JPH0922715A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】水蒸気分離器の圧力が安定して制御され、燃料
電池本体が安定して冷却される冷却系統を備えるものを
得る。 【構成】水蒸気分離器３の貯水を冷却水循環ポンプ４に
よって燃料電池本体１へ送り、加熱されて生じた加圧水
あるいは気液二相流を水蒸気分離器３の気相部へ循環さ
せる方式の冷却ラインにおいて、冷却水循環ポンプ４と
燃料電池本体１との間に冷却水加熱器１１を、また出口
側の燃料電池本体１と水蒸気分離器３との間に冷却水加
熱器６を設け、出口側の蒸気量が所定値を越えた際には
冷却水加熱器１１を用いて加熱することとして、水蒸気
分離器３の圧力を安定に制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池発電装置の燃
料電池本体の発熱を除去し所定温度に保持する冷却系統
の構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池発電装置は、ＬＮＧ等の原燃料
を水蒸気改質して得られる水素と、空気中の酸素を、そ
れぞれ、燃料電池本体の燃料極と空気極とに供給して、
電気化学反応により発電するもので、リン酸型燃料電池
発電装置では、発電に伴い発生する熱を冷却水を供給し
て除去し、燃料電池本体の運転温度を一定温度に維持す
るとともに、発生熱を回収して有効活用している。

【０００３】図４は、従来より用いられている燃料電池
発電装置の燃料電池本体の冷却系統の基本構成を示す系
統図である。図において、燃料電池本体１は模式的に示
されており、図示しない電解質層を燃料極と空気極とで
挟持して単位セルを構成し、この単位セルを複数個重ね
る毎に冷却管を備えた冷却板２を配設して構成されてい
る。

【０００４】ＬＮＧ等の原燃料は、エゼクタ７へ送ら
れ、水蒸気分離器３からプロセススチーム弁９を介して
送られる高圧の水蒸気と混合されたのち、燃料改質器８
へと送られ、水蒸気改質して燃料電池本体１の燃料極へ
と供給される。改質反応を安定して継続させるために
は、原燃料と高圧の水蒸気が安定して供給されることが
必須条件である。

【０００５】燃料電池本体１の冷却板２に備えられた冷
却管には、水蒸気分離器３からの冷却水が冷却水循環ポ
ンプ４により送られる。発電による生成熱を除去して冷
却し、その熱を得て高温になった加圧水、あるいは水と
水蒸気からなる気液二相流の冷却水は、熱回収用熱交換
器５および冷却水加熱器６を経て、水蒸気分離器３の気
相部へと還流される。

【０００６】熱回収用熱交換器５は、燃料電池本体１か
ら排出される加圧水あるいは気液二相流の冷却水に蓄え
られた熱を回収するためのもので、二次冷却水を供給し
て外部に熱回収するとともに、水蒸気分離器３の圧力を
一定に制御することにより、エゼクタ７への高圧の水蒸
気の供給量を安定させ、かつ燃料電池本体１へ送られる
冷却水の温度を一定に保持する役割をはたしている。

【０００７】冷却水加熱器６は、起動時および水蒸気分
離器３の圧力低下時の補償用として設置されているもの
で、電気ヒーターを組み込んで構成されており、起動時
の低温状態から運転可能な温度へ昇温させる場合、およ
び運転中に熱バランスが崩れて水蒸気分離器３の圧力が
低下した場合に、電気ヒーターに通電することにより昇
温させ、蒸気量を増大させて圧力を上昇させる役割をは
たすものである。なお、図４に示した冷却系統では冷却
水加熱器６を冷却水の燃料電池本体１の戻り配管に設置
しているが、水蒸気分離器３の内部に付設して構成する
方式が採られている場合もある。

【０００８】また、水蒸気分離器３は、上述のように冷
却水を燃料電池本体１へ送り、エゼクタ７へ高圧の水蒸
気を供給するとともに、高圧の水蒸気の一部を外部スチ
ーム取出弁１０を介して外部に取り出し、例えば吸収式
冷凍機や給湯用熱交換器へと送り、熱利用される。した
がって、このように構成した冷却系統を備えれば、燃料
電池本体１は一定温度に保持された冷却水により安定し
て冷却され、エゼクタ７へ高圧の水蒸気が安定して供給
され、さらに反応生成熱の有効活用が図られることとな
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ごとき構成の冷却系統を備えた燃料電池発電装置におい
ても、発電量が大きく生成熱が大きい状態において、水
蒸気分離器３の圧力が低下する事態が生じれば、電気ヒ
ーターを用いた冷却水加熱器６で局部加熱が生じて破損
する危険性があり、さらには冷却性能が低下して燃料電
池本体１の温度上昇をもたらす恐れがある。

【００１０】すなわち、通常運転状態から発電量が増大
し、これにともなって生成熱が増大すると、燃料電池本
体１から排出される気液二相流の冷却水の蒸気の割合が
高い状態となる。このとき、例えば外部へ取り出す蒸気
量の変動等によって、水蒸気分離器３の圧力が低下する
事態が生じれば、圧力を保持するために電気ヒーターが
通電され冷却水加熱器６が作動することとなるが、蒸気
の割合が高いため、通電される電気ヒーターは蒸気中に
在る部分で局部加熱を生じ、熱応力により破損する危険
性がある。また、部分的に蒸気が大量に発生して冷却水
循環系の圧力損失が増大し、これに伴って冷却水循環ポ
ンプ４の吐出量が低下し、累進的に蒸気の割合が上昇し
て燃料電池本体１への冷却水の供給が不十分となり、燃
料電池本体１の温度上昇をもたらす恐れが生じる。

【００１１】また、熱利用のために、外部スチーム取出
弁１０を介して、水蒸気分離器３から外部の吸収式冷凍
機や給湯用熱交換器へ水蒸気を供給しているシステムの
場合には、通常、発電量が低い状態においても外部に大
量の水蒸気を供給する必要があり、上記と同様に、冷却
水加熱器６の必要発熱量が増大し、前述と同様の電気ヒ
ーターの局部加熱の発生、冷却性能の低下をもたらす恐
れがある。

【００１２】本発明は、上記の難点を解消し、水蒸気分
離器の圧力が安定して制御され、燃料電池本体が安定し
て冷却される冷却系統を備えた信頼性の高い燃料電池発
電装置を提供することにある。

【００１３】

【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、 (1) 燃料電池本体の発熱を除去する冷却ラインに、水蒸
気分離器と、水蒸気分離器の貯水を燃料電池本体へ送
り、加熱により生じる加圧水あるいは気液二相流を水蒸
気分離器の気相へ循環させる冷却水循環ポンプとを有す
る燃料電池発電装置において、冷却水が供給される冷却
水循環ポンプと燃料電池本体との間、および加圧水ある
いは気液二相流が流れる燃料電池本体と水蒸気分離器と
の間に、それぞれ冷却水加熱器を備えることとする。

【００１４】(2) あるいは、加圧水あるいは気液二相流
が流れる燃料電池本体と水蒸気分離器との間に油循環式
の加熱手段を備える冷却水加熱器を備えることとする。 (3) さらに、冷却水が供給される冷却水循環ポンプと燃
料電池本体との間、および加圧水あるいは気液二相流が
流れる燃料電池本体と水蒸気分離器との間に、冷却水加
熱器を備える燃料電池発電装置において、加圧水あるい
は気液二相流が流れる燃料電池本体と水蒸気分離器との
間に備える冷却水加熱器を、油循環式の加熱手段を備え
る冷却水加熱器とする。

【００１５】(4) さらに、上記の(2) あるいは(3) に備
える冷却水加熱器の油循環式の加熱手段を、閉ループの
油循環回路を備える油循環装置から分岐する循環系を有
してなるものとする。

【００１６】

【作用】上記(1) のごとく、冷却水が供給される冷却水
循環ポンプと燃料電池本体との間に第１の冷却水加熱器
を、また加圧水あるいは気液二相流が流れる燃料電池本
体と水蒸気分離器との間に第２の冷却水加熱器を備える
こととすれば、冷却ライン、したがって水蒸気分離器の
圧力は、二つの冷却水加熱器によって制御することが可
能となる。したがって、通常運転での圧力は、第１の冷
却水加熱器を用いて制御し、高負荷等により水蒸気量が
所定値以上に達した場合には、第２の冷却水加熱器を用
いて制御することとすれば、第１の冷却水加熱器での局
部加熱が防止され、かつ所要の圧力が得られることとな
る。なお、このように燃料電池本体の入口側に配した第
２の冷却水加熱器を用いて入熱しても、燃料電池本体の
熱容量は大きいので、短時間に温度上昇をきたす恐れは
なく、この間に温度出力の低減、あるいは外部へ取り出
す蒸気量の低減により、熱バランスが回復し、水蒸気分
離器の圧力一定制御が可能となる。

【００１７】また、上記(2) のごとく、加圧水あるいは
気液二相流が流れる燃料電池本体と水蒸気分離器との間
に油循環式の加熱手段を備える冷却水加熱器を備えるこ
ととすれば、油温を 200〜350 ℃に制御して用いれば所
定の圧力制御が可能であるので、電気ヒーター式の加熱
のような局部加熱が回避され、水蒸気の局部発生も防止
されることとなる。

【００１８】さらに、上記(3) のごとくにすれば、燃料
電池本体と水蒸気分離器との間に備えた油循環式の加熱
手段を備える冷却水加熱器は、燃料電池本体の入口側に
設けられた冷却水加熱器によりバックアップされること
となるので、負担が軽減し、より安定した運転が可能と
なる。さらに、上記(4) のごとく、冷却水加熱器の油循
環式の加熱手段を、閉ループの油循環回路を備える油循
環装置から分岐する循環系を有してなるものとすれば、
一定温度に加熱した油を閉ループの油循環回路に常時循
環させておき、冷却水加熱器の加熱が必要な際には弁操
作により分流させて冷却水加熱器へ送る方法を採れば、
瞬時に所定温度での加熱が可能となるので、水蒸気分離
器の圧力が、時間遅れを生じることなく安定して制御さ
れることとなる。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。図１は、本発明の燃料電池発電装置の第１の実施例
を示す燃料電池本体の冷却系統の基本構成を示す系統図
である。図において、図４に示した従来例と同一機能を
有する構成部品には同一符号を付して重複する説明は省
略する。本実施例の従来例との差異は、水蒸気分離器３
からの冷却水を循環供給する冷却水循環ポンプ４と燃料
電池本体１との間に、冷却水加熱器１１が設置されてい
る点にある。

【００２０】本構成においては、冷却水の蒸気量が所定
値以上に達し、かつ水蒸気分離器３の圧力を上昇させる
必要が生じた場合には、差圧計１２により冷却水加熱器
６の差圧の計測、あるいは温度計１３により冷却水加熱
器６の出口水温の計測により、条件を検知し、冷却水加
熱器１１を用いて冷却水を加熱して、圧力を上げる方法
を採る。したがって、冷却水加熱器６による過大な加熱
を行う必要がないので、局部加熱や熱応力による破損等
の恐れを生じることなく、水蒸気分離器３の圧力を安定
に制御できることとなる。なお、このように燃料電池本
体１の入口側にある冷却水加熱器１１を用いて入熱して
も、燃料電池本体１の熱容量は極めて大きいので、短時
間に温度上昇をきたす恐れはなく、この間に温度出力の
低減、あるいは外部へ取り出す蒸気量の低減により、熱
バランスが回復し、水蒸気分離器３の圧力の一定制御が
可能となる。

【００２１】図２は、本発明の燃料電池発電装置の第２
の実施例を示す燃料電池本体の冷却系統の基本構成を示
す系統図である。本実施例の従来例との差異は、加圧水
あるいは気液二相流が流れる燃料電池本体１と水蒸気分
離器３との間に、従来の電気ヒーター式の冷却水加熱器
６に代わって油循環式冷却水加熱器１４が備えられ、さ
らに、冷却水循環ポンプ４と燃料電池本体１との間に、
冷却水加熱器１１が設置されている点にあり、冷却水加
熱器１４には油加熱器１６で加熱された油が油循環ポン
プ１５で送られている。

【００２２】本構成においては、冷却水の蒸気量が所定
値以上に達し、かつ水蒸気分離器３の圧力を上昇させる
必要が生じた場合においても、前述のように、油温を 2
00〜350 ℃に制御して用いれば、水蒸気分離器３の圧力
制御が可能であるので、電気ヒーター式の加熱のような
局部加熱が回避され、水蒸気の局部発生も防止されるこ
ととなる。なお、本実施例では、冷却水加熱器１１が設
置されており、油循環式冷却水加熱器１４の動作がバッ
クアップされることとなるので、負担が軽減し、より安
定した運転が可能となる。

【００２３】図３は、本発明の燃料電池発電装置の第２
の実施例を示す燃料電池本体の冷却系統の基本構成を示
す系統図である。本実施例は、図３の構成において、油
循環式冷却水加熱器１４へ加熱油を供給する油加熱器１
６と油循環ポンプ１５で構成される油循環装置に、さら
に三方弁１７を付加して、閉ループの油循環回路を備え
た点が特徴である。

【００２４】本構成においては、一定温度に加熱した油
を、油加熱器１６と油循環ポンプ１５と三方弁１７とに
より構成される閉ループの油循環回路に常時循環させて
おき、冷却水加熱器１４の加熱が必要な際には、三方弁
１７を操作して冷却水加熱器１４へ分流させて送る方法
を採れば、油循環式冷却水加熱器１４は瞬時に所定温度
での加熱が可能となるので、油熱媒の昇温による時間遅
れを生じることなく、水蒸気分離器３の圧力を安定して
制御できることとなる。

【００２５】

【発明の効果】上述のように、本発明によれば、 (1) 燃料電池本体の発熱を除去する冷却ラインに、水蒸
気分離器と、水蒸気分離器の貯水を燃料電池本体へ送
り、加熱により生じる加圧水あるいは気液二相流を水蒸
気分離器の気相へ循環させる冷却水循環ポンプとを有す
る燃料電池発電装置において、冷却水が供給される冷却
水循環ポンプと燃料電池本体との間、および加圧水ある
いは気液二相流が流れる燃料電池本体と水蒸気分離器と
の間に、それぞれ冷却水加熱器を備えることとしたの
で、冷却ライン、したがって水蒸気分離器の圧力は、二
つの冷却水加熱器によって制御することが可能となり、
高負荷等により水蒸気量が所定値以上に達した場合に
も、冷却水循環ポンプと燃料電池本体との間に設置の冷
却水加熱器を用いて制御することにより水蒸気分離器の
圧力は正常に制御されるので、水蒸気分離器の圧力が安
定して制御され、燃料電池本体が安定して冷却される冷
却系統を備えた信頼性の高い燃料電池発電装置が得られ
ることとなった。

【００２６】(2) また、加圧水あるいは気液二相流が流
れる燃料電池本体と水蒸気分離器との間に油循環式の加
熱手段を備える冷却水加熱器を備えることとすれば、油
温を適温に制御して用いれば所定の圧力制御が可能であ
るので、水蒸気分離器の圧力が安定して制御され、燃料
電池本体が安定して冷却される冷却系統を備えた信頼性
の高い燃料電池発電装置として好適である。

【００２７】(3) さらに、冷却水が供給される冷却水循
環ポンプと燃料電池本体との間、および加圧水あるいは
気液二相流が流れる燃料電池本体と水蒸気分離器との間
に、冷却水加熱器を備える燃料電池発電装置において、
燃料電池本体と水蒸気分離器との間に備える冷却水加熱
器を、油循環式の加熱手段を備える冷却水加熱器とする
こととすれば、油循環式の加熱手段を備えた冷却水加熱
器は、燃料電池本体の入口側に設けられた冷却水加熱器
によりバックアップされることとなるので、負担が軽減
され、より安定した運転が可能となるので、水蒸気分離
器の圧力が安定して制御され、燃料電池本体が安定して
冷却される冷却系統を備えた信頼性の高い燃料電池発電
装置としてより好適である。

【００２８】(4) さらに、上記の(2) あるいは(3) の冷
却水加熱器の油循環式の加熱手段を、閉ループの油循環
回路を備える油循環装置から分岐する循環系を有してな
るものとすれば、一定温度に加熱した油を閉ループの油
循環回路に常時循環させておき、冷却水加熱器の加熱が
必要な際には弁操作により分流させて冷却水加熱器へ送
る方法を採ることにより、瞬時に所定温度での加熱が可
能となるので、水蒸気分離器の圧力が、時間遅れを生じ
ることなく安定して制御されることとなり、水蒸気分離
器の圧力が安定して制御され、燃料電池本体が安定して
冷却される冷却系統を備えた信頼性の高い燃料電池発電
装置としてより好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池発電装置の第１の実施例を示
す燃料電池本体の冷却系統の基本構成を示す系統図

【図２】本発明の燃料電池発電装置の第２の実施例を示
す燃料電池本体の冷却系統の基本構成を示す系統図

【図３】本発明の燃料電池発電装置の第３の実施例を示
す燃料電池本体の冷却系統の基本構成を示す系統図

【図４】従来より用いられている燃料電池発電装置の燃
料電池本体の冷却系統の基本構成を示す系統図

【符号の説明】

１ 燃料電池本体 ２ 冷却板 ３ 水蒸気分離器 ４ 冷却水循環ポンプ ５ 熱回収用熱交換器 ６ 冷却水加熱器 ７ エゼクタ ８ 燃料改質器 ９ プロセススチーム弁 １０ 外部スチーム取出弁 １１ 冷却水加熱器 １２ 差圧計 １３ 温度計 １４ 油循環式冷却水加熱器 １５ 油循環ポンプ １６ 油加熱器 １７ 三方弁

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料電池本体の発熱を除去する冷却ライン
   に、水蒸気分離器と、水蒸気分離器の貯水を燃料電池本
   体へ送り、加熱により生じる加圧水あるいは気液二相流
   を水蒸気分離器の気相へ循環させる冷却水循環ポンプと
   を有する燃料電池発電装置において、冷却水が流れる冷
   却水循環ポンプと燃料電池本体との間、および加圧水あ
   るいは気液二相流が流れる燃料電池本体と水蒸気分離器
   との間に、それぞれ冷却水加熱器が備えられていること
   を特徴とする燃料電池発電装置。
2. 【請求項２】燃料電池本体の発熱を除去する冷却ライン
   に、水蒸気分離器と、水蒸気分離器の貯水を燃料電池本
   体へ送り、加熱により生じる加圧水あるいは気液二相流
   を水蒸気分離器の気相へ循環させる冷却水循環ポンプと
   を有する燃料電池発電装置において、加圧水あるいは気
   液二相流が流れる燃料電池本体と水蒸気分離器との間に
   油循環式の加熱手段を備える冷却水加熱器が備えられて
   いることを特徴とする燃料電池発電装置。
3. 【請求項３】請求項１に記載の燃料電池発電装置におい
   て、冷却水が流れる冷却水循環ポンプと燃料電池本体と
   の間に備えられる冷却水加熱器が、油循環式の加熱手段
   を備える冷却水加熱器であることを特徴とする燃料電池
   発電装置。
4. 【請求項４】請求項２または３に記載の燃料電池発電装
   置において、油循環式の加熱手段が、閉ループの油循環
   回路を備える油循環装置から分岐する循環系を有してな
   ることを特徴とする燃料電池発電装置。