JPH02106880A - サーモサイホン式水蒸気発生器を備えた燃料電池 - Google Patents

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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は燃料電池の安定操業を実現できる様に構成した
装置に関するものであり、特にアノード側へ供給される
改質ガスを安定的に生成し、且つ燃料電池の冷却を安定
的に遂行し得る様に工夫された燃料電池に関するもので
ある。

［従来の技術］ 燃料電池はアノード（燃料電極）側に供給された水素と
カソード（空気電極）側に供給された酸素との電気化学
的反応によって電気エネルギーを発生する装置である。

上記水素としては、専ら天然ガスの改質によって生成す
る水素リッチの改質ガスが用いられており、一方上記酸
素については空気を導入することによって行なわれてい
る。

第４図は公知の空冷式燃料電池装置を示す概念図であり
、要部は改質器Ａ、転化器Ｂ、燃料電池本体Ｃ及び電力
変換装置りから構成されている。

以下装置の概略について説明すると、天然ガスＮＧは脱
硫器１に導入され、改質器Ａにおける触媒毒となり得る
硫黄分が除去された後、エジェクター２に至る。エジェ
クター２には、第１水蒸気過熱器１０を経て供給される
高温高圧スチームが供給されており、脱硫済天然ガスと
混合状態を形成しそのエジェクト作用によって改質器Ａ
の触媒充填室３に入る。改質器Ａの燃焼室４には未反応
ガスＵＧ（ガスラインＧＬ２）、燃焼用空気ＢＧ（ガス
ラインＧＬ３）が供給され、これらの混合燃焼によって
高温ガスを発生し、天然ガスＮＧの改質（天然ガス中の
炭化水素と水蒸気の反応によるＨ２とＣＯの生成）を終
えた後、ブロワ−ＥｌによってガスラインＧＬ４経由で
吸引排気され、その間種々の熱交換器が設けられ、排熱
利用が図られる。尚第４図においては燃焼室４に天然ガ
スＮＧ（ガスラインＧＬ、）が供給されるようになって
いるか、これは主に起動時に使用する。水素リッチにな
った改質ガスは第２水蒸気過熱器１２および水蒸気発生
器８を経由して夫々熱付与を行なって自らは降温し、次
いて転化器已に入る。ここでは改質ガス中のＣＯを変成
し、更にガス／ガス熱交換器１３、次いて水分離器５を
経て冷却及び凝縮による水分除去を行なった後、燃料電
池本体Ｃのアノード６に入る。一方ブロワーＥ２から吹
込まれた空気は反応用空気ＲＡと冷却用空気ＣＡに分か
れ、前者は燃料電池本体Ｃのカソード７に入り、ダンパ
ーＦおよび空気冷却器１８を介して循環する。尚循環空
気の一部はダンパーＦを介して放出され、放出の過程で
冷却器２０による冷却を受けて凝縮した水分は水分離器
５で分離された前記凝縮水と共に水処理装置１９に入る
。ＷＬＩ　、ＷＬ２は水ラインを示ず。水処理装置１９
内の水はポンプＰによって吸い上げられ、水ラインＷＬ
３経由で水蒸気発生器８に入ってここでの加熱により水
蒸気を発生した後、気水分離器（熱水ドラム）１１に送
られ、スチーム分はスチームラインＳＬ、を通り第２水
蒸気過熱器１２、第１水蒸気過熱器１０を経由してエジ
ェクター２に送られる。尚アノード６を出た未反応ガス
ＵＧはガスラインＧＬ、を経て未反応ガス予熱器９に至
る。

第５図は水冷式燃料電池の概念を示す図であり、冷却水
循環ラインを設けた他は、空冷式燃料電池と実質的に同
一の作用を行なう。

燃料電池の操業に当たっては前述の如く水素リッチの改
質ガスを供給することが必要であるが、現状では天然ガ
スの改質による方式がもっとも低コストである。この場
合天然ガスの改質には天然ガスの約４倍量の水蒸気が必
要であるとされているが、水蒸気の役割は天然ガスの改
質反応に関与するたけに止まらず、天然ガスを改質器Ａ
に供給し、更にそれ以降の工程へ排気していく上ての駆
動流体としても作用する重要なものである。

従ってその為の水蒸気としては、通常の実施規模ては４
ｋｇ／ｃｍ２Ｇ程度の高圧水蒸気が必要とされているか
、従来の燃料電池システムではこの様な高圧水蒸気を必
要量発生するだけの能力が不足している。その為燃料電
池の運転を低負荷から高負荷に変動させたい場合が発生
しても、負荷変動に対応し得る量の水蒸気を確保するこ
とかできない場合がある。尚エジェクターによる供給能
力は天然ガスの供給元圧、水蒸気の圧力、水蒸気の供給
量等によって左右され、［水蒸気／天然ガス］比を前記
した４程度の値に制御することは相当に困難であり、水
蒸気過剰気味て運転するのが一般的であるとされている
が、現実問題としては過剰水蒸気を安定して供給するこ
とは困難であり、水蒸気不足気味の傾向にある。

力水蒸気発生の手段としては、改質済み高圧ガスとの熱
交換部に水を供給して水を加熱し、更に１００℃以上に
まで高めるという方式が採用されている為、高能カボン
ブの使用が必要となる。

従って高能力ポンプ駆動の為の電力が消費され、燃料電
池による出力に対するマイナス要因となっている。

また燃料電池の冷却方式に伴なう共通の問題として燃料
電池内に温度勾配を生じるという点が挙げられる。即ち
冷却媒体を燃料電池の冷媒通路に導入する場合において
冷媒通路人口側では冷媒温度と燃料電池の温度差が大き
い為高い冷却能力が発揮されるが、冷媒通路出口側では
冷媒温度が高くなっている為冷却能力が低下せざるを得
ない。

即ち冷媒流れ方向に沿った温度勾配が問題となる。この
問題を少しでも軽減しようとすれば大量の冷媒を供給し
なければならないが、冷媒供給の為の動力を上げなけれ
ばならずコスト高となる。

そこて第３図に示す如く複数の燃料電池Ｃと熱交換器（
冷却装置）Ｌを準備してこれを交互且つ直列配置とし、
１つの燃料電池を冷却し終ってやや昇温した冷媒をその
都度他の冷媒によって降温さゼでから次の燃料電池に導
入するという方式が考えられる。この方法によって冷媒
流れ方向に沿った温度勾配はかなり軽減する。しかしな
がらこの方式においては個々の熱交換器を冷却する為の
冷媒流れ方向の温度勾配という新たな問題が発生し、結
局燃料電池内には燃料電池用冷媒の流れ方向と直交する
方向の温度勾配が生じる。

［発明か解決しようとする課題］ 本発明はこの様な事情に着目してなされたものであって
、燃料電池の運転に必要な量であって且つその運転制御
に好都合な圧力の水蒸気を提供し得る装置、しかも燃料
電池内に温度勾配を生じない様に冷却手段を施し得る様
な燃料電池装置の提供を目的とするものである。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成することのできた本発明の燃料電池装置
とは、燃料電池におりるアノード側の改質ガス形成装置
より発生ずる高熱排ガスを利用したサーモサイホン式水
蒸気発生器と、燃料電池における冷却機構から排出され
る冷媒の保有熱を利用したサーモサイホン式水蒸気発生
器を備えてなる点に要旨を有するものである。

［作用］ 本発明の基本的考え方は、水蒸気発生機構を、■エジェ
クター２における駆動用媒体として作用するに好ましい
高圧スチーム（例えば４ｋｇ／ｃｍ２Ｇ）を得る部分と
、■改質に必要なスチーム量を供給するという後側を有
する低圧スチーム（例えは０．８　ｋｇ／ｃｍ２Ｇ）を
得る部分に分けた点にあり、しかも夫々の水蒸気発生機
構を作動するに当たり、水量を増加させる必要がなく、
しかも過大な能力を必要とするポンプに依存することが
ない様な装置を提供するという点に苦心を払った。

この様な基本的考え方を実現させ得る手段としてサーモ
サイホンの原理を利用した。尚サーモサイホンには垂直
形や水平形が知られているが、本発明はそれらの如何を
問わず採用でき、要は液相及び気液混相の密度差を利用
して液相及び気相の循環を行なう様に構成されたものが
利用される。

そしてこの循環液相を高熱媒体、本発明では改質器の燃
焼排ガスおよび燃料電池冷却媒体によって加熱し、前者
で高圧スチームを形成し、後者で低圧スチームを形成す
るのである。

［実施例］ 第１図は本発明に係る燃料電池装置の概念を示す説明図
であり、空冷式の場合を示す。

本発明の要点はサーモサイホン式水蒸気発生器Ｘ、Ｙを
設けた点にあり、各サーモサイホン式水蒸気発生器Ｘ、
Ｙは水蒸気発生器Ｘ、、Ｙ、および熱水トラムＸ２．Ｙ
２を主たる構成要素とするものである。今サーモサイホ
ン式水蒸気発生器Ｘについて説明すると、改質器Ａの燃
焼室４から排出された高熱排ガスは水蒸気発生器ｘ１を
経由して排出されるが、水蒸気発生器ｘ１と熱水ドラム
Ｘ２の間を循環する熱水を加熱する作用を有する。この
ラインを流れてくる高熱排ガスは、天然カスの燃焼排ガ
スであるため非常に高温であり、ある実施例では５８０
℃を示す。そこで例えば１１６℃の補給水を熱水ドラム
Ｘ２に供給し、熱水ドラムｘ２内の液体密度が水蒸気発
生器Ｘ＋内の気液混合密度より高いことを利用して密度
差に基づく自然循環を行なわせ、熱水ドラム内の１１６
℃の熱水を水蒸気発生器Ｘ１内に導くと、１１６℃の熱
水が前記５８０℃の排ガスによって更に加熱され、例え
ば１５１℃の高温高圧スチームとなって熱水ドラムｘ２
内の気相部に戻り、部が液化して熱水ドラム内の温度維
持に寄与した後、水蒸気過熱器１２に送られ、ここで前
記４ｋｇ／ｃｍ２Ｇの高圧スチームとなってエジェクタ
ー２に供給される。

次に燃料電池Ｃの冷却機構側に設けられるサーモサイホ
ン式水蒸気発生器Ｙについて説明する。

装置構成面では前述のサーモサイホン式水蒸気発生器Ｘ
と同様であるが、燃料電池Ｃを冷却した後の排出空気は
ある実施例では１７０℃程度であり、その保有熱量は少
ない。しかしここでは例えば０．８　ｋｇ／ｃｍ２Ｇ程
度の低圧スチームが得られれば良いのてあり、熱水ドラ
ムＹ２に補給された４０℃程度の補給水が供給される水
蒸気発生器Ｙ１では前記１７０℃程度の空気によって１
１６℃前後に加熱される。そして熱水ドラムＹ２の気相
部を経由した後、例えば０．８　ｋｇ／ｃｍ２Ｇ程度の
低圧スチームとなって水蒸気過熱器１２で更に加熱され
た後、エジェクター２の下流側で天然ガス中に混合され
る。即ち低圧スチームは水蒸気を量的に補充するための
ものであり、駆動力を殆んど有しないので、エジェクタ
ー２の下流側に添加すべきであり、場合によっては改質
器Ａの触媒充填室３に直接導入してもよい。

高圧スチームと低圧スチームの役割りは前述の様に分け
られているので、高圧スチームは燃料電池の負荷変動に
合わせて調整するということはせず、負荷変動による天
然ガス供給量の変化に対しては低圧スチームの供給量で
対応することが望まれる。従って水蒸気過剰で運転する
必要はなくなった。尚高圧スチームと低圧スチームの量
は、定格値として１・３にしておくのが好ましい。即ち
燃料電池の最低負荷は一般に定格の２５％とされている
ので、このときは低圧スチーム量は零とし、高圧スチー
ムのみの供給となるが、高圧スチーム量は定格通りであ
るからエジェクターに対しては安定した駆動力が与えら
れる。

上記サーモサイホン式水蒸気発生器を使用することによ
り、エジェクターには必要圧力・必要量のスチームが供
給され、改質器には必要量のスチームが与えられ、且つ
後者の低温・低圧スチームは燃料電池の色々な部分から
必要量得られるので、燃料電池装置の運転が安定化され
る。また熱媒の循環は密度差を利用するものであるから
ポンプを利用する必要がなく、電池効率の向上に寄与す
ることができる。

その上後者のスチームを得るに当たって、例えは空冷式
燃料電池において冷媒たる空気を利用する場合は、熱水
ドラムにおける熱水量が水蒸気に比べて大量となり、水
蒸気発生器の入口部における水温が安定してくるので前
記第３図によって複数個の燃料電池Ｃと熱交換器りを交
互に直列配置し、この熱交換器りを冷却するための水温
が安定した場合、結局燃料電池内の温度勾配形成が大幅
に抑制されることとなる。

次に本発明を水冷式燃料電池装置に適用する場合につい
て説明する。

第２図は水冷式に構成された前記第５図の従来例を本発
明思想に基づいて改善したものである。

但し改質器Ａの排気ラインに設けたサーモサイホン式水
蒸気発生器Ｘ（水蒸気発生器ｘ１と熱水ドラムＸ２より
なる）の構成は前記第１図と同一であり、ここで発生し
た高圧スチームは水蒸気過熱器１２を経由してエジェク
ター２に至り、天然ガスに対する駆動エネルギーを与え
る。

一方低圧スチームを発生する為のサーモサイホン式水蒸
気発生器Ｙは、燃料電池Ｃを冷却する為の水冷槽を水蒸
気発生器Ｙ１とし、気水ドラム１１を熱水トラムＹ２と
する。これによって大量且つ量的調整自在の低圧スチー
ムが発生するので、天然ガスに対する必要量の水蒸気を
確保するという観点からこれらをエジェクター２の下流
側に供給することができると共に、例えば第３図の様な
燃料電池冷却システムを組んだ場合において、熱交換器
りを冷却するための水温が安定し、燃料電池Ｃ内の温度
勾配が抑制される。

［発明の効果コ 本発明は上記の様に構成されているので、燃料電池に供
給される燃料を例えば天然ガスの改質に求める場合の必
要スチーム量を、自由にコントロールすることができて
燃料電池の運転を安定化させることができると共に、燃
料電池の冷却においては運転コストを上げなくとも大量
且つ安定量の冷媒を送ることができ、燃料電池内の温度
勾配が抑制され、燃料電池の安定運転に資することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１，２図は本発明の燃料電池構成を示す説明図、第３
図は本発明の構成によって採用することが可能となった
燃料電池冷却システムの説明図、第４．５図は従来例を
示す説明図である。 Ａ・・・改質器　　　　　Ｂ・・・転化器Ｃ・・・燃料
電池本体　　Ｄ・・・電力変換装置Ｅ・・・ブロワ−Ｆ
・・・ダンパー Ｌ・・・熱交換器　　　　Ｐ・・・ポンプＣＡ・・・冷
却用空気　　ＲＡ・・・反応用空気ＮＧ・・・天然ガス
　　　ＢＧ・・・燃焼用空気ＵＧ・・・未反応ガス Ｘ、Ｙ・・・サーモサイホン式水蒸気発生器Ｘ、、Ｙ、
・・・水蒸気発生器 Ｘ２．Ｙ２・・・熱水ドラム ト・・脱硫器　　　　　２・・・エジェクター３・・・
触媒充填室　　　４・・・燃焼室５・・・水分離器　　
　　６・・・アノード７・・・カソード ８．８ａ、８ｂ・・・水蒸気発生器 ９・・・未反応ガス予熱器 １０・・・第１水蒸気過熱器 １１・・・気水分離器　　１２・・・第２水蒸気過熱器
１３・・・ガス／ガス熱交換器 １４・・・燃焼用空気予熱器 １８・・・空気冷却器　　１９・・・水処理装置２０・
・・冷却用空気冷却器 ２１・・・排ガス冷却器　２２・・・改質ガス冷却器Ｇ
Ｌ・・・ガスライン　　ＳＬ・・・スチームラインＷＬ
・・・水ライン

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 燃料電池におけるアノード側の改質ガス形成装置より発
   生する高熱排ガスを利用したサーモサイホン式水蒸気発
   生器と、燃料電池における冷却機構から排出される冷媒
   の保有熱を利用したサーモサイホン式水蒸気発生器を備
   えてなることを特徴とするサーモサイホン式水蒸気発生
   器を備えた燃料電池。