(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池本体と、燃料電池本体の空気極からの排ガス中の水分を貯液する補給水タンクと、水処理装置と、水冷式半導体素子を用いた電力変換装置を備えた燃料電池発電装置であって、
前記補給水タンクと前記水処理装置との間を連結する水処理系配管に、前記水処理系配管を通流する水の一部を前記電力変換装置の冷却器に供給する配管が接続されてなる分流点と前記冷却器を通流した後の冷却水を前記水処理系配管に還流する配管が接続されてなる合流点とを有し、前記分流点が前記合流点よりも前記水処理系配管の下流側にあることを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項２】
前記水処理系配管の前記合流点と前記分流点の間に設けられた熱交換器により前記水処理系配管を通流する水を降温するとともに、前記熱交換器の冷媒が吸収した熱を排熱回収装置により回収することを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電装置。
【請求項３】
前記水処理系配管の前記分流点よりも上流側に、水処理装置により処理された水の一部を還流する配管が接続されてなることを特徴とする請求項１または２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、水冷式の半導体素子を用いた電力変換装置を備える燃料電池発電装置に係わり、特に電力変換装置での発熱を効果的に回収する燃料電池発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水冷式の半導体素子を用いた電力変換装置を備えた燃料電池発電装置として、特開平9-213355号公報や特開平9-161829号公報に記載されたものがある。
図２には、特開平9-213355号公報に記載された水冷式半導体素子を用いた電力変換装置を備えた燃料電池発電装置における反応ガス系および冷却水系の模式系統図を示す。図において、１は模式的に表示した燃料電池本体、２は原燃料改質器、３はエゼクタ、４は水蒸気分離器、５は補給水タンク、６は水処理装置、２１〜２３は冷却用熱交換器、３１は電力変換装置、４０は排熱回収装置である。
【０００３】
外部より供給される原燃料は、エゼクタ３において、水蒸気分離器４より供給される水蒸気と混合され、原燃料改質器２へと送られる。原燃料改質器２へ送られた混合ガスは、バーナ７に供給される燃焼ガスと空気との燃焼反応により加熱されて水素濃度の高い改質水素ガスに改質され、冷却用熱交換器２１を通流して冷却され含まれる水分を凝縮させたのち、燃料電池本体１の燃料極へと供給され電気化学反応に供される。残存水素を含む燃料極からの排出ガスはバーナ７へと送られ、原燃料改質器２の加熱に用いられている。また、原燃料改質器２の加熱に用いられたのち排出される高温の排出ガスは、冷却用熱交換器２３を通流させて冷却したのち外部へと排気される。
【０００４】
燃料電池本体１の空気極にはブロア１２により空気が供給される。空気極から排出される高温の排出ガスは、電気化学反応により生じた水分を含んでおり、冷却用熱交換器２２に送られて冷却され、水分を凝縮して、生成水を補給水タンク５に貯液し、排気される。
補給水タンク５に貯液された反応生成水は、適宜外部より補給される補給水とともにポンプ１４により水処理装置６へと送られ、高純度水に処理されたのち、水蒸気分離器４へ供給される。水蒸気分離器４においては、加熱器８で加熱することにより水蒸気を発生し、原燃料の改質に際して混合するための水蒸気をエゼクタ３へと供給している。また水蒸気分離器４の貯水は、ポンプ１３により燃料電池本体１に組み込まれた冷却板へと送られ、燃料電池本体１の冷却に用いられている。送られた貯水は燃料電池本体１によって加熱されて気液二相流となり、水蒸気分離器４へ還流される。
【０００５】
燃料電池本体１で電気化学反応により生じる直流電力は、液冷式半導体素子を用いた電力変換装置３１によって、使用電力形態に変換され、負荷あるいは電力系統に供給される。
ここで、変換に際して半導体素子で生じる発熱は、液冷用の冷却器３２中を通流する冷媒により取り除かれる。この冷却器３２中を通流する冷媒は、水処理装置６と水蒸気分離器４との間に設けられた加熱用熱交換器２４を経由して循環し、加熱用熱交換器２４で水処理装置６で高純度化した反応生成水あるいは補給水と熱交換して前記反応生成水あるいは補給水を加熱する。このような構成により、電力変換装置３１で生じた熱を有効に利用して水蒸気分離器4に付設された加熱器８の所要投入電力を低減して発電効率を上げている。
【０００６】
また、上記の熱交換器２１、２２、２３の冷却用配管は、いずれも冷却水を還流する配管を介して排熱回収装置４０に連結されており、各冷却用熱交換器に低温の冷却水を送り各冷却用熱交換器で加熱されて得られた高温水を還流することにより排熱の回収を行っている。
一方、特開平9-161829号公報には、電力変換装置で生じる熱を電池冷却水系の電池冷却水を利用して冷却する構成が開示されている。図３にその冷却水系統を示す。本従来例では、電池冷却水系統の電池冷却水ポンプ１４の下流側の電池冷却水供給配管６４には、電池冷却水を分流する分流点が設けられ、この分流点には電力変換装置３１に冷却水を供給する配管が接続されており、電力変換装置３１から冷却水を排出する配管は、補給水タンク５の上流側部分に設けられた合流点に接続されている。このような構成において、電池冷却水系統の水処理装置６で処理された電池冷却水は、分流点で分流して電力変換装置３１に供給される。そして、電力変換装置３１で生じた熱を吸収した冷却水は放熱用冷却塔５０で放熱された後、電池冷却水系統の冷却水と合流する。
【０００７】
このように従来、液冷式半導体素子を用いた電力変換装置を備えた燃料電池発電装置において、電力変換装置の半導体素子で生じる熱を有効に利用する構成や、電力変換装置の冷却水として、燃料電池発電装置の電池冷却水を利用する構成などが提案されていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図２に示す特開平9-213355号の構成においては、電力変換装置３１の冷却器３２で冷媒が吸収した熱を水蒸気分離器４に供給する反応生成水及び補給水の昇温に利用するために、加熱用熱交換器２４および冷媒を循環させるためのポンプ１５を新たに設ける必要が生じる。
【０００９】
一方、電池冷却水の水処理装置にはイオン交換樹脂膜が使われている為、樹脂の性能維持のために適正流量の水を常時通水しておく必要がある。そして、水処理装置の適正流量に比べて電力変換装置の冷却器に必要な冷却水の流量が大きいため、図３の特開平9-161829号公報の冷却水系統のように電力変換装置の冷却器と水処理装置とを直列に配列すると、水処理装置には電力変換装置の冷却器が必要とする流量の水を通流することとなり、水処理装置の適正流量を大きく上回ることとなる。このため、水処理装置のイオン交換樹脂の性能が悪化するほか、水処理装置の圧力損失値が増大してポンプの消費動力が大きくなるという問題があった。
【００１０】
本発明の目的は、上記問題を解決するとともに、さらに、水冷式の半導体素子を用いた電力変換装置で生じる熱も有効に回収して利用され、高効率で運転できる燃料電池発電装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明においては、燃料電池本体と、燃料電池本体の空気極からの排ガス中の水分を貯液する補給水タンクと、前記補給水タンクからの水を純化する水処理装置と、水冷式半導体素子を用いた電力変換装置を備えた燃料電池発電装置において、前記補給水タンクと前記水処理装置との間を連結する水処理系配管に、前記水処理系配管を通流する水の一部を前記電力変換装置の冷却器に供給する配管が接続されてなる分流点と前記冷却器を通流した後の冷却水を前記水処理系配管に還流する配管が接続されてなる合流点とを形成し、前記分流点を前記合流点よりも前記水処理系配管の下流側に設けることとした。
【００１２】
上記のような構成により、電力変換装置の冷却器へ供給される水は、水処理装置の上流側の水処理系配管で分流され、この分流点よりもさらに上流側で合流し、水処理装置の上流側の水処理系配管の一部を介して循環する。
また、前記水処理系配管の前記合流点と前記分流点の間に熱交換器を設け、この熱交換器の冷媒が吸収した熱を排熱回収装置により回収する構成とすることにより、冷却器に供給される水はこの熱交換器を通流する際に降温し、冷却器で生じた熱も回収される。
【００１３】
さらに、前記水処理系配管の前記分流点よりも上流側に水処理装置により処理された純水の一部を還流する配管を接続することにより、補給水タンクから補給される純度の低い水が水処理装置により処理された純水により希釈され、冷却器へ供給される水として用いられる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の燃料電池発電装置の反応ガス系および冷却水系の模式系統図である。
図１において、図２及び３に示した従来例と同一機能を有する構成部品には同一符号が付されており、重複する説明は省略する。
【００１５】
図１中、補給水戻り配管６２は、常時一定流量の水を水処理装置６に通水させてイオン交換樹脂の性能を維持するために、水処理装置６で処理された反応生成水または補給水の一部を還流させる配管である。また、熱交換器２５は、水処理装置６へ流入する水の温度を低下させるための冷却用熱交換器であり、これは、水処理装置６のイオン交換樹脂には高温での使用に対する制約があるため従来から設けられていたものである。
【００１６】
本発明の構成と従来技術との差異は、補給水タンク５と水処理装置６との間を連結する水処理系配管６１に、電力変換装置３１の冷却器３２を通流した後の冷却水を通流させる配管が接続された合流点Ｘと、合流点Ｘよりも下流側に電力変換装置３１の冷却器３２へと冷却水を供給するための配管が接続された分流点Ｙとが設けられ、熱交換器２５が合流点Ｘと分流点Ｙとの間に配設されている点にある。
【００１７】
本発明の燃料電池発電装置においては、水処理系配管６１を通流する冷却水の一部は、分流点Ｙで電力変換装置冷却水系６３へと分流し、電力変換装置３１の冷却器３２で電力変換装置３１内の半導体素子で生じた熱を吸収して昇温された後合流点Ｘへと還流し、補給水タンク５からの反応生成水または補給水、及び補給水戻り配管６２により還流された純水と合流する。合流点Ｘを通過した混合水は熱交換器２５で降温された後、分流点Ｙで一部が電力変換装置冷却水系６３へ、残りは水処理装置６へと通流される。水処理装置６で純化された水は、補給水戻り配管６２により全部が還流されるか、又は、水蒸気分離器４内の貯水が所定水位を下回った場合に一部がポンプ１６により水蒸気分離器４へと供給される。さらに、熱交換器２５の冷媒が前記混合水から吸収した熱は、排熱回収装置４０により回収され、有効利用される。
【００１８】
上述の構成においては、水処理系配管６１の水処理装置６よりも上流側に分流点Ｙを設けることにより、電力変換装置３１の冷却器３２へ供給する冷却水を水処理装置６の手前で分流させて水処理装置６に適正流量の水を通流させることができる。また、電力変換装置冷却水系６３を通流した冷却水が水処理系配管６１に流入する合流点Ｘを補給水タンク５の下流側に設けたことにより、電力変換装置３１の冷却器３２を通流した冷却水は、補給水タンク５中に貯水された純度の低い反応生成水又は補給水の全量と混合されることなく補給水タンク５から水蒸気分離４へ補給される流量分の反応生成水又は補給水とのみ混合され、さらに補給水戻り配管６２により還流された純水も合流し混合されるので、電力変換装置３１の冷却器３２に要求される水質を維持することができる。また、熱交換器２５の冷媒が吸収した熱を排熱回収装置４０で回収する構成としたので、電力変換装置３１で発生した熱も回収され有効利用できる。
【００１９】
なお、図１に示す実施例では、補給水戻り配管６２を通流した純水は、合流点Ｘと補給水タンク５との間の水処理系配管６１に還流する構成としているが、これに限られず、分流点Ｙよりも上流側で水処理系配管６１に還流させる構成であれば、合流点Ｘよりも下流側の水処理系配管６１に還流させる構成としてもよい。
【００２０】
【発明の効果】
上述のように、本発明の請求項１に係る発明の構成とすることにより、電力変換装置の冷却器へ供給される水は水処理装置の上流側で分流されるので、水処理装置には過大な流量の水を供給することなく適正流量の水を通流することが可能となった。これにより、水処理装置のイオン交換樹脂の性能が悪化することなく長時間の使用が可能となり、さらに水処理装置の圧力損失を小さくできるのでポンプの消費動力の省力化ができた。また、補給水タンクの下流側に電力変換装置の冷却器を通流した冷却水を還流することにより、前記冷却水が補給水タンク内の純度の低い貯水の全量と混合することなく適宜補給水タンクから補給される流量分のみと混合するので、水質低下が小さく抑えられ、水処理装置の上流側で電力変換装置の冷却器へ冷却水を分流することが可能となる。
【００２１】
さらに、本発明の請求項２に係る発明の構成とすることにより、従来水処理装置を通流させる水の温度をイオン交換樹脂の使用可能温度まで低減させるために設けられていた熱交換器を利用して新たな機器を追加することなく電力変換装置で生じた熱も有効に回収し利用に供することが可能となり、装置の複雑化を招くことなく高効率で運転できる燃料電池発電装置が得られる。
【００２２】
またさらに、本発明の請求項３に係る発明の構成とすることにより、補給タンクから補給される純度の低い水が、電力変換装置の冷却水に加えて水処理装置で処理された純水により希釈され、電力変換装置に純度の高い冷却水を循環することができる。
【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の形態を示す反応ガス系および冷却水系の模式系統図
【図２】従来の燃料電池発電装置の反応ガス系および冷却水系の第１構成例の模式系統図
【図３】従来の燃料電池発電装置の冷却水系の第２構成例の模式系統図
【符号の説明】
１    燃料電池本体
２    原燃料改質器
３    エゼクタ
４    水蒸気分離器
５    補給水タンク
６    水処理装置
７    バーナ
８    加熱器
１１    ブロア
１２    ブロア
１３    ポンプ
１４    ポンプ
１５    熱媒体用ポンプ
１６    ポンプ
２１    冷却用熱交換器
２２    冷却用熱交換器
２３    冷却用熱交換器
２４    加熱用熱交換器
２５    冷却用熱交換器
３１    電力変換装置
３２    冷却器
４０    排熱回収装置
５０    放熱用冷却塔
６１    水処理系配管
６２    補給水戻り配管
６３    電力変換装置冷却水系
６４    電池冷却水供給配管
【図１】
0003743254.tif 000002
【図２】
0003743254.tif 000003
【図３】
0003743254.tif 000004