JP2947682B2

JP2947682B2 - 燃料電池用水蒸気分離装置

Info

Publication number: JP2947682B2
Application number: JP4322043A
Authority: JP
Inventors: 邦宏土居
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1992-12-01
Filing date: 1992-12-01
Publication date: 1999-09-13
Anticipated expiration: 2014-09-13
Also published as: JPH06176788A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、燃料電池用水蒸気分
離装置に関し、さらに詳しくはリン酸を電解質とするリ
ン酸型燃料電池用の水蒸気分離装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図６は、例えば特開平４−８７１５８号
公報に示された従来の水蒸気分離装置の概略構成図であ
る。同図において、１は図示しない改質装置での燃料と
水蒸気との反応により得られる改質ガス中の一酸化炭素
を変成するＣＯ変成器、２はこのＣＯ変成器１を経た改
質ガスを用いて電力を得る燃料電池スタックである。

【０００３】３はＣＯ変成器１及び燃料電池スタック２
の反応熱により得られた加圧水と水蒸気との二相流を気
液分離して上記改質装置に必要な水蒸気とＣＯ変成器１
及び燃料電池スタックの冷却に必要な加圧水とを得る水
蒸気分離器である。

【０００４】４は水蒸気分離器３とＣＯ変成器１及び燃
料電池スタック２との間の配管に設けられて水蒸気分離
器３で得られた加圧水を配管を通じてＣＯ変成器１及び
燃料電池スタック２に送給する加圧水循環ポンプであ
る。

【０００５】５は水蒸気分離器３で得られた水蒸気を所
定流量で改質装置に送給するための改質用水蒸気流量制
御弁、６は加圧水温度が所定温度になるように水蒸気分
離器３内の余剰水蒸気を図示しない排熱利用系へ放出し
て水蒸気分離器３内を圧力制御するための水蒸気分離器
圧力制御弁である。

【０００６】７は水蒸気分離器３内に滞留する加圧水の
水位を検知する水位検知器、８は水蒸気分離器３内に補
給水として純水を送給する補給水ポンプ、９はこの補給
水ポンプ８の突出口と水蒸気分離器３との間の配管に設
けられた水位制御弁であり、補給水ポンプ８及び水位制
御弁９は水位検知器７からの水位検知信号に応じてＯＮ
−ＯＦＦすることにより水蒸気分離器３への補給水の送
給量を制御する。

【０００７】１０は燃料電池起動時の加圧水を昇温する
と共に発電開始及び発電停止時の低負荷運転時に電池ス
タック２の電池電圧が高くなり過ぎないように電池電圧
を低下させるための負荷として用いるロードヒータであ
る。

【０００８】次に、上述した構成の動作について説明す
る。燃料電池起動時には、水蒸気分離器３内に滞留する
加圧水をロードヒータ１０により昇温した後、加圧水を
加圧水循環ポンプ４により燃料電池スタック２及びＣＯ
変成器１に送給してこれらを昇温する。

【０００９】発電開始・停止時の低負荷時には、燃料電
池スタック２の電圧が高くなって腐食電流が流れ電池の
腐食が進むのを防ぐために、燃料電池スタック２の発生
電力を水蒸気分離器３内に挿入されたロードヒータ１０
で消費させて電池電圧を下げる。なお、ロードヒータ１
０の加熱により水蒸気分離器３内の加圧水の一部は水蒸
気となるが水蒸気分離器内の気相容積には余裕があるの
で気液共発（水蒸気と加圧水ミストが気相に同時に出て
くる現象）は起こらない。

【００１０】燃料電池動作時には、ＣＯ変成器１及び燃
料電池スタック２の反応熱を水蒸気分離器３からそれら
に供給される加圧水の沸騰冷却により回収する。これに
より、加圧水の一部が水蒸気となった二相流がＣＯ変成
器１及び燃料電池スタック２から水蒸気分離器１に戻っ
て、ここで水蒸気と加圧水とに気液分離する。

【００１１】分離して得られた水蒸気の一部は改質用水
蒸気として改質用水蒸気流量制御弁５により所定流量で
改質装置に供給される。また、余剰水蒸気は、水蒸気分
離器圧力制御弁１０により排熱利用系に放出され、これ
により水蒸気分離器３内の水蒸気圧力が制御されて、加
圧水温度が所定温度に制御される。

【００１２】水蒸気分離器３内の加圧水水位は改質用水
蒸気や余剰水蒸気の放出によって低下するので、補給水
ポンプ８により水位検知器６からの水位検知信号で補給
水ポンプ８及び水位制御弁７をＯＮ−ＯＦＦさせて水蒸
気分離器１に直接補給水としての低温の純水が補給され
る。この際、補給水ポンプ８のＯＮ−ＯＦＦ頻度が高く
なり補給水ポンプ８の寿命が短くなるのを避けるため、
補給水ポンプ８のＯＮレベルとＯＦＦレベルに幅を持た
せて補給水ポンプ８を保護している。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】従来の燃料電池用水蒸
気分離装置は、低温の補給水が直接水蒸気分離器３内に
供給されるので、補給水供給により水蒸気分離器３内の
加圧水温度が低下して水蒸気圧力が低下し改質装置に所
定流量の水蒸気を供給することが困難とならないよう
に、低温な補給水が供給されても加圧水の温度を低下さ
せないよう水蒸気分離器３内に滞留する加圧水量を多く
する必要があった。そのため、大きな水蒸気分離器３を
用いていたので、装置が大きいという問題点があった。

【００１４】また、配管径が小さい場合は、ＣＯ変成器
１及び燃料電池スタック２からの二相流中にスラグ流と
なる部分があり、スラグ流は水蒸気分離器３内の加圧水
相に流入するため水蒸気分離器３内の加圧水が液内部沸
騰と似た状態になり水蒸気分離器３内の液面が変動する
と共に、ロードヒータ１０による加熱で水蒸気分離器３
内の加圧水が沸騰することによっても水蒸気分離器３内
の液面が変動する。そのため、良好な気液分離をするた
めに気相容積を大きくする必要があることから大きな水
蒸気分離器３を用いていたので装置が大きくなると共
に、水蒸気分離器３内の水位を正確に検知して制御する
ことができないという問題点があった。

【００１５】この発明はこのような問題点を解決するた
めになされたもので、小型に構成されると共に、水蒸気
分離器内の水位を正確に検知して制御することができる
燃料電池用水蒸気分離装置を得ることを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】この発明に係る燃料電池
用水蒸気分離装置は、燃料と水蒸気とを反応させて改質
ガスを得る改質装置と、上記改質ガス中の一酸化炭素を
変成するＣＯ変成器と、このＣＯ変成器を経た改質ガス
を用いて電力を得る燃料電池スタックと、上記ＣＯ変成
器及び上記燃料電池スタックの反応熱により得られる気
液二相流から上記改質装置に必要な水蒸気と上記ＣＯ変
成器及び上記燃料電池スタックの冷却に必要な加圧水を
気液分離して上記水蒸気を上記改質装置に供給すると共
に上記加圧水を上記ＣＯ変成器及び上記燃料電池スタッ
クに供給するための水蒸気分離器と、補給水を供給する
補給水ポンプとを備えた燃料電池用水蒸気分離装置にお
いて、上記水蒸気分離器は、上記気液二相流の流入方向
及び地表面に対して略垂直方向に設けられて流入する上
記気液二相流が管内壁に衝突することで気液分離する気
液分離管と、この気液分離管に連通しかつ略並列に設け
られて分離した水蒸気及び加圧水を送給する気液分離管
とを備えると共に、上記補給水ポンプによる上記補給水
を、上記ＣＯ変成器と上記燃料電池スタックとからの混
合した気液二相流が上記水蒸気分離器へ流れる配管中に
供給するものである。

【００１７】また、燃料と水蒸気とを反応させて改質ガ
スを得る改質装置と、上記改質ガス中の一酸化炭素を変
成するＣＯ変成器と、このＣＯ変成器を経た改質ガスを
用いて電力を得る燃料電池スタックと、上記ＣＯ変成器
及び上記燃料電池スタックの反応熱により得られる気液
二相流から上記改質装置に必要な水蒸気と上記ＣＯ変成
器及び上記燃料電池スタックの冷却に必要な加圧水を気
液分離して上記水蒸気を上記改質装置に供給すると共に
上記加圧水を上記ＣＯ変成器及び上記燃料電池スタック
に供給するための水蒸気分離器と、上記加圧水を加熱し
て昇温すると共に燃料電池の高電圧発生時に電力を消費
するヒータと、上記水蒸気分離器内の加圧水の水位を検
知する水位検知器と、この水位検知器の水位検知信号に
基づいて補給水を供給する補給水ポンプとを備えた燃料
電池用水蒸気分離装置において、上記水蒸気分離器は、
上記気液二相流の流入方向及び地表面に対して略垂直方
向に設けられて流入する上記気液二相流が管内壁に衝突
することで気液分離する気液分離管と、この気液分離管
に連通しかつ略並列に設けられて分離した水蒸気及び加
圧水を送給する気液分離管とを備えると共に、上記水位
検知器を上記気液分離管のいずれか一方に設け、かつ上
記ヒータを上記水位検知器が設けられていない気液分離
管側に設けたものである。

【００１８】また、燃料と水蒸気とを反応させて改質ガ
スを得る改質装置と、上記改質ガス中の一酸化炭素を変
成するＣＯ変成器と、このＣＯ変成器を経た改質ガスを
用いて電力を得る燃料電池スタックと、上記ＣＯ変成器
及び上記燃料電池スタックの反応熱により得られる気液
二相流から上記改質装置に必要な水蒸気と上記ＣＯ変成
器及び上記燃料電池スタックの冷却に必要な加圧水を気
液分離して上記水蒸気を上記改質装置に供給すると共に
上記加圧水を上記ＣＯ変成器及び上記燃料電池スタック
に供給するための水蒸気分離器と、この水蒸気分離器か
ら上記ＣＯ変成器及び上記燃料電池スタックへ上記加圧
水が流れる配管に設けられた加圧水循環ポンプと、上記
加圧水を加熱して昇温すると共に燃料電池の高電圧発生
時の電力を消費するヒータと、上記水蒸気分離器内の加
圧水の水位を検知する水位検知器と、この水位検知器の
水位検知信号に基づいて補給水を供給する補給水ポンプ
とを備えた燃料電池用水蒸気分離装置において、上記水
蒸気分離器は、上記気液二相流の流入方向及び地表面に
対して略垂直方向に設けられて流入する上記気液二相流
が管内壁に衝突することで気液分離し、分離した加圧水
を送給する気液分離管と、この気液分離管に連通しかつ
略並列に設けられて分離した水蒸気を送給する気液分離
管とを備えると共に、上記水位検知器を、上記加圧水を
送給する気液分離管に設け、かつ上記ヒータを、上記水
蒸気を送給する気液分離管に設けたものである。また、
燃料と水蒸気とを反応させて改質ガスを得る改質装置
と、上記改質ガス中の一酸化炭素を変成するＣＯ変成器
と、このＣＯ変成器を経た改質ガスを用いて電力を得る
燃料電池スタックと、上記ＣＯ変成器及び上記燃料電池
スタックの反応熱により得られる気液二相流から上記改
質装置に必要な水蒸気と上記ＣＯ変成器及び上記燃料電
池スタックの冷却に必要な加圧水を気液分離して上記水
蒸気を上記改質装置に供給すると共に上記加圧水を上記
ＣＯ変成器及び上記燃料電池スタックに供給するための
水蒸気分離器と、この水蒸気分離器から上記ＣＯ変成器
及び上記燃料電池スタックへ上記加圧水が流れる配管に
設けられた加圧水循環ポンプと、上記加圧水を加熱して
昇温すると共に燃料電池の高電圧発生時の電力を消費す
るヒータとを備えた燃料電池用水蒸気分離装置におい
て、上記水蒸気分離器は、上記気液二相流の流入方向及
び地表面に対して略垂直方向に設けられて流入する上記
気液二相流が管内壁に衝突することで気液分離する気液
分離管と、この気液分離管に連通しかつ略並列に設けら
れて分離した水蒸気及び加圧水を送給する気液分離管と
を備えると共に、上記ヒータを、上記加圧水循環ポンプ
から上記ＣＯ変成器と上記燃料電池スタックとに加圧水
が送給される分岐配管中の上記分岐と上記ＣＯ変成器と
の間、または上記ＣＯ変成器から上記水蒸気分離器へ気
液二相流が流れる合流配管中の上記ＣＯ変成器の気液二
相流出口と上記合流との間に設けたものである。

【００１９】また、燃料と水蒸気とを反応させて改質ガ
スを得る改質装置と、上記改質ガス中の一酸化炭素を変
成するＣＯ変成器と、このＣＯ変成器を経た改質ガスを
用いて電力を得る燃料電池スタックと、上記ＣＯ変成器
及び上記燃料電池スタックの反応熱により得られる気液
二相流から上記改質装置に必要な水蒸気と上記ＣＯ変成
器及び上記燃料電池スタックの冷却に必要な加圧水を気
液分離して上記水蒸気を上記改質装置に供給すると共に
上記加圧水を上記ＣＯ変成器及び上記燃料電池スタック
に供給する水蒸気分離器と、上記加圧水を加熱して昇温
すると共に燃料電池の高電圧発生時の電力を消費するヒ
ータとを備えた燃料電池用水蒸気分離装置において、上
記水蒸気分離器は、上記気液二相流の流入方向及び地表
面に対して略垂直方向に設けられて流入する上記気液二
相流が管内壁に衝突することで気液分離する気液分離管
と、この気液分離管に連通しかつ略並列に設けられて分
離した水蒸気及び加圧水を送給する気液分離管とを備え
ると共に、上記水蒸気分離器から上記ＣＯ変成器及び上
記燃料電池スタックへ向けて上記加圧水が流れる配管
と、上記ＣＯ変成器及び上記燃料電池スタックからの混
合した気液二相流が上記水蒸気分離器へ向けて流れる配
管とに連通する短絡配管を設けると共に、この短絡配管
中に上記ヒータを設けたものである。

【００２０】

【作用】この発明に係る燃料電池用水蒸気分離装置にお
いては、ＣＯ変成器及び燃料電池スタックからの気液二
相流が、水蒸気分離器の気液分離管に垂直に流入し管内
壁に衝突して気液分離する。また、補給水ポンプによ
り、水蒸気分離器とＣＯ変成器及び燃料電池スタックと
の間の配管中に補給水を供給する。配管中に供給された
低温の補給水は、気液二相流の一部の水蒸気の凝縮によ
り昇温して水蒸気分離器に流入する。

【００２１】また、水位検知器により、ヒータの影響を
受けない気液分離管の水位を検知し、水位検知器からの
水位検知信号に基づいて補給水ポンプによる補給水の供
給量を制御する。ＣＯ変成器及び燃料電池スタックから
の気液二相流は最初に流入する気液分離管で管内壁に衝
突して大部分が気液分離し、残りの気液二相流は次の気
液分離管の管内壁に衝突して気液分離する。さらに、ヒ
ータにより、加圧水を加熱して昇温すると共に、燃料電
池の高電圧発生時の電力を消費して発電開始・発電停止
時の電池電圧を低下させて電池腐食を抑制する。

【００２２】また、水蒸気を送給する気液分離管にロー
ドヒータを設け、加圧水を送給する気液分離管に水位検
知器を設けて、ロ−ドヒ−タの加熱による液面変動がな
く、水蒸気分離器内の気液分離に必要な気相部の容積を
最小限にでき装置を小さくできると共に、水位検知器７
により水蒸気分離器内の加圧水水位を正確に検知する。
また、加圧水循環ポンプとＣＯ変成器及び燃料電池スタ
ックとの間の配管中、またはＣＯ変成器から水蒸気分離
器へ気液二相流のみが流れる配管中に設けたヒータによ
り、加圧水を加熱して昇温すると共に、燃料電池の高電
圧発生時の電力を消費して発電開始・発電停止時の電池
電圧を低下させて電池腐食を抑制する。

【００２３】また、水蒸気分離器からＣＯ変成器及び燃
料電池スタックへ加圧水が流れる配管と、ＣＯ変成器及
び燃料電池スタックから水蒸気分離器へ気液二相流が流
れる配管とに連通する短絡配管に設けたヒータにより、
加圧水を加熱して昇温すると共に、燃料電池の高電圧発
生時の電力を消費して発電開始・発電停止時の電池電圧
を低下させて電池腐食を抑制する。

【００２４】

【実施例】以下、この発明の諸実施例を図に基づいて説
明する。実施例１．図１は、この発明の実施例１を示す構成図で
ある。同図に示すように、この実施例１では、水蒸気分
離器３Ａは、ＣＯ変成器１及び燃料電池スタック２から
の水蒸気と加圧水との二相流が管内壁に衝突するよう
に、二相流の流入方向及び地表面に対して略垂直方向に
設けられた気液分離管３Ａ₁と、この気液分離管３Ａ₁に
連通しかつ略並列に設けられた気液分離管３Ａ₂とを有
する。

【００２５】改質用水蒸気流量制御弁５及び水蒸気分離
器圧力制御弁６に通じる水蒸気分離器３Ａの水蒸気流出
口は気液分離管３Ａ₂の真上に位置し、加圧水循環ポン
プ４に通じる水蒸気分離器３Ａの加圧水流出口は気液分
離管３Ａ₂の真下に位置する。

【００２６】また、水位検知器７を、気液分離管３Ａ₂
に設ける。さらに、補給水ポンプ８からの補給水を、Ｃ
Ｏ変成器１及び燃料電池スタック２とからの二相流が混
合して水蒸気分離器３Ａへ流れる配管中に供給する。そ
の他の構成は、図６と同様である。

【００２７】次に、上述した構成の動作について説明す
る。燃料電池発電設備が発電を開始すると、ＣＯ変成器
１及び電池スタック２で発生する反応熱を、水蒸気分離
器３Ａ内の所定温度に制御されている加圧水を加圧水循
環ポンプ４によりＣＯ変成器１及び燃料電池スタック２
に送給して沸騰冷却により回収する。

【００２８】反応熱の回収によって加圧水の一部が水蒸
気となった二相流がＣＯ変成器１及び燃料電池スタック
２から流出し合流して水蒸気分離器３Ａの一段目の気液
分離管３Ａ₁に流入する。

【００２９】気液分離管３Ａ₁に流入した二相流は管内
壁に衝突し、大部分が水蒸気と加圧水とに気液分離す
る。この際、二相流がスラグ流となっている部分があっ
ても、管内壁への衝突により容易に加圧水と水蒸気とに
気液分離する。

【００３０】一段目の気液分離管３Ａ₁で二相流の大部
分が気液分離するが、残りの二相流は二段目の気液分離
管３Ａ₂で同様にして気液分離し、これで二相流の気液
分離がほぼ完了する。このように、二相流がスラグ流で
あっても確実に気液分離するので、スラグ流が水蒸気分
離器３Ａにより滞留している加圧水中に入って液内部沸
騰のように液面が大きく変動することがないため、水蒸
気分離器３Ａの気液分離のための気相容積は小さくてす
む。

【００３１】水蒸気分離器３Ａ内で気液分離により得ら
れた水蒸気の一部は改質用水蒸気流量制御弁５から図示
しない改質装置に供給される。また、水蒸気分離器圧力
制御弁６により余剰の水蒸気が図示しない排熱利用系に
放出されて水蒸気分離器３Ａ内の圧力が制御されること
により加圧水温度が所定温度に制御される。

【００３２】二相流の大部分は一段目の気液分離管３Ａ
₁で気液分離するので、液面変動が小さい二段目の気液
分離管３Ａ₂に設けられた水位検知器７により水蒸気分
離器３Ａ内に滞留している加圧水の水位変化を検知し、
この検知信号により開度制御される水位制御弁９を介し
て補給水ポンプ５により補給水として純水が、ＣＯ変成
器１からの二相流と燃料電池スタック２からの二相流と
が混合されて流れる配管中に連続的に供給され水蒸気分
離器３Ａに流入して、水蒸気分離器３Ａ内の加圧水水位
が一定に制御される。

【００３３】この際、配管中に供給された補給水は、二
相流に混合され、二相流中の一部の水蒸気の凝縮により
水蒸気と同じ温度に昇温されるので、水蒸気分離器３Ａ
内に滞留する加圧水の温度の低下がほとんどないため、
従来のように水蒸気分離器３Ａ内に滞留する加圧水の温
度変化を抑制するよう水蒸気分離器３Ａを大きくして滞
留する加圧水量を多くする必要がない。水蒸気分離器３
Ａ内に滞留させる加圧水量は、加圧水循環ポンプ４のキ
ャビテーション防止に必要な量で良く、最小限にできる
ので、小型な水蒸気分離器３Ａにすることができる。

【００３４】この実施例１では、上述したように、ＣＯ
変成器１及び燃料電池スタック２からの二相流が水蒸気
分離器３Ａへ流れる配管中に低温の補給水を連続供給
し、二相流中の一部の水蒸気の凝縮により補給水を昇温
させるようにしたので、水蒸気分離器３Ａに直接補給水
を供給する場合のような水蒸気分離器３Ａ内に滞留して
いる加圧水の温度低下がなく、加圧水の温度変化を抑制
するためのバッファとして必要であった水蒸気分離器内
３Ａに滞留させる加圧水を最小限にできる。そのため、
水蒸気分離器３Ａが小さくてすむので、装置を小さくす
ることができる。

【００３５】また、水蒸気分離器３Ａに、ＣＯ変成器１
及び燃料電池スタック２からの二相流の流入方向及び地
表面に対して略垂直方向に設けられた一段目の気液分離
管３Ａ₁と、この気液分離管３Ａ₁に連通しかつ略並列に
設けられた二段目の気液分離管３Ａ₂とを備えて二相流
の気液分離の大部分を一段目の気液分離管３Ａ₁で行う
ようにし２段目の気液分離管３Ａ₂の液面の変動を小さ
くしたので、水蒸気分離器３Ａ内の気液分離に必要な気
相部の容積を最小限にでき装置を小さくすることができ
ると共に、２段目の気液分離管３Ａ₂に設けた水位検知
器７により水蒸気分離器３Ａ内の加圧水水位を正確に検
知することができる。

【００３６】実施例２．図２は、この発明の実施例２を
示す構成図である。この実施例２では、図１の水蒸気分
離器３Ａの気液分離管３Ａ₁の液相部である加圧水中
に、燃料電池起動時に加圧水を昇温すると共に発電開始
及び発電停止時の低負荷運転時に電池スタック２の電池
電圧が高くなり過ぎないように電池電圧を低下させるた
めの負荷として用いるロードヒータ１０が挿入される。
その他の構成は、図１と同様である。

【００３７】次に、上述した構成の動作について説明す
る。燃料電池発電設備が発電を開始すると、ＣＯ変成器
１及び燃料電池スタック２で発生する反応熱を、水蒸気
分離器３Ａ内の所定温度に制御された加圧水を加圧水循
環ポンプ４により電池スタック２及びＣＯ変成器１に送
給して沸騰冷却により回収する。

【００３８】反応熱回収によって加圧水の一部が水蒸気
となった二相流が、ＣＯ変成器１及び燃料電池スタック
２から流れ合流して水蒸気分離器３Ａの一段目の気液分
離管に導入される。ここで二相流は管壁に衝突して大部
分が気液分離し、二段目の気液分離管で加圧水と水蒸気
の気液分離がほぼ完了する。

【００３９】その際、上記実施例１で説明したように、
二相流がスラグ流であっても気相中で気液分離し、液内
部沸騰のような状態が起こらず液面が変動しないので、
水蒸気分離器３Ａの気液分離のための気相容積は小さく
てすむ。

【００４０】水蒸気分離器３Ａ内の水蒸気の一部は、改
質用水蒸気流量制御弁５から図示しない改質装置に供給
される。また、水蒸気分離器圧力制御弁１０により余剰
の水蒸気が図示しない排熱利用系に放出され水蒸気分離
器３Ａ内の圧力が制御されることにより水蒸気分離機３
Ａ内の加圧水温度が所定温度に制御される。

【００４１】水蒸気分離器３Ａ内の加圧水水位の変化
は、二段目の気液分離管３Ａ₂に設けられた水位検知器
７により検知され、この検知信号により開度制御される
水位制御弁９を介して補給水ポンプ５により補給水とし
て純水が、ＣＯ変成器１からの二相流と燃料電池スタッ
ク２からの二相流が混合して水蒸気分離器３Ａへ流れる
配管中に連続的に補給混合される。

【００４２】配管中に補給された補給水は、二相流中の
一部の水蒸気の凝縮により水蒸気と同じ温度まで昇温さ
れるので、水蒸気分離器３Ａ内に滞留する加圧水の温度
の変化が少なく、滞留水の温度変化を抑制するために水
蒸気分離器３Ａに滞留する加圧水量に余裕をもつ必要が
ない。

【００４３】そのため、水蒸気分離器３Ａ内の加圧水水
位は加圧水循環ポンプ４のキャビテーション防止に必要
な水位であれば良く、水蒸気分離器３Ａ内に滞留する加
圧水の水量が最小限でよい。

【００４４】また、発電開始または発電停止時の低負荷
時に燃料電池スタック２の電池セル電圧が高くなって電
池腐食が起こるのを防ぐために、一段目の気液分離管３
Ａの液相部にロードヒータ１０を負荷として設けて電池
セル電圧を低下させ、電池腐食を抑制する。

【００４５】その際、ロードヒータ１０の加熱により一
段目の気液分離管３Ａ₁内の加圧水は沸騰し液面が変動
するが、二段目の気液分離管３Ａ₂の液面の変動はほと
んどない。そのため、二段目の気液分離管３Ａ₂に設け
た水位検知器７により水蒸気分離器３Ａ内の加圧水水位
を加圧水循環ポンプ４のキャビテーション防止に必要な
水位に、正確に制御することが可能である。

【００４６】このように、この実施例２では、水蒸気分
離器３Ａに、ＣＯ変成器１及び燃料電池スタック２から
の二相流の流入方向及び地表面に対して略垂直方向に設
けられた一段目の気液分離管３Ａ₁と、この気液分離管
３Ａ₁に連通しかつ略並列に設けられた二段目の気液分
離管３Ａ₂とを備え、一段目の気液分離管３Ａ_１に、加
圧水を加熱して昇温しかつ燃料電池の高電圧発生時の電
力を消費するロードヒータ１０を設けると共に、二段目
の気液分離管３Ａ₂に水位検知器７を設けたことによ
り、一段目の気液分離管３Ａ₁はロードヒータ１０の加
熱により液面が変動するが二段目の気液分離管３Ａ₂は
ロードヒータ１０の影響を受けず液面変動がないので、
水蒸気分離器３Ａ内の気液分離に必要な気相部の容積を
最小限にできると共に、二段目の気液分離管３Ａ₂に設
けた水位検知器７により水蒸気分離器３Ａ内の加圧水水
位を正確に検知することができる。

【００４７】実施例３．図３は、この発明の実施例３を
示す構成図である。この実施例３では、図３に示すよう
に、水位検知器７を一段目の気液分離管３Ａ₁に設ける
と共に、ロードヒータ１０を二段目の気液分離管３Ａ₂
に設けて、循環冷却水ポンプ４に通じる水蒸気分離器３
Ａの加圧水流出口を気液分離管３Ａ₁の直下に設ける。
その他の構成は図１と同様である。

【００４８】次に、上述した構成の動作について説明す
る。燃料電池発電設備が発電を開始すると、ＣＯ変成器
１及び燃料電池スタック２で発生する反応熱を、水蒸気
分離器３Ａ内の所定温度に制御された加圧水を加圧水循
環ポンプ２によりＣＯ変成器１及び燃料電池スタック２
に送給して沸騰冷却により回収する。

【００４９】反応熱回収により加圧水の一部が水蒸気と
なり、加圧水と水蒸気との二相流がＣＯ変成器１及び燃
料電池スタック２から水蒸気分離器３Ａの一段目の気液
分離管３Ａ₁に流入する。二相流は管壁に衝突して大部
分の加圧水が一段目の気液分離管３Ａ₁で加圧水と水蒸
気とに気液分離し、二段目の気液分離管で気液分離がほ
ぼ完了する。

【００５０】その際、上記実施例１で説明したように、
二相流がスラグ流であっても気液分離管内壁への衝突に
より気液分離し、液内部沸騰のような状態が起こらず液
面が変動しないので、水蒸気分離器３Ａの気液分離のた
めの気相容積は小さくてすむため、小型な水蒸気分離器
３Ａとすることができる。

【００５１】水蒸気分離器１内の水蒸気の一部は改質用
水蒸気流量制御弁５から図示しない改質装置に供給され
る。また、水蒸気分離器圧力制御弁６により余剰の水蒸
気が排熱利用系に放出され水蒸気分離器３Ａ内の圧力が
制御されることによって水蒸気分離器３Ａ内の加圧水温
度が所定温度に制御される。

【００５２】水蒸気分離器内の加圧水水位は一段目の気
液分離管３Ａに設けられた水位検知器６により検知さ
れ、この検知信号により開度制御される水位制御弁９を
介して補給水ポンプ８により補給水として純水が、ＣＯ
変成器１及び燃料電池スタック２からの二相流が混合さ
れて水蒸気分離器３Ａへ流れる配管に連続的に補給混合
される。

【００５３】その際、二相流が流れる配管に供給された
補給水は、二相流の一部の水蒸気の凝縮により水蒸気と
同じ温度まで昇温されるので、水蒸気分離器１内に滞留
する加圧水の温度変化が少なく加圧水の温度変化を抑制
するために水蒸気分離器３Ａ内に滞留させる加圧水の量
に余裕をもつ必要がない。

【００５４】そのため、水蒸気分離器３Ａの水位は、加
圧水循環ポンプ４のキャビテーション防止に必要な水位
であれば良く、水蒸気分離器３Ａ内に滞留する加圧水の
量を最小限にできるので、小型な水蒸気分離器３Ａとす
ることができる。

【００５５】また、発電開始または停止時の低負荷時に
は、電池セル電圧が高くなり電圧腐食が起こるのを防ぐ
ために、二段目の気液分離管３Ａ ₂の液相部に設けたロ
ードヒータ１０により負荷をとって電池セル電圧を低下
させ電池腐食を抑制する。

【００５６】この際、加圧水の沸騰により二段目の気液
分離管３Ａ₂の液面は変動するが、水位制御に使用する
一段目の気液分離管３Ａ₁の液面には影響がないので、
二段目の気液分離管３Ａ₂に設けた水位検知器７により
加圧水循環ポンプ４のキャビテーション防止に必要な水
位に、正確に制御することが可能である。

【００５７】このように、この実施例３では、水蒸気分
離器３Ａの二段目の気液分離管３Ａ₂にロードヒータを
設けると共に、一段目の気液分離管３Ａ₁に水位検知器
７を設けたことにより、二段目の気液分離管３Ａ₂はロ
−ドヒ−タ１０の加熱による液面変動がないので、水蒸
気分離器３Ａ内の気液分離に必要な気相部の容積を最小
限にでき装置を小さくできると共に、２段目の気液分離
管３Ａ₂に設けた水位検知器７により水蒸気分離器３Ａ
内の加圧水水位を正確に検知することができる。

【００５８】実施例４．図４は、この発明の実施例４を
示す構成図である。この実施例４では、ロードヒータ１
０を、加圧水循環ポンプ４からＣＯ変成器１及び燃料電
池スタック２に加圧水が送給される配管中の、加圧水が
燃料電池スタック２に分流する位置とＣＯ変成器１の加
圧水流入口との間に設ける。

【００５９】そして、発電開始または停止時の低負荷時
に、電池セル電圧が高くなり電池腐食が起こるのを防ぐ
ために、ＣＯ変成器１の加圧水流入口付近に設けたロー
ドヒータ１０により負荷をとって電池セル電圧を低下さ
せる。

【００６０】ＣＯ変成器１からの回収熱量は燃料電池ス
タック２の約１／１０と小さいので、ＣＯ変成器１の出
口の気液二相流中の水蒸気の割合は燃料電池スタック２
の出口の水蒸気の割合に比べて小さく、ＣＯ変成器１の
入口でロードヒータ１０により加圧水を加熱し加圧水中
の水蒸気が若干増えても、ＣＯ変成器１内での熱交換性
能の低下は小さく問題はない。他の構成は、実施例１と
同様であるので省略する。

【００６１】この実施例４では、上述したように、ロー
ドヒータ１０を、ＣＯ変成器１の加圧水流入口付近に設
けたことによって、ロードヒータ１０の加熱により水蒸
気分離器３Ａに液面変動を与えないので、水蒸気分離器
３Ａ内の気相容積が小さくてすむと共に、水蒸気分離器
３Ａ内の加圧水水位を正確に検知することができる。

【００６２】なお、ロードヒータ１０を、ＣＯ変成器１
及び燃料電池スタック２から水蒸気分離器３Ａへ二相流
が流れる配管の、ＣＯ変成器１の二相流流出口とＣＯ変
成器１からの二相流が燃料電池スタック２からの二相流
と合流する位置との間に設けても良く、ＣＯ変成器１か
らの二相流中の水蒸気は少量であるのでロードヒータ１
０に影響しない。

【００６３】実施例５．図５は、この発明の実施例５を
示す構成図である。図５に示すように、水蒸気分離器３
ＡからＣＯ変成器１及び燃料電池スタック２へ加圧水が
流れる配管と、ＣＯ変成器１及び燃料電池スタック２か
ら水蒸気分離器３Ａへ気液二相流が流れる配管とに連通
する配管を設け、この配管中にロードヒータ１０を設け
る。

【００６４】そして、発電開始または停止時の低負荷時
に、ロードヒータ１０により負荷をとって電池セル電圧
を低下させ電池腐食を抑制する。このようにすると、燃
料電池スタック２やＣＯ変成器１の加圧水による冷却性
能にほとんど影響はない。他の構成は実施例１と同様で
あるので省略する。

【００６５】この実施例５でも、上記実施例４と同じ
く、ロードヒータの加熱による水蒸気分離器３Ａ内の液
面に影響を与えないので、水蒸気分離器３Ａ内の気相容
積が小さくてすみ装置を小さくできると共に、水蒸気分
離器３Ａ内の加圧水水位を正確に検知することができ
る。

【００６６】実施例６．上記実施例４では、ロードヒータ１０を、水蒸気分離器
３ＡからＣＯ変成器１及び燃料電池スタック２へ加圧水
が流れる配管中の、加圧水が燃料電池スタック２に分流
する位置とＣＯ変成器１の加圧水流入口との間に設けて
いるが、ロードヒータ１０を、加圧水循環ポンプ４の吐
出部と燃料電池スタック２との間に設けても良い。

【００６７】通常、燃料電池スタック２から流出する二
相流中の水蒸気の割合が例えば１０％程度になるように
されるので、ロードヒータ１０を加圧水循環ポンプ４の
吐出部と燃料電池スタック２との間に設ける場合には、
燃料電池スタック２に流入する加圧水の一部が水蒸気に
なり燃料電池スタック２からの二相流中の水蒸気の割合
が例えば１０％を越えるのを防ぐために、ＣＯ変成器１
及び燃料電池スタック２に供給する加圧水の比率を変え
て燃料電池スタック２側に多く加圧水を供給し加圧水の
沸騰率を調整し、燃料電池スタック２からの二相流中の
水蒸気の割合が例えば１０％を越えないようにする。

【００６８】なお、ロードヒータ１０を、加圧水循環ポ
ンプ４の入口に設けると、加圧水循環ポンプ４がキャビ
テーションを起こすので、適当でない。また、ロードヒ
ータ１０を、燃料電池スタック２の二相流流出口と水蒸
気分離器３Ａとの間に設けると、二相流中の水蒸気が多
いためにロードヒータ１０が焼損してしまうので、適当
でない。

【００６９】

【発明の効果】以上のように、この発明に係る燃料電池
用水蒸気分離装置は、ＣＯ変成器及び燃料電池スタック
からの気液二相流の流入方向及び地表面に対して略垂直
方向に設けて流入する気液二相流が管内壁に衝突するこ
とで気液分離する気液分離管を水蒸気分離器に備えたこ
とによって、気液二相流が流れる配管径が小さく気液二
相流中の一部がスラグ流となっていても気液分離管内壁
との衝突時に気液分離管外気との温度差により水蒸気分
離器内の気相中で気液分離するため、気液二相流が水蒸
気分離器内の加圧水相に挿入されて液内部沸騰に似た状
態のように水蒸気分離器３内の液面が変動することがな
いので、水蒸気分離器内の水位を正確に検知して制御す
ることができると共に、上記水蒸気分離器と上記ＣＯ変
成器及び上記燃料電池スタックとの間の配管中に補給水
を連続的に供給するようにしたことによって、配管中を
流れる気液二相流中の水蒸気の一部の凝縮により低温な
補給水が昇温されて上記水蒸気分離器に流入するため水
蒸気分離器内の加圧水の温度が低下することがなく改質
装置に充分に所定流量の水蒸気を供給することができる
ので、低温な補給水の供給による水蒸気分離器内の加圧
水の温度低下を防ぐために大きな水蒸気分離器を用いて
多量の加圧水を滞留させておく必要がなく、装置を小型
に構成することができるという効果を奏する。

【００７０】また、変成器及び燃料電池スタックからの
気液二相流の流入方向及び地表面に対して略垂直方向に
設けられて流入する気液二相流が管内壁に衝突すること
で気液分離する気液分離管と、この気液分離管に連通し
かつ略並列に設けられた気液分離管とを水蒸気分離器に
備え、上記水蒸気分離器内の加圧水の水位を検知する水
位検知器を上記気液分離管のいずれか一方に設け、かつ
加圧水を加熱して昇温すると共に燃料電池の高電圧発生
時に電力を消費するヒータを上記水位検知器が設けられ
ていない気液分離管側に設けたことによって、水位検知
器が設けられている気液分離管の液面はヒータの影響を
受けず変動しないので、気液分離のための気相容積が小
さくてすむため水蒸気分離器は小さくてすみ装置が小型
に構成されると共に、水蒸気分離器内の水位を正確に検
知して制御することができるという効果を奏する。

【００７１】また、水蒸気を送給する気液分離管にロー
ドヒータを設け、加圧水を送給する気液分離管に水位検
知器を設けることで、ロ−ドヒ−タの加熱による液面変
動がなく、水蒸気分離器内の気液分離に必要な気相部の
容積を最小限にでき装置を小さくできると共に、水位検
知器により水蒸気分離器内の加圧水水位を正確に検知し
て制御することができるという効果を奏する。また、水
蒸気分離器内の加圧水をＣＯ変成器及び燃料電池スタッ
クに送給する加圧水循環ポンプと上記ＣＯ変成器及び上
記燃料電池スタックとの間の配管中、または上記ＣＯ変
成器から上記水蒸気分離器へ上記気液二相流のみが流れ
る配管中に、加圧水を加熱して昇温すると共に燃料電池
の高電圧発生時の電力を消費するヒータを備えたことに
よって、水蒸気分離器内にヒータを挿入する必要がない
ので水蒸気分離器は小さくてよいため装置を小型に構成
することができると共に、ヒータの加熱により水蒸気分
離器内の液面が変動することがないので水蒸気分離器内
の水位を正確に検知して制御することができるという効
果を奏する。

【００７２】また、水蒸気分離器からＣＯ変成器及び燃
料電池スタックへ加圧水が流れる配管と、ＣＯ変成器及
び燃料電池スタックから水蒸気分離器へ気液二相流が流
れる配管とに連通する短絡配管を設けると共に、この短
絡配管中に、加圧水を加熱して昇温すると共に燃料電池
の高電圧発生時の電力を消費するヒータを設けたことに
よって、水蒸気分離器内にヒータを挿入する必要がない
ので水蒸気分離器は小さくてよいため装置を小型に構成
することができると共に、ヒータの加熱により水蒸気分
離器内の液面が変動することがないので水蒸気分離器内
の水位を正確に検知して制御することができるという効
果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１を示す構成図である。

【図２】この発明の実施例２を示す構成図である。

【図３】この発明の実施例３を示す構成図である。

【図４】この発明の実施例４を示す構成図である。

【図５】この発明の実施例５を示す構成図である。

【図６】従来の燃料電池用水蒸気分離装置を示す構成図
である。

【符号の説明】

１ＣＯ変成器２燃料電池スタック３Ａ水蒸気分離器３Ａ₁ 気液分離管３Ａ₂ 気液分離管４加圧水循環ポンプ７水位検知器８補給水ポンプ１０ロードヒータ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料と水蒸気とを反応させて改質ガスを
得る改質装置と、上記改質ガス中の一酸化炭素を変成す
るＣＯ変成器と、このＣＯ変成器を経た改質ガスを用い
て電力を得る燃料電池スタックと、上記ＣＯ変成器及び
上記燃料電池スタックの反応熱により得られる気液二相
流から上記改質装置に必要な水蒸気と上記ＣＯ変成器及
び上記燃料電池スタックの冷却に必要な加圧水を気液分
離して上記水蒸気を上記改質装置に供給すると共に上記
加圧水を上記ＣＯ変成器及び上記燃料電池スタックに供
給するための水蒸気分離器と、補給水を供給する補給水
ポンプとを備えた燃料電池用水蒸気分離装置において、
上記水蒸気分離器は、上記気液二相流の流入方向及び地
表面に対して略垂直方向に設けられて流入する上記気液
二相流が管内壁に衝突することで気液分離する気液分離
管と、この気液分離管に連通しかつ略並列に設けられて
分離した水蒸気及び加圧水を送給する気液分離管とを備
えると共に、上記補給水ポンプによる上記補給水を、上
記ＣＯ変成器と上記燃料電池スタックとからの混合した
気液二相流が上記水蒸気分離器へ流れる配管中に供給す
ることを特徴とする燃料電池用水蒸気分離装置。
【請求項２】燃料と水蒸気とを反応させて改質ガスを
得る改質装置と、上記改質ガス中の一酸化炭素を変成す
るＣＯ変成器と、このＣＯ変成器を経た改質ガスを用い
て電力を得る燃料電池スタックと、上記ＣＯ変成器及び
上記燃料電池スタックの反応熱により得られる気液二相
流から上記改質装置に必要な水蒸気と上記ＣＯ変成器及
び上記燃料電池スタックの冷却に必要な加圧水を気液分
離して上記水蒸気を上記改質装置に供給すると共に上記
加圧水を上記ＣＯ変成器及び上記燃料電池スタックに供
給するための水蒸気分離器と、上記加圧水を加熱して昇
温すると共に燃料電池の高電圧発生時に電力を消費する
ヒータと、上記水蒸気分離器内の加圧水の水位を検知す
る水位検知器と、この水位検知器の水位検知信号に基づ
いて補給水を供給する補給水ポンプとを備えた燃料電池
用水蒸気分離装置において、上記水蒸気分離器は、上記
気液二相流の流入方向及び地表面に対して略垂直方向に
設けられて流入する上記気液二相流が管内壁に衝突する
ことで気液分離する気液分離管と、この気液分離管に連
通しかつ略並列に設けられて分離した水蒸気及び加圧水
を送給する気液分離管とを備えると共に、上記水位検知
器を上記気液分離管のいずれか一方に設け、かつ上記ヒ
ータを上記水位検知器が設けられていない気液分離管側
に設けたことを特徴とする燃料電池用水蒸気分離装置。
【請求項３】燃料と水蒸気とを反応させて改質ガスを
得る改質装置と、上記改質ガス中の一酸化炭素を変成す
るＣＯ変成器と、このＣＯ変成器を経た改質ガスを用い
て電力を得る燃料電池スタックと、上記ＣＯ変成器及び
上記燃料電池スタックの反応熱により得られる気液二相
流から上記改質装置に必要な水蒸気と上記ＣＯ変成器及
び上記燃料電池スタックの冷却に必要な加圧水を気液分
離して上記水蒸気を上記改質装置に供給すると共に上記
加圧水を上記ＣＯ変成器及び上記燃料電池スタックに供
給するための水蒸気分離器と、この水蒸気分離器から上
記ＣＯ変成器及び上記燃料電池スタックへ上記加圧水が
流れる配管に設けられた加圧水循環ポンプと、上記加圧
水を加熱して昇温すると共に燃料電池の高電圧発生時の
電力を消費するヒータと、上記水蒸気分離器内の加圧水
の水位を検知する水位検知器と、この水位検知器の水位
検知信号に基づいて補給水を供給する補給水ポンプとを
備えた燃料電池用水蒸気分離装置において、上記水蒸気
分離器は、上記気液二相流の流入方向及び地表面に対し
て略垂直方向に設けられて流入する上記気液二相流が管
内壁に衝突することで気液分離し、分離した加圧水を送
給する気液分離管と、この気液分離管に連通しかつ略並
列に設けられて分離した水蒸気を送給する気液分離管と
を備えると共に、上記水位検知器を、上記加圧水を送給
する気液分離管に設け、かつ上記ヒータを、上記水蒸気
を送給する気液分離管に設けたことを特徴とする燃料電
池用水蒸気分離装置。
【請求項４】燃料と水蒸気とを反応させて改質ガスを
得る改質装置と、上記改質ガス中の一酸化炭素を変成す
るＣＯ変成器と、このＣＯ変成器を経た改質ガスを用い
て電力を得る燃料電池スタックと、上記ＣＯ変成器及び
上記燃料電池スタックの反応熱により得られる気液二相
流から上記改質装置に必要な水蒸気と上記ＣＯ変成器及
び上記燃料電池スタックの冷却に必要な加圧水を気液分
離して上記水蒸気を上記改質装置に供給すると共に上記
加圧水を上記ＣＯ変成器及び上記燃料電池スタックに供
給するための水蒸気分離器と、この水蒸気分離器から上
記ＣＯ変成器及び上記燃料電池スタックへ上記加圧水が
流れる配管に設けられた加圧水循環ポンプと、上記加圧
水を加熱して昇温すると共に燃料電池の高電圧発生時の
電力を消費するヒータとを備えた燃料電池用水蒸気分離
装置において、上記水蒸気分離器は、上記気液二相流の
流入方向及び地表面に対して略垂直方向に設けられて流
入する上記気液二相流が管内壁に衝突することで気液分
離する気液分離管と、この気液分離管に連通しかつ略並
列に設けられて分離した水蒸気及び加圧水を送給する気
液分離管とを備えると共に、上記ヒータを、上記加圧水
循環ポンプから上記ＣＯ変成器と上記燃料電池スタック
とに加圧水が送給される分岐配管中の上記分岐と上記Ｃ
Ｏ変成器との間、または上記ＣＯ変成器から上記水蒸気
分離器へ気液二相流が流れる合流配管中の上記ＣＯ変成
器の気液二相流出口と上記合流との間に設けたことを特
徴とする燃料電池用水蒸気分離装置。
【請求項５】燃料と水蒸気とを反応させて改質ガスを
得る改質装置と、上記改質ガス中の一酸化炭素を変成す
るＣＯ変成器と、このＣＯ変成器を経た改質ガスを用い
て電力を得る燃料電池スタックと、上記ＣＯ変成器及び
上記燃料電池スタックの反応熱により得られる気液二相
流から上記改質装置に必要な水蒸気と上記ＣＯ変成器及
び上記燃料電池スタックの冷却に必要な加圧水を気液分
離して上記水蒸気を上記改質装置に供給すると共に上記
加圧水を上記ＣＯ変成器及び上記燃料電池スタックに供
給する水蒸気分離器と、上記加圧水を加熱して昇温する
と共に燃料電池の高電圧発生時の電力を消費するヒータ
とを備えた燃料電池用水蒸気分離装置において、上記水
蒸気分離器は、上記気液二相流の流入方向及び地表面に
対して略垂直方向に設けられて流入する上記気液二相流
が管内壁に衝突することで気液分離する気液分離管と、
この気液分離管に連通しかつ略並列に設けられて分離し
た水蒸気及び加圧水を送給する気液分離管とを備えると
共に、上記水蒸気分離器から上記ＣＯ変成器及び上記燃
料電池スタックへ向けて上記加圧水が流れる配管と、上
記ＣＯ変成器及び上記燃料電池スタックからの混合した
気液二相流が上記水蒸気分離器へ向けて流れる配管とに
連通する短絡配管を設けると共に、この短絡配管中に上
記ヒータを設けたことを特徴とする燃料電池用水蒸気分
離装置。