(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、炭化水素と水蒸気との改質反応により水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質器と、前記燃料電池および燃料改質器から排出される熱を、温度レベルの異なる冷却水により熱交換して排出する低温水用熱交換器と高温水用熱交換器とを備えた燃料電池発電装置の排熱処理方法において、
前記低温水用熱交換器および高温水用熱交換器における温度レベルの異なる冷却水を、空冷ファンにより一括冷却する空冷式冷却器における低温水用冷却器および高温水用冷却器にそれぞれ循環して冷却し、
前記空冷式冷却器における冷却空気を、前記低温水用冷却器側から高温水用冷却器側に通流して冷却し、
前記低温水用熱交換器および高温水用熱交換器の入口冷却水温度をそれぞれ計測し、所定の各設定温度と比較して空冷の増強の要否を判定し、少なくとも一方が空冷の増強要と判定された際に、前記空冷ファンの風量を増大し、
前記空冷の増強要と判定された以外の熱交換器（他の熱交換器）における冷却水の過冷却を防止するために、前記他の熱交換器における冷却水の少なくとも一部を、前記他の熱交換器に対応する低温水用冷却器または高温水用冷却器をバイパスさせて循環冷却することを特徴とする燃料電池発電装置の排熱処理方法。
【請求項２】
請求項１記載の排熱処理方法を実施するための燃料電池発電装置の排熱処理装置において、前記燃料電池と、燃料改質器と、低温水用熱交換器および高温水用熱交換器と、低温水用冷却器および高温水用冷却器を有し空冷ファンにより一括冷却する空冷式冷却器と、前記低温水用熱交換器と低温水用冷却器との間に設けた低温冷却水循環路と、前記高温水用熱交換器と高温水用冷却器との間に設けた高温冷却水循環路とを備え、さらに、前記低温冷却水循環路および高温冷却水循環路は、それぞれ前記バイパスさせて循環冷却するためのバイパス管路および三方弁と、各熱交換器入口冷却水の温度測定用の温度センサーと、前記冷却水の過冷却を防止するための制御装置とを備えることを特徴とする燃料電池発電装置の排熱処理装置。
【請求項３】
請求項２記載の排熱処理装置において、前記空冷ファンは、風量を調節するためのＶＶＶＦインバータを備えることを特徴とする燃料電池発電装置の排熱処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池発電装置の排熱処理方法および排熱処理装置、特に空冷式冷却器を用いた方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のとおり、リン酸型燃料電池，固体高分子電解質型燃料電池，溶融炭酸塩型燃料電池などは、反応ガスとしての燃料ガスおよび酸化剤ガスを電極触媒層を備えた燃料電極および酸化剤電極に連続的に供給して、燃料のもつエネルギーを電気化学的に電気エネルギーに変換するものである。
【０００３】
これらの燃料電池においては、その電解質の性質から、二酸化炭素を含んだ燃料ガスや酸化剤ガスを使用することが可能である。そこで通常、これらの燃料電池においては、空気を酸化剤ガスとし、メタノールや天然ガス等の炭化水素系原燃料を燃料改質器により水蒸気改質して得られる水素リッチな改質ガスを燃料ガスとして用いている。
【０００４】
図４は、従来のリン酸型燃料電池発電装置の概略システム構成の一例を示す。
【０００５】
図４において、燃料電池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を有する冷却板４とから構成される。
【０００６】
一方、燃料改質器７は、原燃料供給系９を経て供給される天然ガス等の原燃料を、水蒸気分離器２１で分離されて水蒸気供給系２２を経て供給される水蒸気とともに、改質触媒下にて、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。
【０００７】
燃料改質器７で生成された上記改質ガスは、ＣＯ変成器８を有する改質ガス供給系１１を経由して燃料電池１の燃料極２に供給され、一方、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が、オフガス供給系１２を経て燃料改質器７のバーナに燃料として供給される。
【０００８】
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１３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１５により水回収用凝縮器４１へと送られ、水回収後、排出される。
【０００９】
また、燃料電池１には、空気極３に空気を供給する反応空気ブロア１６を備えた空気供給系１７と、電池反応後の空気を前記水回収用凝縮器４１へ供給する空気排出系１８とが接続されている。
【００１０】
燃料電池１の冷却板４の冷却管には、燃料電池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２４および燃料電池冷却水廃熱回収用熱交換器２３を備えた冷却水循環系２０が、接続されている。冷却水循環系２０は、冷却水調節弁２５を備え、必要に応じて廃熱回収用熱交換器２３への冷却水の流通を調節できるようにしている。
【００１１】
前記水蒸気分離器２１では、燃料電池１の冷却管から排出された水と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に向かう原燃料と混入するように、前記水蒸気供給系２２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、エジェクタ６を使用している。このエジェクタ６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。原燃料供給系９は、一般に、脱硫器５を備える。
【００１２】
前記水回収用凝縮器４１には、前述のように、燃焼排ガス系１５，空気排出系１８が接続され、この水回収用凝縮器４１には、生成水等回収タンク４４を有する凝集水回収系４２が接続されている。
【００１３】
前記回収水は、脱炭酸塔４３で空気接触させて脱炭酸処理をした後に、補給水ポンプ４６によって、イオン交換式水処理装置４７に導入して、純水化した後に、給水ポンプ４９により水蒸気分離器２１へ還流供給され、原燃料の水蒸気改質に必要な水として利用される。
【００１４】
水処理装置４７は吸着速度の関係から、通水速度は一定量が必要であり、そのため、水処理装置に水が循環して流れる閉回路を設けて、常時一定流量を水処理装置に通水可能として、所定のＳＶ値（空間速度１／ｈ）を維持するのが一般的である。この場合、図４に示すように、水処理装置４７は処理水の再循環用配管４８を備え、水処理された水の内、一部は給水ポンプ４９によって水蒸気分離器２１に供給され、残りの純水は、再循環用配管４８を経由して再び水処理装置４７に戻される。
【００１５】
なお、固体高分子電解質型燃料電池発電装置の場合には、通常、前記ＣＯ変成器から導出した改質ガスを、ＣＯ変成器の後段に設けたＣＯ除去器に導入し、ＣＯを酸化して、改質ガス中のＣＯ濃度を１０ｐｐｍ程度まで低減する。
【００１６】
図４は、標準的なシステム構成例を示したが、システム構成はニーズに応じて種々の形態があり、燃料電池発電装置の排熱処理方法に限定した場合においても、種々の形態が存在する。例えば、図５は、燃料電池の排熱を有効に利用し、かつ水回収装置から排出される排ガスの白煙化の防止を図るために、同一出願人によって提案され、特願２０００−２８５７９６号に記載された構成例を示す。
【００１７】
図５においては、図４における水処理装置等の一部の構成部材は省略して示し、また、図４と同一構成部材には同一番号を付して説明を省略する。
【００１８】
図５において、水回収装置５２は、水回収用の排ガス冷却器５３の上方に、水回収された排空気および燃焼排ガスを加熱するための排気ガス加熱用熱交換器５２を備える。また、水蒸気分離器２１から導出した冷却水を、排熱利用熱交換装置５４に通流して冷却した後、排気ガス加熱用熱交換器５２に通流してさらに冷却し、この冷却された水を、水蒸気分離器２１から導出した水と合流する冷却水循環回路５５を備える。
【００１９】
水蒸気分離器２１は圧力計３２を備え、また、冷却水循環回路５５は、前記圧力計３２の計測値に基づいて水蒸気分離器２１内の圧力を一定に制御する流量調節弁３３を備える。３０は電池冷却水循環用ポンプ、３１は補給水ポンプを示す。
【００２０】
上記構成において、電池冷却水の一部が分岐され、排熱利用熱交換装置５４に通流して冷却した後、前記排気ガス加熱用熱交換器５２に通流してさらに冷却することにより、燃料電池における発熱量と熱除去量のバランスをとることができる。ちなみに、図５にＴ１〜Ｔ１０で示す各部の温度を例示すると、下記のとおりである。下記温度において、括弧内に示す数値は、代表温度である。
【００２１】
Ｔ１：１６０〜１７０℃（１６０℃），Ｔ２：１４０〜１７０℃（１４５℃）
Ｔ３：  ８５〜  ９５℃（  ９５℃），Ｔ４：  ５０〜  ９０℃（  ６０℃）
Ｔ５：  ７０〜  ８５℃（  ８５℃），Ｔ６：  ８０〜  ９５℃（  ９０℃）
Ｔ７：  ３０〜  ４０℃（  ４０℃），Ｔ８：  ４０〜  ６０℃（  ５０℃）
Ｔ９：  ４０〜  ４５℃（  ４５℃），Ｔ10：  ４５〜  ５５℃（  ５０℃）
上記のように、水回収装置５１において冷却され、水回収された排ガスの温度Ｔ９は４０〜４５℃であるが、この排ガスを、排気ガス加熱用熱交換器５２により冷却水の余剰熱によって加熱し、その温度Ｔ10を、４５〜５５℃とすることにより、排ガス中の水蒸気が外気にさらされても直ちに、水蒸気の白煙が生成することがなくなり、排ガスの白煙化が防止できる。
【００２２】
ところで、上記図４および図５に示すように、一般に、燃料電池発電装置においては、燃料電池と、炭化水素と水蒸気との改質反応により水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質器と、前記燃料電池および燃料改質器から排出される熱を、温度レベルの異なる冷却水により熱交換して排出する低温水用熱交換器と高温水用熱交換器とを備え、空冷式冷却器により最終的な排熱処理が行なわれる。
【００２３】
前記図５に示すシステムにおいて、排ガス冷却器５３が低温水用熱交換器に該当し、排熱利用熱交換装置５４が高温水用熱交換器に該当する。図４に示すシステムにおいては、水回収用凝縮器４１および燃料電池冷却水廃熱回収用熱交換器２３が、それぞれ低温水用熱交換器および高温水用熱交換器に該当する。図４においても、代表温度は、図５における低温水用熱交換器および高温水用熱交換器と同等レベルの温度である。
【００２４】
本発明の説明の便宜上、前記従来の排熱処理システムの構成に関わる簡略化したシステム系統図を図３に示す。
【００２５】
図３において、６１は、燃料電池発電装置内で発生した熱を、低温水として外部に取り出すための低温水用熱交換器で、６２は、燃料電池発電装置内で発生した熱を、高温水として外部に取り出すための高温水用熱交換器である。６３は、低温水を循環させるための低温水ポンプで、６４は、高温水を循環させるための高温水ポンプである。６５は、６７の空冷ファンで低温水を冷却するための冷却器で、６６も、６７の空冷ファンで高温水を冷却するための冷却器である。６９は、低温水を制御するための温度センサーで、７０も高温水を制御するための温度センサーである。なお、図３において、８１，８２は、それぞれ、低温冷却水循環路および高温冷却水循環路を示し、１０１，１０２は、それぞれ、低温水用および高温水用の空冷式冷却器を示す。
【００２６】
低温用熱交換器６１における低温水は、循環ポンプ６３で冷却器５に送られ、温度センサー６９と図示しない制御装置とにより、空冷ファン６７の風量制御を行って設定温度となるように制御される。同様に、高温用熱交換器６２における高温水は、循環ポンプ６４で冷却器６６に送られ、温度センサー７０と図示しない制御装置とにより、空冷ファン６７の風量制御を行って設定温度となるように制御される。
【００２７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述のような従来の燃料電池発電装置の排熱処理方法および装置においては、下記のような問題があった。
【００２８】
燃料電池発電装置の排熱の冷却に空冷式冷却器を用いた場合、図３に示すように、低温水と高温水の冷却を、それぞれ別々の空冷ファンと冷却器とを用いて冷却水の温度制御を行っていた。そのため、空冷式冷却器の部品数，寸法，重量等が増大し、また電力消費量も増大して、設備コストおよび運転コストの増大を招いていた。
【００２９】
この発明は、上記問題点を解消するためになされたもので、この発明の課題は、空冷式冷却器のコンパクト化，省電力化及びコストの低減を図った燃料電池発電装置の排熱処理方法および装置を提供することにある。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、この発明は、燃料電池と、炭化水素と水蒸気との改質反応により水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質器と、前記燃料電池および燃料改質器から排出される熱を、温度レベルの異なる冷却水により熱交換して排出する低温水用熱交換器と高温水用熱交換器とを備えた燃料電池発電装置の排熱処理方法において、
前記低温水用熱交換器および高温水用熱交換器における温度レベルの異なる冷却水を、空冷ファンにより一括冷却する空冷式冷却器における低温水用冷却器および高温水用冷却器にそれぞれ循環して冷却し、
前記空冷式冷却器における冷却空気を、前記低温水用冷却器側から高温水用冷却器側に通流して冷却し、
前記低温水用熱交換器および高温水用熱交換器の入口冷却水温度をそれぞれ計測し、所定の各設定温度と比較して空冷の増強の要否を判定し、少なくとも一方が空冷の増強要と判定された際に、前記空冷ファンの風量を増大し、
前記空冷の増強要と判定された以外の熱交換器（他の熱交換器）における冷却水の過冷却を防止するために、前記他の熱交換器における冷却水の少なくとも一部を、前記他の熱交換器に対応する低温水用冷却器または高温水用冷却器をバイパスさせて循環冷却することとする（請求項１の発明）。
【００３１】
前記請求項１の発明によれば、従来に比較して空冷ファンの台数が減少し、空冷式冷却器が全体としてコンパクト化できる。これにより、省電力化及びコストの低減が可能となる。また、前記のバイパスさせて循環冷却することにより、、冷却水の過冷却を防止し、合理的な冷却水の温度制御が実現できる。
【００３２】
また、前記請求項１記載の排熱処理方法を実施するための好ましい燃料電池発電装置の排熱処理装置としては、燃料電池と、燃料改質器と、低温水用熱交換器および高温水用熱交換器と、低温水用冷却器および高温水用冷却器を有し空冷ファンにより一括冷却する空冷式冷却器と、前記低温水用熱交換器と低温水用冷却器との間に設けた低温冷却水循環路と、前記高温水用熱交換器と高温水用冷却器との間に設けた高温冷却水循環路とを備え、さらに、前記低温冷却水循環路および高温冷却水循環路は、それぞれ前記バイパスさせて循環冷却するためのバイパス管路および三方弁と、各熱交換器入口冷却水の温度測定用の温度センサーと、前記冷却水の過冷却を防止するための制御装置とを備えるものとする（請求項２の発明）。
【００３３】
さらに省電力化を図るために、請求項４記載の排熱処理装置において、前記空冷ファンは、風量を調節するためのＶＶＶＦインバータを備えるものとする（請求項３の発明）。
【００３４】
【発明の実施の形態】
図面に基づき、本発明の実施の形態について以下にのべる。
【００３５】
図２は、この発明の実施例を示す図であり、図１は、図２において過冷却防止用のバイパス系を有しないシステム構成を示す図である。図１および２において、図３と同じ機能部材には同一の番号を付して説明を省略する。
【００３６】
図１と図３とのシステム構成上の基本的な相違は、図１においては、低温水用熱交換器６１および高温水用熱交換器６２における温度レベルの異なる冷却水を、空冷式冷却器１００における低温水用冷却器６５および高温水用冷却器６６にそれぞれ循環して冷却し、１台の空冷ファン６７により一括冷却する構成とし、かつ前記空冷式冷却器１００における冷却空気を、前記低温水用冷却器６５側から高温水用冷却器６６側に通流して冷却する構成とした点である。
【００３７】
上記構成において、前記低温水用熱交換器６５および高温水用熱交換器６６の入口冷却水温度６９，７０をそれぞれ計測し、所定の各設定温度と比較して空冷の増強の要否を、図示しない制御装置により判定し、少なくとも一方が空冷の増強要と判定された際に、前記空冷ファン６７の風量を増大する制御を行う。空冷ファン６７は、ＯＮ／ＯＦＦ運転もしくは、ＶＶＶＦインバータ６８を用いて回転数制御を行なうことにより、風量調節を行って冷却水の温度制御を行なう。
【００３８】
次に、図２の実施例について説明する。図１と図２の実施例の相違は、図２においては、前記低温冷却水循環路８１および高温冷却水循環路８２は、それぞれバイパスさせて循環冷却するためのバイパス管路８３，８４および三方弁９１，９２と、各熱交換器入口冷却水の温度測定用の温度センサー６９，７０の計測値を入力し、冷却水の過冷却を防止するために前記三方弁を制御する図示しない制御装置とを備える点である。
【００３９】
上記実施例により、前述のように、冷却水の過冷却を防止して、リーズナブルな冷却水の温度制御を行なうことができる。
【００４０】
【発明の効果】
上記のとおり、この発明によれば、燃料電池と、炭化水素と水蒸気との改質反応により水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質器と、前記燃料電池および燃料改質器から排出される熱を、温度レベルの異なる冷却水により熱交換して排出する低温水用熱交換器と高温水用熱交換器とを備えた燃料電池発電装置の排熱処理をするに当り、前記低温水用熱交換器および高温水用熱交換器における温度レベルの異なる冷却水を、空冷ファンにより一括冷却する空冷式冷却器における低温水用冷却器および高温水用冷却器にそれぞれ循環して冷却し、前記空冷式冷却器における冷却空気を、前記低温水用冷却器側から高温水用冷却器側に通流して冷却し、前記低温水用熱交換器および高温水用熱交換器の入口冷却水温度をそれぞれ計測し、所定の各設定温度と比較して空冷の増強の要否を判定し、少なくとも一方が空冷の増強要と判定された際に、前記空冷ファンの風量を増大し、前記空冷の増強要と判定された以外の熱交換器（他の熱交換器）における冷却水の過冷却を防止するために、前記他の熱交換器における冷却水の少なくとも一部を、前記他の熱交換器に対応する低温水用冷却器または高温水用冷却器をバイパスさせて循環冷却する構成としたので、
空冷式冷却器のコンパクト化，省電力化及びコストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の燃料電池発電装置の排熱処理装置に関わり、過冷却防止用のバイパス系を有しないシステム構成を示す図
【図２】  この発明の燃料電池発電装置の排熱処理装置の実施例を示す図
【図３】  従来の燃料電池発電装置の排熱処理装置の概略構成の一例を示す図
【図４】  従来のリン酸型燃料電池発電装置の概略システム構成の一例を示す図
【図５】  図４とは異なる従来の燃料電池発電装置の概略システム構成を示す図
【符号の説明】
６１：低温水用熱交換器、６２：高温水用熱交換器、６５：低温水用冷却器、６６：高温水用冷却器、６７：空冷ファン、６８：ＶＶＶＦインバータ、６９，７０：温度センサー、８１：低温冷却水循環路、８２：高温冷却水循環路、８３，８４：バイパス管路、９１，９２：三方弁、１００：空冷式冷却器。
【図１】
0004453211.tif 000002
【図２】
0004453211.tif 000003
【図３】
0004453211.tif 000004
【図４】
0004453211.tif 000005
【図５】
0004453211.tif 000006