(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質としてリン酸を浸透したマトリックスを挟んで燃料極および空気極を配置してなり、当該燃料極に燃料ガスを供給すると共に空気極に空気を供給し、これら燃料ガスと空気との電気化学反応により発電を行なう燃料電池本体と、
原燃料を水蒸気改質して水素を主成分とする改質ガスを生成し、燃料電池本体の燃料極に燃料ガスとして供給する改質器と、
燃料電池本体の空気極に空気を供給する空気供給装置と、
改質器のバーナ側から排出される燃焼排ガス、および燃料電池本体の空気極から排出される空気排ガスが有する排熱を温水として回収する排熱回収熱交換器と、
排熱回収熱交換器から排出される燃焼排ガスおよび空気排ガスに含まれる水蒸気を凝縮し温水として回収する直接接触式熱交換器と、
燃料電池本体の冷却水入口に設置され、燃料電池本体の反応温度を適正温度に保つように電池冷却水により冷却する冷却器と、
前記排熱回収熱交換器および前記直接接触式熱交換器で回収され、さらに前記冷却器で熱交換することによって加温された温水により作動する単効用吸収式冷凍機と、
前記直接接触式熱交換器で燃焼排ガスおよび空気排ガス中の水蒸気分が凝縮しない温度まで熱回収するための冷却塔とを備え、
前記直接接触式熱交換器で回収された温水の一部を前記冷却塔に供給して冷却し、冷却水として前記直接接触式熱交換器に戻すことを特徴とするリン酸型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、改質器のバーナ側から排出される燃焼排ガス、および燃料電池本体の空気極から排出される空気排ガスが有する排熱を回収するための排ガス熱交換器を備えたリン酸型燃料電池発電プラントに係り、特に吸収式冷凍機を作動させることができるレベルの高温排熱を取り出す手段を備えたリン酸型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、リン酸型燃料電池発電プラントは、電解質としてリン酸を用い、天然ガス等の原燃料を改質して得られる水素と、空気中の酸素とを電気化学的に反応させて直接発電を行なうものであり、高い発電効率を得ることができるものである。
【０００３】
しかも、このリン酸型燃料電池発電プラントは、大気汚染物質の排出が少なく、騒音も小さいという、環境性に極めて優れた発電プラントとして評価されてきている。
【０００４】
図４は、この種の従来のリン酸型燃料電池発電プラントの一例を示すシステム構成図である。
【０００５】
図４において、燃料電池本体１は、電解質としてのリン酸を浸透したマトリックス（図示しない）を、燃料ガスが供給される燃料極１ａと空気が供給される空気極１ｂとで挟んで単位セルを形成し、この単位セルを多数枚積層して構成したものであり、燃料電池本体１での燃料ガスと空気との電気化学反応により、直接電気が発電される。
【０００６】
一方、天然ガス等の原燃料２は、改質器３の反応部３ａに供給されて、改質反応により水素リッチの改質ガス４となり、燃料電池本体１の燃料極１ａに供給される。
【０００７】
また、反応用空気５は、ブロワ等の空気供給装置６により、燃料電池本体１の空気極１ｂに供給される。
【０００８】
この時、燃料電池本体１で、改質ガス４中の水素と、反応用空気５中の酸素とが反応して電気が発電される。
【０００９】
さらに、燃料電池本体１では、発電と同時に反応熱が生じるため、燃料電池本体１の反応温度を適正温度（約２００℃程度）に保つことを目的として、燃料電池本体１に冷却板１ｃを設置し、電池冷却水７により冷却される。
【００１０】
すなわち、電池冷却水７は、燃料電池本体１出口では二相流となり、水蒸気分離器８で蒸気と水とに分離される。そして、水蒸気分離器８で分離された電池冷却水７は、ポンプ９により加圧された後、冷却器１０で冷却されて、燃料電池本体１に供給される。
【００１１】
一方、燃料電池本体１の燃料極１ａで反応を終えた改質ガス４には、未反応分の水素が残っているため、改質器３のバーナ部３ｂで燃焼して、反応部３ａの加熱源となった後に、燃焼排ガス１１として改質器３より排出される。また、燃料電池本体１の空気極１ｂで反応を終えた後の反応用空気５は、空気排ガス１２として排出される。
【００１２】
また、これら燃焼排ガス１１と空気排ガス１２は、合流して排ガス凝縮器１３で冷却された後に、プラント排ガス１４と凝縮水１５とに分離される。そして、プラント排ガス１４は、通常そのまま大気放出されるが、凝縮水１５はプラントで再利用される。
【００１３】
すなわち、一般に、排ガス凝縮器１３の低温側には二次冷却水１６が通水されており、燃焼排ガス１１および空気排ガス１２からの回収熱は、排熱利用熱交換器１７を介して外部の温水利用設備１８に供給される構成となっている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来のリン酸型燃料電池発電プラントに使用されている排ガス凝縮器１３は、燃焼排ガス１１および空気排ガス１２中の水蒸気の凝縮回収を主目的としているため、二次冷却水１６の流量を減少させることが困難であり、排熱利用のための温水温度を高くすることができないという課題があった。
【００１５】
本発明の目的は、排ガスからの熱回収を効率よく行ない、吸収式冷凍機を作動させることができるレベルの高温排熱を取り出すことが可能なリン酸型燃料電池発電プラントを提供することにある。
【００１６】
【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の発明のリン酸型燃料電池発電プラントは、電解質としてリン酸を浸透したマトリックスを挟んで燃料極および空気極を配置してなり、当該燃料極に燃料ガスを供給すると共に空気極に空気を供給し、これら燃料ガスと空気との電気化学反応により発電を行なう燃料電池本体と、原燃料を水蒸気改質して水素を主成分とする改質ガスを生成し、燃料電池本体の燃料極に燃料ガスとして供給する改質器と、燃料電池本体の空気極に空気を供給する空気供給装置と、改質器のバーナ側から排出される燃焼排ガス、および燃料電池本体の空気極から排出される空気排ガスが有する排熱を温水として回収する排熱回収熱交換器と、排熱回収熱交換器から排出される燃焼排ガスおよび空気排ガスに含まれる水蒸気を凝縮し温水として回収する直接接触式熱交換器と、燃料電池本体の冷却水入口に設置され、燃料電池本体の反応温度を適正温度に保つように電池冷却水により冷却する冷却器と、排熱回収熱交換器および直接接触式熱交換器で回収され、さらに冷却器で熱交換することによって加温された温水により作動する単効用吸収式冷凍機と、前記直接接触式熱交換器で燃焼排ガスおよび空気排ガス中の水蒸気分が凝縮しない温度まで熱回収するための冷却塔とを備え、前記直接接触式熱交換器で回収された温水の一部を前記冷却塔に供給して冷却し、冷却水として前記直接接触式熱交換器に戻すことを特徴とする。
【００１７】
従って、請求項１の発明のリン酸型燃料電池発電プラントにおいては、改質器のバーナ側から排出される燃焼排ガス、および燃料電池本体の空気極から排出される空気排ガスに含まれる水蒸気を凝縮し温水として回収する直接接触式熱交換器を用いることにより、冷却水が直接排ガスと接触するため高い伝熱特性が得られ、排ガス凝縮器の小型化を実現することができると共に、排熱回収熱交換器からの温水の取り出し温度を高めることにより、排ガスからの熱回収を効率よく行ない、単効用吸収式冷凍機を作動させることができるレベルの高温排熱を取り出すことが可能となる。
また、直接接触式熱交換器で燃焼排ガスおよび空気排ガス中の水蒸気分が凝縮しない温度まで熱回収するための冷却塔を付加し、直接接触式熱交換器で回収された温水の一部を冷却塔に供給して冷却し、冷却水として直接接触式熱交換器に戻すことにより、直接接触式熱交換器の温水の一部は、冷却塔を介して循環するので、排ガスからの熱回収をより一層効率よく行ない、吸収式冷凍機を作動させることができるレベルの高温排熱を取り出すことが可能となる。
【００２０】
【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。
【００２１】
（第１の実施の形態）
図１は、本実施の形態によるリン酸型燃料電池発電プラントのシステム構成図であり、前記図４と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００２２】
すなわち、本実施の形態のリン酸型燃料電池発電プラントは、図１に示すように、図４における排ガス凝縮器１３、排熱利用熱交換器１７、および温水利用設備１８を省略し、これらに代えて、排熱回収熱交換器１９、単効用吸収式冷凍機２１、ポンプ２２、直接接触式熱交換器２３、および冷却塔２６を付加した構成としている。
【００２３】
排熱回収熱交換器１９は、改質器３のバーナ側から排出される燃焼排ガス１１、および燃料電池本体１の空気極１ｂから排出される空気排ガス１２が有する排熱を高温熱源として、直接接触式熱交換器２３からの温水を、８５℃程度の温水２０として回収する。
【００２４】
直接接触式熱交換器２３は、排熱回収熱交換器１９からの排ガス（燃焼排ガスおよび空気排ガス）２４に含まれる水蒸気を凝縮し、温水として回収する。
【００２５】
単効用吸収式冷凍機２１は、排熱回収熱交換器１９および直接接触式熱交換器２３で回収され、さらに冷却器１０で熱交換することによって加温された温水により作動する。
【００２６】
冷却塔２６は、直接接触式熱交換器２３で燃焼排ガス１１および空気排ガス１２中の水蒸気分が凝縮しない温度まで熱回収するためのもので、単効用吸収式冷凍機２１を作動させた後にポンプ２２を介して供給される温水２０を、冷却水２５として直接接触式熱交換器２３に戻す。
【００２７】
次に、以上のように構成した本実施の形態のリン酸型燃料電池発電プラントの作用について説明する。
【００２８】
なお、前記図４と同一部分の作用についてはその説明を省略し、ここでは異なる部分の作用についてのみ述べる。
【００２９】
すなわち、図１において、排熱回収熱交換器１９では、改質器３からの燃焼排ガス１１、および燃料電池本体１からの空気排ガス１２が有する排熱を高温熱源として、８５℃程度の温水２０が取り出される。
【００３０】
この温水２０は、燃料電池本体１の反応温度を適正値に維持するための冷却器１０に供給され、ここでさらに燃料電池本体１の排熱を回収した後に、単効用吸収式冷凍機２１に供給されてそれを作動させる。
【００３１】
そして、単効用吸収式冷凍機２１を作動させた後に温水２０は、ポンプ２２を介して冷却塔２６に供給されて冷却され、冷却水２５として直接接触式熱交換器２３に戻され循環する。
【００３２】
この場合、前述した排ガス凝縮器１３の代わりに、改質器３からの燃焼排ガス１１、および燃料電池本体１からの空気排ガス１２に含まれる水蒸気を凝縮し温水として回収する直接接触式熱交換器２３を用いていることにより、冷却水２５が直接排ガス２４と接触するため、従来の隔壁型熱交換器に比較して、高い伝熱特性が得られ、排ガス凝縮器の小型化を実現することができる。
【００３３】
すなわち、直接接触式熱交換器２３を用いることにより、排ガス凝縮器の小型化を実現すると共に、排熱回収熱交換器１９からの温水２０の取り出し温度を高めることにより、排ガスからの熱回収を効率よく行ない、単効用吸収式冷凍機２１を作動させることができるレベルの高温排熱を取り出すことが可能となる。
【００３４】
上述したように、本実施の形態のリン酸型燃料電池発電プラントでは、排ガスからの熱回収を効率よく行ない、単効用吸収式冷凍機２１を作動させることができるレベルの高温排熱を取り出すことが可能となる。
【００３５】
（第２の実施の形態）
図２は、本実施の形態によるリン酸型燃料電池発電プラントのシステム構成図であり、図１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００３６】
すなわち、本実施の形態のリン酸型燃料電池発電プラントは、図２に示すように、図１における単効用吸収式冷凍機２１を省略し、これに代えて、単効用と二重効用の一体型吸収式冷凍機２７を備えた構成としている。
【００３７】
次に、以上のように構成した本実施の形態のリン酸型燃料電池発電プラントの作用について説明する。
【００３８】
なお、前記図４と同一部分の作用についてはその説明を省略し、ここでは異なる部分の作用についてのみ述べる。
【００３９】
すなわち、図２において、排熱回収熱交換器１９では、改質器３からの燃焼排ガス１１、および燃料電池本体１からの空気排ガス１２が有する排熱を高温熱源として、８５℃程度の温水２０が取り出される。
【００４０】
この温水２０は、燃料電池本体１の反応温度を適正値に維持するための冷却器１０に供給され、ここでさらに燃料電池本体１の排熱を回収した後に、単効用と二重効用の一体型吸収式冷凍機２７に供給されてそれを作動させる。
【００４１】
そして、単効用と二重効用の一体型吸収式冷凍機２７を作動させた後に温水２０は、ポンプ２２を介して冷却塔２６に供給されて冷却され、冷却水２５として直接接触式熱交換器２３に戻され循環する。
【００４２】
この場合、前述した単効用吸収式冷凍機２１の代わりに、単効用と二重効用の一体型吸収式冷凍機２７を用いていることにより、単効用と二重効用の一体型吸収式冷凍機２７に供給される温水を有効的に利用することができる。
【００４３】
すなわち、単効用と二重効用の一体型吸収式冷凍機２７を用いることにより、排ガスからの熱回収を前述した第１の実施の形態に比べてより一層効率よく行ない、単効用と二重効用の一体型吸収式冷凍機２７を作動させることができるレベルの高温排熱を取り出すことが可能となる。
【００４４】
上述したように、本実施の形態のリン酸型燃料電池発電プラントでは、排ガスからの熱回収をより一層効率よく行ない、単効用と二重効用の一体型吸収式冷凍機２７を作動させることができるレベルの高温排熱を取り出すことが可能となる。
【００４５】
（第３の実施の形態）
図３は、本実施の形態によるリン酸型燃料電池発電プラントのシステム構成図であり、図２と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００４６】
すなわち、本実施の形態のリン酸型燃料電池発電プラントは、図３に示すように、図２における直接接触式熱交換器２３で回収された温水の一部を、ポンプ２８を介して再度冷却塔２６に供給して冷却し、冷却水２５として直接接触式熱交換器２３に戻す構成としている。
【００４７】
次に、以上のように構成した本実施の形態のリン酸型燃料電池発電プラントの作用について説明する。
【００４８】
なお、前記図２と同一部分の作用についてはその説明を省略し、ここでは異なる部分の作用についてのみ述べる。
【００４９】
すなわち、図３において、直接接触式熱交換器２３の温水の一部は、ポンプ２８を介して再度冷却塔２６に供給され、単効用と二重効用の一体型吸収式冷凍機２７を作動させ、ポンプ２２を介して冷却塔２６に供給される温水２０と共に冷却され、冷却水２５として直接接触式熱交換器２３に戻され循環する。
【００５０】
この場合、直接接触式熱交換器２３の温水の一部を、ポンプ２８を介して再度冷却塔２６に供給して温水を循環させていることにより、直接接触式熱交換器２３の温水循環ラインによって単効用と二重効用の一体型吸収式冷凍機２７に供給される温水流量を絞ることができるため、温水温度を高くすることができる。
【００５１】
すなわち、直接接触式熱交換器２３の温水の一部をポンプ２８を介して循環させることにより、排ガスからの熱回収を前述した第２の実施の形態に比べてより一層効率よく行ない、単効用と二重効用の一体型吸収式冷凍機２７を作動させることができるレベルの高温排熱を取り出すことが可能となる。
【００５２】
上述したように、本実施の形態のリン酸型燃料電池発電プラントでは、排ガスからの熱回収をさらにより一層効率よく行ない、単効用と二重効用の一体型吸収式冷凍機２７を作動させることができるレベルの高温排熱を取り出すことが可能となる。
【００５３】
（その他の実施の形態）
前述した第３の実施の形態では、直接接触式熱交換器２３の温水の一部をポンプ２８を介して循環させる構成を、吸収式冷凍機として単効用と二重効用の一体型吸収式冷凍機２７を備えたリン酸型燃料電池発電プラントに適用する場合について説明したが、これに限らず、直接接触式熱交換器２３の温水の一部をポンプ２８を介して循環させる構成を、前述した第１の実施の形態のように、吸収式冷凍機として単効用吸収式冷凍機２１を備えたリン酸型燃料電池発電プラントについても、同様に適用して前述の場合と同様の作用効果を得ることが可能である。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のリン酸型燃料電池発電プラントによれば、排ガスからの熱回収を効率よく行ない、吸収式冷凍機を作動させることができるレベルの高温排熱を取り出すことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるリン酸型燃料電池発電プラントの第１の実施の形態を示すシステム構成図。
【図２】本発明によるリン酸型燃料電池発電プラントの第２の実施の形態を示すシステム構成図。
【図３】本発明によるリン酸型燃料電池発電プラントの第３の実施の形態を示すシステム構成図。
【図４】従来のリン酸型燃料電池発電プラントの一例を示すシステム構成図。
【符号の説明】
１…燃料電池本体、
１ａ…燃料極、
１ｂ…空気極、
１ｃ…冷却板、
２…原燃料、
３…改質器、
３ａ…反応部、
３ｂ…バーナ部、
４…改質ガス、
５…反応用空気、
６…空気供給装置、
７…電池冷却水、
８…水蒸気分離器、
９…ポンプ、
１０…冷却器、
１１…燃焼排ガス、
１２…空気排ガス、
１４…プラント排ガス、
１５…凝縮水、
１９…排熱回収熱交換器、
２０…温水、
２１…単効用吸収式冷凍機、
２２…ポンプ、
２３…直接接触式熱交換器、
２４…排ガス、
２５…冷却水、
２６…冷却塔、
２７…単効用と二効用の一体型吸収式冷凍機、
２８…ポンプ。
【図１】
0003557104.tif 000002
【図２】
0003557104.tif 000003
【図３】
0003557104.tif 000004
【図４】
0003557104.tif 000005