(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原燃料と水蒸気との混合ガスを水素リッチな改質ガスに改質する改質器と、改質ガスを燃料極に導入し反応空気を空気極に導入して電気化学反応により発電する燃料電池本体とを備えた燃料電池発電装置に用いられる生成水回収装置であって、
燃焼空気と燃料極から排出される燃料極オフガスとを燃焼させて改質器の加熱に用いたのち排出される燃焼排ガスと、空気極から排出される空気極オフガスとを前記生成水回収装置内へ導入し、外部より供給される冷却水の配管系と熱交換させて前記燃焼排ガス及び前記空気極オフガスを冷却することにより前記燃焼排ガス及び前記空気極オフガスに含まれる生成水を凝縮させて前記生成水回収装置内に回収し、生成水回収後のガスを排ガスとして排出する前記生成水回収装置において、
前記冷却水の配管系を流れる冷却水流量を調整する流量調整弁と、
前記排ガスの温度を測定する温度検出手段と、
前記排ガスの温度を設定する温度設定器と、
前記温度検出手段の検出信号を入力し、検出温度が前記温度設定器により設定された温度に制御されるよう前記流量調整弁に弁開度制御信号を出力する温度調節器と、
を備えたことを特徴とする燃料電池発電装置の生成水回収装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池発電装置の生成水回収装置において、前記温度設定器が、原燃料の流量を測定する流量検出手段、反応空気の流量を測定する流量検出手段、および燃焼空気の流量を測定する流量検出手段のうち少なくともいずれか一つの流量検出手段からの検出信号を入力し、これらの検出流量に対応して排ガスの温度を設定するよう構成されてなることを特徴とする燃料電池発電装置の生成水回収装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池発電装置において発電運転に伴って生じる生成水を効果的に過不足なく回収する生成水回収装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２は、従来より用いられている燃料電池発電装置の反応ガスと生成水の流れを示すフロー図である。酸素を含む反応空気を燃料電池本体１の空気極に供給し、原燃料と水蒸気との混合ガスを改質器２で改質して得られた水素濃度の高い改質ガスを燃料電池本体１の燃料極に供給して、酸素と水素との電気化学反応により発電が行われる。燃料極より排出される残存水素を含む燃料極オフガスは、燃焼空気とともに改質器２の燃焼器２ａへと送られて燃焼され、改質器２を加熱して改質反応の促進に用いられる。上記の電気化学反応においては反応生成水が生じ、また改質器２の燃焼器２ａでの燃焼に際しても燃焼生成水が生じる。したがって、燃料電池本体１の空気極から排出される空気極オフガスと燃焼器２ａから排出される燃焼排ガスは、冷却水配管を備えた熱交換器３へと送られて冷却され、含有する水分が凝縮、液化されて回収され、排ガスが外部へ取り出されることとなる。熱交換器３で回収された回収水は原燃料と混合する水蒸気として利用される。
【０００３】
燃料電池本体１へ供給される反応空気ならびに改質器２を経て燃料電池本体１へ供給される原燃料の流量は、発電負荷に応じて制御され、また、改質器２の燃焼器２ａに供給される燃焼空気の流量も、発電負荷に応じて変動する燃料極オフガスの組成、流量や改質器２の運転条件に則して制御される。したがって、空気極から排出される空気極オフガスならびに燃焼器２ａから排出される燃焼排ガスの組成、流量も、燃料電池本体１の運転条件によって変動する。このため、熱交換器３で得られる回収水の量が原燃料と混合して用いる水蒸気の必要量を常に満たすように、発電負荷の最大条件、すなわち回収水が最大となる条件に合わせて流量調整弁４を調整し、熱交換器３の冷却水配管に通水する冷却水の温度、流量を設定して運転する方法が一般に用いられている。
【０００４】
【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の生成水回収装置においては、熱交換器３の冷却水配管に通水する冷却水の温度、流量を、発電負荷の最大条件に合わせて設定しているので、発電負荷が変動しても常に必要量の回収水が得られ、原燃料と混合して、所定量の改質ガスが得られることとなる。
【０００５】
ところで、熱交換器３においては、冷却水配管に通水された冷却水は、空気極オフガスならびに燃焼排ガスとの熱交換により加熱され、温水として外部へ取り出されることとなる。したがって、この温水を、例えば給湯用などに活用すれば、廃熱が有効に利用され、効率のよいシステムが得られることとなる。
しかしながら従来の装置においては、上記のように、冷却水配管に通水する冷却水の条件が発電負荷の最大条件に合わせて設定されているので、発電負荷が低くなると供給される空気極オフガスならびに燃焼排ガスの温度、流量が低下し、これと熱交換して取り出される温水の温度が低下するので、温水として活用できる範囲が限定されるという難点がある。
【０００６】
本発明の目的は、発電負荷の変動に伴い原燃料、反応空気あるいは燃焼空気等が変動する場合にあっても、所要の生成水が過不足なく回収され、かつ、回収のために通水される冷却水が加熱されて適度の温度の温水として取り出され、有効に熱利用される燃料電池発電装置の生成水回収装置を提供することにある。
【０００７】上記の目的を達成する為に、本発明においては、原燃料と水蒸気との混合ガスを水素リッチな改質ガスに改質する改質器と、改質ガスを燃料極に導入し反応空気を空気極に導入して電気化学反応により発電する燃料電池本体とを備えた燃料電池発電装置に用いられる生成水回収装置であって、燃焼空気と燃料極から排出される燃料極オフガスとを燃焼させて改質器の加熱に用いたのち排出される燃焼排ガスと、空気極から排出される空気極オフガスとを前記生成水回収装置内へ導入し、外部より供給される冷却水の配管系と熱交換させて前記燃焼排ガス及び前記空気極オフガスを冷却することにより前記燃焼排ガス及び前記空気極オフガスに含まれる生成水を凝縮させて前記生成水回収装置内に回収し、生成水回収後のガスを排ガスとして排出する前記生成水回収装置において、
（１）前記冷却水の配管系を流れる冷却水流量を調整する流量調整弁と、前記排ガスの温度を測定する温度検出手段と、前記排ガスの温度を設定する温度設定器と、前記温度検出手段の検出信号を入力し、検出温度が前記温度設定器により設定された温度に制御されるよう前記流量調整弁に弁開度制御信号を出力する温度調節器とを備えることとする。
【０００８】
（２）さらに（１）の燃料電池発電装置の生成水回収装置において、温度設定器が、原燃料の流量を測定する流量検出手段、反応空気の流量を測定する流量検出手段、および燃焼空気の流量を測定する流量検出手段のうち少なくともいずれか一つの流量検出手段からの検出信号を入力し、これらの検出流量に対応して温度を設定するよう構成することとする。
【０００９】
図３は、図２に対応させて各系統を流れるガスの組成を示したフロー図で、原燃料として  ＣＨ４を供給し、改質器に供給する混合ガスの炭素と水蒸気のモル比を１：３、燃料電池本体における水素利用率を８０％、酸素の利用率を５０％、改質器の燃焼器に供給する燃焼空気の酸素量を必要量の２倍としたときのバランスを示したものである。原燃料として供給される  ＣＨ４に対応して、１２．８Ｎ２＋３．２Ｏ２  の反応空気と  ３．２Ｎ２＋０．８Ｏ２  の燃焼空気が供給され、生成水を回収する熱交換器には、空気極オフガス（１２．８Ｎ２＋１．６Ｏ２  ＋３．２Ｈ２Ｏ）と燃焼排ガス（  ＣＯ２＋０．４Ｏ２  ＋１．８Ｈ２Ｏ＋３．２Ｎ２  ）を合算した  ＣＯ２＋  ２Ｏ２＋  ５Ｈ２Ｏ  ＋１６Ｎ２の組成のガスが送られることとなる。熱交換器において外部からの冷却水と熱交換させて冷却すると、排ガスに含まれる水分は飽和水蒸気分（２Ｈ２Ｏ）に限定され、残余の水分（３Ｈ２Ｏ）は凝縮し回収されて原燃料と混合される。
【００１０】
したがって、上記（１）のごとくとすれば、熱交換器の排ガスの温度を設定温度に任意に制御できることとなるので、適量の冷却水を通水することにより所定の回収水が得られ、同時に、適度に加熱された温水が得られるよう調整することが可能となる。
とくに、上記（２）のごとくとすれば、各ガスの供給量から熱交換器へと送られるガスの組成が演算でき、熱交換器の排ガスの温度を設定し制御することにより回収される水量が規定できる。したがって、適度に加熱された温水がより効果的に得られることとなる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による生成水回収装置の実施例を示す燃料電池発電装置の反応ガスと生成水の流れのフロー図である。
本実施例の特徴は、熱交換器３と、熱交換器３の排ガスの温度を検出する温度計５と、熱交換器３に冷却水を供給し温水を得る流量調整弁４を備えた冷却水供給系と、熱交換器３の温度を設定する温度設定器７と、温度計５の検出信号と温度設定器７の設定信号を受けて流量調整弁４に弁開度制御信号を送る温度調節器６とを備えてなる生成水回収装置９を有し、さらに燃焼空気供給系、原燃料供給系、反応空気供給系に備えられた流量計８Ａ，８Ｂ，８Ｃの流量検出信号が温度設定器７へと送られている点にある。すなわち、本構成においては、流量計８Ａ，８Ｂ，８Ｃの流量検出信号、ならびに予め設定された原燃料流量と水蒸気流量の比によって温度設定器７において熱交換器３の設定温度が演算され、この設定値を基に、温度調節器６によって流量調整弁４が制御され、熱交換器３の冷却系へと供給される冷却水の流量が調整される。熱交換器３においては、排ガスと冷却水との熱交換により、排ガスが冷却されて露点が下がり、凝縮した水は回収水として回収され、原燃料と混合する水蒸気として用いられる。また、冷却水は排ガスによって加熱され、温水として外部に取り出されて、例えば給湯用として活用される。本構成では、このように燃料電池発電装置の運転条件に対応して冷却水の供給量が調整されるので、所要の回収水が過不足なく得られ、また、排ガスと熱交換して取り出される温水も過度に低温とならないよう調整されることとなる。
【００１２】
なお、図１に示した実施例では、３個の流量計８Ａ，８Ｂ，８Ｃからの燃焼空気流量検出信号、原燃料流量検出信号、反応空気流量検出信号を温度設定器７へと送り、これをもとに熱交換器３の設定温度を演算することとしているが、この構成に限ることなく、例えば、燃料電池発電装置の運転条件に対応して燃料利用率（燃料電池本体での燃料の消費割合）、空燃比（反応空気流量と燃料流量との比）、空気利用率（燃料電池本体での反応空気の消費割合）を予め設定し、これを温度設定器７における熱交換器３の設定温度の演算に用いることとすれば、上記の３個の流量計の流量検出信号のうちいずれか１個の流量検出信号のみを用いることによって、同様の効果が得られることとなる。
【００１３】
【発明の効果】
上述のように、本発明によれば、燃料電池発電装置に用いられる生成水回収装置を、
（１）請求項１に記載のごとくに構成することとしたので、発電負荷の変動に伴い原燃料、反応空気あるいは燃焼空気等が変動する場合にあっても、所要の生成水が過不足なく回収され、かつ、回収のために通水される冷却水が加熱されて適度の温度の温水として取り出され、有効に熱利用される燃料電池発電装置の生成水回収装置が得られることとなった。
【００１４】
（２）さらに、請求項２に記載のごとくに構成することとすれば、上記のごとき性能をもつ燃料電池発電装置の生成水回収装置としてより好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による生成水回収装置の実施例を示す燃料電池発電装置の反応ガスと生成水の流れのフロー図
【図２】従来より用いられている燃料電池発電装置の反応ガスと生成水の流れを示すフロー図
【図３】図２に示した各系統を流れるガスの組成を示したフロー図
【符号の説明】
１    燃料電池本体
２    改質器
２ａ    燃焼器
３    熱交換器
４    流量調整弁
５    温度計
６    温度調節器
７    温度設定器
８Ａ，８Ｂ，８Ｃ    流量計
９    生成水回収装置
【図１】
0003586989.tif 000002
【図２】
0003586989.tif 000003
【図３】
0003586989.tif 000004