(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池、該燃料電池にて昇温された電池冷却水を気水分離する水蒸気分離器、該水蒸気分離器で分離された電池冷却水を冷却する熱交換器、および該熱交換器で冷却された電池冷却水を前記燃料電池に循環させる電池冷却水循環系、ならびに前記熱交換器の二次側の熱回収水循環系を有する燃料電池発電装置において、
前記電池冷却水循環系は、前記燃料電池の冷却水入口側と前記水蒸気分離器との間に配設された前記熱交換器および前記系外から導入する冷却水補給量を調節する補給水量調節弁、前記燃料電池冷却水の前記燃料電池入口温度を検出する燃料電池入口温度検出器、および前記水蒸気分離器は水蒸気分離器圧力検出器を有し、
前記熱回収水循環系は、前記熱交換器において熱回収水が前記電池冷却水との熱交換により得た熱エネルギーを蒸気として取り出す蒸気発生器を有し、
前記蒸気発生器は、前記蒸気発生器に設けられた圧力検出器の圧力検出値が所定の圧力設定値となるように、前記蒸気発生器からの蒸気取り出し量を制御することにより前記蒸気発生器内の圧力を制御する手段を有し、
前記蒸気発生器の圧力設定値が、前記水蒸気分離器圧力検出器の圧力検出値と圧力設定値との偏差に基づいて決定された電池冷却水の燃料電池入口温度設定値と燃料電池入口温度検出値との偏差に基づいて決定される、
ことを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項２】
前記電池冷却水の燃料電池入口温度設定値が下限値を有し、前記電池冷却水の燃料電池入口温度検出値が前記下限値に至るときに前記電池冷却水量を増して前記電池冷却水の前記燃料電池入口温度検出値を前記下限値以上に制御する手段を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
【請求項３】
前記電池冷却水の燃料電池入口温度設定値が下限値を有し、
前記電池冷却水の燃料電池入口温度検出値が前記下限値に至る場合において、前記水蒸気分離器圧力検出値は予め決められた上限値までの上昇を許容され、
前記水蒸気分離器圧力検出値が前記上限設定値に至るとき前記電池冷却水流量を増して前記水蒸気分離器圧力検出値が前記上限値を維持するように制御する手段を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
【請求項４】
前記電池冷却水循環系から分岐して前記熱回収水循環系に接続する分岐路を有し、前記電池冷却水の一部を前記分岐路を経由して前記熱回収水循環系へ供給して前記前記熱回収水の減少分を補うことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池の冷却水系統の構成、特に発電に伴って生じる発熱を取り出し冷却水系統の運転を安定して行う構成を有する燃料電池発電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電解質に燐酸を使用する燐酸型燃料電池では、発電に伴って燃料電池で生じる発熱を冷却用空気あるいは冷却水を用いて除去している。
【０００３】
図１０は、特開平８−７９０８１号公報に開示されている冷却水を用いた燃料電池発電装置の冷却水循環系統５０の基本構成を示すフロー図である。この冷却水循環系統５０では、燃料電池３の発熱は蒸気発生器１１から蒸気として系外に取り出される。水蒸気分離器１に貯えられた燃料電池３の冷却水は、電池冷却水循環系統５０の電池冷却水ポンプ４によって燃料電池３に送られ、発電に伴って生じる発熱を受けて温度上昇し、水蒸気分離器１に戻される。電池冷却水循環系統５０の電池冷却水ポンプ４と燃料電池３の間には、蒸気発生器１１を通り、蒸気発生器１１への流量を制御する蒸気発生器側調節弁８を有する系統とこれをバイパスする蒸気発生器バイパス調節弁９が設けられる。
【０００４】
燃料電池３の発熱量は発電負荷によって変化するので、発熱量に比例する熱量を蒸気発生器１１で除去するように運転制御され、この運転制御は、図１１に示す制御系において実施される。
【０００５】
燃料電池３の電池冷却水循環系統５０がバランスした状態では、水蒸気分離器１の温度が一定になるので、水蒸気分離器温度検出器２０ａでの温度と設定温度が一致するように制御装置４１で制御される。制御装置４１内には、図１１に示す調節器４１−１が組み込まれ、設定値より水蒸気分離器温度検出器２０ａでの温度が高い時は、関数発生器４１−２より蒸気発生器バイバス調節弁９を閉じてバイバス流量が少なくするとともに、関数発生器４１−３より蒸気発生器側調節弁８を開いて蒸気発生器１１側の流量を多くすることによって、燃料電池３の燃料電池３の冷却水入口温度を下げ、水蒸気分離器１の温度が下がる方向に制御する。逆に、設定値より水蒸気分離器温度検出器２０ａでの温度が低い場合には、逆の動作によって水蒸気分離器１の温度が高くなる方向に制御される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池発電装置は、電池冷却水流量に関して最低流量と最大流量の許容値が設定される。最低流量は、燃料電池３内の冷却水の等配を考慮して決める数値であり、流量が少なすぎると燃料電池３内で冷却水の不等配に起因する温度のバラツキが発生し、燃料電池３の特性に悪影響を与える。最大流量は冷却水ポンプ４の能力から決める数値であり、流量を多くすると、ポンプが大きく、価格が高くなり、運転動力を多く必要とする。
また、燃料電池発電装置では、燃料電池の冷却水入口温度に関して最低温度が設定される。温度が低すぎると、燃料電池３内での電気化学反応が阻害される。また、燃料電池３内での冷却水入口・出口温度差が大きすぎると、燃料電池３内での発電電流に大きな分布が発生する問題が生じる。電池冷却水の最高温度は、燃料電池の出口冷却水温度であり、水蒸気分離器１の温度または圧力で制御されるが、温度が高いほど燃料電池３の長期的な特性低下が大きくなる問題が生じる。
【０００７】
これら、電池冷却水流量と燃料電池入口冷却水温度と水蒸気分離器温度（圧力）が最適になるようにする方式が望ましいが、従来方式では、冷却水量が少なくなりすぎないように蒸気発生器側調節弁８と蒸気発生器バイパス調節弁９の協調を取り得ても、燃料電池３での発熱量が多い場合に、蒸気発生器１１で除去できる流量を確保するために多めに流量を設定しておく必要がある。また、燃料電池の入口冷却水温度が低くなりすぎないようにするには、電池冷却水量を多めに設定して、燃料電池の入口冷却水温度が高めに制御されるように設定しておく必要がある。このように、冷却水ポンプの動力を考えて流量を少なくすることや、燃料電池の長期的な特性低下を考えて、電池入口冷却水の温度が低くなりすぎない程度にて、低めに温度を制御することは難しい。
【０００８】
さらに、従来方式の蒸気発生器１１は、図１０に示すように、蒸気発生器１１内で熱交換を行うのが一般的であるが、この構造は装置が大きくなる問題がある。
【０００９】
したがって、本発明の課題は、電池冷却水系からの発電に伴って生じる発熱を蒸気として外部に取り出すことができる小容量の冷却水系統を提供し、この冷却水系統の運転を安定して行う制御装置を備えた燃料電池発電装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明の燃料電池発電装置は、燃料電池、該燃料電池にて昇温された電池冷却水を気水分離する水蒸気分離器、該水蒸気分離器で分離された電池冷却水を冷却する熱交換器、および該熱交換器で冷却された電池冷却水を前記燃料電池に循環させる電池冷却水循環系、ならびに前記熱交換器の二次側の熱回収水循環系を有する燃料電池発電装置において、前記電池冷却水循環系は、前記燃料電池の冷却水入口側と前記水蒸気分離器との間に配設された前記熱交換器および前記系外から導入する冷却水補給量を調節する補給水量調節弁、前記燃料電池冷却水の前記燃料電池入口温度を検出する燃料電池入口温度検出器、および前記水蒸気分離器は水蒸気分離器圧力検出器を有し、前記熱回収水循環系は、前記熱交換器において熱回収水が前記電池冷却水との熱交換により得た熱エネルギーを蒸気として取り出す蒸気発生器を有し、前記蒸気発生器は、前記蒸気発生器に設けられた圧力検出器の圧力検出値が所定の圧力設定値となるように、前記蒸気発生器からの蒸気取り出し量を制御することにより前記蒸気発生器内の圧力を制御する手段を有し、前記蒸気発生器の圧力設定値が、前記水蒸気分離器圧力検出器の圧力検出値と圧力設定値との偏差に基づいて決定された電池冷却水の燃料電池入口温度設定値と燃料電池入口温度検出値との偏差に基づいて決定される、ことを特徴とする。
【００１１】
本発明の燃料電池発電装置において、前記電池冷却水循環系から分岐して前記熱回収水循環系に接続する分岐路を有し、前記電池冷却水の一部を前記分岐路を経由して前記熱回収水循環系へ供給して前記熱回収水の減少分を補う。
【００１５】
本発明の燃料電池装置の好ましい態様は、前記電池冷却水の燃料電池入口温度設定値が下限値を有し、前記電池冷却水の燃料電池入口温度検出値が前記下限値に至るときに前記電池冷却水量を増して前記電池冷却水の前記燃料電池入口温度検出値を前記下限値以上に制御する手段を有する。
【００１６】
本発明の燃料電池装置の別の態様は、前記電池冷却水の燃料電池入口温度設定値が下限値を有し、前記電池冷却水の燃料電池入口温度検出値が前記下限値に至る場合において、前記水蒸気分離器圧力検出値は予め決められた上限値までの上昇を許容され、前記水蒸気分離器圧力検出値が前記上限設定値に至るとき前記電池冷却水流量を増して前記水蒸気分離器圧力検出値が前記上限値を維持するように制御する手段を有する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明は以下の実施形態例に限定されるものではない。
【００１８】
（装置形態例１）
図１は本発明が適用される第１の装置形態例を示すものである。図に示すように、水蒸気分離器１の電池冷却水は、熱交換器２で冷やされ、電池冷却水ポンプ４で燃料電池３に送られる。燃料電池３の発熱分を受熱した電池冷却水は、水蒸気分離器１に戻り、一部を蒸気として改質用蒸気量調節弁７から改質器に供給する。この蒸気を出すことによって減った水量は、水蒸気分離器水位計２２の検出信号を受けて水蒸気分離器水位調節器２３の制御により不図示の外部水源から電池冷却水補給水ポンプ５と補給水量調節弁６を介して電池冷却水循環系統５０に供給される。
【００１９】
熱交換器２には、熱回収水循環系６０が接続され、蒸気発生器１１から熱回収水循環ポンプ１４によって熱回収水を循環し、回収した熱は蒸気として発生蒸気量調節弁１７から不図示の熱利用設備に供給する。ここで発生した蒸気によって減った水量は、蒸気発生器水位計３２の検出信号を受けて蒸気発生器水位調節器３３の制御により不図示の外部水源から熱回収水補給水ポンプ１５と熱回収水補給水量調節弁１６を介して補給する。
【００２０】
（装置形態例２）
図２は、本発明が適用される第２の装置形態例を示すものである。図１に示した第１の装置形態例との違いは、発生蒸気調節弁１７から出した蒸気水分を、電池冷却水系から熱回収水補給水量調節弁１６を介して補給する点である。水蒸気分離器１に補給する水量は、改質用蒸気調節弁７から出ていく蒸気水分と前記発生蒸気調節弁１７から出て行く蒸気水分との和になるので、図１の場合に比べて補給水量調節弁６から補給される水量が多くなる。一般に、補給水は水蒸気分離器１の温度より低いのが通常であり、電池冷却水系に補給水を供給すると、電池冷却水の温度が下がる。したがって、燃料電池３の入口の電池冷却水温度を一定とした場合、この下がる割合だけ熱交換器２の電池冷却水の温度を高く設定できる。これにより、熱回収水循環系６０の温度を高くして発生蒸気の利用効率を高くできる利点がある。また、発生蒸気の温度を高くする必要がない場合は、熱交換器を小さくできる利点がある。
【００２１】
（参考例）
図３は、図１および図２に示した構成の燃料電池発電装置に適用される基本的な運転制御方式の参考例を示したブロック線図である。図３に付記した番号は、図１、図２と同じ機器の番号であり、ブロックを繋ぐ信号は、調節器、検出器の電気信号と、圧力、熱流のプロセス量を示している。ここで図１および図２に示す制御装置４０は、水蒸気分離器圧力検出器２０、蒸気発生器圧力検出器３０からの信号を受信し、蒸気発生量調節弁１７へ開度指令信号を発信する機能を有する。制御装置４０内には、図３に示す調節器４０−３、調節器４０−１が含まれ、これらは前記機能をもたらす制御手段を構成する。
【００２２】
図３に示す運転制御方式は、水蒸気分離器圧力設定値と水蒸気分離器圧力検出器２０の信号とを調節器４０−３で比較・補償し、検出圧力が水蒸気分離器圧力設定値と同じになる方向に蒸気発生器１１の設定圧力を調節器４０−１に出力する。調節器４０−１では、発生蒸気調節弁１７の開度を指令して蒸気発生器１１の圧力を制御する。蒸気発生器１１は飽和蒸気なので、熱回収水循環系６０の循環水温度として熱交換器２の熱回収水循環系６０から電池冷却水循環系５０への伝熱量を変えて燃料電池３をへて水蒸気分離器１の熱量変化、すなわち、水蒸気分離器１の圧力を制御することになる。この方式によって、電池冷却水循環系５０における水蒸気分離器１の運転圧力を損なうことなく、燃料電池発電装置を運転できる。
【００２３】
（実施形態例１）
図４は、本発明の第１の実施形態例を示すもので、図１および図２に示した構成の本発明の燃料電池発電装置に適用される第１の運転制御方式を示したブロック線図である。図３に示した参考例の運転制御方式との違いは、電池入口冷却水温度検出器２１の信号を制御装置４０に入力し、水蒸気分離器の圧力検出器２０の検出値が設定値を維持するように電池入口冷却水温度の設定値を決定し、電池入口冷却水温度検出器２１の検出値がこの設定値となるように蒸気発生器圧力の設定値を決定し、蒸気発生器圧力検出器３０の検出値がこの設定値となるように発生蒸気調節弁１７の開度を制御する構成を取ったことである。燃料電池の発電負荷が変化する過渡的な状態において、前記図３に示した運転方式では、電池入口冷却水温度がオーバーシュート、アンダーシュートを起こすが、図４に示した運転方式では、調節器４０−２にて設定された温度範囲内に燃料電池３の入口冷却水温度を制御することができる。これにより燃料電池３の負荷変化速度を、図３に示した運転制御方式より早くできる利点がある。
【００２４】
（実施形態例２）
図５は、本発明の第２の実施形態例を示すもので、図１および図２に示した構成の本発明の燃料電発電装置に適用される第２の運転制御方式を示したブロック線図である。前記図４に示した第１の運転制御方式との違いは、制御装置４０からポンプ制御装置２４を介して電池冷却水ポンプ４を制御し電池冷却水流量を変えるように構成した点である。燃料電池３は発電する負荷によって燃料電池３内での発熱量が変化し、電池冷却水循環系５０は、この発熱量に応じて状態が変化する。図１１に示した従来の運転制御方式、および本発明における図３および図４の運転制御方式では、発熱量に比例して熱交換器２での除熱量を変え、燃料電池３の入口冷却水温度を変えることで、水蒸気分離器１の圧力を一定に維持する状態をとる。この関係を図７に示す。ここで水蒸気分離器１内は飽和圧力なので、水蒸気分離器内の温度と圧力は対応している。図７で判るように、電池冷却水流量は、燃料電池３が許容する最低電池冷却水温度と水蒸気分離器１の温度と熱交換器２の伝熱量とから、決定される。
【００２５】
また、図５に示す運転制御方式では、発電負荷と燃料電池冷却水系５０は、図８に示す状態を取る。図５に示す運転制御方式では、図８に示す発電負荷Ｌｂまでは、図４に示す運転制御方式と同じ状態をとるが、電池冷却水温度の下限値（図８に示すｆ点）まで燃料電池３の入口温度を下げても、圧力検出器２０により検知した水蒸気分離器１の圧力が上昇傾向にある場合は、調節器４０−３の信号を関数発生器４０−５によりポンプ制御信号とし、電池冷却水ポンプ４を制御して、冷却水量を増やす。これにより、電池入口冷却水温度を下げなくても、熱交換器２での伝熱量が多くなり、水蒸気分離器圧力２０の制御が可能になる。
【００２６】
図５の運転制御方式では、発電負荷が低い時に電池冷却水量を少なく設定できるので、電池冷却水ポンプ４の動力を小さくできる利点がある。また、発電負荷が低い時は、電池冷却水ポンプ４の負荷が小さくなるので、電池冷却水ポンプ４の長期運転の信頼性を向上できる利点がある。
【００２７】
（実施形態例３）
図６は、本発明の第３の実施形態例を示すもので、図１および図２に示した構成の本発明の燃料電発電装置に適用される第３の運転制御方式を示したブロック線図である。前記図５に示した第２の運転制御方式との違いは、水蒸気分離器１の設定圧力に幅を持たせた関数発生器４０−６を制御系として構成した点である。この図６に示す運転制御方式では、発電負荷と燃料電池冷却水系は、図９に示す状態を取る。水蒸気分離器１は飽和圧力なので、水蒸気分離器内の温度と圧力は対応の関係を有する。水蒸気分離器１の許容最低圧力（温度に換算すると図９のｈ点）と最大圧力（図９のｇ点）との間は、圧力を変化させることで、熱交換器２での伝熱量が変わり、燃料電池冷却水系のバランスが維持される。図６の運転制御方式における図９の状態では、発電負荷が低い時は水蒸気分離器１の温度が低く維持され、燃料電池３の運転温度が低くなるので、燃料電池３の長期運転の信頼性を向上できる利点がある。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電池冷却水循環系５０に熱交換器２を設け、熱回収水循環系６０と熱交換するようにしたので、熱交換器２の熱交換効率が高くなり、装置をコンパクトにできる利点がある。また、電池入口冷却水温度と水蒸気分離器圧力と電池冷却水流量の協調をとって制御するように制御系を構成したので、安定した装置の運転ができ、燃料電池発電装置の信頼性が向上する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  燃料電池発電装置の装置形態例１の冷却水系の一例の基本構成を示すフロー図である。
【図２】  燃料電池発電装置の装置形態例２の冷却水系の一例の基本構成を示すフロー図である。
【図３】  図１および図２に示す構成の冷却水系統の燃料電池発電装置における基本的な運転制御方式を示す参考例であって、圧力等のプロセス量と計測器の出力等の電気信号の伝達を示したブロック線図である。
【図４】  本発明の燃料電池発電装置の実施形態例１を示すもので、図１および図２に示す構成の冷却水系統の燃料電池発電装置における第１の運転制御方式を示す圧力等のプロセス量と計測器の出力等の電気信号の伝達を示したブロック線図である。
【図５】  本発明の燃料電池発電装置の実施形態例２を示すもので、図１および図２に示す構成の冷却水系統の燃料電池発電装置における第２の運転制御方式を示す圧力等のプロセス量と計測器の出力等の電気信号の伝達を示したブロック線図である。
【図６】  本発明の燃料電池発電装置の実施形態例３を示すもので、図１および図２に示す構成の冷却水系統の燃料電池発電装置における第３の運転制御方式を示す圧力等のプロセス量と計測器の出力等の電気信号の伝達を示したブロック線図である。
【図７】  従来方式、参考例および本発明の実施形態例１に示した運転制御方式における燃料電池発電装置の電池冷却水系の各発電負荷における安定点の冷却水温度と流量の関係を示すグラフである。
【図８】  本発明の実施形態例２に示した第２の運転制御方式における燃料電池発電装置の電池冷却水系の各発電負荷における安定点の冷却水温度と流量の関係を示すグラフである。
【図９】  本発明の実施形態例３に示した第３の運転制御方式における燃料電池発電装置の電池冷却水系の各発電負荷における安定点の冷却水温度と流量の関係を示すグラフである。
【図１０】  従来方式の燃料電池発電装置の冷却水系統の基本構成を示すフロー図である。
【図１１】  従来方式の燃料電池発電装置の冷却水系統において運転制御方式を示す圧力等のプロセス量と計測器の出力等の電気信号の伝達を示したブロック線図である。
【符号の説明】
１  水蒸気分離器
２  熱交換器
３  燃料電池
４  電池冷却水ポンプ
５  電池冷却水補給水ポンプ
６  補給水量調節弁
７  改質用蒸気量調節弁
８  蒸気発生器側調節弁
９  蒸気発生器バイパス調節弁
１１  蒸気発生器
１４  熱回収水循環ポンプ
１５  熱回収水補給水ポンプ
１６  熱回収水補給水量調節弁
１７  発生蒸気量調節弁
２０  水蒸気分離器圧力検出器
２１  電池入口冷却水温度検出器
２２  水蒸気分離器水位計
２３  水蒸気分離器水位調節器
２４  ポンプ制御装置
３０  蒸気発生器圧力検出器
３２  蒸気発生器水位計
３３  蒸気発生器水位調節器
４０  制御装置
４１  従来方式の制御装置
５０  電池冷却水循環系
６０  熱回収水循環系
【図１】
0003888563.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
0003888563.tif 000010
【図１０】
0003888563.tif 000011
【図１１】
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