JPH0982350A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】通常運転中に水蒸気分離器の温度、圧力が低下
する事態が生じても大幅な温度、圧力の変動を生じるこ
となく安定して制御できるものとする。 【解決手段】燃料電池本体１の水冷式冷却器１Ａに冷却
水循環ポンプ８により冷却水を送り、排出された二相流
を回収して得られる飽和水蒸気３２を水蒸気改質系２へ
と送る水蒸気分離器３に、発電装置の起動時に燃料電池
本体１を所定温度まで加熱するために設けられた加熱循
環系６において、加熱循環ポンプ９をＶＶＶＦインバー
タ９で駆動することとし、通常の発電運転中も低速回転
で運転し、加熱循環系６の冷却水を常時微流量で循環さ
せる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、水冷式の燃料電
池本体を備えた燃料電池発電装置、ことにその起動時の
燃料電池本体の加熱に用いられる加熱循環系の構成に関
する。

【０００２】

【従来の技術】水冷式の燃料電池本体を備えた燃料電池
発電装置において、簡潔な構成で効率の高い運転を行う
ためには、発電電力や燃料電池本体の発生熱を有効に活
用する水系統、電気系統のシステムを構成する必要があ
る。このように簡潔な構成で効率の高い運転を行う燃料
電池発電装置としては、すでに特開平２−２３０６６６
号公報に開示されている燃料電池発電装置がある。

【０００３】図３は、上記の特開平２−２３０６６６号
公報に開示された燃料電池発電装置の水系統および出力
電気系統を簡略化して示したシステム図である。図にお
いて、模式的に表示された燃料電池本体１の水冷式冷却
器１Ａは、冷却水循環ポンプ８を備えた冷却水循環系４
により水蒸気分離器３と連結されており、水蒸気分離器
３の包蔵水３１は、冷却水循環ポンプ８により水冷式冷
却器１Ａへと送られ、燃料電池本体１を冷却して所定の
運転温度に保持し、加熱されて高圧の水蒸気を含む二相
流となって水蒸気分離器３へと戻される。水蒸気分離器
３において二相流は包蔵水３１を加温し、加温された包
蔵水３１により飽和水蒸気３２を生じ、気化熱により包
蔵水３１は冷却される。生じた飽和水蒸気３２は圧力調
整弁により所定温度として水蒸気改質器７を備えた水蒸
気改質系２へと送られ、原燃料を水素濃度の高い燃料ガ
スへと改質するのに用いられる。改質された燃料ガスは
燃料電池本体１の燃料極へと送られ、別途空気極へ送ら
れる空気とともに、燃料電池本体１で電気化学反応を生
じて直流電力を発生する。得られた直流電力は直流開閉
器１２を経て直交変換装置１３により交流電力へと変換
され、負荷開閉器１４を介して、例えば交流電力系統１
５へと供給される。

【０００４】一方、燃料電池発電装置の発電運転を開始
するためには、燃料電池本体１を起動に好適な温度に予
熱するとともに、水蒸気改質系２へ所定の温度に加熱さ
れた飽和水蒸気３２を送り改質された燃料ガスを得て燃
料極へ送る必要がある。図３において、水蒸気分離器３
に連結された加熱器５と加熱循環ポンプ９とを備えた加
熱循環系６は、発電運転を開始するために用いられる系
統で、加熱器５に内蔵する電気ヒーター２１Ａ、２１Ｂ
により、加熱循環ポンプ９で送られる包蔵水３１を加熱
し、飽和水蒸気３２を発生させると同時に、加熱された
包蔵水３１を加熱媒体として冷却水循環系４を通して燃
料電池本体１へと送り予熱する。本構成例では、上記の
ように二つ電気ヒーター２１Ａ、２１Ｂが用いられてお
り、起動に際しては、まず、直流開閉器１２と負荷開閉
器１４を開状態に、また電磁開閉器２３Ａ、２３Ｂを閉
状態として、電気ヒーター２１Ａ、２１Ｂに交流電力系
統１５から交流電力を供給して加熱し、水蒸気分離器３
の包蔵水３１を加熱循環系６に送って加温し、飽和水蒸
気３２を発生させるとともに燃料電池本体１を昇温す
る。包蔵水３１の加温が進み、燃料電池本体１へ送られ
る燃料ガス量が所定量まで増加した時点で、直流開閉器
１２を閉じて直交変換装置１３を作動させるとともに、
電磁開閉器２３Ａ、２３Ｂを開き、電磁開閉器２４、２
５Ａを閉じて、燃料電池本体１で発生し交流に変換され
た電力を電圧調整器２６で電圧調整しつつ電気ヒーター
２１Ａへと送る。さらに、電気ヒーター２１Ａへの供給
電力がその容量を越える状態に達した時点で、電磁開閉
器２５Ｂを閉じて電気ヒーター２１Ｂへも電力を供給
し、燃料電池本体１の加温ならびに燃料ガスの生成をさ
らに促進する。発生電力が定格出力の約１／３に達する
と定常運転が可能となるので、電磁開閉器２４を開くと
ともに加熱循環ポンプ９を停止し負荷開閉器１４を閉じ
ることにより起動操作が完了する。

【０００５】加熱器５と加熱循環ポンプ９とを備えた加
熱循環系６は、上記のごとき起動時ばかりでなく、通常
運転中に、例えば負荷変動等によって水蒸気分離器３の
温度の低下、したがって圧力の低下が生じたとき、これ
を所定値に保持する役割も果しており、包蔵水３１を加
熱循環ポンプ９で循環させ加熱器５を作動させて加熱
し、温度、したがって圧力を上げる操作が採られる。

【０００６】上記のように、図３に示した燃料電池発電
装置は、構成が簡潔で、かつ発電運転に際して燃料電池
本体１で生じる発熱を燃料ガスの発熱に効果的に利用
し、起動時の加温に発電電力を効果的に用いているの
で、効率の高い燃料電池発電装置として構成されてい
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来の
燃料電池発電装置は、構成が簡潔で、かつ効率の高い装
置として構成されているが、本装置においても、通常運
転中は、電気ヒーター２１Ａ、２１Ｂへの通電が停止さ
れ、加熱循環ポンプ９も停止しているので、加熱循環系
６に滞留する冷却水は時間とともに冷却されて低温に保
持されることとなる。したがって、水蒸気分離器３の温
度、圧力が低下する事態が生じて、加熱循環系６を作動
させて加熱し、温度、圧力を上げる操作を行う際、過渡
的に加熱循環系６に滞留した低温の冷却水が水蒸気分離
器３へと送り込まれ、温度、圧力を更に低下させて変動
が大きくなり、安定した運転が損なわれるという難点が
ある。

【０００８】本発明は、上記のごとき従来技術の難点を
解消し、構成が簡潔で、かつ効率が高く、通常運転中に
水蒸気分離器の温度、圧力が低下する事態が生じても安
定して制御される燃料電池発電装置を提供することを目
的とする。

【０００９】

【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、水冷式の燃料電池本体と、原
燃料を改質する水蒸気改質系に飽和水蒸気を供給する水
蒸気分離器とが、冷却水循環ポンプを備えた冷却水循環
系により相互に連結され、さらに水蒸気分離器に、内蔵
する電気ヒーターにより水蒸気分離器からの供給水を加
熱する加熱器と加熱水を水蒸気分離器に送る加熱循環ポ
ンプを備える加熱循環系が連結され、発電運転中は燃料
電池本体の発生熱を熱源として水蒸気分離器が飽和水蒸
気を発生し、起動時には電気ヒーターを熱源として水蒸
気分離器の包蔵水を起動に好適な所定温度に加熱する燃
料電池発電装置において、 加熱循環ポンプを、発電運転中の回転数が起動時の回
転数より低速として用いられるものとする。あるいは、 加熱器を、水蒸気分離器より低い位置に設置し、かつ
加熱循環系に、起動時は閉状態に保持されるバイパス弁
を備えたバイパス回路を加熱循環ポンプと並列に備え、
発電運転中は、加熱循環ポンプを停止し、バイパス弁を
開状態とし、加熱器の電気ヒーターを起動時の出力より
小さい出力として用いることとする。

【００１０】上記のごとくとすれば、加熱循環系の冷
却水は発電運転中も水蒸気分離器との間を循環するの
で、水蒸気分離器の包蔵水とほぼ同一温度に保持される
こととなる。したがって、仮に水蒸気分離器の温度、圧
力が低下する事態が生じ、加熱循環系により加熱操作を
行う際にも、従来のように低温の冷却水が流入して温
度、圧力の大幅な変動が生じる事態は回避される。ま
た、通常の発電運転中の加熱循環ポンプは低速で運転さ
れるので循環量は微量であり、電気ヒーターを作動させ
なくとも水蒸気分離器の動作に対する影響は無視できる
程度に抑えられる。

【００１１】また、上記のごとくとすれば、発電運転
中は、加熱循環系はバイパス回路と加熱器と水蒸気分離
器とよりなる閉回路からなり、かつ水蒸気分離器より低
く設置された加熱器においては小出力の電気ヒーターに
よる加熱を受けるので、自然循環流が形成されて、加熱
器から水蒸気分離器へ、水蒸気分離器からバイパス回路
を経て加熱器へと循環することとなる。したがって、加
熱循環系の冷却水は発電運転中も水蒸気分離器との間を
循環し、水蒸気分離器の包蔵水とほぼ同一温度に保持さ
れるので、上記の場合と同じく、仮に、水蒸気分離器
の温度、圧力が低下する事態が生じ、加熱循環系により
加熱操作を行う際にも、温度、圧力の大幅な変動は生じ
ないこととなる。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の燃料電池発電装
置の第１の実施の形態における水系統の要部を簡略化し
て示すシステム図である。本図において図３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、
説明は省略する。本図の構成の従来例との差異は、加熱
循環系６に備えられた加熱循環ポンプ９が、駆動電源に
回転数を可変速制御するＶＶＶＦインバータを備えてな
り、発電運転中は低速回転数にて用いられるよう選定さ
れていることにある。したがって、本構成においては、
発電運転中においても加熱循環系６は微量の循環量で常
時循環されており、内部の冷却水は水蒸気分離器３の包
蔵水３１とほぼ同一温度に保持されているので、仮に水
蒸気分離器の温度、圧力が低下する事態が生じ、加熱循
環系により加熱操作を行う際にも、従来のように低温の
冷却水が流入して温度、圧力の大幅な変動が生じる事態
は回避され、安定して制御されることとなる。なお、発
電運転中の加熱循環系６の循環量は微量に選定されてい
るので、電気ヒーターを作動させなくとも水蒸気分離器
の特性に及ぼす影響は無視できる程度に抑えられる。

【００１３】図２は、本発明の燃料電池発電装置の第２
の実施の形態における水系統の要部を簡略化して示すシ
ステム図である。本図においても図３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、説明は
省略する。本図の構成の従来例との差異は、加熱循環系
６の加熱器５が水蒸気分離器３より下方に設置され、ま
た、加熱循環系６に備えられた加熱循環ポンプ９にバイ
パス弁１０を備えたバイパス回路１１が並列に組み込ま
れ、さらに、発電運転中はバイパス弁１０を開き、かつ
加熱器５の電気ヒーター２１を微小出力で作動させるよ
う選定されていることにある。本構成においては、発電
運転中においても、加熱循環系の冷却水が自然循環流と
して水蒸気分離器との間を常時循環し、水蒸気分離器３
の包蔵水３１とほぼ同一温度に保持されるので、仮に水
蒸気分離器の温度、圧力が低下する事態が生じ、加熱循
環系により加熱操作を行う際にも、従来のように低温の
冷却水が流入して温度、圧力の大幅な変動が生じる事態
は回避され、安定して制御されることとなる。なお、発
電運転中の加熱循環系６の自然循環量は微量であるの
で、水蒸気分離器の特性に及ぼす影響は無視できる程度
に抑えられる。

【００１４】

【発明の効果】上述のように、本発明においては、水冷
式の燃料電池本体と、原燃料を改質する水蒸気改質系に
飽和水蒸気を供給する水蒸気分離器とが、冷却水循環ポ
ンプを備えた冷却水循環系により相互に連結され、さら
に水蒸気分離器に、内蔵する電気ヒーターにより水蒸気
分離器からの供給水を加熱する加熱器と加熱水を水蒸気
分離器に送る加熱循環ポンプを備える加熱循環系が連結
され、発電運転中は燃料電池本体の発生熱を熱源として
水蒸気分離器が飽和水蒸気を発生し、起動時には電気ヒ
ーターを熱源として水蒸気分離器の包蔵水を起動に好適
な所定温度に加熱する燃料電池発電装置において、加熱
循環ポンプを、発電運転中の回転数が起動時の回転数よ
り低速として用いられるものとするか、あるいは、加熱
器を、水蒸気分離器より低い位置に設置し、かつ加熱循
環系に、起動時は閉状態に保持されるバイパス弁を備え
たバイパス回路を加熱循環ポンプと並列に備え、発電運
転中は加熱循環ポンプを停止し、バイパス弁を開状態と
し、加熱器の電気ヒーターを起動時の出力より小さい出
力として用いることとしたので、構成が簡潔で、かつ効
率が高く、通常運転中に水蒸気分離器の温度、圧力が低
下する事態が生じても安定して制御される燃料電池発電
装置が得られることとなった。

【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の実施の形態
における水系統の要部を簡略化して示すシステム図

【図２】本発明の燃料電池発電装置の第２の実施の形態
における水系統の要部を簡略化して示すシステム図

【図３】燃料電池発電装置の従来例の水系統および出力
電気系統を簡略化して示したシステム図

【符号の説明】

１ 燃料電池本体 １Ａ 水冷式冷却器 ２ 水蒸気改質系 ３ 水蒸気分離器 ４ 冷却水循環系 ５ 加熱器 ６ 加熱循環系 ８ 冷却水循環ポンプ ９ 加熱循環ポンプ １０ バイパス弁 １１ バイパス配管 ２１ 電気ヒーター ３１ 包蔵水 ３２ 飽和水蒸気

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】水冷式の燃料電池本体と、原燃料を改質す
   る水蒸気改質系に飽和水蒸気を供給する水蒸気分離器と
   が、冷却水循環ポンプを備えた冷却水循環系により相互
   に連結され、さらに水蒸気分離器に、内蔵する電気ヒー
   ターにより水蒸気分離器からの供給水を加熱する加熱器
   と加熱水を水蒸気分離器に送る加熱循環ポンプを備える
   加熱循環系が連結され、発電運転中は燃料電池本体の発
   生熱を熱源として水蒸気分離器が飽和水蒸気を発生し、
   起動時には電気ヒーターを熱源として水蒸気分離器の包
   蔵水を起動に好適な所定温度に加熱するものにおいて、
   前記加熱循環ポンプが、発電運転中の回転数を起動時の
   回転数より低速として用いられるものであることを特徴
   とする燃料電池発電装置。
2. 【請求項２】水冷式の燃料電池本体と、原燃料を改質す
   る水蒸気改質系に飽和水蒸気を供給する水蒸気分離器と
   が、冷却水循環ポンプを備えた冷却水循環系により相互
   に連結され、さらに水蒸気分離器に、内蔵する電気ヒー
   ターにより水蒸気分離器からの供給水を加熱する加熱器
   と加熱水を水蒸気分離器に送る加熱循環ポンプを備える
   加熱循環系が連結され、発電運転中は燃料電池本体の発
   生熱を熱源として水蒸気分離器が飽和水蒸気を発生し、
   起動時には電気ヒーターを熱源として水蒸気分離器の包
   蔵水を起動に好適な所定温度に加熱するものにおいて、
   前記加熱器が、前記水蒸気分離器より低い位置に設置さ
   れ、かつ加熱循環系が、起動時には閉状態に保持される
   バイパス弁を備えたバイパス回路を加熱循環ポンプと並
   列に備えてなり、発電運転中は、加熱循環ポンプを停止
   し、バイパス弁を開状態とし、加熱器の電気ヒーターを
   起動時の出力より小さい出力として用いることを特徴と
   する燃料電池発電装置。