(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却水を通流する冷却板を介装してなる燃料電池本体と、該冷却板に冷却水を供給し、冷却板から排出される高温の冷却水を導入して水蒸気と水とに分離する水蒸気分離器を備え、かつ、水蒸気分離器に内部の貯留水を吐出させるためのブローダウン回路を備えたリン酸型燃料電池発電装置において、ブローダウン回路に細管からなる水圧力調整手段を設け、前記水圧力調整手段を通流させて圧力降下させた後のブローダウン水の圧力と大気圧との差圧を0.24MPa以下にすることを特徴とするリン酸型燃料電池発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池発電装置において、前記のブローダウン水圧力調整手段の細管が、内径３ｍｍ以下の細管であることを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池発電装置において、前記の主配管より管路断面積の小さな細管よりなるブローダウン水圧力調整手段が、燃料電池発電装置で使用される流体により冷却されるよう構成されていることを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池発電装置において、燃料電池発電装置が発電運転に伴って得られる生成水を回収するための生成水回収装置を備え、ブローダウン水圧力調整手段を冷却する前記流体が、該生成水回収装置の貯留水であることを特徴とする燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リン酸型燃料電池発電装置の燃料電池冷却水系の水蒸気分離器に備えられるブローダウン回路の構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３は、リン酸型水冷式燃料電池を用いた従来の燃料電池発電装置の燃料ガス供給系、空気供給系、ならびに冷却水系の基本構成を示す模式図である。
模式的に表示した燃料電池本体１は、リン酸を保持した電解質層を燃料極と空気極で挟持して形成した単セルを積層して構成されており、複数層ごとに発電に伴う発熱を除去する冷却板が介装されている。燃料電池本体１の燃料極へは、原燃料を水添脱硫器４で脱硫し、エゼクタポンプ３で水蒸気と混合し、燃料改質器２で改質された水素濃度の高い燃料ガスが供給される。すなわち、原燃料を水添脱硫器４に導入して水素を添加し、付臭剤として原燃料に含まれている硫黄を吸着除去したのち、エゼクタポンプ３において水蒸気分離器５より送られる水蒸気と混合し、燃料改質器２に送って加熱して触媒反応によって水素濃度の高い燃料ガスを生成し、燃料極へと供給している。なお、燃料ガスを燃料極へと供給する配管には、水添脱硫器４に導入する原燃料に燃料ガスの一部を再循環させて混合するためのリサイクルガス回路が接続されており、再循環させた燃料ガスに含まれる水素を水添脱硫器４における脱硫に有効利用するよう構成されている。また、燃料極より反応に寄与しないで排出される残存水素を含む燃料極オフガスと外部よりブロアによって供給される燃焼空気を、燃料改質器２の燃焼器に導入し、燃焼させることにより、燃料改質器２の通流ガスを加熱している。一方、燃料電池本体１の空気極へは、反応空気をブロアで取り込んで供給している。空気極より排出される空気極オフガスには、電気化学反応に伴って生じた反応生成水が含まれ、また燃料改質器２の燃焼器より排出される燃焼排ガスには燃焼に伴って生じた燃焼生成水が含まれている。したがって、空気極オフガスと燃焼排ガスは生成水回収装置７へと送られ、生成水を回収したのち外部へ排出されるように構成されている。
【０００３】
燃料電池本体の冷却板には水蒸気分離器５より冷却水を供給して、発電に伴って発生する熱を除去し、燃料電池本体の温度を所定の運転温度に維持している。冷却板において発熱を受けて高温となった冷却水は、冷却水冷却器６により冷却されたのち、水蒸気分離器５に戻され、水蒸気と水とに分離される。なお、冷却水冷却器６の冷却によって得られた熱は外部に取り出され有効利用される。水蒸気分離器５で分離された水蒸気は、前述のようにエゼクタポンプ３に送られ、改質に用いられる。また、エゼクタポンプ３へ水蒸気を供給することにより減少する水量を補うため、生成水回収装置７で回収された生成水を水処理装置８で純化して導入している。さらに、水蒸気分離器５には、貯留された水をブローダウンして生成水回収装置７へと送るブローダウン回路が備えられており、貯留水をブローダウン回路より生成水回収装置７へと送り、水処理装置８で純化して水蒸気分離器５に戻すことにより、貯留水の水質低下を防止している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図３の構成の燃料電池発電装置において、水蒸気分離器５の貯留水をブローダウンするブローダウン回路には、運転時、常に負荷に見合った流量の水が流れている必要がある。したがって、これらの回路には固定絞り９が組み込まれ、これによって流量を確保するよう構成されている。
【０００５】
ところが、本構成の燃料電池発電装置を運転する際には、水蒸気分離器５が約 0.6［MPaG］の圧力に保持して運転されるのに対して、生成水回収装置７はほぼ大気圧で運転される。したがって、これらの間に備えられたブローダウン回路では、固定絞り９で急激な圧力降下が生じ、固定絞り９で、ブローダウン水の一部がフラッシュする。固定絞り９には、このようにフラッシュすることにより取り残されたブローダウン水中の異物が付着し堆積する事態が生じるので、管路断面積が減少してブローダウン水の流量が低下し、最悪の場合には、固定絞り９が閉塞してブローダウン水の流れが停止する危険性がある。このようにブローダウン水の流量が不足すると、冷却水循環系の不純物が濃縮されて水蒸気分離器５の貯留水の水質が悪化し、エゼクタポンプ３に送られる水蒸気にも不純物が含まれ、エゼクタポンプ３の性能低下をもたらしたり、燃料ガス中に不純物が含まれることによって、燃料電池の性能低下をもたらすこととなる。
【０００６】
本発明の目的は、上記のごとき従来技術の難点を解消して、水蒸気分離器のブローダウン回路を大きな圧力差を備えて運転しても、ブローダウン水の流量が低下することなく安定に保持され、長期にわたり安定して運転できる燃料電池発電装置を提供することにある。
【０００７】
【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、本発明においては、
冷却水を通流する冷却板を介装してなる燃料電池本体と、該冷却板に冷却水を供給し、冷却板から排出される高温の冷却水を導入して水蒸気と水とに分離する水蒸気分離器を備え、かつ、水蒸気分離器に内部の貯留水を吐出させるためのブローダウン回路を備えた燃料電池発電装置において、
（１）ブローダウン回路に、細管からなる水圧力調整手段を設け、前記水圧力調整手段を通流させて圧力降下させた後のブローダウン水の圧力と大気圧との差圧を0.24MPa以下にすることとする。
【０００８】
（２）あるいは、ブローダウン回路に、回路の主配管より管路断面積の小さな細管によって構成されるブローダウン水圧力調整手段を備え、かつ、このブローダウン水圧力調整手段を燃料電池発電装置で使用される流体、例えば、発電運転に伴って得られる生成水を回収するために備えられた生成水回収装置に貯えられた貯留水のごとき流体により冷却するよう構成することとする。
【０００９】
上記の（１）のごとく、ブローダウン回路に、細管からなる水圧力調整手段を設け、前記水圧力調整手段を通流させて圧力降下させた後のブローダウン水の圧力と大気圧との差圧を0.24MPa以下にすることとすれば、ブローダウン水は細管を通流することによって圧力降下するので、ブローダウン回路を大きな圧力差で運転しても、ブローダウン水はフラッシュを生じることなく流れ、固定絞りを用いていた従来の構成の場合のごとき、フラッシュによるブローダウン水中の異物の付着、堆積による流量の減少、あるいは回路の閉塞を生じることなく、ブローダウン水の流量は安定に保持されることとなる。
【００１０】
また、上記の（２）のごとく、さらにこのブローダウン水圧力調整手段を燃料電池発電装置で使用される流体、例えば、発電運転に伴って得られる生成水を回収するために備えられた生成水回収装置に貯えられた貯留水のごとき流体により冷却するよう構成することとすれば、ブローダウン水は、細管を通流するばかりでなく、細管の表面からの放熱によって冷却されるので、フラッシュを生じる恐れが無く、流量が安定に保持されることとなる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
＜実施例１＞
図１は、本発明による燃料電池発電装置の第１の実施例を示すリン酸型水冷式燃料電池発電装置の燃料ガス供給系、空気供給系、ならびに冷却水系の基本構成の模式図である。本図において、図３に示した従来の基本構成に用いられているものと同一の機能を有する構成部品には同一の符号が付されており、重複する説明は省略する。
【００１２】
本実施例の特徴は、水蒸気分離器５に備えた内部の貯留水を吐出させるためのブローダウン回路の固定絞り９の上流側に、細管１０よりなるブローダウン水圧力調整手段が備えられていることにある。ブローダウン水の流量が約７［kg/h］、水蒸気分離器５の出口の圧力すなわちブローダウン回路の入口の圧力が約 0.7［MPa ］、ブローダウン回路の出口の圧力が約 0.1［MPa ］の１００ｋＷ級燃料電池発電装置においては、ブローダウン水圧力調整手段としての細管１０に、例えば、内径１ｍｍ，長さ２ｍの細管が用いられる。すなわち、本発明者による実験によれば、１００ｋＷ級燃料電池発電装置のブローダウン水の流量に相当する約７［kg/h］の水を、内径１ｍｍの細管と内径 1.18 ｍｍの細管に通流したときの圧力降下は、それぞれ、１ｍ当たり約0.18［ MPa／ｍ］、約0.08［ MPa／ｍ］である。したがって、上記のごとく内径１ｍｍ，長さ２ｍの細管をブローダウン水圧力調整手段としての細管１０に用いれば、ブローダウン回路の全圧力降下の約 0.6［MPa ］のうち、約 0.36 ［MPa ］を細管１０で負担することとなる。このため、固定絞り９で負担すべき圧力降下は約 0.24 ［MPa ］と、従来例における約 0.6［MPa ］に対して大幅に低下するので、ブローダウン水のフラッシュ量は大幅に低減されることになる。したがって、ブローダウン水中の異物の付着、堆積による流量の減少や回路の閉塞を生じることなく、ブローダウン水は安定して流れることとなる。
【００１３】
なお、上記の構成では、ブローダウン回路に固定絞り９と細管１０を配しているが、細管１０の長さを長くしてより大きな圧力降下を負担させるよう構成すれば、細管１０のみによって圧力が調整できることとなり、固定絞り９の設置は不要となる。
また、オンサイト型燃料電池で最大規模の５００ｋＷ級燃料電池発電装置においては、ブローダウン水の流量は約３５［kg/h］となるが、この流量を細管に流したときの圧力降下は、内径３ｍｍの細管で１ｍ当たり約0.01［ MPa／ｍ］となるので、細管によりブローダウン回路の圧力降下を効果的に負担するためには、細管の内径は３ｍｍ以下であることが望ましい。
＜実施例２＞
図２は、本発明の他の実施例を示す燃料電池発電装置の燃料ガス供給系、空気供給系、ならびに冷却水系の基本構成の模式図である。本図においても、図３に示した従来の基本構成に用いられているものと同一の機能を有する構成部品には同一の符号が付されており、重複する説明は省略する。
【００１４】
本実施例の特徴は、水蒸気分離器５の貯留水を吐出させるブローダウン回路の下流端にブローダウン水圧力調整手段として細管１０Ａを備え、かつ、細管１０Ａを、発電運転に伴って得られる生成水を回収する生成水回収装置に貯えられた貯留水中に浸漬し、この貯留水中に細管１０Ａの開放端を配して構成されていることにある。
【００１５】
このように構成すれば、ブローダウン水は生成水回収装置の貯留水中に浸漬された細管１０Ａを通流して冷却されたのち、この貯留水中へと排出されることとなるので、ブローダウン水は水冷されることによりフラッシュしなくなるので、回路内への異物の付着堆積防止にとってさらに効果的である。
【００１６】
【発明の効果】
上述のように、本発明によれば、燃料電池発電装置を、
（１）請求項１あるいは請求項２に記載のごとく構成することとしたので、水蒸気分離器のブローダウン回路を大きな圧力差で運転しても、ブローダウン水は細管を通流することによって圧力降下し、フラッシュを生じることなく流れるので、ブローダウン水の流量は低下することなく安定に保持され、長期にわたり安定して運転できる燃料電池発電装置が得られることとなった。
【００１７】
（２）また、請求項３あるいは請求項４に記載のごとく構成すれば、ブローダウン水は冷却されることによって、フラッシュを生じることなく、より安定して流れるので、ブローダウン水の流量は低下することなく安定に保持され、長期にわたり安定して運転できる燃料電池発電装置として好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料電池発電装置の第１の実施例を示す燃料ガス供給系、空気供給系、ならびに冷却水系の基本構成の模式図
【図２】本発明による燃料電池発電装置の第２の実施例を示す燃料ガス供給系、空気供給系、ならびに冷却水系の基本構成の模式図
【図３】従来の燃料電池発電装置の燃料ガス供給系、空気供給系、ならびに冷却水系の基本構成を示す模式図
【符号の説明】
１    燃料電池本体
２    燃料改質器
３    エゼクタポンプ
４    水添脱硫器
５    水蒸気分離器
６    冷却水冷却器
７    生成水回収器
８    水処理装置
９    固定絞り
１０    細管
１０Ａ    細管
【図１】
0003890754.tif 000002
【図２】
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【図３】
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