JPH04349357A - 熱併給燃料電池 - Google Patents
熱併給燃料電池Info
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- JPH04349357A JPH04349357A JP3120521A JP12052191A JPH04349357A JP H04349357 A JPH04349357 A JP H04349357A JP 3120521 A JP3120521 A JP 3120521A JP 12052191 A JP12052191 A JP 12052191A JP H04349357 A JPH04349357 A JP H04349357A
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池発電装置に組
み込まれる燃料電池の電池本体を起動時に冷却水により
加熱し、発電時冷却水により反応熱を除去して運転温度
に保持しながらユーザに熱を供給する熱併給燃料電池に
関する。
み込まれる燃料電池の電池本体を起動時に冷却水により
加熱し、発電時冷却水により反応熱を除去して運転温度
に保持しながらユーザに熱を供給する熱併給燃料電池に
関する。
【0002】
【従来の技術】燃料電池発電装置に組み込まれる燃料電
池は、発電時発生する熱を冷却水により除去して燃料電
池本体を冷却して運転温度に保持し、この冷却により昇
温した冷却水と熱交換してユーザに熱を供給し、一方起
動時には電池反応に適する温度まで昇温するために、加
熱した冷却水により燃料電池本体を加熱する設備を備え
たものが知られている。図5はこのような従来の燃料電
池を備えた燃料電池発電装置の系統図である。
池は、発電時発生する熱を冷却水により除去して燃料電
池本体を冷却して運転温度に保持し、この冷却により昇
温した冷却水と熱交換してユーザに熱を供給し、一方起
動時には電池反応に適する温度まで昇温するために、加
熱した冷却水により燃料電池本体を加熱する設備を備え
たものが知られている。図5はこのような従来の燃料電
池を備えた燃料電池発電装置の系統図である。
【0003】図5において燃料電池本体1は模式的に示
され、図示しないりん酸電解質層を挟持する燃料電極2
と酸化剤電極3と、これらからなる単位セルの複数個重
ねるごとに配設される冷却管4を有する冷却板5とから
構成される。
され、図示しないりん酸電解質層を挟持する燃料電極2
と酸化剤電極3と、これらからなる単位セルの複数個重
ねるごとに配設される冷却管4を有する冷却板5とから
構成される。
【0004】燃料改質器7は燃料供給系8を経て供給さ
れる天然ガス等の原燃料を、後述する水蒸気分離器21
にて分離され、水蒸気供給系10を経て供給される水蒸
気とともに改質触媒の下に図示しないバーナでの後述す
るオフガスの燃焼による燃焼熱により加熱して水素に富
むガスに改質して改質ガスを生成する。
れる天然ガス等の原燃料を、後述する水蒸気分離器21
にて分離され、水蒸気供給系10を経て供給される水蒸
気とともに改質触媒の下に図示しないバーナでの後述す
るオフガスの燃焼による燃焼熱により加熱して水素に富
むガスに改質して改質ガスを生成する。
【0005】燃料電池本体1と燃料改質器7とには燃料
改質器7で生成された改質ガスを燃料電池本体1の燃料
電極2に供給する改質ガス供給系11と、燃料電極2か
ら電池反応に寄与しない水素を含むオフガスを燃料改質
器7のバーナに燃料として供給するオフガス供給系12
とが接続されている。
改質器7で生成された改質ガスを燃料電池本体1の燃料
電極2に供給する改質ガス供給系11と、燃料電極2か
ら電池反応に寄与しない水素を含むオフガスを燃料改質
器7のバーナに燃料として供給するオフガス供給系12
とが接続されている。
【0006】また、燃料電池本体1には酸化剤電極2に
空気を供給するブロワ13を備えた空気供給系14と電
池反応後の空気を排出する空気排出系15とが接続され
ている。なお、16は燃料電池本体1の温度を検出する
温度計である。
空気を供給するブロワ13を備えた空気供給系14と電
池反応後の空気を排出する空気排出系15とが接続され
ている。なお、16は燃料電池本体1の温度を検出する
温度計である。
【0007】燃料電池本体1の冷却板5の冷却管4には
、燃料電池本体1の発電時に冷却水を循環するため、水
蒸気分離器21, 運転用循環ポンプ22, 熱回収用
熱交換器23を備えた運転用冷却水循環系20が接続さ
れている。
、燃料電池本体1の発電時に冷却水を循環するため、水
蒸気分離器21, 運転用循環ポンプ22, 熱回収用
熱交換器23を備えた運転用冷却水循環系20が接続さ
れている。
【0008】水蒸気分離器21は、燃料電池本体1の冷
却管4から排出される冷却水を水蒸気と冷却水とに分離
する。分離された水蒸気は燃料改質器7に水蒸気供給系
10を経て原燃料に混入するように送出される。なお2
4は水蒸気分離器21内の冷却水の温度を検出する温度
計である。
却管4から排出される冷却水を水蒸気と冷却水とに分離
する。分離された水蒸気は燃料改質器7に水蒸気供給系
10を経て原燃料に混入するように送出される。なお2
4は水蒸気分離器21内の冷却水の温度を検出する温度
計である。
【0009】熱回収用熱交換器23は昇温された冷却水
の熱を回収する、すなわちユーザに供給する熱媒を冷却
水との熱交換により昇温し、この昇温した熱媒は熱媒供
給系25を経てユーザに供給される。
の熱を回収する、すなわちユーザに供給する熱媒を冷却
水との熱交換により昇温し、この昇温した熱媒は熱媒供
給系25を経てユーザに供給される。
【0010】また運転用冷却水循環系20とは別に水蒸
気分離器21で分離した冷却水を加熱用バーナ28を備
えた熱交換器29からなる加熱用熱交換器30を経て起
動用循環ポンプ27により循環させて再び水蒸気分離器
21に戻す起動用冷却水循環系31が設けられている。
気分離器21で分離した冷却水を加熱用バーナ28を備
えた熱交換器29からなる加熱用熱交換器30を経て起
動用循環ポンプ27により循環させて再び水蒸気分離器
21に戻す起動用冷却水循環系31が設けられている。
【0011】加熱用熱交換器30は加熱用バーナ28に
て燃料供給系32を経て供給される燃料を燃焼空気供給
系33を経て供給される燃焼空気により燃焼させ、この
際生じる熱媒体を冷却水と熱交換させ、この熱交換によ
り冷却水を昇温する。
て燃料供給系32を経て供給される燃料を燃焼空気供給
系33を経て供給される燃焼空気により燃焼させ、この
際生じる熱媒体を冷却水と熱交換させ、この熱交換によ
り冷却水を昇温する。
【0012】このような構成により燃料電池を起動する
ときには、まず、起動用冷却水循環系31の起動用循環
ポンプ27を運転し、さらに加熱用バーナ28にて燃焼
を開始して水蒸気分離器21内の冷却水を起動用冷却水
循環系31を循環させるとともに熱交換器29にて加熱
用バーナ28での燃焼熱により加熱して170 ℃に昇
温する。
ときには、まず、起動用冷却水循環系31の起動用循環
ポンプ27を運転し、さらに加熱用バーナ28にて燃焼
を開始して水蒸気分離器21内の冷却水を起動用冷却水
循環系31を循環させるとともに熱交換器29にて加熱
用バーナ28での燃焼熱により加熱して170 ℃に昇
温する。
【0013】つぎに、運転用冷却水循環系20の運転用
循環ポンプ22を運転して水蒸気分離器21内の昇温さ
れた冷却水を運転用冷却水循環系20に循環させ、燃料
電池本体1の冷却板5内の冷却管4に通流して燃料電池
本体1を加熱して電池反応を行わせるのに適する温度ま
で昇温する。この昇温が終了すれば起動用循環ポンプ2
7の停止及び加熱用バーナ28の燃焼停止を行う。
循環ポンプ22を運転して水蒸気分離器21内の昇温さ
れた冷却水を運転用冷却水循環系20に循環させ、燃料
電池本体1の冷却板5内の冷却管4に通流して燃料電池
本体1を加熱して電池反応を行わせるのに適する温度ま
で昇温する。この昇温が終了すれば起動用循環ポンプ2
7の停止及び加熱用バーナ28の燃焼停止を行う。
【0014】燃料電池本体1の昇温が終了すれば、燃料
改質器7で生成された改質ガスを改質ガス供給系11を
経て燃料電極2に、一方空気供給系14を経てブロワ1
3により空気を酸化剤電極3に供給することにより、燃
料電池本体1は電池反応を起こして発電する。この際電
池反応に伴って発生する熱は運転用冷却水循環系20を
循環する冷却水により除去され、燃料電池は規定の運転
温度に保持される。
改質器7で生成された改質ガスを改質ガス供給系11を
経て燃料電極2に、一方空気供給系14を経てブロワ1
3により空気を酸化剤電極3に供給することにより、燃
料電池本体1は電池反応を起こして発電する。この際電
池反応に伴って発生する熱は運転用冷却水循環系20を
循環する冷却水により除去され、燃料電池は規定の運転
温度に保持される。
【0015】なお電池反応により生じるオフガスはオフ
ガス供給系12を経て燃料改質器7のバーナに供給され
、一方排空気は空気排出系15を経て外部に排出される
。
ガス供給系12を経て燃料改質器7のバーナに供給され
、一方排空気は空気排出系15を経て外部に排出される
。
【0016】ところで燃料電池本体1を冷却することに
より昇温した冷却水は、熱回収用熱交換器23にて熱媒
供給系25を流れる熱媒、例えばスチームと熱交換して
熱を与え、昇温したスチームをユーザに供給している。
より昇温した冷却水は、熱回収用熱交換器23にて熱媒
供給系25を流れる熱媒、例えばスチームと熱交換して
熱を与え、昇温したスチームをユーザに供給している。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】上記のような構成にお
いて燃料電池が発電をしながら発電に伴う反応熱を使用
して熱を供給する場合には、つねに発電量に見合った熱
量を供給するために、例えばユーザサイドへ供給するた
めの熱媒としてのスチームの温度・圧力をある一定の範
囲に制御している。しかしながら、このような電熱併給
システムの場合、つねに電気需要量に見合った熱需要量
があるとは限らず、例えば電気需要量と比較して熱需要
量が少ない場合には、余った熱をユーザサイドで処分し
なければならず、逆に熱需要を多くしたい場合には燃料
電池の運転温度が低下するのを防ぐために供給するスチ
ームの温度・圧力をある一定の範囲に制御することによ
って、供給熱量が制限されてしまうという問題がある。
いて燃料電池が発電をしながら発電に伴う反応熱を使用
して熱を供給する場合には、つねに発電量に見合った熱
量を供給するために、例えばユーザサイドへ供給するた
めの熱媒としてのスチームの温度・圧力をある一定の範
囲に制御している。しかしながら、このような電熱併給
システムの場合、つねに電気需要量に見合った熱需要量
があるとは限らず、例えば電気需要量と比較して熱需要
量が少ない場合には、余った熱をユーザサイドで処分し
なければならず、逆に熱需要を多くしたい場合には燃料
電池の運転温度が低下するのを防ぐために供給するスチ
ームの温度・圧力をある一定の範囲に制御することによ
って、供給熱量が制限されてしまうという問題がある。
【0018】なお、上記のスチームの温度・圧力をある
一定の範囲に制御することをせずに、ユーザサイドでの
熱の使用量が燃料電池の発電に伴う反応熱よりも多いた
めに燃料電池の運転温度が低下した場合には、起動用冷
却水循環ポンプ27および加熱用バーナ28を運転する
ことにより水蒸気分離器21内の冷却水を加熱すること
によって燃料電池本体1を加熱する方法があるが、水蒸
気分離器21内の冷却水の熱容量分だけ応答が遅れるた
めに、燃料電池の運転温度の低下を検知して加熱用バー
ナを運転してから、その温度が再度、規定の温度に戻る
までに長時間を要するという問題がある。
一定の範囲に制御することをせずに、ユーザサイドでの
熱の使用量が燃料電池の発電に伴う反応熱よりも多いた
めに燃料電池の運転温度が低下した場合には、起動用冷
却水循環ポンプ27および加熱用バーナ28を運転する
ことにより水蒸気分離器21内の冷却水を加熱すること
によって燃料電池本体1を加熱する方法があるが、水蒸
気分離器21内の冷却水の熱容量分だけ応答が遅れるた
めに、燃料電池の運転温度の低下を検知して加熱用バー
ナを運転してから、その温度が再度、規定の温度に戻る
までに長時間を要するという問題がある。
【0019】また燃料電池発電装置は、他の発電装置と
比較して単位出力当たりの装置の設置面積が大きいので
、上記の機器のうち省略されるもの、一体化されるもの
があれば、それを実行して装置のコンパクト化を図るこ
とが要望されている。
比較して単位出力当たりの装置の設置面積が大きいので
、上記の機器のうち省略されるもの、一体化されるもの
があれば、それを実行して装置のコンパクト化を図るこ
とが要望されている。
【0020】本発明の目的は、燃料電池発電時ユーザに
熱を供給する際、電気需要量と熱需要量とのアンパラン
スにもフレキシブルに対応でき、またコンパクトにでき
る熱併給燃料電池を提供することである。
熱を供給する際、電気需要量と熱需要量とのアンパラン
スにもフレキシブルに対応でき、またコンパクトにでき
る熱併給燃料電池を提供することである。
【0021】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明によれば冷却水が流れる冷却水流路を有する
冷却板が組み込まれた燃料電池本体、並びに冷却板から
排出される冷却水を水蒸気と水とに分離する水蒸気分離
器と、この分離器からの冷却水がバーナでの燃焼による
熱媒体又はバーナを経る燃焼空気と熱交換する加熱用熱
交換器と、この熱交換器からの冷却水がユーザに供給す
る熱媒と熱交換する熱回収用熱交換器と、この熱交換器
からの冷却水を冷却板又は水蒸気分離器に戻すための切
換弁と、冷却水を循環する循環ポンプとを備えた冷却水
循環系を設けるものとする。
に、本発明によれば冷却水が流れる冷却水流路を有する
冷却板が組み込まれた燃料電池本体、並びに冷却板から
排出される冷却水を水蒸気と水とに分離する水蒸気分離
器と、この分離器からの冷却水がバーナでの燃焼による
熱媒体又はバーナを経る燃焼空気と熱交換する加熱用熱
交換器と、この熱交換器からの冷却水がユーザに供給す
る熱媒と熱交換する熱回収用熱交換器と、この熱交換器
からの冷却水を冷却板又は水蒸気分離器に戻すための切
換弁と、冷却水を循環する循環ポンプとを備えた冷却水
循環系を設けるものとする。
【0022】また、冷却水が流れる冷却水流路を有する
冷却板が組み込まれた燃料電池本体、並びに冷却板から
排出される冷却水を水蒸気と水とに分離する水蒸気分離
器と、バーナでの燃焼による熱媒体又はバーナを経る燃
焼空気と前記水蒸気分離器からの冷却水とユーザに供給
する熱媒とが熱交換する一体型熱交換器と、この熱交換
器からの冷却水を冷却板又は水蒸気分離器に戻すための
切換弁と、冷却水を循環する循環ポンプとを備えた冷却
水循環系を設けるものとする。
冷却板が組み込まれた燃料電池本体、並びに冷却板から
排出される冷却水を水蒸気と水とに分離する水蒸気分離
器と、バーナでの燃焼による熱媒体又はバーナを経る燃
焼空気と前記水蒸気分離器からの冷却水とユーザに供給
する熱媒とが熱交換する一体型熱交換器と、この熱交換
器からの冷却水を冷却板又は水蒸気分離器に戻すための
切換弁と、冷却水を循環する循環ポンプとを備えた冷却
水循環系を設けるものとする。
【0023】前記の加熱用熱交換器に代えて冷却水が熱
媒と熱交換する熱媒熱交換器及び空気と熱交換する空気
熱交換器とを直列に配設するものとする。
媒と熱交換する熱媒熱交換器及び空気と熱交換する空気
熱交換器とを直列に配設するものとする。
【0024】
【作用】燃料電池の起動時、燃料電池本体を昇温すると
きには冷却水循環系の水蒸気分離器からの冷却水を加熱
用熱交換器におけるバーナでの燃焼による熱媒体と熱交
換して昇温し、この昇温した冷却水は切換弁の切換えに
より全量水蒸気分離器に戻し、冷却水の温度が燃料電池
本体の昇温に適する温度までこの冷却水の循環を続けて
昇温する。
きには冷却水循環系の水蒸気分離器からの冷却水を加熱
用熱交換器におけるバーナでの燃焼による熱媒体と熱交
換して昇温し、この昇温した冷却水は切換弁の切換えに
より全量水蒸気分離器に戻し、冷却水の温度が燃料電池
本体の昇温に適する温度までこの冷却水の循環を続けて
昇温する。
【0025】上記の冷却水の昇温が終了すれば切換弁を
切換えて冷却水の全量を冷却板に供給して燃料電池本体
を電池反応に適する温度に昇温する。昇温すればバーナ
の燃焼を停止する。
切換えて冷却水の全量を冷却板に供給して燃料電池本体
を電池反応に適する温度に昇温する。昇温すればバーナ
の燃焼を停止する。
【0026】燃料電池本体の昇温後、反応ガスの供給に
より燃料電池は発電するが、この際生じる熱は冷却板を
流れる冷却水により除去され、このため昇温した冷却水
は熱回収用熱交換器にてユーザに供給する熱媒と熱交換
して熱媒に熱を与え、自らは低温となる。この低温の冷
却水は切換弁の切換えにより全量冷却板に送られて燃料
電池本体を冷却する。
より燃料電池は発電するが、この際生じる熱は冷却板を
流れる冷却水により除去され、このため昇温した冷却水
は熱回収用熱交換器にてユーザに供給する熱媒と熱交換
して熱媒に熱を与え、自らは低温となる。この低温の冷
却水は切換弁の切換えにより全量冷却板に送られて燃料
電池本体を冷却する。
【0027】この場合、燃料電池の運転温度を監視して
冷却水循環系の加熱用熱交換器における熱交換により冷
却水を介して燃料電池の運転温度を調節し、発電による
電気需要量と熱回収用熱交換器を介しての熱需要量のア
ンバランスによる余剰熱量の排出又は不足熱量の供給を
ユーザ側に負担をかけないように行う。すなわち、電気
需要量と比較して熱需要量が多い場合には、燃料電池の
運転温度は低下するので、加熱用バーナで燃焼して冷却
水を昇温して規定の運転温度を保持し、逆に熱需要量が
少ない場合には運転温度が上昇するので、加熱用バーナ
を燃焼させずに燃焼空気のみを供給して冷却水を降温さ
せて規定の運転温度を保持する。
冷却水循環系の加熱用熱交換器における熱交換により冷
却水を介して燃料電池の運転温度を調節し、発電による
電気需要量と熱回収用熱交換器を介しての熱需要量のア
ンバランスによる余剰熱量の排出又は不足熱量の供給を
ユーザ側に負担をかけないように行う。すなわち、電気
需要量と比較して熱需要量が多い場合には、燃料電池の
運転温度は低下するので、加熱用バーナで燃焼して冷却
水を昇温して規定の運転温度を保持し、逆に熱需要量が
少ない場合には運転温度が上昇するので、加熱用バーナ
を燃焼させずに燃焼空気のみを供給して冷却水を降温さ
せて規定の運転温度を保持する。
【0028】また、バーナでの燃焼による熱媒体又はバ
ーナを経る燃焼空気と水蒸気分離器からの冷却水とユー
ザに供給する熱媒との熱交換を同時に行うことのできる
一体型熱交換器を設けることにより、燃料電池をコンパ
クトにする。
ーナを経る燃焼空気と水蒸気分離器からの冷却水とユー
ザに供給する熱媒との熱交換を同時に行うことのできる
一体型熱交換器を設けることにより、燃料電池をコンパ
クトにする。
【0029】なお一体型バーナ付熱交換器を使用すれば
、ユーザに供給する熱媒は冷却水の他にバーナからの熱
媒体又はバーナを経る燃焼空気との熱交換によりユーザ
により応答の早い熱量供給が可能となる。
、ユーザに供給する熱媒は冷却水の他にバーナからの熱
媒体又はバーナを経る燃焼空気との熱交換によりユーザ
により応答の早い熱量供給が可能となる。
【0030】また、バーナを備えた熱交換器からなる加
熱用熱交換器に代えて、熱媒熱交換器と空気熱交換器と
を冷却水循環系に直列に配設することにより、冷却水を
昇温するときには熱媒熱交換器にて外部から供給される
熱媒と冷却水との熱交換により冷却水を昇温する。一方
冷却水を降温するときには空気熱交換器にて空気と冷却
水との熱交換により冷却水を降温する。
熱用熱交換器に代えて、熱媒熱交換器と空気熱交換器と
を冷却水循環系に直列に配設することにより、冷却水を
昇温するときには熱媒熱交換器にて外部から供給される
熱媒と冷却水との熱交換により冷却水を昇温する。一方
冷却水を降温するときには空気熱交換器にて空気と冷却
水との熱交換により冷却水を降温する。
【0031】
【実施例】以下図面に基づいて本発明の実施例について
説明する。図1は本発明の実施例による熱併給燃料電池
を備えた燃料電池発電装置の系統図である。なお図1及
び後述する図2ないし図4において図5の従来例と同一
部品には同じ符号を付し、その説明を省略する。図1に
おいて図5の従来例と異なるのは起動用冷却水循環系2
0を削除し、水蒸気分離器21と、加熱用バーナ28を
備えた熱交換器29からなる加熱用熱交換器30と、こ
の熱交換器からの冷却水を昇圧して送出する循環ポンプ
34と、熱回収用熱交換器23と、この熱交換器からの
冷却水を冷却板5又は水蒸気分離器21へ戻すための三
方切換弁35とを備えた冷却水循環系36を設けたこと
である。なお、冷却水循環系36は三方切換弁35から
水蒸気分離器21に冷却水を戻すバイパス系37を備え
ている。
説明する。図1は本発明の実施例による熱併給燃料電池
を備えた燃料電池発電装置の系統図である。なお図1及
び後述する図2ないし図4において図5の従来例と同一
部品には同じ符号を付し、その説明を省略する。図1に
おいて図5の従来例と異なるのは起動用冷却水循環系2
0を削除し、水蒸気分離器21と、加熱用バーナ28を
備えた熱交換器29からなる加熱用熱交換器30と、こ
の熱交換器からの冷却水を昇圧して送出する循環ポンプ
34と、熱回収用熱交換器23と、この熱交換器からの
冷却水を冷却板5又は水蒸気分離器21へ戻すための三
方切換弁35とを備えた冷却水循環系36を設けたこと
である。なお、冷却水循環系36は三方切換弁35から
水蒸気分離器21に冷却水を戻すバイパス系37を備え
ている。
【0032】このような構成により、燃料電池の起動時
には三方切換弁35を切換えて冷却水がバイパス系37
を経て水蒸気分離器21の方に流れるようにする。この
状態で燃料電池起動時は、加熱用バーナ28を備えた加
熱用熱交換器30にて前述と同様に加熱用バーナ28で
の燃焼により冷却水を170 ℃に昇温する。
には三方切換弁35を切換えて冷却水がバイパス系37
を経て水蒸気分離器21の方に流れるようにする。この
状態で燃料電池起動時は、加熱用バーナ28を備えた加
熱用熱交換器30にて前述と同様に加熱用バーナ28で
の燃焼により冷却水を170 ℃に昇温する。
【0033】つぎに三方切換弁35を切換えて昇温され
た冷却水が冷却板5の冷却管4に流れるようにする。こ
うすることにより燃料電池本体1は昇温された冷却水に
より電池反応に適する温度まで昇温される。なお、この
際三方切換弁35の開角度を徐々に変化させることによ
り、燃料電池本体1の冷却管4に流れる流量の増加を調
節すれば燃料電池本体1にかかる熱衝撃を緩和できる。
た冷却水が冷却板5の冷却管4に流れるようにする。こ
うすることにより燃料電池本体1は昇温された冷却水に
より電池反応に適する温度まで昇温される。なお、この
際三方切換弁35の開角度を徐々に変化させることによ
り、燃料電池本体1の冷却管4に流れる流量の増加を調
節すれば燃料電池本体1にかかる熱衝撃を緩和できる。
【0034】燃料電池本体1の昇温後、前述のように改
質ガスと空気とを燃料電池本体1に供給することにより
、電池反応により発電する。発電時には前述のように冷
却水循環系36に冷却水を循環させ、熱回収用熱交換器
23にてユーザに供給する熱媒に熱を与えて低温になっ
た冷却水により、発電時に生じる熱を除去して燃料電池
の運転温度を保持する。
質ガスと空気とを燃料電池本体1に供給することにより
、電池反応により発電する。発電時には前述のように冷
却水循環系36に冷却水を循環させ、熱回収用熱交換器
23にてユーザに供給する熱媒に熱を与えて低温になっ
た冷却水により、発電時に生じる熱を除去して燃料電池
の運転温度を保持する。
【0035】ところで、燃料電池の発電時の運転温度は
、発電に伴う反応熱を回収する熱回収用熱交換器23に
流れるユーザサイドから供給される熱媒の温度, 流量
により左右される。したがってユーザサイドでの熱の使
用量が燃料電池の発電に伴う反応熱より多いために燃料
電池の運転温度が低下した場合には、加熱用バーナ28
で燃焼させることにより、加熱用熱交換器30にて冷却
水を加熱昇温させ、この昇温した冷却水を介して燃料電
池本体1を加熱して規定の運転温度を保持する。
、発電に伴う反応熱を回収する熱回収用熱交換器23に
流れるユーザサイドから供給される熱媒の温度, 流量
により左右される。したがってユーザサイドでの熱の使
用量が燃料電池の発電に伴う反応熱より多いために燃料
電池の運転温度が低下した場合には、加熱用バーナ28
で燃焼させることにより、加熱用熱交換器30にて冷却
水を加熱昇温させ、この昇温した冷却水を介して燃料電
池本体1を加熱して規定の運転温度を保持する。
【0036】一方、逆にユーザサイドの熱需要量が少な
いために燃料電池の運転温度が上昇した場合には、加熱
用バーナ28での燃焼を行わずに燃焼空気のみを供給し
て冷却水を降温し、降温した冷却水を介して燃料電池本
体1を冷却して規定の運転温度を保持する。
いために燃料電池の運転温度が上昇した場合には、加熱
用バーナ28での燃焼を行わずに燃焼空気のみを供給し
て冷却水を降温し、降温した冷却水を介して燃料電池本
体1を冷却して規定の運転温度を保持する。
【0037】上記のように構成された装置では、水蒸気
分離器21を介して従来のように起動用冷却水循環系に
より冷却水を加熱する必要がないので、水蒸気分離器2
1内の冷却水の熱容量分だけ応答が遅れるという欠点が
なくなり、また電気需要量と熱消費量とのアンバランス
もフレキシブルに対応できる。
分離器21を介して従来のように起動用冷却水循環系に
より冷却水を加熱する必要がないので、水蒸気分離器2
1内の冷却水の熱容量分だけ応答が遅れるという欠点が
なくなり、また電気需要量と熱消費量とのアンバランス
もフレキシブルに対応できる。
【0038】なお、この場合の加熱用バーナ28と、こ
のバーナでの燃焼による熱媒体により冷却水に伝熱する
熱交換器29の能力は、その装置がコージェネレーショ
ンシステムとしての電気需要と熱需要との比率を予め調
査して決める必要がある。
のバーナでの燃焼による熱媒体により冷却水に伝熱する
熱交換器29の能力は、その装置がコージェネレーショ
ンシステムとしての電気需要と熱需要との比率を予め調
査して決める必要がある。
【0039】図2は本発明の異なる実施例による熱併給
燃料電池を備えた燃料電池発電装置の系統図である。図
2においては冷却水循環系36に加熱用バーナ28を備
えた熱交換器29からなる加熱用熱交換器30と熱回収
用熱交換器23 (図1参照) とを一体化した加熱用
バーナ28と熱交換器38とからなる一体型熱交換器3
9を水蒸気分離器21と循環ポンプ34との間に設置し
た他は図1と同じである。
燃料電池を備えた燃料電池発電装置の系統図である。図
2においては冷却水循環系36に加熱用バーナ28を備
えた熱交換器29からなる加熱用熱交換器30と熱回収
用熱交換器23 (図1参照) とを一体化した加熱用
バーナ28と熱交換器38とからなる一体型熱交換器3
9を水蒸気分離器21と循環ポンプ34との間に設置し
た他は図1と同じである。
【0040】一体型熱交換器39は図3に示すプレート
型熱交換器であるが、プレートフイン型熱交換器であっ
てもよい。図3においてケーシング40の一方の端部に
加熱用バーナ28を備え、ケーシング40には加熱用バ
ーナ28での燃焼による燃焼ガスが流れる燃焼ガス流路
と、冷却水が流れるセパレータ42で画された冷却水流
路43とユーザから供給される熱媒が流れるセパレータ
44で画された熱媒流路45とが伝熱板を介して多層に
配設され、燃焼ガスと冷却水と熱媒との熱交換を可能に
している。
型熱交換器であるが、プレートフイン型熱交換器であっ
てもよい。図3においてケーシング40の一方の端部に
加熱用バーナ28を備え、ケーシング40には加熱用バ
ーナ28での燃焼による燃焼ガスが流れる燃焼ガス流路
と、冷却水が流れるセパレータ42で画された冷却水流
路43とユーザから供給される熱媒が流れるセパレータ
44で画された熱媒流路45とが伝熱板を介して多層に
配設され、燃焼ガスと冷却水と熱媒との熱交換を可能に
している。
【0041】なお、46は加熱用バーナ28で燃焼が行
われる燃焼室、47は燃焼ガス流路から排出される燃焼
排ガスの排ガスマニホールド、48は冷却水が流入する
冷却水入口マニホールド、49は冷却水流路43から排
出される冷却水出口マニホールド、50はユーザから供
給される熱媒が流入する熱媒入口マニホールド、51は
熱媒流路45から排出される熱媒の熱媒出口マニホール
ドである。
われる燃焼室、47は燃焼ガス流路から排出される燃焼
排ガスの排ガスマニホールド、48は冷却水が流入する
冷却水入口マニホールド、49は冷却水流路43から排
出される冷却水出口マニホールド、50はユーザから供
給される熱媒が流入する熱媒入口マニホールド、51は
熱媒流路45から排出される熱媒の熱媒出口マニホール
ドである。
【0042】つぎに、このような構成による一体型熱交
換器の作用について説明する。加熱用バーナ28に燃料
と燃焼空気とを供給することにより、燃焼室46にて燃
焼を行わせると、燃焼ガスは燃焼ガス流路を流れて排ガ
スマニホールド47に排出され、このマニホールドから
外部に燃焼排ガスとして排出される。
換器の作用について説明する。加熱用バーナ28に燃料
と燃焼空気とを供給することにより、燃焼室46にて燃
焼を行わせると、燃焼ガスは燃焼ガス流路を流れて排ガ
スマニホールド47に排出され、このマニホールドから
外部に燃焼排ガスとして排出される。
【0043】一方、冷却水は冷却水入口マニホールド4
8に流入し、このマニホールドから冷却水流路43を流
れ、冷却水出口マニホールド49から外部に排出される
。
8に流入し、このマニホールドから冷却水流路43を流
れ、冷却水出口マニホールド49から外部に排出される
。
【0044】またユーザから供給される熱媒は熱媒入口
マニホールド50に流入し、熱媒流路45を流れて熱媒
出口マニホールド51からユーザに戻される。
マニホールド50に流入し、熱媒流路45を流れて熱媒
出口マニホールド51からユーザに戻される。
【0045】したがって燃焼ガス流路, 冷却水流路4
3, 熱媒流路45は多層に伝熱板を介して配設されて
いるので、燃焼ガス流路を流れる燃焼ガスと冷却水流路
を流れる冷却水と熱媒流路45を流れる熱媒とは伝熱板
を介して熱交換する。
3, 熱媒流路45は多層に伝熱板を介して配設されて
いるので、燃焼ガス流路を流れる燃焼ガスと冷却水流路
を流れる冷却水と熱媒流路45を流れる熱媒とは伝熱板
を介して熱交換する。
【0046】したがって燃料電池の起動時、燃料電池本
体1の昇温時には加熱用バーナ28による燃焼により燃
焼ガス流路を流れる燃焼ガスと冷却水流路43を流れる
冷却水とを熱交換させることにより、冷却水を昇温して
燃料電池本体の昇温を行う。
体1の昇温時には加熱用バーナ28による燃焼により燃
焼ガス流路を流れる燃焼ガスと冷却水流路43を流れる
冷却水とを熱交換させることにより、冷却水を昇温して
燃料電池本体の昇温を行う。
【0047】また、燃料電池の発電時、ユーザに熱を供
給するとき、熱需要量が電気需要量より多い場合加熱用
バーナ28による燃焼により燃焼ガス流路を流れる燃焼
ガスと冷却水流路43を流れる冷却水と熱媒流路45を
流れる熱媒とを熱交換させることにより、燃料電池の規
定の運転温度を保持しながら熱需要量と電気需要量のア
ンバランスに対応する。この際、熱媒は燃焼ガスとの熱
交換により熱が与えられるのでユーザへの熱量供給の応
答が早くなる。
給するとき、熱需要量が電気需要量より多い場合加熱用
バーナ28による燃焼により燃焼ガス流路を流れる燃焼
ガスと冷却水流路43を流れる冷却水と熱媒流路45を
流れる熱媒とを熱交換させることにより、燃料電池の規
定の運転温度を保持しながら熱需要量と電気需要量のア
ンバランスに対応する。この際、熱媒は燃焼ガスとの熱
交換により熱が与えられるのでユーザへの熱量供給の応
答が早くなる。
【0048】また熱需要量が電気需要量より少ないとき
には、加熱用バーナ28を燃焼させずに燃焼空気を熱媒
ガス流路に通流させ、この燃焼空気と冷却水流路43を
流れる冷却水と熱媒流路45を流れる熱媒との熱交換さ
せることにより、燃料電池の規定の運転温度を保持しな
がら熱需要量と電気需要量のアンバランスに対応する。 この際熱媒は燃焼空気との熱交換により、熱が除去され
るので、ユーザへの熱量供給の応答が早くなる。
には、加熱用バーナ28を燃焼させずに燃焼空気を熱媒
ガス流路に通流させ、この燃焼空気と冷却水流路43を
流れる冷却水と熱媒流路45を流れる熱媒との熱交換さ
せることにより、燃料電池の規定の運転温度を保持しな
がら熱需要量と電気需要量のアンバランスに対応する。 この際熱媒は燃焼空気との熱交換により、熱が除去され
るので、ユーザへの熱量供給の応答が早くなる。
【0049】なお、図1における加熱用熱交換器30の
代わりに図5に示すように冷却水が熱媒、例えば熱媒油
と熱交換する熱媒熱交換器53と、空気と熱交換する空
気熱交換器54とを冷却水循環系36に直列に配設し、
冷却水を加熱するときには熱媒熱交換器53に熱媒油を
供給し、冷却するときには空気熱交換器54に空気を供
給して冷却水の加熱, 冷却を行ってもよい。
代わりに図5に示すように冷却水が熱媒、例えば熱媒油
と熱交換する熱媒熱交換器53と、空気と熱交換する空
気熱交換器54とを冷却水循環系36に直列に配設し、
冷却水を加熱するときには熱媒熱交換器53に熱媒油を
供給し、冷却するときには空気熱交換器54に空気を供
給して冷却水の加熱, 冷却を行ってもよい。
【0050】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば燃料電池本体を起動時加熱し、発電時反応熱を
除去する冷却水を、発電時冷却板, 水蒸気分離器,
加熱用熱交換器又はこれに代わる熱媒と空気熱交換器,
熱回収用熱交換器間を循環ポンプにより循環させ、か
つ起動時冷却板をバイパスさせて循環させる冷却水循環
系を設けたことにより、起動時の燃料電池本体の昇温,
発電時のこの本体の昇温, 降温を従来のように起動
用冷却水循環系を使用しないで行うので、水蒸気分離器
の熱容量による応答の遅れなく冷却水の昇温, 降温を
行うことができ、特に発電時電気需要量と熱需要量のア
ンバランスがあっても燃料電池の規定の運転温度に応答
を早くして保持して前記アンバランスにフレキシブルに
対応できる。
によれば燃料電池本体を起動時加熱し、発電時反応熱を
除去する冷却水を、発電時冷却板, 水蒸気分離器,
加熱用熱交換器又はこれに代わる熱媒と空気熱交換器,
熱回収用熱交換器間を循環ポンプにより循環させ、か
つ起動時冷却板をバイパスさせて循環させる冷却水循環
系を設けたことにより、起動時の燃料電池本体の昇温,
発電時のこの本体の昇温, 降温を従来のように起動
用冷却水循環系を使用しないで行うので、水蒸気分離器
の熱容量による応答の遅れなく冷却水の昇温, 降温を
行うことができ、特に発電時電気需要量と熱需要量のア
ンバランスがあっても燃料電池の規定の運転温度に応答
を早くして保持して前記アンバランスにフレキシブルに
対応できる。
【0051】また、冷却水循環系に一体型熱交換器を設
けたことにより、熱併給燃料電池はコンパクトになると
ともに、前述と同様に水蒸気分離器の熱容量による応答
の遅れがなく、燃料電池の規定の運転温度を保持しなが
ら電気需要量と熱需要量のアンバランスにフレキシブル
に対応するとともに、熱媒はバーナでの燃焼による熱媒
体又はバーナを経る燃焼空気と熱交換されるので、ユー
ザへの熱量供給が応答早く行われるという効果がある。
けたことにより、熱併給燃料電池はコンパクトになると
ともに、前述と同様に水蒸気分離器の熱容量による応答
の遅れがなく、燃料電池の規定の運転温度を保持しなが
ら電気需要量と熱需要量のアンバランスにフレキシブル
に対応するとともに、熱媒はバーナでの燃焼による熱媒
体又はバーナを経る燃焼空気と熱交換されるので、ユー
ザへの熱量供給が応答早く行われるという効果がある。
【図1】本発明の実施例による熱併給燃料電池を備えた
燃料電池発電装置の系統図
燃料電池発電装置の系統図
【図2】本発明の異なる実施例による熱併給燃料電池を
備えた燃料電池発電装置の系統図
備えた燃料電池発電装置の系統図
【図3】図2の熱併給燃料電池における一体型熱交換器
の構成図
の構成図
【図4】本発明の他の異なる実施例による熱併給燃料電
池における熱媒熱交換器と空気熱交換器との配置図
池における熱媒熱交換器と空気熱交換器との配置図
【図
5】従来の熱併給燃料電池をそなかた燃料電池発電装置
の系統図
5】従来の熱併給燃料電池をそなかた燃料電池発電装置
の系統図
1 燃料電池本体
5 冷却板
21 水蒸気分離器
23 熱回収用熱交換器
28 加熱用バーナ
29 熱交換器
30 加熱用熱交換器
34 循環ポンプ
35 三方切換弁
36 冷却水循環系
39 一体型熱交換器
53 熱媒熱交換器
54 空気熱交換器
Claims (3)
- 【請求項1】冷却水が流れる冷却水流路を有する冷却板
が組み込まれた燃料電池本体、並びに冷却板から排出さ
れる冷却水を水蒸気と水とに分離する水蒸気分離器と、
この分離器からの冷却水がバーナでの燃焼による熱媒体
又はバーナを経る燃焼空気と熱交換する加熱用熱交換器
と、この熱交換器からの冷却水がユーザに供給する熱媒
と熱交換する熱回収用熱交換器と、この熱交換器からの
冷却水を冷却板又は水蒸気分離器に戻すための切換弁と
、冷却水を循環する循環ポンプとを備えた冷却水循環系
を設けたことを特徴とする熱併給燃料電池。 - 【請求項2】冷却水が流れる冷却水流路を有する冷却板
が組込まれた燃料電池本体、並びに冷却板から排出され
る冷却水を水蒸気と水とに分離する水蒸気分離器と、バ
ーナでの燃焼による熱媒体又はバーナを経る燃焼空気と
前記水蒸気分離器からの冷却水とユーザに供給する熱媒
とが熱交換する一体型熱交換器と、この熱交換器からの
冷却水を冷却板又は水蒸気分離器に戻すための切換弁と
、冷却水を循環する循環ポンプとを備えた冷却水循環系
を設けたことを特徴とする熱併給燃料電池。 - 【請求項3】請求項1記載の熱併給燃料電池において、
前記加熱用熱交換器に代えて冷却水が熱媒と熱交換する
熱媒熱交換器及び空気と熱交換する空気熱交換器とを直
列に配設したことを特徴とする熱併給燃料電池。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3120521A JPH04349357A (ja) | 1991-05-27 | 1991-05-27 | 熱併給燃料電池 |
US07/887,828 US5316870A (en) | 1991-05-27 | 1992-05-26 | Heat supply and electric power-generating fuel cell |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3120521A JPH04349357A (ja) | 1991-05-27 | 1991-05-27 | 熱併給燃料電池 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH04349357A true JPH04349357A (ja) | 1992-12-03 |
Family
ID=14788315
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP3120521A Pending JPH04349357A (ja) | 1991-05-27 | 1991-05-27 | 熱併給燃料電池 |
Country Status (2)
Country | Link |
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