(57)【要約】【課題】  排熱循環ラインにおける回収水量を増して、冬季においても白煙の発生を防止できる燃料電池発電システムを提供する。【解決手段】  燃料ガス１７および酸化ガス４５を燃料電池発電装置１１に導入して発電する際に、排熱循環ライン１２に冷却水（温水）を供給して熱を回収する。このとき、排熱循環ライン１２の戻り温水温度Ｔ３の設定を、発電負荷Ａ１に応じて制御するので、冬季運転時における水回収を促進させることができ、排ガス３５に含まれる水蒸気を減少させて白煙防止を図ることができる。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスおよび酸化ガスを導入して電気エネルギーへ変換する燃料電池発電装置と、前記燃料電池発電装置で発生する熱を冷却水を介して回収する排熱循環ラインとを備えた燃料電池発電システムであって、
前記排熱循環ラインの戻り温水温度設定を、発電負荷に応じて制御することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記戻り温水温度設定を、外気温度および／または湿度に応じて制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記戻り温水温度設定を、外気温度および／または湿度をパラメータとし、発電負荷を変数として制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記戻り温水温度設定の冬季における設定値を、前記発電負荷の増加に応じて低温化することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記戻り温水温度を低発電負荷時には４０℃に設定し、高負荷時には３５℃〜３８℃に設定することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
前記戻り温水温度の調整を、三方弁の開度調整およびファンの回転数制御により行うことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスおよび酸化ガスを導入して電気エネルギーへ変換する燃料電池発電装置と、この燃料電池発電装置で発生する熱を冷却水を用いて除去する排熱循環ラインとを備えた燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、発電する際に熱を発生するため、この熱を温水として取出して、冷暖房または給湯などにコージェネレーションとして熱利用するのが一般的である。このため、燃料電池の発電における発熱は冷却する必要があり、そのための装置として排熱処理設備が存在する（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図３には、特許文献１に記載の燃料電池発電システム１００を示す。図３
中、左側は燃料電池発電装置１０１内を示し、一点鎖線で区切られた右側は燃料電池発電装置１０１外を示す。燃料電池発電装置１０１内には、燃料極１０３、空気極１０４および冷却板１０５を有する燃料電池スタック１０２が設けられている。また、原燃料ガス１０７を水素リッチなガスへ改質する改質器１０６、原燃料ガス１０７を脱硫して改質器１０６で生成されたＣＯ成分をＣＯ２
へ変える脱硫器／ＣＯ変成器１０８、水蒸気分離器１０９等が設けられている。なお、脱硫後の原燃料ガス１０７と水蒸気は、エジェクタ１１０で混合される。
【０００４】
空気は、電池反応空気ブロア１１１により、空気供給系１１２を介して燃料電池スタック１０２の空気極１０４へ供給され、電池反応後の空気は、空気排出系１１３によって凝縮水タンク１１４へ供給される。
【０００５】
燃料電池スタック１０２の冷却板１０５には、冷却水を循環させるために電池冷却水系１１５、水蒸気分離器１０９および電池冷却水循環ポンプ１１７が接続されている。水蒸気分離器１０９は冷却板１０５から排出された水および蒸気を水蒸気と冷却水とに分離する。分離された水蒸気はエジェクタ１１０を介して改質器１０６へ送出される。一方、分離された冷却水は電池冷却水循環ポンプ１１７により冷却板１０５へ送出される。
【０００６】
凝縮水タンク１１４へは、改質器１０６から排ガス冷却器１１８を通って排出された燃焼排ガスと、燃料電池スタック１０２の空気極１０４から空気排出系１１３を通って送出された電池反応後の空気とが供給されている。凝縮水タンク１１４で回収された回収水は、回収水系１１９から回収水ポンプ１２０により回収水冷却器１２１を通り、インバータ冷却水系１２２によりインバータ１２３を冷却した後、回収水系１１９へ戻される。この時、インバータ冷却水出口温度センサ１２４によりインバータ冷却水出口温度ＴＢ２が測定される。一方、回収水冷却器１２１から送出された冷却水は水処理装置１２５へ導入されて純水化された後、給水ポンプ１２６により水蒸気分離器１０９へ還流供給される。水処理装置１２５の通水速度を一定量とするため、水処理装置１２５から送出された純水の一部は再循環用配管１２７を通って再び水処理装置１２５へと戻される。
【０００７】
燃料電池発電装置１０１の外には排熱処理装置１２８があり、冷却ファン１２９を冷却ファンモータ１３０で回転させることにより、低温水冷却水系１３１を冷却する。冷却ファンモータ１３０の回転数は可変電圧可変周波数（Variable Voltage Variable Frequency:ＶＶＶＦ）により制御する。低温水冷却水系１３１は、凝縮水タンク１１４から燃料電池発電装置１０１内の低温水循環ポンプ１３２により燃料電池発電装置１０１外の冷却水温度コントロール弁１３３を経由して凝縮水タンク１１４へ戻される。この時、低温水冷却水出口温度センサ１３４により低温水冷却水出口温度ＴＢ１が測定される。低温水冷却水系１３１からは回収水冷却器１２１へも送出されている。
【０００８】
信号線１３５（点線）で示されるように、冷却ファンモータ１３０のコントロールは、低温水冷却水出口温度センサ１３４で測定された低温水冷却水出口温度ＴＢ１に応じて、冷却水温度コントロール弁１３３およびＶＶＶＦにより行なわれている。外気温度が設計値以上に上昇した場合、低温水冷却水出口温度ＴＢ１は設定値以上に上昇し、これと合わせてインバータ冷却水出口温度ＴＢ２も上昇する。インバータ冷却水出口温度ＴＢ２が許容温度に達すると、インバータ１２３
を保護するために燃料電池発電装置１０１は最低まで負荷を低減する。
【０００９】
さらに、燃料電池発電装置１０１外のＶＶＶＦと燃料電池発電装置１０１内のインバータ冷却水出口温度センサ１２４とは、信号線１３６で接続されており、冷却ファンモータ１３０のコントロールを、インバータ冷却水出口温度センサ１２４で測定されたインバータ冷却水出口温度ＴＢ２に応じて、冷却水温度コントロール弁１３３およびＶＶＶＦにより行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００５−１３５８７５号公報（第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、前述したような燃料電池発電システムにおいては、排熱回収系に生成水回収のための排熱処理（例えば、排ガス冷却器内での燃焼排ガスや排出空気の除熱等）という役割があるため、熱利用範囲が制限される。また、排熱回収系の循環水量の変動は、排ガス冷却器の排気圧力より電池反応空気、オフガス燃料用空気の流量が変化するという特性がある。このため、一般に、循環水量は負荷によらず一定量を供給して、負荷変化時の挙動安定性を図っている。
【００１２】
また、燃料電池発電装置から熱利用（排熱処理設備）へ供給する往き戻りの温水温度は、主に発電負荷（電池電流）に左右され、また、季節による気温、湿度の影響を受けやすい。とりわけ、低温熱処理系の回収熱量の大部分は、排ガスから回収水として除去される水の潜熱に起因し、その回収水量は、低温水戻り温度により変化し、除熱量も変動する。従来の排熱回収系は、戻り温水温度が一定値となるよう、電池電流に合わせて冷却水温度コントロール用の三方弁の開度および冷却ファンの回転数を制御していた。
【００１３】
しかしながら、戻り温水温度を一定値とする制御では、冬季においては外気温が低いため、排ガスラインより系外に排出された排ガス中の水蒸気が凝縮して白煙が発生することがある。このような白煙を故障による煙と誤認する恐れがあるため、改善が望まれている。
【００１４】
そこで、本発明は、上記問題点に解決するためになされたものであり、排熱循環ラインにおける回収水量を増して、冬季においても白煙の発生を防止できる燃料電池発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池発電システムは、燃料ガスおよび酸化ガスを導入して電気エネルギーへ変換する燃料電池発電装置と、前記燃料電池発電装置で発生する熱を冷却水を介して回収する排熱循環ラインとを備えた燃料電池発電システムであって、前記排熱循環ラインの戻り温水温度設定を、発電負荷に応じて制御する構成を有している。
【００１６】
この構成により、燃料ガスおよび酸化ガスを燃料電池発電装置に導入して発電する際に、排熱循環ラインに冷却水（温水）を供給して熱を回収する。このとき、排熱循環ラインの戻り温水温度設定を、発電負荷に応じて制御するので、冬季運転時における水回収を促進させることができ、外部に放出される排ガスに含まれる水蒸気を減少させて白煙防止を図ることができる。ここで、排熱循環ラインの戻り温水温度とは、排熱処理設備により冷却された冷却水（温水）が、水回収装置に戻るときの温度を言う。また、排熱循環ラインとは、改質系機器からの燃焼排ガスや燃料電池からの燃料電池排空気から水を回収するラインを言う。
【００１７】
また、本発明の燃料電池発電システムは、前記戻り温水温度設定を、外気温度および／または湿度に応じて制御する構成を有している。
【００１８】
この構成により、外気温度および／または湿度に応じて温水温度設定を制御するので、季節の変化に応じて水回収を促進し、白煙防止を図ることができる。
【００１９】
また、本発明の燃料電池発電システムは、前記戻り温水温度設定を、外気温度および／または湿度をパラメータとし、発電負荷を変数として制御する構成を有している。
【００２０】
この構成により、外気温度および／または湿度をパラメータとし、発電負荷を変数として戻り温水温度の設定値を求めるので、発電負荷が変化したときに、効果的に水回収を促進して、白煙防止を図ることができる。
【００２１】
また、本発明の燃料電池発電システムは、前記戻り温水温度設定の冬季における設定値を、前記発電負荷の増加に応じて低温化する構成を有している。
【００２２】
この構成により、冬季においては、戻り温水温度の設定値を発電負荷の増加に応じて低温化することにより、効果的に水回収を促進して、白煙防止を図ることができる。
【００２３】
また、本発明の燃料電池発電システムは、前記戻り温水温度を低発電負荷時には４０℃に設定し、高負荷時には３５℃〜３８℃に設定する構成を有している。
【００２４】
この構成により、冬季における戻り温水温度を低発電負荷時には４０℃に設定し、高負荷時には３５℃〜３８℃に設定するので、冬季にも効果的に水回収を促進して、白煙防止を図ることができる。
【００２５】
さらに、本発明の燃料電池発電システムは、前記戻り温水温度の調整を、三方弁の開度調整およびファンの回転数制御により行う構成を有している。
【００２６】
この構成により、戻り温水温度の調整を、三方弁の開度調整およびファンの回転数制御により行うので、排ガスラインの後段に背圧をかけることなく、既に有する機器の運転方法のみで、効果的に水回収を促進して、白煙防止を図ることができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、排熱循環ラインの戻り温水温度設定を、発電負荷に応じて制御するので、冬季運転時における水回収を促進させることができ、排ガスに含まれる水蒸気を減少させて白煙防止を図ることができるという効果を有する燃料電池発電システムを提供することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施形態にかかる燃料電池発電システムの基本構成図である。
【図２】電池電流に対する戻り温水温度の変化を示すグラフである。
【図３】従来の燃料電池発電装置の基本構成図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態の燃料電池発電システムについて、図面を用いて説明する。
図１に示すように、燃料電池発電システム１０は、燃料電池発電装置１１と、燃料電池発電装置１１で発生する熱を冷却水を介して回収する排熱循環ライン１２を有する。
燃料電池発電装置１１は、単セルが複数個重なった燃料電池１３を有しており、燃料極１４、空気極１５および冷却板１６を有する。燃料電池１３は、後述する改質系機器１８によって燃料ガスである原燃料ガス１７を水蒸気改質して得られ燃料極１４に供給された改質ガス中の水素と、反応空気ブロア２２によって空気極１５に供給された酸化ガスとしての空気４５中の酸素との電気化学反応に基づいて発電を行う。
【００３０】
なお、燃料極１４はオフガス供給系２１により改質系機器１８に接続されており、電池反応に寄与しない水素を含むオフガスを改質系機器１８に戻す。空気極１５へ供給されて電池反応した後の空気（燃料電池排空気）は、空気排出系２５によって水回収用凝縮器である排ガス冷却器２６へ供給される。また、冷却板１６の冷却水排熱回収用熱交換器２９は、冷却水循環系２７によって水蒸気分離器２４および電池冷却水循環ポンプ２８に接続されている。
【００３１】
改質系機器１８は、供給される天然ガス等の原燃料ガス１７を水素リッチなガス（改質ガス）へ改質する。改質系機器１８は、改質ガス供給系２０によって燃料電池１３の燃料極１４に接続されており、改質ガスを燃料極１４に供給する。また、改質系機器１８は、水蒸気供給系２３により後述する水蒸気分離器２４に接続されており、水蒸気が供給される。また、改質系機器１８には燃焼用空気供給ブロア１９が接続されており、燃焼用の空気が送られる。
これにより、改質系機器１８では、原燃料ガス１７を水蒸気分離機２４から供給される水蒸気とともに改質触媒下にてバーナで燃焼させ、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。
【００３２】
水蒸気分離器２４は冷却板１６から排出された水および蒸気を水蒸気と冷却水とに分離する。分離された水蒸気は水蒸気供給系２３を介して改質系機器１８へ送出される。一方、分離された冷却水は電池冷却水循環ポンプ２８により冷却板１６へ送出される。なお、電池冷却水循環ポンプ２８により送出される冷却水の一部は、バイパスされて高温熱交換器３０および中温熱交換器３１によって冷却される。冷却後の冷却水の温度は、電池冷却水バイパス温度Ｔ１として測定される。
【００３３】
高温熱交換器３０は、排熱中温水複ライン３３を介して排熱高温水熱交換装置３４に接続されており、排熱高温水吐出ポンプ３５により冷却水が循環する。中温熱交換器３１を通った冷却水は、排熱中温水熱交換装置３６を通り、排熱中温水往ライン３７および排熱低温水往ライン４４を介して、排熱処理設備である空冷式冷却器３８に送られる。空冷式冷却器３８は、モータ３９によってファン４０を回転させることにより、冷却水を空冷する。
【００３４】
排ガス冷却器２６へは、改質系機器１８から燃焼排ガス系３２を通って排出された燃焼排ガスと、燃料電池１３の空気極１５から空気排出系２５を通って送出された電池反応後の空気（燃料電池排空気）とが供給されている。排ガス冷却器２６では、空冷式冷却器３８から三方弁４１を介して供給された冷却水を上方から散水して冷却し、燃料電池排空気および燃焼排ガスを冷却して含まれる水を凝縮・回収する。このとき散水される冷却水の温度は、戻り温水温度Ｔ３として測定される。排ガス冷却器２６には水位計４２が設けられており、貯水量が計測される。また、排ガス冷却器２６の上部には排ガスライン４３が接続されており、排ガスを燃料電池発電システム１０の外部に排出する。この際、排ガス温度Ｔ２が計測される。
【００３５】
一方、回収水は、生成水回収ライン４６を介して補給水ポンプ４７によりイオン交換式水処理装置４８に送られ、給水ポンプ４９によって冷却水循環系２７に送られる。また、回収水は、排熱循環ライン１２において、排熱低温水吐出ポンプ５０により吐き出されて、排熱低温水三方弁５１を通り、排熱低温水往ライン４４を介して空冷式冷却器３８に送られる。このときの水温を、排熱低温水往き温度Ｔ４として測定する。また、排熱低温水三方弁５１から分岐して中温熱交換器３１にも送られる。
【００３６】
次に、燃料電池発電システム１０の動作について説明する。
まず、発電負荷である電池電流Ａ１に応じて、排熱循環ライン１２の戻り温水温度Ｔ３の設定値を演算により求める。このとき、負荷変化時の制御に加え、戻り温水温度Ｔ３の設定値の演算に当たり、外気温Ｔ１および外気湿度Ｈ１の測定値（ＰＶ値）をパラメータとして、排ガスライン４３の排ガスが排出された際の露点温度を算出する。操作量（ＭＶ値）として戻り温水温度設定値演算を行い、戻り温水温度制御指令Ｓ１によりバイパス分岐点における三方弁４１の開度制御およびファン４０を回転数制御することにより、戻り温水温度Ｔ３の制御を行う。
【００３７】
図２に示すように、夏季においては、外気温度Ｔ５および湿度Ｈ１が高く排ガスの白煙は生じにくいので、戻り温水温度Ｔ３の設定値は、電池電流Ａ１（発電負荷）の高低に関係なく、例えば４０℃で一定にする。
【００３８】
一方、冬季においては外気温度Ｔ５が低いため、排ガスの白煙を防止するために、電池電流Ａ１に応じて戻り温水温度Ｔ３の設定値を変える。すなわち、電池電流Ａ１が低いとき、例えば定格負荷の４０％のときは、戻り温水温度Ｔ３を４０℃に設定し、電池電流Ａ１が高いとき、例えば定格負荷が１００％のときは戻り温水温度Ｔ３を３５℃〜３８℃に設定する。そして、その間は、電池電流Ａ１が増加するに従って、戻り温水温度Ｔ３を徐々に下げる。このとき、外気温度Ｔ５、湿度Ｈ１をパラメータとして、戻り温水温度Ｔ３を求める。
【００３９】
以上、説明した本発明の実施形態にかかる燃料電池発電システム１０によれば、原燃料ガス１７および空気４５を燃料電池発電装置１１に導入して発電する際に、排熱循環ライン１２に冷却水（温水）を供給して熱を回収する。このとき、排熱循環ライン１２の戻り温水温度Ｔ３設定を、電池電流Ａ１に応じて制御するので、冬季運転時における水回収を促進させることができ、排ガスライン３５によって外部に放出される排ガスに含まれる水蒸気を減少させて白煙防止を図ることができる。
【００４０】
また、外気温度Ｔ５および／または湿度Ｈ１に応じて温水温度設定を制御することにより、季節の変化に応じて水回収を促進し、白煙防止を図ることができる。
【００４１】
また、外気温度Ｔ５および／または湿度Ｈ１をパラメータとし、電池電流Ａ１を変数として戻り温水温度Ｔ３の設定値を求めることにより、電池電流Ａ１が変化したときに、効果的に水回収を促進して、白煙防止を図ることができる。
【００４２】
また、冬季においては、戻り温水温度Ｔ３の設定値を電池電流Ａ１の増加に応じて低温化することにより、効果的に水回収を促進して、白煙防止を図ることができる。
【００４３】
また、冬季における戻り温水温度Ｔ３を電池電流Ａ１が低い時には４０℃に設定し、電池電流Ａ１が高い時には３５℃〜３８℃に設定するので、冬季にも効果的に水回収を促進して、白煙防止を図ることができる。
【００４４】
さらに、戻り温水温度Ｔ３の調整を、三方弁４１の開度調整およびファン４０の回転数制御により行うので、燃焼排ガス系３２および空気排出系２５の後段に背圧をかけることなく、既に有する機器の運転方法のみで、効果的に水回収を促進して、白煙防止を図ることができる。
【００４５】
以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る燃料電池発電システムは上述した実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。
【符号の説明】
【００４６】
１０  燃料電池発電システム
１１  燃料電池発電装置
１２  排熱循環ライン
１７  原燃料ガス（燃料ガス）
４０  ファン
４１  三方弁
４５  空気（酸化ガス）
Ａ１  電池電流（発電負荷）
Ｈ１  湿度
Ｔ３  戻り温水温度
Ｔ５  外気温度
【図１】
2012064413.tif 000003
【図２】
2012064413.tif 000004
【図３】
2012064413.tif 000005