JP3670467B2 - 燃料電池発電システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排熱回収系を備えた燃料電池発電システムに係り、特に高温の蒸気を高い効率で取り出し、さらに総合効率を高めるようにした燃料電池発電システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、燃料電池発電システムは、常用の都市ガス，ＬＮＧ等のメタンを主成分とした炭化水素系燃料を水素ガスに改質し、この水素ガスを空気中等から得られた酸素と電気化学的に反応させて、電気エネルギーに変換するものである。そのため、クリーンエネルギーとして評価が高い。
【０００３】
また、発電効率が高いのみならず、温水および蒸気として排熱をすべて利用した場合の総合効率は８０％以上になる。特に、蒸気形態の高温排熱は、吸収式冷凍機としての利用価値が高く、近年蒸気取り出しの需要は益々高くなってきている。そのため、最近では、システムの排熱を回収する排熱回収系を備えた燃料電池発電システムが提案されてきている。
【０００４】
図６は、この種の従来の排熱回収系を備えた燃料電池発電システムの系統構成の一例を示す概要図である。
図６において、改質器１は、炭化水素系燃料を蒸気と混合し、改質して水素を主成分とする改質ガスを発生する。
【０００５】
一酸化炭素変成器２は、改質器１で発生した改質ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変成する。
燃料電池本体３は、燃料極３ａ、空気極３ｂ、および電池冷却板３ｃを備えて成り、一酸化炭素変成器２で変成された改質ガスを燃料極３ａに導入すると共に空気を空気極３ｂに導入し、改質ガス中の水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて電気エネルギーに変換する。
【０００６】
気水分離器４は、燃料電池本体３で発電時に発生した熱（反応熱）を電池冷却板３ｃを介して熱交換させることにより回収した電池冷却水を、水と蒸気の二相流化した状態で導入し、水蒸気および水に分離する。
【０００７】
そして、気水分離器４で分離された水を電池冷却水循環ポンプ５により、一部を一酸化炭素変成器２への冷却水として分岐して供給し、改質器１の燃焼排ガス回収熱交換器６を介して気水分離器４に送り、残りを温度調整用熱交換器７で電池冷却板３ｃ入口温度まで冷却して、燃料電池本体３への冷却水として供給するように電池冷却水系を構成している。
【０００８】
また、気水分離器４内で発生した蒸気の一部は、改質器１に送って改質反応に利用する。
一方、気水分離器４の下流側には蒸気発生器８を設けており、燃料電池本体３の反応熱を電池冷却板３ｃを介して回収する燃料電池本体３の冷却水、すなわち気水分離器４で分離された水を加熱側媒体として導入し、電池冷却水系とは隔壁を介して隔離された排熱回収装置９および循環ポンプ１０からなる排熱回収系の水媒体である被加熱側媒体に上記回収熱を伝達することにより、この水媒体から蒸気を発生させる。
【０００９】
そして、この蒸気発生器８により発生した蒸気は、排熱回収装置９に送って排熱として利用するようにしている。
なお、このような構成の排熱回収系は、燃料電池本体３での発電時の熱を蒸気発生器８の被加熱媒体で回収できるため、間接取り出し方式と称している。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、以上のような間接蒸気取り出し方式を採用した従来の燃料電池発電システムにおいては、燃料電池本体３の冷却条件を優先していることから、蒸気取出しのために蒸気発生器８の加熱側媒体である電池冷却水の流量を増加させることができない。そのため、温度レベルの高い蒸気を高効率で得ることができないという問題がある。
本発明の目的は、高温の蒸気を高い効率で取り出すことができ、さらに総合効率を高めることが可能な燃料電池発電システムを提供することにある。
【００１１】
【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の発明の燃料電池発電システムは、炭化水素系燃料を蒸気と混合し、改質して水素を主成分とする改質ガスを発生する改質器と、改質器で発生した改質ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変成する一酸化炭素変成器と、燃料極、空気極、および電池冷却板を備え、一酸化炭素変成器で変成された改質ガスを燃料極に導入すると共に空気を空気極に導入し、当該改質ガス中の水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて電気エネルギーに変換する燃料電池本体と、燃料電池本体で発電時に発生した熱（反応熱）を電池冷却板を介して熱交換させることにより回収した電池冷却水を水と蒸気の二相流化した状態で導入し、水蒸気および水に分離する気水分離器と、気水分離器で分離された水の一部を一酸化炭素変成器への冷却水として供給すると共に、残りを電池冷却板入口温度まで冷却して燃料電池本体への冷却水として供給する電池冷却水系と、気水分離器の下流側に設けられ、燃料電池本体の反応熱を電池冷却板を介して回収する燃料電池本体の冷却水と、改質器の燃焼排ガスの排熱を回収する一酸化炭素変成器の冷却水とを、それぞれ加熱側媒体として導入し、電池冷却水系とは隔離された排熱回収系の媒体である被加熱側媒体に回収熱を伝達することにより、当該被加熱側媒体から蒸気を発生させる蒸気発生器とを備えている。
【００１２】
従って、請求項１の発明の燃料電池発電システムにおいては、気水分離器の下流側に設置された蒸気発生器の加熱側媒体として、燃料電池本体の反応熱を回収した燃料電池本体の冷却水と、改質器の燃焼排ガスの排熱を回収した一酸化炭素変成器の冷却水とを用いて、電池冷却水系とは隔離された排熱回収系の被加熱側媒体に回収熱を伝達して、被加熱側媒体から蒸気を発生させることにより、高温の蒸気を高い効率で取り出すことができ、さらに総合効率を高めることができる。
【００１３】
また、請求項２の発明の燃料電池発電システムは、炭化水素系燃料を蒸気と混合し、改質して水素を主成分とする改質ガスを発生する改質器と、改質器で発生した改質ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変成する一酸化炭素変成器と、燃料極、空気極、および電池冷却板を備え、一酸化炭素変成器で変成された改質ガスを燃料極に導入すると共に空気を空気極に導入し、当該改質ガス中の水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて電気エネルギーに変換する燃料電池本体と、燃料電池本体で発電時に発生した熱（反応熱）を電池冷却板を介して熱交換させることにより回収した電池冷却水を水と蒸気の二相流化した状態で導入し、水蒸気および水に分離する気水分離器と、気水分離器で分離された水の一部を一酸化炭素変成器への冷却水として供給すると共に、残りを電池冷却板入口温度まで冷却して燃料電池本体への冷却水として供給する電池冷却水系と、気水分離器の下流側に設けられ、燃料電池本体の反応熱を電池冷却板を介して回収する燃料電池本体の冷却水と、改質器の燃焼排ガスとを、それぞれ加熱側媒体として導入し、電池冷却水系とは隔離された排熱回収系の媒体である被加熱側媒体に回収熱を伝達することにより、当該被加熱側媒体から蒸気を発生させる蒸気発生器とを備えている。
【００１４】
従って、請求項２の発明の燃料電池発電システムにおいては、気水分離器の下流側に設置された蒸気発生器の加熱側媒体として、燃料電池本体の反応熱を回収した燃料電池本体の冷却水と、改質器の燃焼排ガスとを用いて、電池冷却水系とは隔離された排熱回収系の被加熱側媒体に回収熱を伝達して、被加熱側媒体から蒸気を発生させることにより、高温の蒸気を高い効率で取り出すことができ、さらに総合効率を高めることができる。
【００１５】
さらに、請求項３の発明の燃料電池発電システムは、炭化水素系燃料を蒸気と混合し、改質して水素を主成分とする改質ガスを発生する改質器と、改質器で発生した改質ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変成する一酸化炭素変成器と、燃料極、空気極、および電池冷却板を備え、一酸化炭素変成器で変成された改質ガスを燃料極に導入すると共に空気を空気極に導入し、当該改質ガス中の水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて電気エネルギーに変換する燃料電池本体と、燃料電池本体で発電時に発生した熱（反応熱）を電池冷却板を介して熱交換させることにより回収した電池冷却水を水と蒸気の二相流化した状態で導入し、水蒸気および水に分離する気水分離器と、気水分離器で分離された水の一部を一酸化炭素変成器への冷却水として供給すると共に、残りを電池冷却板入口温度まで冷却して燃料電池本体への冷却水として供給する電池冷却水系と、気水分離器の下流側に設けられ、燃料電池本体の反応熱を電池冷却板を介して回収する燃料電池本体の冷却水と、燃料電池本体の空気極排ガスとを、それぞれ加熱側媒体として導入し、電池冷却水系とは隔離された排熱回収系の媒体である被加熱側媒体に回収熱を伝達することにより、当該被加熱側媒体から蒸気を発生させる蒸気発生器とを備えている。
【００１６】
従って、請求項３の発明の燃料電池発電システムにおいては、気水分離器の下流側に設置された蒸気発生器の加熱側媒体として、燃料電池本体の反応熱を回収した燃料電池本体の冷却水と、燃料電池本体の空気極排ガスとを用いて、電池冷却水系とは隔離された排熱回収系の被加熱側媒体に回収熱を伝達して、被加熱側媒体から蒸気を発生させることにより、高温の蒸気を高い効率で取り出すことができ、さらに総合効率を高めることができる。
【００１７】
一方、請求項４の発明の燃料電池発電システムは、上記請求項１乃至請求項３のいずれか１項の発明の燃料電池発電システムにおいて、燃料電池本体の冷却水の一部を、一酸化炭素変成器の冷却水の上流側から分岐させて気水分離器に戻す一酸化炭素変成器バイパスラインと、一酸化炭素変成器バイパスラインに設けられ、当該一酸化炭素変成器バイパスラインの冷却水流量を制御する流量制御手段とを付加している。
【００１８】
従って、請求項４の発明の燃料電池発電システムにおいては、燃料電池本体の冷却水の一部を一酸化炭素変成器の冷却水の上流側から分岐させて気水分離器に戻し、さらにその冷却水流量を制御することにより、運転条件に応じて電池冷却水流量を変更することが可能となるため、上記請求項１乃至請求項３の発明の場合よりも、より高温の蒸気をより高い効率で取り出すことができ、また信頼性の高い運転を行なうことができる。
【００１９】
また、請求項５の発明の燃料電池発電システムは、上記請求項１乃至請求項４のいずれか１項の発明の燃料電池発電システムにおいて、蒸気発生器の下流側に設けられたバックアップ用熱交換器と、一酸化炭素変成器の冷却水入口側に設けられた温度検出手段と、蒸気発生器の電池冷却水下流側に設けられた第１の温度制御弁と、バックアップ用熱交換器の加熱側下流側に設けられた第２の温度制御弁と、温度検出手段の検出値が一定となるように第１および第２の温度制御弁の開度を制御する制御手段とを付加している。
【００２０】
従って、請求項５の発明の燃料電池発電システムにおいては、一酸化炭素変成器の冷却水入口側の温度が一定となるように、蒸気発生器の電池冷却水下流側およびバックアップ用熱交換器の加熱側下流側の電池冷却水流量を制御することにより、蒸気を使用しない場合にも、信頼性の高い安定した運転を行なうことができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明では、気水分離器の下流側に設置された蒸気発生器の加熱側媒体として、燃料電池本体での発電時に発生した余剰熱および高温熱源を用いて、電池冷却水系とは隔離された排熱回収系の被加熱側媒体に回収熱を伝達することにより、被加熱側媒体から蒸気を発生させるものである。
【００２２】
以下、上記のような考え方に基づく本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
（第１の実施の形態：請求項１に対応）
図１は、本実施の形態による燃料電池発電システムの系統構成例を示す概要図であり、図６と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００２３】
すなわち、本実施の形態の燃料電池発電システムは、図１に示すように、図６における蒸気発生器８として、前記燃料電池本体３の反応熱を電池冷却板３ｃを介して回収する燃料電池本体３の冷却水、すなわち前記気水分離器４で分離された水を第１の加熱側媒体として導入すると共に、前記改質器１の燃焼排ガスの排熱を回収する一酸化炭素変成器２の冷却水を第２の加熱側媒体として導入し、電池冷却水系とは隔離された排熱回収装置９および循環ポンプ１０からなる排熱回収系の媒体である被加熱側媒体（本例では水）に回収熱を伝達することにより、この被加熱側媒体から蒸気を発生させる蒸気発生器８を備えた構成としている。
【００２４】
そして、第２の加熱側媒体である改質器１の燃焼排ガスの排熱を回収するために、一酸化炭素変成器２の冷却水を燃焼排ガス回収熱交換器６を介して、蒸気発生器８に導き、蒸気発生器８から気水分離器４へ戻す構成としている。
【００２５】
次に、以上のように構成した本実施の形態の燃料電池発電システムの作用について説明する。
図１において、気水分離器４で分離された一部の水（電池冷却水）は、電池冷却水循環ポンプ５に導かれ、電池冷却水循環ポンプ５の下流側に設けられた蒸気発生器８の第１の加熱側媒体として導入される。
【００２６】
その後、この水の一部は、一酸化炭素変成器２の冷却水として分岐され、改質器１の燃焼排ガス回収熱交換器６の低温側を経て、蒸気発生器８の第２の加熱側媒体として導入され、気水分離器４に戻される。
【００２７】
また、気水分離器４で分離された残りの水は、温度調整用熱交換器７で電池冷却板３ｃ入口温度に温度調整されて後、燃料電池本体３の電池冷却板３ｃに戻される。
【００２８】
以上により、気水分離器４で分離された水と、一酸化炭素変成器２の冷却水とが回収した回収熱が、蒸気発生器８で排熱回収系の被加熱側媒体に伝達されて、被加熱側媒体から１６０℃程度の高温の蒸気が発生する。
【００２９】
そして、この蒸気発生器８により発生した蒸気は、排熱回収系の循環ポンプ１０で排熱回収装置９に送られて、排熱として利用される。
上述したように、本実施の形態では、気水分離器４の下流側に設置された蒸気発生器８の加熱側媒体として、燃料電池本体３の反応熱を回収した燃料電池本体３の冷却水と、改質器１の燃焼排ガスの排熱（熱エネルギー）を回収した一酸化炭素変成器２の冷却水とを用いて、電池冷却水系とは隔離された排熱回収系の被加熱側媒体に回収熱を伝達して、被加熱側媒体から蒸気を発生させるようにしているので、蒸気発生器８の被加熱媒体から１６０℃程度の高温の蒸気を高い効率で取り出すことが可能となる。
【００３０】
また、蒸気発生器８は、加熱側媒体および被加熱側媒体がそれぞれ水であるので、容積を小型化することが可能となる。
これにより、排熱蒸気の温度および回収効率が高く、さらに総合効率を高めた燃料電池発電システムを得ることができる。
【００３１】
（第２の実施の形態：請求項２に対応）
図２は、本実施の形態による燃料電池発電システムの系統構成例を示す概要図であり、図６と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００３２】
すなわち、本実施の形態の燃料電池発電システムは、図２に示すように、図６における蒸気発生器８として、前記燃料電池本体３の反応熱を電池冷却板３ｃを介して回収する燃料電池本体３の冷却水、すなわち前記気水分離器４で分離された水を第１の加熱側媒体として導入すると共に、前記改質器１の燃焼排ガスを第２の加熱側媒体として導入し、電池冷却水系とは隔離された排熱回収装置９および循環ポンプ１０からなる排熱回収系の媒体である被加熱側媒体（本例では水）に回収熱を伝達することにより、この被加熱側媒体から蒸気を発生させる蒸気発生器８を備えた構成としている。
【００３３】
また、前記燃焼排ガス回収熱交換器６の高温側媒体として、燃料電池本体３の空気極３ｂ側排ガスを導入する構成としている。
【００３４】
次に、以上のように構成した本実施の形態の燃料電池発電システムの作用について説明する。
図２において、気水分離器４で分離された一部の水（電池冷却水）は、電池冷却水循環ポンプ５に導かれ、電池冷却水循環ポンプ５の下流側に設けられた蒸気発生器８の第１の加熱側媒体として導入される。
【００３５】
その後、この水の一部は、一酸化炭素変成器２の冷却水として分岐され、改質器１の燃焼排ガス回収熱交換器６の低温側に導入され、燃焼排ガス回収熱交換器６の高温側に導入されている燃料電池本体３の空気極３ｂ側排ガスと熱交換した後に、気水分離器４に戻される。
【００３６】
また、改質器１の燃焼排ガスは、蒸気発生器８の第２の加熱側媒体として導入される。
さらに、気水分離器４で分離された残りの水は、温度調整用熱交換器７で電池冷却板３ｃ入口温度に温度調整されて後、燃料電池本体３の電池冷却板３ｃに戻される。
【００３７】
以上により、気水分離器４で分離された水と、改質器１の燃焼排ガスとが、蒸気発生器８で排熱回収系の被加熱側媒体に伝達されて、被加熱側媒体から１６０℃程度の高温の蒸気が発生する。
【００３８】
そして、この蒸気発生器８により発生した蒸気は、排熱回収系の循環ポンプ１０で排熱回収装置９に送られて、排熱として利用される。
上述したように、本実施の形態では、気水分離器４の下流側に設置された蒸気発生器８の加熱側媒体として、燃料電池本体３の反応熱を回収した燃料電池本体３の冷却水と、高温媒体である改質器１の燃焼排ガスの排熱（熱エネルギー）とを用いて、電池冷却水系とは隔離された排熱回収系の被加熱側媒体に回収熱を伝達して、被加熱側媒体から蒸気を発生させるようにしているので、蒸気発生器８の被加熱媒体から１６０℃程度の高温の蒸気を高い効率で取り出すことが可能となる。
【００３９】
また、燃焼排ガス回収熱交換器６の高温側媒体として、燃料電池本体３の空気極３ｂ側排ガスを用いるようにしているので、改質器１の燃焼排ガスおよび燃料電池本体３の空気極３ｂ側排ガスの両方の持つ熱エネルギーを排熱として回収することが可能となる。
【００４０】
これにより、排熱蒸気の温度および回収効率がより一層高く、さらに総合効率をより一層高めた燃料電池発電システムを得ることができる。
（第３の実施の形態：請求項３に対応）
図３は、本実施の形態による燃料電池発電システムの系統構成例を示す概要図であり、図６と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００４１】
すなわち、本実施の形態の燃料電池発電システムは、図３に示すように、図６における蒸気発生器８として、前記燃料電池本体３の反応熱を電池冷却板３ｃを介して回収する燃料電池本体３の冷却水、すなわち前記気水分離器４で分離された水を第１の加熱側媒体として導入すると共に、燃料電池本体３の空気極３ｂ側排ガスを第２の加熱側媒体として導入し、電池冷却水系とは隔離された排熱回収装置９および循環ポンプ１０からなる排熱回収系の媒体である被加熱側媒体（本例では水）に回収熱を伝達することにより、この被加熱側媒体から蒸気を発生させる蒸気発生器８を備えた構成としている。
【００４２】
また、第２の加熱側媒体である燃料電池本体３の空気極３ｂ側排ガスを、蒸気発生器８へ導く構成としている。
次に、以上のように構成した本実施の形態の燃料電池発電システムの作用について説明する。
【００４３】
図３において、気水分離器４で分離された一部の水（電池冷却水）は、電池冷却水循環ポンプ５に導かれ、電池冷却水循環ポンプ５の下流側に設けられた蒸気発生器８の第１の加熱側媒体として導入される。
【００４４】
その後、この水の一部は、一酸化炭素変成器２の冷却水として分岐され、改質器１の燃焼排ガス回収熱交換器６の低温側を経て、気水分離器４に戻される。
【００４５】
さらに、気水分離器４で分離された残りの水は、温度調整用熱交換器７で電池冷却板３ｃ入口温度に温度調整されて後、燃料電池本体３の電池冷却板３ｃに戻される。
【００４６】
以上により、気水分離器４で分離された水と、燃料電池本体３の空気極３ｂ側排ガスとが、蒸気発生器８で排熱回収系の被加熱側媒体に伝達されて、被加熱側媒体から１６０℃程度の高温の蒸気が発生する。
【００４７】
そして、この蒸気発生器８により発生した蒸気は、排熱回収系の循環ポンプ１０で排熱回収装置９に送られて、排熱として利用される。
上述したように、本実施の形態では、気水分離器４の下流側に設置された蒸気発生器８の加熱側媒体として、燃料電池本体３の反応熱を回収した燃料電池本体３の冷却水と、燃料電池本体３の空気極３ｂ側排ガス（熱エネルギー）とを用いて、電池冷却水系とは隔離された排熱回収系の被加熱側媒体に回収熱を伝達して、被加熱側媒体から蒸気を発生させるようにしているので、蒸気発生器８の被加熱媒体から１６０℃程度の高温の蒸気を高い効率で取り出すことが可能となる。
【００４８】
また、燃焼排ガス回収熱交換器６の高温側媒体として、改質器１の燃焼排ガスを用いるようにしているので、改質器１の燃焼排ガスおよび燃料電池本体３の空気極３ｂ側排ガスの両方の持つ熱エネルギーを排熱として回収することが可能となる。
【００４９】
これにより、排熱蒸気の温度および回収効率がより一層高く、さらに総合効率をより一層高めた燃料電池発電システムを得ることができる。
（第４の実施の形態：請求項１、請求項４に対応）
図４は、本実施の形態による燃料電池発電システムの系統構成例を示す概要図であり、図１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００５０】
すなわち、本実施の形態の燃料電池発電システムは、図４に示すように、図１における前記燃料電池本体３の冷却水の一部を、前記一酸化炭素変成器２の冷却水の上流側から分岐させて前記気水分離器４に戻す一酸化炭素変成器バイパスライン１１を、一酸化炭素変成器２の冷却水ラインと並列に設けると共に、この一酸化炭素変成器バイパスライン１１に、例えば弁からなり一酸化炭素変成器バイパスライン１１の冷却水流量を制御する流量制御手段１２を設けた構成としている。
【００５１】
次に、以上のように構成した本実施の形態の燃料電池発電システムの作用について説明する。
なお、図１と同一部分の作用についてはその説明を省略し、ここでは異なる部分の作用についてのみ述べる。
【００５２】
図４において、燃料電池本体３の冷却水の一部は、一酸化炭素変成器２の冷却水の上流側から分岐し、一酸化炭素変成器バイパスライン１１を通して気水分離器４に戻される。
【００５３】
このため、燃料電池本体３の冷却水、すなわち気水分離器４で分離された水を、燃料電池本体３の冷却条件を変更することなく増加させることができる。そして、この場合、蒸気発生器８の冷却水流量を増加させることにより、燃料電池本体３の反応熱を回収した電池冷却水から蒸気発生器８で回収できる熱エネルギーが増加する。
【００５４】
以上により、蒸気発生器８の被加熱側媒体から、前記第１の実施の形態の場合よりもより一層高温の蒸気を、より一層高い効率で取り出すことができる。
一方、上記電池冷却水流量を増加させることにより、気水分離器４の圧力が下がるため、改質器１での改質反応に必要な蒸気量を確保できなくなる可能性がある。
【００５５】
この点、本実施の形態では、一酸化炭素変成器バイパスライン１１に流量制御手段１２を設けていることにより、気水分離器４の圧力、および運転条件に応じて、一酸化炭素変成器バイパスライン１１の冷却水流量の変更が柔軟にできる。
【００５６】
以上により、信頼性の高いかつより一層高い蒸気効率の燃料電池発電システムが得られる。
上述したように、本実施の形態では、前記第１の実施の形態の燃料電池発電システムにおいて、燃料電池本体３の冷却水の一部を、一酸化炭素変成器２の冷却水の上流側から、一酸化炭素変成器２をバイパスして気水分離器４に戻すようにしているので、蒸気発生器８の被加熱媒体から、第１の実施の形態の場合よりもより一層高温の蒸気を、より一層高い効率で取り出すことが可能となる。
【００５７】
また、気水分離器４の圧力、および運転条件に応じて、一酸化炭素変成器バイパスライン１１の冷却水流量を変更するようにしているので、信頼性の高いかつより一層高い蒸気効率の燃料電池発電システムを得ることが可能となる。
【００５８】
（第５の実施の形態：請求項５に対応）
図５は、本実施の形態による燃料電池発電システムの系統構成例を示す概要図であり、図４と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００５９】
すなわち、本実施の形態の燃料電池発電システムは、図５に示すように、図４における蒸気発生器８の下流側にバックアップ用熱交換器１３を設け、一酸化炭素変成器２の冷却水入口側に温度検出手段１４を設け、また蒸気発生器８の電池冷却水下流側に第１の温度制御弁１５を設け、バックアップ用熱交換器１３の加熱側下流側に第２の温度制御弁１６を設け、さらに温度検出手段１４の検出値が一定となるように、第１および第２の温度制御弁１５および１６の開度を制御する制御器１７を設けた構成としている。
【００６０】
次に、以上のように構成した本実施の形態の燃料電池発電システムの作用について説明する。
なお、図４と同一部分の作用についてはその説明を省略し、ここでは異なる部分の作用についてのみ述べる。
【００６１】
図５において、排熱回収装置９での蒸気の利用量が少ない場合、もしくは蒸気を利用していない場合には、蒸気発生器８で電池冷却水（第１の加熱側）にて回収される熱量が減少するため、一酸化炭素変成器２の冷却水入口温度が上昇する。
【００６２】
そして、この一酸化炭素変成器２の冷却水入口温度の上昇は、一酸化炭素変成器２での反応を抑制して、燃料中の一酸化炭素量が増加し、燃料電池本体３の一酸化炭素による被毒が進むことになる。
【００６３】
この点、本実施の形態では、電池冷却水ラインに第１および第２の温度制御弁１５および１６を設けて、一酸化炭素変成器２の冷却水入口に設けられている温度検出手段１４の検出値が、電流値により設定されている温度となるように、第１および第２の温度制御弁１５および１６の開度を制御することにより、蒸気の利用量が少ない場合、もしくは蒸気を利用していない場合にも、前述した蒸気を取り出す場合と同様の運転を行なうことができる。
【００６４】
すなわち、この場合、温度検出手段１４の検出温度に基づいて、蒸気発生器８の電池冷却水（第１の加熱側）下流に設置された第１の温度制御弁１５の開度が制御器１７により決定され、蒸気発生器８へ送水される電池冷却水流量が設定される。
【００６５】
また、電池冷却水の全量が蒸気発生器８へ送水された揚合においても、温度検出手段１４の検出温度が適温とならない場合には、バックアップ用熱交換器１３の加熱側下流側に設置された第２の温度制御弁１６が動作して、適温となるようにバックアップ用熱交換器１３ヘ送水される流量が、制御器１７により決定される。
【００６６】
以上より、蒸気を使用しない場合にも、安定した運転を行なうことができる。上述したように、本実施の形態では、前記第４の実施の形態の燃料電池発電システムにおいて、一酸化炭素変成器２の冷却水入口側の温度が一定となるように、蒸気発生器８の電池冷却水下流側、およびバックアップ用熱交換器１３の加熱側下流側の電池冷却水流量を制御するようにしているので、蒸気を使用しない場合にも、信頼性の高い安定した運転を行なうことが可能となる。
【００６７】
（他の実施の形態）
（ａ）前記第４の実施の形態では、本発明を前記第１の実施の形態に適用した場合について説明したが、これに限らず、前記第４の実施の形態を、前記第２の実施の形態、あるいは第３の実施の形態についても、同様に適用して前述の場合と同様の作用効果を得ることが可能である。
【００６８】
（ｂ）前記第５の実施の形態では、本発明を前記第４の実施の形態に適用した場合について説明したが、これに限らず、前記第５の実施の形態を、前記第１の実施の形態、第２の実施の形態、あるいは第３の実施の形態についても、同様に適用して前述の場合と同様の作用効果を得ることが可能である。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の燃料電池発電システムによれば、気水分離器の下流側に設置された蒸気発生器の加熱側媒体として、燃料電池本体での発電時に発生した余剰熱および高温熱源を用いて、電池冷却水系とは隔離された排熱回収系の被加熱側媒体に回収熱を伝達することにより、被加熱側媒体から蒸気を発生させるようにしているので、高温の蒸気を高い効率で取り出すことができ、さらに総合効率を高めることが可能となる。
【００７０】
また、本発明の燃料電池発電システムによれば、燃料電池本体の冷却水の一部を一酸化炭素変成器の冷却水の上流側から分岐させて気水分離器に戻し、さらにその冷却水流量を制御するようにしているので、運転条件に応じて電池冷却水流量を変更することができるため、より高温の蒸気をより高い効率で取り出すことができ、また信頼性の高い運転を行なうことが可能となる。
【００７１】
さらに、本発明の燃料電池発電システムによれば、一酸化炭素変成器の冷却水入口側の温度が一定となるように、蒸気発生器の電池冷却水下流側およびバックアップ用熱交換器の加熱側下流側の電池冷却水流量を制御するようにしているので、蒸気を使用しない場合にも、信頼性の高い安定した運転を行なうことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料電池発電システムの第１の実施の形態を示す概要図。
【図２】本発明による燃料電池発電システムの第２の実施の形態を示す概要図。
【図３】本発明による燃料電池発電システムの第３の実施の形態を示す概要図。
【図４】本発明による燃料電池発電システムの第４の実施の形態を示す概要図。
【図５】本発明による燃料電池発電システムの第５の実施の形態を示す概要図。
【図６】従来の燃料電池発電システムの系統構成例を示す概要図。
【符号の説明】
１…改質器、
２…一酸化炭素変成器、
３…燃料電池本体、
３ａ…燃料極、
３ｂ…空気極、
３ｃ…電池冷却板、
４…気水分離器、
５…電池冷却水循環ポンプ、
６…燃焼排ガス回収熱交換器、
７…温度調整用熱交換器、
８…蒸気発生器、
９…排熱回収装置、
１０…循環ポンプ、
１１…一酸化炭素変成器バイパスライン、
１２…流量制御手段、
１３…バックアップ用熱交換器、
１４…温度検出手段、
１５…第１の温度制御弁、
１６…第２の温度制御弁、
１７…制御器。

Claims (5)

1. 炭化水素系燃料を蒸気と混合し、改質して水素を主成分とする改質ガスを発生する改質器と、
   前記改質器で発生した改質ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変成する一酸化炭素変成器と、
   燃料極、空気極、および電池冷却板を備え、前記一酸化炭素変成器で変成された改質ガスを前記燃料極に導入すると共に空気を前記空気極に導入し、当該改質ガス中の水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて電気エネルギーに変換する燃料電池本体と、
   前記燃料電池本体で発電時に発生した熱（反応熱）を前記電池冷却板を介して熱交換させることにより回収した電池冷却水を水と蒸気の二相流化した状態で導入し、水蒸気および水に分離する気水分離器と、
   前記気水分離器で分離された水の一部を前記一酸化炭素変成器への冷却水として供給すると共に、残りを電池冷却板入口温度まで冷却して前記燃料電池本体への冷却水として供給する電池冷却水系と、
   前記気水分離器の下流側に設けられ、前記燃料電池本体の反応熱を前記電池冷却板を介して回収する前記燃料電池本体の冷却水と、前記改質器の燃焼排ガスの排熱を回収する前記一酸化炭素変成器の冷却水とを、それぞれ加熱側媒体として導入し、前記電池冷却水系とは隔離された排熱回収系の媒体である被加熱側媒体に前記回収熱を伝達することにより、当該被加熱側媒体から蒸気を発生させる蒸気発生器と、
   を備えて成ることを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 炭化水素系燃料を蒸気と混合し、改質して水素を主成分とする改質ガスを発生する改質器と、
   前記改質器で発生した改質ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変成する一酸化炭素変成器と、
   燃料極、空気極、および電池冷却板を備え、前記一酸化炭素変成器で変成された改質ガスを前記燃料極に導入すると共に空気を前記空気極に導入し、当該改質ガス中の水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて電気エネルギーに変換する燃料電池本体と、
   前記燃料電池本体で発電時に発生した熱（反応熱）を前記電池冷却板を介して熱交換させることにより回収した電池冷却水を水と蒸気の二相流化した状態で導入し、水蒸気および水に分離する気水分離器と、
   前記気水分離器で分離された水の一部を前記一酸化炭素変成器への冷却水として供給すると共に、残りを電池冷却板入口温度まで冷却して前記燃料電池本体への冷却水として供給する電池冷却水系と、
   前記気水分離器の下流側に設けられ、前記燃料電池本体の反応熱を前記電池冷却板を介して回収する前記燃料電池本体の冷却水と、前記改質器の燃焼排ガスとを、それぞれ加熱側媒体として導入し、前記電池冷却水系とは隔離された排熱回収系の媒体である被加熱側媒体に前記回収熱を伝達することにより、当該被加熱側媒体から蒸気を発生させる蒸気発生器と、
   を備えて成ることを特徴とする燃料電池発電システム。
3. 炭化水素系燃料を蒸気と混合し、改質して水素を主成分とする改質ガスを発生する改質器と、
   前記改質器で発生した改質ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変成する一酸化炭素変成器と、
   燃料極、空気極、および電池冷却板を備え、前記一酸化炭素変成器で変成された改質ガスを前記燃料極に導入すると共に空気を前記空気極に導入し、当該改質ガス中の水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて電気エネルギーに変換する燃料電池本体と、
   前記燃料電池本体で発電時に発生した熱（反応熱）を前記電池冷却板を介して熱交換させることにより回収した電池冷却水を水と蒸気の二相流化した状態で導入し、水蒸気および水に分離する気水分離器と、
   前記気水分離器で分離された水の一部を前記一酸化炭素変成器への冷却水として供給すると共に、残りを電池冷却板入口温度まで冷却して前記燃料電池本体への冷却水として供給する電池冷却水系と、
   前記気水分離器の下流側に設けられ、前記燃料電池本体の反応熱を前記電池冷却板を介して回収する前記燃料電池本体の冷却水と、前記燃料電池本体の空気極排ガスとを、それぞれ加熱側媒体として導入し、前記電池冷却水系とは隔離された排熱回収系の媒体である被加熱側媒体に前記回収熱を伝達することにより、当該被加熱側媒体から蒸気を発生させる蒸気発生器と、
   を備えて成ることを特徴とする燃料電池発電システム。
4. 前記請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池発電システムにおいて、
   前記燃料電池本体の冷却水の一部を、前記一酸化炭素変成器の冷却水の上流側から分岐させて前記気水分離器に戻す一酸化炭素変成器バイパスラインと、
   前記一酸化炭素変成器バイパスラインに設けられ、当該一酸化炭素変成器バイパスラインの冷却水流量を制御する流量制御手段と、
   を付加して成ることを特徴とする燃料電池発電システム。
5. 前記請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池発電システムにおいて、
   前記蒸気発生器の下流側に設けられたバックアップ用熱交換器と、
   前記一酸化炭素変成器の冷却水入口側に設けられた温度検出手段と、
   前記蒸気発生器の電池冷却水下流側に設けられた第１の温度制御弁と、
   前記バックアップ用熱交換器の加熱側下流側に設けられた第２の温度制御弁と、
   前記温度検出手段の検出値が一定となるように前記第１および第２の温度制御弁の開度を制御する制御手段と、
   を付加して成ることを特徴とする燃料電池発電システム。

Images