(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層を挟んで対向配置された燃料極および酸化剤極に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給し電気化学的反応を利用して発電を行ない各電極間から直流電力を取り出す燃料電池と、
前記燃料電池に接続される、気水分離器と、この気水分離器から出た冷却水を循環させるポンプと、高温側流体の入口部を前記ポンプ下流に接続した第１の熱交換器と、この第１の熱交換器の出口部と前記燃料電池との間に接続した温度調節弁と、前記第１の熱交換器の高温側流路をバイパスして前記温度調節弁に接続したバイパス路とを有し、前記燃料電池に冷却水を循環させて前記燃料電池から発生する熱を吸収する１次冷却水系と、
給水を前記１次冷却水系に供給する給水系統と、
前記第１の熱交換器の出口側から分岐して前記１次冷却水系の冷却水の一部を取込む分岐ループと
を備えてなる燃料電池発電プラントにおいて、
前記分岐ループに高温側流体の入口および出口部を接続すると共に前記給水系統に低温側流体の入口および出口部を接続し、低温側流体である給水が流れて熱交換を行う第２の熱交換器を設けたことを特徴とする燃料電池発電プラント。
【請求項２】
電解質層を挟んで対向配置された燃料極および酸化剤極に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給し電気化学的反応を利用して発電を行ない各電極間から直流電力を取り出す燃料電池と、
前記燃料電池に接続される、気水分離器と、この気水分離器から出た冷却水を循環させるポンプと、高温側流体の入口部を前記ポンプ下流に接続した第１の熱交換器と、この第１の熱交換器の出口部と前記燃料電池との間に接続した温度調節弁と、前記第１の熱交換器の高温側流路をバイパスして前記温度調節弁に接続したバイパス路とを有し、前記燃料電池に冷却水を循環させて前記燃料電池から発生する熱を吸収する１次冷却水系と、
給水を前記１次冷却水系に供給する給水系統と、
前記第１の熱交換器の出口側から分岐して前記１次冷却水系の冷却水の一部を取込む分岐ループと
を備えてなる燃料電池発電プラントにおいて、
前記１次冷却水系の前記第１の熱交換器の高温側流体の出口流路に高温側を接続し、前記給水系統に低温側流体の入口および出口部を接続して、低温側流体である給水が流れて熱交換を行なう第２の熱交換器を設けたことを特徴とする燃料電池発電プラント。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気エネルギーと熱エネルギーの両方を取り出す水冷式の燃料電池発電プラントに係り、特に１次冷却水系の冷却水よりも低い温度の水を予熱する熱交換器を備えて、排熱の回収効率を著しく高めるようにした燃料電池発電プラントに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、燃料の有しているエネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置として、燃料電池が知られている。
この種の燃料電池は、通常、非導電性の多孔質体に電解質を含浸した電解質層（マトリックス層）を挟んで一対の多孔質電極を配置して燃料電池本体を構成し、一方の多孔質電極である燃料極の背面側に、反応ガスである水素等の燃料ガスを供給すると共に、他方の多孔電極である酸化剤極の背面側に、反応ガスである空気等の酸化剤ガスを供給することにより起こる電気化学的反応を利用して発電を行ない、上記一対の電極間から電気エネルギー（直流電力）を取り出すようにしたものである。
【０００３】
そして、上記燃料ガスと酸化剤ガスが供給されている限り、高い効率で電気エネルギーを取り出すことができる装置である。
この燃料電池は、比較的小さな規模であっても、発電効率は４０〜５０％にも達し、新鋭火力発電をはるかにしのぐと期待されている。
【０００４】
また、近年大きな社会問題になっている公害要因であるＳＯｘ、ＮＯｘの排出は極めて少なく、発電プラント内に燃焼サイクルを含まないため、多量の冷却水を必要とせず、振動も小さいことから、騒音・排ガス等の環境問題が少ないという利点がある。
【０００５】
さらに、負荷変動に対して応答性が良く、原理的に高い変換効率が期待できると共に、発電と同時に熱も利用するコジェネレーションシステムに向いている等の特徴から、その研究開発に期待と関心が寄せられている。
【０００６】
ところで、このような燃料電池は、電気化学的反応による発電に際して、燃料電池本体から熱が発生することから、この熱を燃料電池本体から除去して、燃料電池本体を適切な温度に維持するための手段が必要となる。
【０００７】
このため、最近では、燃料電池本体から発生する熱の除去を水冷にて行ない、電気エネルギーと熱エネルギーの両方を取り出す水冷式の燃料電池発電プラントが提案されてきている。
【０００８】
図３は、この種の従来の燃料電池発電プラントの全体構成例を示す概要図である。
なお、図３は、水冷式の燃料電池発電プラントの１次冷却水系、およびこれに関連する系統の概要について示している。
【０００９】
図３において、電解質層を挟んで対向配置された燃料極および酸化剤極に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給し、電気化学的反応を利用して発電を行ない、各電極間から直流電力を取り出す水冷式の燃料電池１の燃料電池本体に、１次冷却水系２により冷却水を循環させて、燃料電池本体から発生する熱が吸収されるようになっている。
【００１０】
また、１次冷却水系２には、気水分離器３と、ポンプ４が接続されている。ポンプ４は、１次冷却水系２に冷却水を循環させるためのものであり、気水分離器３の液分が供給されるようになっている。
【００１１】
さらに、１次冷却水系２には、燃料電池１へ供給する冷却水の温度調節を行なうための熱交換器５および温度調節弁１３や給水系統７、分岐ループ８が接続されている。
【００１４】
なお、給水系統７や分岐ループ８には、予熱のための熱交換器が設置されておらず、低温の給水がそのまま１次冷却水系２へ供給されている。
しかしながら、上述したような燃料電池発電プラントでは、以下のような問題がある。
【００１５】
すなわち、低温の給水や分岐ループ水がｌ次冷却水系２へ合流することから、１次冷却水系２から回収する排熱量が低減したり、１次冷却水系２の冷却水の温度を必要温度に維持するために、電気ヒーター等の加熱装置を追設する必要がある。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来の燃料電池発電プラントにおいては、熱エネルギーの損失が多いために排熱の回収効率が低下したり、また冷却水の温度を必要温度に維持するために加熱装置を追設する必要があるという問題があった。
【００１７】
本発明の目的は、設備内の排熱を温度レベルに見合った用途に使用し、熱エネルギーの損失を抑えて排熱の回収効率を著しく高めることが可能な燃料電池発電プラントを提供することにある。
【００１８】
【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、請求項１の発明では、電解質層を挟んで対向配置された燃料極および酸化剤極に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給し電気化学的反応を利用して発電を行ない各電極間から直流電力を取り出す燃料電池と、前記燃料電池に接続される、気水分離器と、この気水分離器から出た冷却水を循環させるポンプと、高温側流体の入口部を前記ポンプ下流に接続した第１の熱交換器と、この第１の熱交換器の出口部と前記燃料電池との間に接続した温度調節弁と、前記第１の熱交換器の高温側流路をバイパスして前記温度調節弁に接続したバイパス路とを有し、前記燃料電池に冷却水を循環させて前記燃料電池から発生する熱を吸収する１次冷却水系と、給水を前記１次冷却水系に供給する給水系統と、前記第１の熱交換器の出口側から分岐して前記１次冷却水系の冷却水の一部を取込む分岐ループとを備えてなる燃料電池発電プラントにおいて、前記分岐ループに高温側流体の入口および出口部を接続すると共に前記給水系統に低温側流体の入口および出口部を接続し、低温側流体である給水が流れて熱交換を行う第２の熱交換器を設けたことを特徴とする。
【００１９】
従って、請求項１の燃料電池発電プラントにおいては、分岐ループに高温側流体の入口および出口部を接続すると共に給水系統に低温側流体の入口および出口部を接続し、低温側流体である給水が流れて熱交換を行う第２の熱交換器を設けたことにより、１次冷却水系の冷却水よりも低温の給水や分岐ループ水を、１次冷却水系へ合流する前に、１次冷却水系の分岐ループといった、１次冷却水系の冷却水よりも温度が低いが給水や分岐ループ水よりは温度の高い水を用いて加熱することが可能となる。
【００２０】
これにより、燃料電池発電プラント内の排熱を温度レベルに見合った用途に使用することができ、熱エネルギーの損失を抑えて排熱の回収効率を高めることができる。また、１次冷却水系の冷却水の温度を必要温度に維持するために、前述したように電気ヒータ等の加熱装置を追設する必要がなくなる。
【００２１】
さらに、前述した従来のプラントに比べて、熱交換器の小形化を図ることもできる。
一方、請求項２の発明では、電解質層を挟んで対向配置された燃料極および酸化剤極に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給し電気化学的反応を利用して発電を行ない各電極間から直流電力を取り出す燃料電池と、前記燃料電池に接続される、気水分離器と、この気水分離器から出た冷却水を循環させるポンプと、高温側流体の入口部を前記ポンプ下流に接続した第１の熱交換器と、この第１の熱交換器の出口部と前記燃料電池との間に接続した温度調節弁と、前記第１の熱交換器の高温側流路をバイパスして前記温度調節弁に接続したバイパス路とを有し、前記燃料電池に冷却水を循環させて前記燃料電池から発生する熱を吸収する１次冷却水系と、給水を前記１次冷却水系に供給する給水系統と、前記第１の熱交換器の出口側から分岐して前記１次冷却水系の冷却水の一部を取込む分岐ループとを備えてなる燃料電池発電プラントにおいて、前記１次冷却水系の前記第１の熱交換器の高温側流体の出口流路に高温側を接続し、前記給水系統に低温側流体の入口および出口部を接続して、低温側流体である給水が流れて熱交換を行なう第２の熱交換器を設けたことを特徴とする。
【００２２】
従って、請求項２の発明の燃料電池発電プラントにおいては、１次冷却水系の第１の熱交換器の高温側流体の出口流路に高温側を接続し、給水系統に低温側流体の入口および出口部を接続して、低温側流体である給水が流れて熱交換を行なう第２の熱交換器を設けたことにより、１次冷却水系の冷却水よりも低温の給水や分岐ループ水を、１次冷却水系へ合流する前に、１次冷却水系の第１の熱交換器の出口側といった、１次冷却水系の冷却水よりも温度が低いが給水や分岐ループ水よりは温度の高い水を用いて加熱することが可能となる。
【００２３】
これにより、燃料電池発電プラント内の排熱を温度レベルに見合った用途に使用することができ、熱エネルギーの損失を抑えて排熱の回収効率を高めることができる。また、前記１次冷却水系の冷却水の温度を必要温度に維持するために、前述したように電気ヒーター等の加熱装置を追設する必要がなくなる。さらに、前述した従来のプラントに比べて、熱交換器の小形化を図ることもできる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本実施の形態による燃料電池発電プラントの一例を示す構成図であり、図３と同一部分には同一符号を付して示している。
【００２５】
図１において、電解質層を挟んで対向配置された燃料極および酸化剤極に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給し電気化学的反応を利用して発電を行ない各電極間から直流電力を取り出す燃料電池本体に、冷却水を循環させて燃料電池本体から発生する熱を吸収する水冷式の燃料電池１の燃料電池本体には、１次冷却水系２により冷却水を循環させて、燃料電池本体から発生する熱を吸収するようにしている。
【００２６】
また、１次冷却水系２には、気水分離器３を設置しており、この気水分離器３には、ポンプ４、および蒸気ライン６をそれぞれ接続している。
ポンプ４は、１次冷却水系２に冷却水を循環させるためのものであり、気水分離器３の液分を供給するようにしている。
【００２７】
さらに、１次冷却水系２には、第１の熱交換器５の高温側流体の入口および出口部を接続し、高温側流体である冷却水が流れて熱交換を行なうようにしている。
【００２８】
さらにまた、１次冷却水系２には、第１の熱交換器５の高温側流路をバイパスするようにバイパス路を接続している。
一方、第１の熱交換器５の出口側から分岐して、１次冷却水系２の冷却水の一部を系外に導く分岐ループ８を設けている。
【００２９】
また、分岐ループ８は、さらに分岐して、上記ブローダウン９１を水処理装置９２と共に構成している。
さらに、１次冷却水系２へ給水を供給する給水系統７を設けている。
【００３０】
すなわち、１次冷却水系２には、燃料電池１へ供給する冷却水の温度調節を行なうための熱交換器５および温度調節弁１３や蒸気ライン６から系外へ取り出された蒸気や冷却水の水質向上のためのブローダウン９１を補なうための給水系統７や、冷却水の水質向上のための分岐ループ８を接続している。
【００３１】
また、分岐ループ８には、イオン交換樹脂１０が接続されるため、水温を５０℃程度まで下げるための熱交換器１１を設置している。
さらに、１次冷却水系２や分岐ループ８の降温のために、２次冷却水系１２を設置している。そして、分岐ループ８の降温を、２次冷却水系１２により行なうようにしている。
【００３２】
一方、給水系統７には、第２の熱交換器１４の低温側流体の入口および出口部を接続し、低温側流体である給水が流れて熱交換を行なうようにしている。
さらに、分岐ループ８には、第２の熱交換器１４の高温側流体の入口および出口部を接続している。
【００３３】
次に、以上のように構成した本実施の形態による燃料電池発電プラントにおいては、給水系統７に低温側流体の入口および出口部が接続されて、低温側流体である給水が流れて熱交換を行なう第２の熱交換器１４の高温側流体の入口および出口部を、分岐ループ８に接続していることにより、給水系統７の給水が第２の熱交換器１４を用いて加熱昇温される。
【００３４】
また、第２の熱交換器１４の高温側流体の出口温度がイオン交換樹脂１０の使用温度よりも高い場合には、さらに熱交換器１１を用いて降温される。
これにより、１次冷却水系２の冷却水よりも低温の給水や分岐ループ水を、１次冷却水系２へ合流する前に、１次冷却水系２の分岐ループ８といった、１次冷却水系２の冷却水よりも温度が低いが給水や分岐ループ水よりは温度の高い水を用いて加熱することが可能となる。
【００３５】
このため、設備内の排熱を温度レベルに見合った用途に使用することができ、熱エネルギーの損失を抑えて排熱の回収効率を高めることができる。
また、１次冷却水系２の冷却水の温度を必要温度に維持するために、前述したように電気ヒーター等の加熱装置を追設する必要がなくなる。
【００３６】
上述したように、本実施の形態の燃料電池発電プラントでは、給水系統７に低温側流体の入口および出口部が接続されて、低温側流体である給水が流れて熱交換を行なう第２の熱交換器１４の高温側流体の入口および出口部を、分岐ループ８に接続して、給水系統７の給水を第２の熱交換器１４により加熱昇温するようにしたものである。
【００３７】
従って、１次冷却水系２の冷却水よりも低温の給水や分岐ループ水を、１次冷却水系２へ合流する前に、１次冷却水系２の分岐ループ８といった、１次冷却水系２の冷却水よりも温度が低いが給水や分岐ループ水よりは温度の高い水を用いて加熱することができる。
【００３８】
これにより、設備内の排熱を温度レベルに見合った用途に使用することができ、熱エネルギーの損失を抑えて排熱の回収効率を高めることが可能となる。
また、１次冷却水系２の冷却水の温度を必要温度に維持するために、前述した従来のように、電気ヒーター等の加熱装置を追設する必要がなくなる。
【００３９】
さらに、前述した従来のプラントに比べて、熱交換器１１の小形化を図ることも可能となる。
（第２の実施の形態）
図２は、本実施の形態による燃料電池発電プラントの一例を示す構成図であり、図３と同一部分には同一符号を付して示している。
【００４０】
図２において、電解質層を挟んで対向配置された燃料極および酸化剤極に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給し電気化学的反応を利用して発電を行ない各電極間から直流電力を取り出す燃料電池本体に、冷却水を循環させて燃料電池本体から発生する熱を吸収する水冷式の燃料電池１の燃料電池本体には、１次冷却水系２により冷却水を循環させて、燃料電池本体から発生する熱を吸収するようにしている。
【００４１】
また、１次冷却水系２には、気水分離器３を設置しており、この気水分離器３には、ポンプ４、および蒸気ライン６をそれぞれ接続している。
ポンプ４は、１次冷却水系２に冷却水を循環させるためのものであり、気水分離器３の液分を供給するようにしている。
【００４２】
さらに、１次冷却水系２には、第１の熱交換器５の高温側流体の入口および出口部を接続し、高温側流体である冷却水が流れて熱交換を行なうようにしている。
【００４３】
さらにまた、１次冷却水系２には、第１の熱交換器５の高温側流路をバイパスするようにバイパス路を接続している。
一方、第１の熱交換器５の出口側から分岐して、１次冷却水系２の冷却水の一部を系外に導く分岐ループ８を設けている。
【００４４】
また、分岐ループ８は、さらに分岐して、上記ブローダウン９１を水処理装置９２と共に構成している。
さらに、１次冷却水系２へ給水を供給する給水系統７を設けている。
【００４５】
すなわち、１次冷却水系２には、燃料電池１へ供給する冷却水の温度調節を行なうための熱交換器５および温度調節弁１３や蒸気ライン６から系外へ取り出された蒸気や冷却水の水質向上のためのブローダウン９１を補なうための給水系統７や、冷却水の水質向上のための分岐ループ８を接続している。
【００４６】
また、分岐ループ８には、イオン交換樹脂１０が接続されるため、水温を５０℃程度まで下げるための熱交換器１１を設置している。
さらに、１次冷却水系２や分岐ループ８の降温のために、２次冷却水系１２を設置している。そして、分岐ループ８の降温を、２次冷却水系１２により行なうようにしている。
【００４７】
一方、給水系統７には、第２の熱交換器１５の低温側流体の入口および出口部を接続し、低温側流体である給水が流れて熱交換を行なうようにしている。
さらに、第１の熱交換器５の高温側流体の出口流路には、第２の熱交換器１５の高温側を接続している。
【００４８】
次に、以上のように構成した本実施の形態による燃料電池発電プラントにおいては、給水系統７に低温側流体の入口および出口部が接続されて、低温側流体である給水が流れて熱交換を行う第２の熱交換器１５の高温側を、第１の熱交換器５の高温側流体の出口流路に接続していることにより、給水系統７の給水が第２の熱交換器１５を用いて加熱昇温される。
【００４９】
また、第２の熱交換器１５の高温側流体の出口温度がイオン交換樹脂１０の使用温度よりも高い場合には、さらに熱交換器１１を用いて降温される。これにより、１次冷却水系２の冷却水よりも低温の給水や分岐ループ水を、１次冷却水系２へ合流する前に、１次冷却水系２の分岐ループ８といった、１次冷却水系２の冷却水よりも温度が低いが給水や分岐ループ水よりは温度の高い水を用いて加熱することが可能となる。
【００５０】
このため、設備内の排熱を温度レベルに見合った用途に使用することができ、熱エネルギーの損失を抑えて排熱の回収効率を高めることができる。
また、１次冷却水系２の冷却水の温度を必要温度に維持するために、前述したように電気ヒーター等の加熱装置を追設する必要がなくなる。
【００５１】
上述したように、本実施の形態の燃料電池発電プラントでは、給水系統７に低温側流体の入口及び出口部が接続されて、低温側流体である給水が流れて熱交換を行なう第２の熱交換器１５の高温側を、第１の熱交換器５の高温側流体の出口経路に接続して、給水系統７の給水を第２の熱交換器１５により加熱昇温するようにしたものである。
【００５２】
従って、１次冷却水系２の冷却水よりも低温の給水や分岐ループ水を、１次冷却水系２へ合流する前に、１次冷却水系２の第１の熱交換器の出口側といった、１次冷却水系２の冷却水よりも温度が低いが給水や分岐ループ水よりは温度の高い水を用いて加熱することができる。
【００５３】
これにより、設備内の排熱を温度レベルに見合った用途に使用することができ、熱エネルギーの損失を抑えて排熱の回収効率を高めることが可能となる。
また、１次冷却水系２の冷却水の温度を必要温度に維持するために、前述した従来のように、電気ヒーター等の加熱装置を追設する必要がなくなる。
さらに、前述した従来のプラントに比べて、第１の熱交換器５の小形化を図ることも可能となる。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、給水系統に低温側流体の入口および出口部が接続されて、低温側流体である給水が流れて熱交換を行なう第２の熱交換器の高温側流体の入口および出口部を、分岐系統に接続するか、または上記第２の熱交換器の高温側を、第１の熱交換器の高温側流体の出口流路に接続するようにしたので、１次冷却水系の冷却水よりも低温の給水や分岐系統水を、１次冷却水系へ合流する前に、１次冷却水系の冷却水よりも温度が低いが給水や分岐系統水よりは温度の高い水を用いて加熱することができ、設備内の排熱を温度レベルに見合った用途に使用し、熱エネルギーの損失を抑えて排熱の回収効率を著しく高めることが可能な燃料電池発電プラントが提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料電池発電プラントの第１の実施の形態を示す構成図。
【図２】本発明による燃料電池発電プラントの第２の実施の形態を示す構成図。
【図３】従来の燃料電池発電プラントの一例を示す構成図。
【符号の説明】
１…燃料電池、
２…１次冷却水系、
３…気水分離器、
４…ポンプ、
５…第１の熱交換器、
６…蒸気ライン、
７…給水系統、
８…分岐ループ、
９１…ブローダウン、
９２…水処理装置
１０…イオン交換樹脂、
１１…熱交換器、
１２…２次冷却水系、
１３…温度調節弁、
１４…第２の熱交換器、
１５…第２の熱交換器。
【図１】
0003667922.tif 000002
【図２】
0003667922.tif 000003
【図３】
0003667922.tif 000004