JPH1064566A

JPH1064566A - 燃料電池発電装置および該装置の廃熱回収方法

Info

Publication number: JPH1064566A
Application number: JP8214450A
Authority: JP
Inventors: Hirotaka Yamamoto; 博隆山本; Toshihiko Gange; 敏彦願化; Hiroshi Miki; 啓史三木; Shunsuke Oga; 俊輔大賀
Original assignee: Shikoku Research Institute Inc; Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Shikoku Research Institute Inc; Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1996-08-14
Filing date: 1996-08-14
Publication date: 1998-03-06

Abstract

(57)【要約】【課題】冷却水が流れる冷却管を有する冷却板が組み
込まれた燃料電池本体と、前記冷却板から排出される冷
却水を水蒸気と水に分離する水蒸気分離器と、前記燃料
電池の冷却管と前記水蒸気分離器との間に設けられて、
前記冷却板から排出された冷却水を冷却するとともに、
熱を回収して該熱を外部の廃熱利用設備へ熱を送る冷却
水冷却装置を少なくとも備えてなる燃料電池発電装置に
おける廃熱回収効率を向上させる。【解決手段】水蒸気分離器のブローダウン水を外部の
廃熱利用施設側の熱媒に導入するように配管接続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、廃熱利用効率を高
めた燃料電池発電装置およびその廃熱回収方法に関す
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
池としては、二酸化炭素による影響を受けないため、例
えば、天然ガスを改質した二酸化炭素を含むガスを精製
せずにそのまま使用できる等の利点を持っているリン酸
高濃度水溶液を電解質として用いたリン酸型燃料電池が
知られている。

【０００３】このリン酸型燃料電池は、メタンガス等の
原燃料を水蒸気改質して得られた燃料ガス中の水素と空
気中の酸素とを、燃料電池の燃料極および空気極にそれ
ぞれ供給し、電気化学反応に基づいて発電を行う。原燃
料を燃料ガスに改質するには、原燃料としてのメタンに
水蒸気を加えて、水とメタンとの反応を触媒で促進して
行う燃料改質装置が用いられる。従って、燃料改質装置
には、燃料の改質に使用した水蒸気量に対応して水を補
給する必要がある。この水にはイオン交換式の水処理装
置等で不純物を除去したイオン交換水が用いられる。

【０００４】また、燃料電池発電装置に組み込まれるリ
ン酸型燃料電池では、発電時に熱を発生するため、冷却
する必要があるが、この冷却は、空冷または水冷により
行っている。水冷式の燃料電池発電装置では、熱を冷却
水により除去することによって、燃料電池本体を冷却
し、運転温度を維持しており、この冷却で得た熱の一部
を熱交換器で回収してユーザに供給している。

【０００５】図３は、従来のこの種の燃料電池発電装置
のガス系、冷却水系の基本的な系統図の例である。

【０００６】図３において、燃料電池本体１は、模式的
に示され、図示しないリン酸電解質層を挟持する燃料極
２と空気極３と、これらからなる単位セルの複数個を重
ねる毎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。

【０００７】一方、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で分離されて水蒸気供給系１０を経て供給され
る水蒸気とともに、改質触媒下にて、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。

【０００８】前記燃料電池本体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の燃料極２に供給する改質ガス供給系１１と、燃料極
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。

【０００９】また、燃料改質器７のバーナへは、燃焼空
気供給用のブロア１７が接続されており、燃料改質器７
から出た燃焼排ガスは、燃焼排ガス系１８により生成水
回収器４１へと送られる。

【００１０】また、燃料電池本体１には、空気極３に空
気を供給する反応空気ブロア１３を備えた空気供給系１
４と、電池反応後の空気を前記生成水回収器４１へ供給
する空気排出系１５とが接続されている。

【００１１】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、冷却水循環ポンプ２２および冷却水
冷却器（冷却水冷却装置）２３を備えた冷却水循環系２
０が、接続されている。

【００１２】前記水蒸気分離器２１では、燃料電池本体
１の冷却管４から排出される蒸気との二相流となった冷
却水を、水蒸気と冷却水とに分離する。ここで分離され
た水蒸気は、前記燃料改質器７に向かう原燃料に混入す
るように、前記水蒸気供給系１０を経て、送出される。
その際、元圧の低い原燃料との混合を行うために、エゼ
クタポンプ９を使用している。このエゼクタポンプ９
は、蒸気を駆動流体とするとともに、原燃料を被駆動流
体とする。

【００１３】前記冷却水冷却器（冷却水冷却装置）２３
は、燃料電池を冷却して戻ってきた冷却水から熱を奪っ
て冷却し、回収した熱を、すなわち、燃料電池の発電時
に発生した熱の一部を、外部の廃熱利用設備を介してユ
ーザに供給する。換言すれば、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、ここで熱媒が得た熱量
を熱媒循環系２５を介してユーザに供給する。さらに、
この冷却水冷却器２３は、燃料電池発電装置を停止する
ための降温動作時に用いるための冷却水を提供する。な
お、ユーザに供給する熱媒の温度は高い方が、吸収式冷
温水機等を効率よく運転できることから、通常、熱媒温
度は、８０℃以上に制御されることが多い。またさら
に、ここでのユーザへ熱供給の利用価値を高めるため
に、冷却水冷却器２３をケトル式熱交換器として、熱利
用のための熱媒を蒸気とする方法も採用されている。熱
媒が蒸気の場合には、蒸気炊きの吸収式冷温水機が運転
できるため、効率の高い熱利用ができる。

【００１４】また、前記生成水回収器４１には、燃焼排
ガス系１８、空気排出系１５、プロセス排気系１９が接
続されている。この生成水回収器４１には、その他に、
回収水循環ポンプ４２、回収水冷却器４３およびノズル
４４からなる回収水生成循環系が接続されている。前記
回収循環ポンプ４２は、該回収器４１の底部に接続さ
れ、該底部に貯留された回収水の一部を回収し、回収水
冷却器４３に送り込む。回収水冷却器４３にはユーザ側
冷却水系４５が熱回収系として挿入されており、冷却さ
れた回収水をノズル４４に供給する。ノズル４４は、前
記冷却回収水を生成水回収器４１の上部から散布して、
生成水回収器４１内の生成水を含む反応空気と、燃焼生
成水を含む燃焼排ガスとに冷却水を作用させて、気中の
回収水を直接的に冷却して、それぞれの生成水を該回収
器４１の底部に生成させる。

【００１５】前述のようにして生成水回収器４１の底部
に貯留した回収水は、補給ポンプ４６、水処理装置４７
が設けられた回収系を経て、前記水蒸気分離器２１に供
給される。

【００１６】回収水冷却器４３には、前述のように、回
収水を冷却するためにユーザ側冷却水４５が接続されて
いるが、生成水を回収するためには、この冷却水の温度
は、４０℃以下にすることが望ましいために、熱エネル
ギーとしての価値は低く、通常は冷却塔やラジエータで
外気に放出して処理している。

【００１７】また、水蒸気分離器２１からは、前述の通
り水蒸気が消費され、内部保有水は濃縮されることにな
るため、その水質を一定に保つために、水蒸気分離器２
１の内部保有水を生成水回収器４１へと戻すためのブロ
ーダウン配管４８が設置されている。ブローダウン水の
流量は、通常、消費される水蒸気量の５〜２０％程度に
調整される。

【００１８】なお、図３中、符号２６は、冷却水循環系
２０において、冷却管４と冷却水冷却器２３の流路と、
冷却水冷却器２３と水蒸気分離器２１との間の流路とを
短絡するバイパス配管であり、符号２７はそのための三
方調節弁である。また、符号２８は、水蒸気分離器２１
内の気圧を測定する圧力計であり、符号４９は、前記ブ
ローダウン配管４８に設けられている遮断弁である。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】燃料電池発電装置は、
コージェネレーションシステムとして廃熱をできる限り
有効利用することが、要望されている。これに対し、従
来のシステムでは、前述のように、水蒸気分離器２１の
ブローダウン水は、生成水回収器４１へと戻される用に
なっている。そのため、この約１６０℃の熱水であるブ
ローダウン水の持つ熱エネルギーは、ユーザ側冷却水系
へと移動して外気に放出され、無駄になっていた。

【００２０】従って、本発明の課題は、前記従来技術の
問題点を解決し、水蒸気分離器のブローダウン水の持つ
熱エネルギーを回収し、それによって、燃料電池発電装
置の廃熱をできる限り回収して、これを有効利用するこ
とにある。

【００２１】

【課題を解決するための手段】前記従来の問題点を解決
するために、この発明によれば、水蒸気分離器のブロー
ダウン水を外部の廃熱利用施設側の熱媒に導入するよう
に配管接続する。

【００２２】すなわち、本発明の請求項１の燃料電池発
電装置は、冷却水が流れる冷却管を有する冷却板が組み
込まれた燃料電池本体と、前記冷却板から排出される冷
却水を水蒸気と水に分離する水蒸気分離器と、前記燃料
電池の冷却管と前記水蒸気分離器との間に設けられて、
前記冷却板から排出された冷却水を冷却するとともに、
熱を回収して該熱を外部の廃熱利用設備へ熱を送る冷却
水冷却装置を少なくとも備えてなる燃料電池発電装置に
おいて、前記水蒸気分離器のブローダウン水を前記冷却
水冷却装置へ導入するブローダウン水配管が設けられて
いることを特徴とする。

【００２３】また、本発明の請求項２の燃料電池発電装
置は、前記請求項１の燃料電池発電装置において、前記
冷却水冷却装置が、前記外部の廃熱利用設備に接続され
る熱媒循環系を有する冷却水冷却器であり、前記熱媒循
環系に前記ブローダウン水配管が接続されていることを
特徴とする。

【００２４】また、本発明の請求項３の燃料電池発電装
置は、前記請求項１の燃料電池発電装置において、前記
冷却水冷却装置が、ケトル式熱交換器であり、該ケトル
式熱交換器の胴側に前記ブローダウン水配管が接続され
ていることを特徴とする。

【００２５】さらに、本発明の請求項４の燃料電池発電
装置の廃熱回収方法は、冷却水が流れる冷却管を有する
冷却板が組み込まれた燃料電池本体と、前記冷却板から
排出される冷却水を水蒸気と水に分離する水蒸気分離器
と、前記燃料電池の冷却管と前記水蒸気分離器との間に
設けられて、前記冷却板から排出された冷却水を冷却す
るとともに、熱を回収して該熱を外部の廃熱利用設備へ
熱を送る冷却水冷却装置を少なくとも備えてなる燃料電
池発電装置の廃熱回収方法であって、前記水蒸気分離器
のブローダウン水を前記冷却水冷却装置へ導入すること
を特徴とする。。

【００２６】また、本発明の請求項５の燃料電池発電装
置の廃熱回収方法は、前記請求項４の燃料電池発電装置
の廃熱回収方法において、前記冷却水冷却装置として、
前記外部の廃熱利用設備に接続される熱媒循環系を有す
る冷却水冷却器を用い、該熱媒循環系に前記ブローダウ
ン水を導入することを特徴とする。

【００２７】また、本発明の請求項６の燃料電池発電装
置の廃熱回収方法は、前記請求項４の燃料電池発電装置
の廃熱回収方法において、前記冷却水冷却装置として、
ケトル式熱交換器を用い、該ケトル式熱交換器の胴側に
前記ブローダウン水を導入することを特徴とする。

【００２８】この発明によれば、水蒸気分離器のブロー
ダウン水の持つ熱エネルギーを効率的に回収し、それを
利用することによって、燃料電池発電装置の廃熱をでき
る限り回収し、有効利用することができる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を示
す。

【００３０】（実施形態例１）図１は、この発明の一実
施形態例になる燃料電池発電装置の系統図であり、図３
と同じ機能を持つ部位については同一の番号を付して説
明を簡略化する。

【００３１】図において、水蒸気分離器２１のブローダ
ウン配管４８を、遮断弁４９を介して熱媒（高温水）循
環系２５に連結する。

【００３２】このような構成において、いま、燃料電池
発電装置を発電して、水蒸気分離器２１内の保有水の温
度が一定値以上になったら、遮断弁４９を開けて、水蒸
気分離器２１のブローダウン水を熱媒（高温水）循環系
２５に導入する。この場合、ブローダウン水の導入によ
る熱媒（高温水）の増量分は、図示しない膨張タンクよ
り適宜オーバーフローさせる。

【００３３】かかる構成において、ブローダウン水の熱
は、冷却水冷却器（冷却水冷却装置）２３の熱媒循環系
２５を介して外部の廃熱利用設備（不図示）に供給さ
れ、有効利用される。

【００３４】（実施形態例２）図２は、この発明の異な
る実施形態例になる燃料電池発電装置の系統図である。
本例においては、冷却水冷却装置として、ケトル式熱交
換器２４を用いる。このケトル式熱交換器２４の管側２
４ａに冷却水を通し、胴側２４ｂには熱利用熱媒の蒸気
となる水を供給する。水蒸気分離器２１のブローダウン
配管４８は、遮断弁４９を介して、前記ケトル式熱交換
器２４の胴側２４ｂに接続する。なお、それ以外の部分
は、図１と同様であるため図示およびそれらの説明を省
略した。

【００３５】このような構成において、いま、実施形態
例１と同様に、燃料電池発電装置を発電して水蒸気分離
器２１内の保有水の温度が一定値以上になったら、遮断
弁４９を開けて、水蒸気分離器２１のブローダウン水を
ケトル式熱交換器２４の胴側２４ｂに導入する。ケトル
式熱交換器２４の胴側２４ｂには、蒸気の発生に伴う水
の消費分を軟水または純水を補給することが必要である
が、ブローダウン水を導入する場合には、その分、補給
水量を減らすことができる。

【００３６】前記構成において、ブローダウン水の熱
は、ケトル式熱交換器２４内の蒸気の熱含量に寄与し、
この蒸気を介して、外部の廃熱利用設備（不図示）に供
給され、有効利用される。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
燃料電池発電装置の廃熱をより一層有効利用することが
でき、それによって、温水の熱出力を向上させたり、蒸
気の発生量を増加させることができる、という効果が得
られる。

【００３８】また、水蒸気分離器のブローダウン水の水
質は、２μＳ／ｃｍ程度であるために、温水系に導入す
る場合には、温水の水質を一定に保つ効果も得られる。

【００３９】さらに、ケトル式熱交換器を用いた蒸気発
生方式に採用の場合には、該熱交換器への補給水の節約
にもなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態例１を示すもので、水蒸気分
離器のブローダウン水を廃熱利用のために該ブローダウ
ン水を熱媒系へと導入した本発明に係る燃料電池発電装
置の系統図である。

【図２】本発明の実施形態例２を示すもので、廃熱処理
設備利用の熱媒として蒸気を用いる場合に本発明を適用
した燃料電池発電装置の系統図である。

【図３】従来の燃料電池発電装置の系統図である。

【符号の説明】１燃料電池本体５冷却板２１水蒸気分離器２３冷却水冷却器（冷却水冷却装置）２４ケトル式熱交換器（冷却水冷却装置）２５熱媒循環系４１生成水回収器４８ブローダウン配管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者三木啓史香川県高松市屋島西町2109番地８株式会社四国総合研究所内 (72)発明者大賀俊輔神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号富士電機株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】冷却水が流れる冷却管を有する冷却板が
組み込まれた燃料電池本体と、前記冷却板から排出され
る冷却水を水蒸気と水に分離する水蒸気分離器と、前記
燃料電池の冷却管と前記水蒸気分離器との間に設けられ
て、前記冷却板から排出された冷却水を冷却するととも
に、熱を回収して該熱を外部の廃熱利用設備へ熱を送る
冷却水冷却装置を少なくとも備えてなる燃料電池発電装
置において、前記水蒸気分離器のブローダウン水を前記冷却水冷却装
置へ導入するブローダウン水配管が設けられていること
を特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項２】前記冷却水冷却装置が、前記外部の廃熱
利用設備に接続される熱媒循環系を有する冷却水冷却器
であり、前記熱媒循環系に前記ブローダウン水配管が接
続されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電
池発電装置。
【請求項３】前記冷却水冷却装置が、ケトル式熱交換
器であり、該ケトル式熱交換器の胴側に前記ブローダウ
ン水配管が接続されていることを特徴とする請求項１に
記載の燃料電池発電装置。
【請求項４】冷却水が流れる冷却管を有する冷却板が
組み込まれた燃料電池本体と、前記冷却板から排出され
る冷却水を水蒸気と水に分離する水蒸気分離器と、前記
燃料電池の冷却管と前記水蒸気分離器との間に設けられ
て、前記冷却板から排出された冷却水を冷却するととも
に、熱を回収して該熱を外部の廃熱利用設備へ熱を送る
冷却水冷却装置を少なくとも備えてなる燃料電池発電装
置の廃熱回収方法であって、前記水蒸気分離器のブローダウン水を前記冷却水冷却装
置へ導入することを特徴とする燃料電池発電装置の廃熱
回収方法。
【請求項５】前記冷却水冷却装置として、前記外部の
廃熱利用設備に接続される熱媒循環系を有する冷却水冷
却器を用い、該熱媒循環系に前記ブローダウン水を導入
することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池発電装
置の廃熱回収方法。
【請求項６】前記冷却水冷却装置として、ケトル式熱
交換器を用い、該ケトル式熱交換器の胴側に前記ブロー
ダウン水を導入することを特徴とする請求項４に記載の
燃料電池発電装置の廃熱回収方法。