で上部冷
却水流入口54より供給された冷却水と各受皿56,5
7.58間の流路を通過する間に再び接触し、更に蒸気
を凝縮して、落下中の冷却水とと、もC1貯水槽62に
貯り、流出口55より導出される。斯くして冷却除湿さ
れたガスは流出口53より導出される。
第4図は本発明の他の実施例を示す系統図であり、この
実施例においては、各々の直接接触熱交換器30.35
.36の排水出口にそれぞれ独立に冷却装置66、67
、68を配備したものである。これにより、独立こ運転
制御を行うことができる。また排水の一部は排出管を経
て水タンク25に集められた後、図に示していない水処
理装置を経て、燃料電池本体1の冷却水ループへの水の
補給管aを通して供給されることは前述の場合と同様で
ある。
更5二図示はしないが、燃料電池燃料極ガススペース5
よりの下流の凝縮器を省略して、価格低減を計ることも
できる。この場合も燃料極の上流および、空気極下流の
凝縮器としてはそれぞれ第3図に示す如き直接接触熱交
換器を用いることは云うまでもない。
以上本発明について詳at二説明したが、本発明(二よ
れば、燃料電池発電プラントの凝縮器に直接接触熱交換
器を採用することC二より、プラントの小形化が可能に
なり、従って据付面積を縮小した安価な燃料電池発電プ
ラントを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は燃料電池発電プラントの一例を示す系統図、第
2図は本発明の一実施例を示す系統図、第3図は本発明
の燃料電池発電プラントの凝縮器に用いる直接接触熱交
換器の一例の中心の概略垂直断面図、第4図は本発明の
他の実施例を示す系統図である。 2・・・燃料極     3・・・空気極4・・・電解
4!’      5・・・燃料極ガススペース6・・
・空気極ガススペース lO・・・燃料処理装置18・
・・タービン    19・・・空気圧縮器30.35
.36・・・直接接触熱交換器31・・・冷却水冷却装
置 (7317)代理人 弁理士 則 近 憲 佑 (ほか
1名)第1図 /Q 第2図

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)燃料極、空気極及びこれら両極間に配置される電
    解質とを有し負荷と電気的に直列に接続される複数の燃
    料電池セル、その入口より導入した燃料を前記複数の燃
    料極の各々に供給しその出口より反応余剰燃料を排出す
    る燃料極ガススペース、その入口より導入した空気を前
    記複数の空気極の各々に供給しその出口より反応余剰空
    気を排出する空気極ガススペースとから構成される燃料
    電池本体と、この燃料電池本体に前記空気を供給する装
    置と、前記燃料電池本体に供給される燃料を処理する燃
    料処理装置と、未処理燃料及び蒸気を前記燃料処理装置
    へ供給する装置と、前記燃料極ガススペースの入口上流
    側に設けられ前記燃料処理装置により処理された燃料中
    に含まれる湿分を除去する水による直接接触熱交換器と
    、前記空気極ガススペースの出口下流側に設けられ排出
    される空気中に含まれる湿分を除去する水による直接接
    触熱交換器とから成る燃料電池発電プラント。
  2. (2)前記燃料極ガススペースの出口下流側に、排出さ
    れる燃料中に含まれる湿分を除去する水による直接接触
    熱交換器を設けた特許請求の範囲第(1)項記載の燃料
    電池発電プラント。
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