(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池冷却機構を組み込んだ燃料電池本体と、
該電池冷却機構から排出される二相流を導入して水蒸気と冷却水とに分離する水蒸気分離器と、
該水蒸気分離器に貯えられた冷却水を前記電池冷却機構へ循環供給する、冷却水循環ポンプを組み込んだ冷却水循環供給系
を備える燃料電池発電装置において、
前記冷却水循環供給系が、水蒸気分離器と冷却水循環ポンプの吸込み側との間に、水蒸気分離器より送られる冷却水の一部を分岐させ、外部冷却水で冷却する熱交換器で冷却した後、分岐水ポンプで合流させる外部冷却分岐回路を備えてなることを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池発電装置において、
前記冷却水循環供給系が、電池冷却機構へ供給される電池冷却水の温度を検知する温度計を備え、かつ、外部冷却分岐回路に組み込まれた分岐水ポンプが、電池冷却水の温度が規定値となるよう該温度計の検知信号によって流量を制御されるポンプ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または２に記載の燃料電池発電装置において、
前記冷却水循環供給系が、外部冷却分岐回路と冷却水循環ポンプの吸込み側との間に、外部より低温の補給水を導入する導入口を備えてな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、電気化学反応を用いて電気エネルギーを得る燃料電池発電装置に係わり、特に燃料電池本体の冷却に用いられる電池冷却水系統の構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２は、従来の燃料電池発電装置の電池冷却水系統の基本構成の一例を示すフロー図である（特開2000―149969号参照）。図において、１は模式的に表示した燃料電池本体であり、燃料極１ａ、空気極１ｂ、およびこれらを所定温度にほじするための電池冷却機構１ｃよりなる。また、２は水蒸気分離器、３は冷却水循環ポンプ、４は流量調節弁、５は外部冷却水により冷却される熱交換器、７は外部より低温の補給水を供給するための補給水給水ポンプである。
【０００３】
この電池冷却水系統では、発電に伴って燃料電池本体１で生じる発熱を受けて電池冷却機構１ｃより排出される高温の気液二相流を、水蒸気分離器２に導入して水蒸気と冷却水とに分離し、分離された冷却水を冷却水循環ポンプ３の吸込み側へ送り、冷却水循環ポンプ３より吐出した冷却水の一部を電池冷却水として燃料電池本体１の電池冷却機構１ｃへ送り、残余の冷却水は、流量調節弁４、外部冷却水により冷却する熱交換器５を備えた循環回路を通流させて冷却し、水蒸気分離器２より送られる高温の冷却水、および補給水給水ポンプ８より供給される補給水と合流させて、再び冷却水循環ポンプ３の吸込み側へ戻し、電池冷却水として電池冷却機構１ｃへ供給している。このとき、温度計６の検知信号によって流量調節弁４を制御することにより熱交換器５に通流させる水量を調節し、電池冷却機構１ｃへの電池冷却水の温度を調節している。また、水蒸気分離器２において分離された水蒸気は燃料ガスの改質用水蒸気として取出されるので、取出される水蒸気を補って水位を一定に保持するために、水位計２ａの測定値が一定となるように補給水供給ラインに備えた補給水給水ポンプ７をインバータ１０により制御して、低温の補給水を連続的に補給している。
【０００４】
図３は、従来の燃料電池発電装置の電池冷却水系統の基本構成の他の一例を示すフロー図である（特開2000―149969号参照）。
この電池冷却水系統においては、水蒸気分離器２と冷却水循環ポンプ３の吸込み側との間に、外部循環ポンプ９と外部冷却水で冷却する熱交換器５Ａとを備えた外部冷却循環回路が配されている。すなわち、この電池冷却水系統では、冷却水の一部が外部循環ポンプ９によって外部冷却循環回路へと分岐され、熱交換器５Ａへと送られて外部冷却水で冷却されたのち電池冷却水循環ポンプ３へと送られる。また、電池冷却機構１ｃへと送られる電池冷却水の温度を検知する温度計６の検知信号に基づいてインバータ１０により外部循環ポンプ９の回転数を制御し、これによって外部冷却循環回路に循環される水量を調整して電池冷却機構１ｃへと送られる電池冷却水の温度を制御し、燃料電池本体の温度が発電電流に対応した規定の温度になるよう調整している。また、補給水給水ポンプ７と流量調節弁８を組み込んだ補給水ラインが備えられており、水位計２ａの測定値に基づいて流量調節弁８を制御させることにより、水蒸気分離器２の水位を一定に保持するよう構成されている。
【０００５】
図２に示した電池冷却水系統においては循環回路の熱交換器５で冷却された循環水を、また、図３に示した電池冷却水系統においては外部冷却循環回路の熱交換器５Ａで冷却された循環水を、それぞれ冷却水循環ポンプ３の吸込み側へ供給しているので、冷却水循環ポンプ３に入る冷却水が低温に維持される。したがって冷却水循環ポンプ３は、正味吸込み水頭（ＮＰＳＨ）、すなわち水蒸気分離器２の水位と冷却水循環ポンプ３の吸込み口の高低差を大きく採らずとも、キャビテイションを生じることなく安定に作動するので、本系統では装置の所要高さが低く抑えられることとなり、屋内設置型の燃料電池発電装置に用いる系統として効果的である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のごとき従来の電池冷却水系統においても、なお以下のごとき難点が残存する。
すなわち、図２に示した電池冷却水系統においては、循環回路の熱交換器５で冷却された循環水を供給することによって冷却水循環ポンプ３に入る冷却水を低温に維持する方式を採っているので、この冷却水循環ポンプ３は、電池冷却機構１ｃへと送られる電池冷却水の流量に、循環回路を流れる循環水の流量を加えた量の水を通流させるに足るポンプ容量を持つ必要がある。このため、大型のポンプを組み込む必要があり、コストが高くなる。さらに、また、循環回路を流れる循環水の流量の調節に流量調節弁４を用いているが、この流量調節弁は高価であるため、さらにコストが上昇するという難点がある。
【０００７】
これに対して、図３に示した電池冷却水系統においては、冷却水循環ポンプ３は電池冷却機構１ｃへと送られる電池冷却水の流量を通流させるに足るポンプ容量を持てばよく、また、図２のごとき高価な流量調節弁は用いていないので、これらの点でのコストの上昇は抑えられるが、外部冷却循環回路に流れる循環水を駆動する外部循環ポンプ９には、電池冷却水（通常、145 ℃）と同等の温度の水が流入するので、キャビテーションを生じる可能性があり、低温仕様のポンプは使用できず、コストが高くなるという問題点がある。
【０００８】
本発明はこのような技術の現状を考慮してなされたもので、本発明の目的は、装置の高さが低くとも燃料電池本体への電池冷却水が安定して供給される、低コストの電池冷却水系統を備えた燃料電池発電装置を提供することにある。
【０００９】
【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、
電池冷却機構を組み込んだ燃料電池本体と、この電池冷却機構から排出される二相流を導入して水蒸気と冷却水とに分離する水蒸気分離器と、この水蒸気分離器に貯えられた冷却水を前記電池冷却機構へ循環供給する、冷却水循環ポンプを組み込んだ冷却水循環供給系を備える燃料電池発電装置において、
（１）上記冷却水循環供給系の、水蒸気分離器と冷却水循環ポンプの吸込み側との間に、水蒸気分離器より送られる冷却水の一部を分岐させ、外部冷却水で冷却する熱交換器で冷却させた後、分岐水ポンプで合流させる外部冷却分岐回路を備えることとする。
【００１０】
（２）さらに、上記（１）において、上記冷却水循環供給系に、電池冷却機構へ供給される電池冷却水の温度を検知する温度計を備え、かつ、電池冷却水の温度が規定値となるように、上記の温度計の検知信号によって分岐水ポンプの流量を制御することとする。
（３）さらに、上記（１）または（２）において、上記冷却水循環供給系の外部冷却分岐回路と冷却水循環ポンプの吸込み側との間に、外部より低温の補給水を導入する導入口を備えることとする。
【００１１】
上記（１）のごとくとすれば、水蒸気分離器より送られる冷却水の一部が、外部冷却分岐回路の熱交換器で冷却されたのち、残部の冷却水に合流して冷却水循環ポンプの吸込み側へと送られるので、冷却水循環ポンプの吸込み側へ供給される水は低温に維持される。したがって、冷却水循環ポンプは、正味水頭（ＮＰＳＨ）、すなわち、水蒸気分離器の水位と冷却水循環ポンプの吸込み口の高低差を大きく採らずとも、キャビテイションを生じることなく安定に作動する。したがって、装置の高さを低く抑えることができる。さらに、本構成では、冷却水循環ポンプには所定の電池冷却水のみを流せばよいので、冷却水循環ポンプは小容量に抑えることが可能である。また、図２の従来例に見られたごとき高価な流量調節弁を組み込む必要がなく、さらに分岐水ポンプに低価格の低温仕様のポンプを採用することで図３の構成よりも安価に構成できる。
【００１２】
また、上記（２）のごとくとすれば、規定温度に保持した電池冷却水が電池冷却機構へ安定して供給され、燃料電池本体が規定の運転温度に保持されることとなる。
また、上記（３）のごとくとすれば、改質用水蒸気のごとく系外へ冷却水の一部が取り出される場合があっても、不足分を効果的に補うことが可能となり、特に、低温の補給水を導入することとすれば、冷却水循環ポンプの吸込み側へ入る冷却水はより安定して低温に維持されるので、冷却水循環ポンプは一層安定に作動することとなる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施例を用いて説明する。
図１は、本発明の燃料電池発電装置の実施例の電池冷却水系統の基本構成を示すフロー図である。
本実施例の電池冷却水系統の第1の特徴は、水蒸気分離器２の冷却水出口から冷却水循環ポンプ３の吸込み側へと冷却水を送るラインに分岐して、外部冷却水で冷却される熱交換器５Ｂと分岐水ポンプ１１と分岐水遮断用電磁弁１２を備えた外部冷却分岐回路が配されている点にある。また、第2の特徴は、電池冷却水の温度を検知する温度計６を備え、この温度計６の検知信号をＶＶＶＦインバータ１０Ａへと送り、このＶＶＶＦインバータ１０Ａによって分岐水ポンプ１１の回転数を制御して外部冷却分岐回路に分岐する冷却水の流量を調整し、電池冷却水の温度を規定値に保持するよう構成している点にある。また、本実施例の電池冷却水系統においても、外部冷却分岐回路の合流点と冷却水循環ポンプ３の吸込み側との間に、水蒸気分離器２より取出される水蒸気相当分の冷却水補給用として、補給水ポンプ７を組み込んだ補給水ラインが備えられている。
【００１４】
本電池冷却水系統において、水蒸気分離器２の冷却水出口から供給される冷却水の温度をＴ2 、熱交換器５Ｂを通過後の分岐水の温度をＴ5 、合流して冷却水循環ポンプ３により電池冷却機構１ｃへと送られる電池冷却水の温度をＴとし、さらに、水蒸気分離器２から供給される冷却水のうち、外部冷却分岐回路に流れる冷却水の割合をＸ、分岐しないで冷却水循環ポンプ３へ直接送られる冷却水の割合を１−Ｘとし、簡単のために水の比熱を温度によらず一定とすれば、
【００１５】
【数１】
（１−Ｘ）・Ｔ2 ＋Ｘ・Ｔ5 ＝１・Ｔ
したがって、
Ｘ＝（Ｔ2 −Ｔ）／（Ｔ2 −Ｔ5 ）      （１）
となる。代表的な値として、Ｔ2 ＝ 155℃、Ｔ5 ＝ 85 ℃、Ｔ＝ 145℃を選定すれば、外部冷却分岐回路に流れる冷却水の割合Ｘは0.143 、したがって分岐水ポンプ１１には、Ｔ5 ＝ 85 ℃に冷却された分岐水が全体の約 14 ％流れることとなる。
【００１６】
これに対し、図３に示した従来例の電池冷却水系統の外部循環ポンプ９に流れる循環水では、外部冷却循環回路に流れる循環水の割合をＹ、また、上記と同様に、水蒸気分離器２の冷却水出口から供給される冷却水の温度をＴ2 、熱交換器５Ａを通過後の循環水の温度をＴ5 、合流して冷却水循環ポンプ３により電池冷却機構１ｃへと送られる電池冷却水の温度をＴとすれば、
【００１７】
【数２】
１・Ｔ2 ＋Ｙ・Ｔ5 ＝（１＋Ｙ）・Ｔ
したがって、
Ｙ＝（Ｔ2 −Ｔ）／（Ｔ−Ｔ5 ）        （２）
となり、Ｔ2 ＝ 155℃、Ｔ5 ＝ 85 ℃、Ｔ＝ 145℃を選定すれば、Ｙ＝ 0.167となる。すなわち、図３に示した従来例の電池冷却水系統の外部循環ポンプ９には、Ｔ＝ 145℃の循環水が全体の約 17 ％流れることとなる。
【００１８】
以上より、図３の外部循環ポンプ９の場合に比較して、本実施例の分岐水ポンプ１１に流れる分岐水は、温度も低く、所要流量も少量となるので、分岐水ポンプ１１に低温仕様の小容量ポンプを適用でき、低コストで、安定して運転できるシステムが構成される。
なお、図１の電池冷却水系統において、燃料電池本体１での発熱量、したがって電池冷却機構１ｃで電池冷却水へ伝熱される熱量が、水蒸気分離器２より取出される水蒸気の熱量と拮抗し、補給水ラインからの低温の補給水により電池冷却水の温度が所定の温度に維持される場合等においては、外部冷却分岐回路に組み込まれた分岐水ポンプ１１を停止し、分岐水遮断用電磁弁１２を閉止して運転される。
【００１９】
【発明の効果】
上述のように、本発明によれば、
電池冷却機構を組み込んだ燃料電池本体と、この電池冷却機構から排出される二相流を導入して水蒸気と冷却水とに分離する水蒸気分離器と、この水蒸気分離器に貯えられた冷却水を前記電池冷却機構へ循環供給する、冷却水循環ポンプを組み込んだ冷却水循環供給系を備える燃料電池発電装置を、請求項１、さらには、請求項２、あるいは３のごとく構成することとしたので、
装置の高さが低くとも燃料電池本体への電池冷却水の安定供給が確保され、かつ、低コストで構成できる電池冷却水系統を備えた燃料電池発電装置を得ることができることとなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池発電装置の実施例の電池冷却水系統の基本構成を示すフロー図
【図２】従来の燃料電池発電装置の電池冷却水系統の基本構成の一例を示すフロー図
【図３】従来の燃料電池発電装置の電池冷却水系統の基本構成の他の一例を示すフロー図
【符号の説明】
１    燃料電池本体
１ｃ    電池冷却機構
２    水蒸気分離器
２ａ    水位計
３    冷却水循環ポンプ
５Ｂ    熱交換器
６    温度計
７    補給水ポンプ
１０Ａ    ＶＶＶＦインバータ
１１    分岐水ポンプ
１２    分岐水遮断用電磁弁
【図１】
0004161527.tif 000002
【図２】
0004161527.tif 000003
【図３】
0004161527.tif 000004