(57)【要約】【課題】燃料電池の冷却のために燃料電池に供給する酸化剤の供給量を削減し、酸化剤の予熱に必要な燃料のエネルギーを減少させる。【解決手段】天然ガス５０と外部から供給された空気５６とを用いた電池反応によって発電を行う燃料電池３を有し、空気５６を利用して燃料電池３を冷却する燃料電池発電システムであって、電池反応によって生じた燃料極排出ガス５２と酸化剤極排出ガス５９とを燃焼させ、その燃焼によって生じた空気予熱器排出ガス６０を排出する空気予熱器バーナ７と、空気予熱器バーナ７から排出された空気予熱器排出ガス６０と、空気５６とを熱交換することによって空気予熱器排出ガス６０を冷却し、冷却された空気予熱器排出ガス６０を排出する熱交換器８と、熱交換器８から排出された冷却された空気予熱器排出ガス６０によって燃料電池３を冷却する冷却器５とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と外部から供給された酸化剤とを用いた電池反応によって発電を行う燃料電池を有し、前記酸化剤を利用して前記燃料電池を冷却する燃料電池発電システムであって、
前記電池反応によって生じた燃料極排出ガスと酸化剤極排出ガスとを燃焼させ、該燃焼によって生じた燃焼排出ガスを排出する燃焼排出ガス供給手段と、
前記燃焼排出ガス供給手段から排出された燃焼排出ガスと、前記酸化剤とを熱交換することによって前記燃焼排出ガスを冷却し、該冷却された燃焼排出ガスを排出する熱交換手段と、
前記熱交換手段から排出された前記冷却された燃焼排出ガスによって前記燃料電池を冷却する冷却手段とを有する燃料電池発電システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池発電システムにおいて、
前記冷却された燃焼排出ガスと、前記酸化剤の一部である空冷用ガスとを混合し、該混合されたガスを所定の温度にした混合ガスを前記冷却手段へ排出する空冷ガス混合手段を有し、
前記冷却手段は、前記空冷ガス混合手段から排出された混合ガスによって前記燃料電池を冷却する燃料電池発電システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料電池の温度を計測する温度計測手段と、
前記温度計測手段で計測した前記燃料電池の温度に応じて前記空冷ガス混合手段へ供給する前記空冷用ガスの流量を制御する空冷用ガス流量制御手段とを有する燃料電池発電システム。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池である燃料電池発電システム。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料電池は、溶融炭酸塩形燃料電池である燃料電池発電システム。
【請求項６】
燃料と外部から供給された酸化剤とを用いた電池反応によって発電を行う燃料電池を有し、前記酸化剤を利用して前記燃料電池を冷却する燃料電池発電システムにおける燃料電池発電方法であって、
前記電池反応によって生じた燃料極排出ガスと酸化剤極排出ガスとを燃焼させ、該燃焼によって生じた燃焼排出ガスを排出する処理と、
前記燃焼排出ガスと、前記酸化剤とを熱交換することによって前記燃焼排出ガスを冷却し、該冷却された燃焼排出ガスを排出する処理と、
前記冷却された燃焼排出ガスによって前記燃料電池を冷却する処理とを有する燃料電池発電方法。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池発電方法において、
前記冷却された燃焼排出ガスと、前記酸化剤の一部である空冷用ガスとを混合し、該混合されたガスを所定の温度にした混合ガスを排出する処理と、
前記混合ガスによって前記燃料電池を冷却する処理とを有する燃料電池発電方法。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池発電方法において、
前記燃料電池の温度を計測する処理と、
前記燃料電池の温度に応じて前記空冷用ガスの流量を制御する処理とを有する燃料電池発電方法。
【請求項９】
請求項６乃至８のいずれか１項に記載の燃料電池発電方法において、
前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池である燃料電池発電方法。
【請求項１０】
請求項６乃至８のいずれか１項に記載の燃料電池発電方法において、
前記燃料電池は、溶融炭酸塩形燃料電池である燃料電池発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料と酸化剤とを用いた電池反応によって発電を行う燃料電池を有する燃料電池発電システムおよび燃料電池発電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、火力発電等の様々な発電方法に比べて発電効率がよく、二酸化炭素排出量を抑えることができて環境への影響も少ない燃料電池を用いた発電システムが注目されてきている。
【０００３】
ここで、固体酸化物形燃料電池を用いた燃料電池発電システムの一例が非特許文献１に開示されている。
【０００４】
図３は、固体酸化物形燃料電池を用いた燃料電池発電システムの構成の一例を示す図である。
【０００５】
図３に示す燃料電池発電システムは、脱硫器１０１と、改質器１０２と、燃料と酸化剤とを用いて発電を行う固体酸化物形燃料電池である燃料電池１０３と、空気予熱器１０６と、空気予熱器バーナ１０７と、出力調整装置１１０と、エジェクタ１１１と、複数の流量制御弁１１２ａ，１１２ｂと、ブロワ１１３と、負荷１１４と、後述する各種のガスを流すための配管類（不図示）とを備えている。
【０００６】
また、燃料電池１０３は、燃料極１０３ａと、電解質１０３ｂと、酸化剤極１０３ｃとを備えている。
【０００７】
以下に、上記のように構成された燃料電池発電システムにおいて発電を行う場合の動作について図３を参照しながら説明する。
【０００８】
まず、燃料電池１０３の燃料である天然ガス１５０が流量制御弁１１２ａを介して脱硫器１０１に供給される。ここで、天然ガス１５０の供給量は、予め設定された燃料電池直流出力１２０の電池電流と、流量制御弁１１２ａの開度（すなわち、天然ガス１５０の供給量）との関係に基づき、流量制御弁１１２ａの開度を制御することによって燃料電池直流出力１２０の電池電流に見合った量に設定する。
【０００９】
脱硫器１０１では、天然ガス１５０中に腐臭剤として添加されているメルカプタン等の硫黄分が吸着除去される。これは、硫黄分が改質器１０２の改質触媒と、燃料電池１０３の燃料極１０３ａの電極触媒とを劣化させる原因になるためである。
【００１０】
天然ガス１５０が脱硫器１０１にて脱硫された脱硫天然ガス１５１は、水蒸気を含むリサイクル用燃料極排出ガス１５３と混合され、水蒸気と脱硫天然ガス１５１とが混合された混合天然ガス１５４として改質器１０２に供給される。リサイクル用燃料極排出ガス１５３は、燃料電池１０３における電池反応によって生成された燃料極排出ガス１５２の一部である。ここで、リサイクル用燃料極排出ガス１５３の供給量は、予め設定された流量制御弁１１２ａの開度（すなわち、天然ガス１５０の供給量）と、エジェクタ１１１の開度（すなわち、リサイクル用燃料極排出ガス１５３の供給量）との関係に基づき、エジェクタ１１１の開度を制御することによって天然ガス１５０の供給量に合わせて予め設定された所定のスチームカーボン比となるように設定する。なお、燃料電池１０３における電池反応については後述する。
【００１１】
改質器１０２では、改質器１０２に充填されたニッケル系触媒やルテニウム系触媒等の改質触媒の働きにより、天然ガス１５０に含まれる炭化水素から水素を生成するための水蒸気改質反応が行われ、水素リッチなガスである改質ガス１５５がつくられる。天然ガス１５０の主成分であるメタンの水蒸気改質反応は、以下に示す（１）式で表される。なお、水素リッチなガスとは、多くの水素を含んだガスのことをいう。
【００１２】
（メタンの水蒸気改質反応）
ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ＋３Ｈ2  ・・・（１）
この（１）式に示したメタンの水蒸気改質反応等の炭化水素の水蒸気改質反応は吸熱反応であるので、効率的に水素を生成させるためには、改質器１０２の外部から必要な反応熱を供給し、改質器１０２の温度を７００〜７５０℃に維持しなければならない。このため、改質器１０２の近傍に設置されて８００〜１０００℃で発電を行う燃料電池１０３の排熱を炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として改質器１０２に供給する。
【００１３】
改質器１０２でつくられた水素リッチな改質ガス１５５は、燃料電池１０３の燃料極１０３ａに供給される。
【００１４】
一方、燃料電池１０３の酸化剤極１０３ｃには、酸化剤である空気が供給される。実際には、ブロワ１１３を用いて取り込んだ空気１５６の予熱が空気予熱器１０６で行われ、燃料電池用空気１５７として燃料電池１０３の酸化剤極１０３ｃに供給される。ここで、燃料電池用空気１５７の供給量は、予め設定した流量制御弁１１２ａの開度（すなわち、天然ガス１５０の供給量）と、流量制御弁１１２ｂの開度（すなわち、燃料電池用空気１５７の供給量）との関係に基づき、流量制御弁１１２ｂの開度を制御することによって天然ガス１５０の供給量に見合った値に設定する。なお、図３では、燃料電池１０３は、それぞれ１つの燃料極１０３ａ、電解質１０３ｂ及び酸化剤極１０３ｃからなる燃料電池の１単位である単セルとして描画されている。しかし、単セルの電圧は１Ｖ以下と低いので所定の電力を取り出すために、実際には単セルを複数組み合わせたセルスタックから構成される。
【００１５】
燃料電池１０３の酸化剤極１０３ｃでは、金属酸化物系電極触媒の働きによって以下の（２）式に示す酸化剤極反応が起こり、燃料電池用空気１５７中の酸素が電子と反応して酸化物イオン（Ｏ2-）に変わる。
【００１６】
（酸化剤極反応）
１／２  Ｏ2  ＋  ２ｅ-  →  Ｏ2-  ・・・（２）
酸化剤極１０３ｃで生成した酸化物イオンは、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等からなる電解質１０３ｂの内部を移動し、燃料極１０３ａに到達する。
【００１７】
燃料極１０３ａでは、ニッケル−ＹＳＺサーメット、ルテニウム−ＹＳＺサーメット等の金属系の電極触媒の働きによって以下の（３）式及び（４）式に示す燃料極反応が起こり、酸化剤極１０３ｃから移動してきた酸化物イオンと、改質器１０２から供給された水素リッチな改質ガス１５５中の水素及び一酸化炭素とから水蒸気または二酸化炭素と電子とが生成される。
【００１８】
（燃料極反応）
Ｈ2  ＋  Ｏ2-  →  Ｈ2Ｏ  ＋  ２ｅ-  ・・・（３）
ＣＯ  ＋  Ｏ2-  →  ＣＯ2  ＋  ２ｅ-  ・・・（４）
上記の燃料極反応によって燃料極１０３ａで生成した電子は、外部回路（不図示）を移動し、酸化剤極１０３ｃに到達する。酸化剤極１０３ｃに到達した電子は、上述した（２）式で示した酸化剤極反応により酸素と反応する。
【００１９】
このように、電子が燃料極１０３ａから酸化剤極１０３ｃへ移動することにより、燃料電池直流出力１２０として電気エネルギーを得ることができ、発電が行われる。
【００２０】
ここで、上述した（２）式及び（３）式、並びに（２）式及び（４）式をまとめると、燃料電池１０３の電池反応は、以下の（５）式に示す水素と酸素とから水蒸気ができる水の電気分解の逆反応と、以下の（６）式に示す一酸化炭素と酸素とから二酸化炭素が生成する反応として表すことができる。
【００２１】
（電池反応）
Ｈ2  ＋  １／２  Ｏ2  →  Ｈ2Ｏ  ・・・（５）
ＣＯ  ＋  １／２  Ｏ2  →  ＣＯ2  ・・・（６）
燃料電池１０３の発電によって得られた燃料電池直流出力１２０は、負荷１１４に合わせて出力調整装置１１０において、電圧の変換と、直流から交流への変換とが行われた後に、送電端交流出力１２１として負荷１１４に供給される。なお、図３に示す例では、出力調整装置１１０で直流から交流への変換を行っているが、出力調整装置１１０で電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷１１４に供給するようにしてもよい。
【００２２】
以上が、図３に示す燃料電池発電システムにおいて発電を行う場合の動作である。
【００２３】
ここで、燃料電池１０３の発電温度は、固体酸化物形燃料電池の場合、一般的に８００〜１０００℃であり、電池反応による発熱によって所定の発電温度に維持されている。このため、燃料電池１０３の排熱は、上述したように、改質器１０２における炭化水素の水蒸気改質反応の反応熱として利用することができる。
【００２４】
図３に示すような燃料電池発電システムでは、燃料電池１０３における電池反応による発熱量が多いため、発電温度を維持するためには、燃料電池１０３の酸化剤極１０３ｃへ燃料電池用空気１５７を大量に供給して燃料電池１０３の冷却を行う必要がある。つまり、酸化剤極１０３ｃにおける酸化剤反応に使用される燃料電池用空気１５７は、燃料電池１０３を冷却する目的も兼ねている。実際には、酸化剤極１０３ｃにおける酸化剤極反応に使用される酸素の利用率は、酸化剤極１０３ｃに供給される酸素の２０％程度であり、燃料電池用空気１５７の多くは燃料電池１０３の冷却用に使用されている。
【００２５】
燃料極１０３ａにおいて電池反応によって生成された燃料極排出ガス１５２の一部は、上述したように、改質器１０２における炭化水素の水蒸気改質反応に必要な水蒸気を供給するために、リサイクル用燃料極排出ガス１５３としてリサイクルされ、脱硫天然ガス１５１と混合される。
【００２６】
また、燃料極排出ガス１５２の他の一部は、空気予熱器用燃料極排出ガス１５８として、酸化剤極１０３ｃから排出される酸化剤極排出ガス１５９とともに空気予熱器バーナ１０７に供給される。そして、空気予熱器バーナ１０７において、空気予熱器用燃料極排出ガス１５８中の未反応燃料、未反応水素及び未反応一酸化炭素と、酸化剤極排出ガス１５９中の未反応酸素とを燃焼させ、空気予熱器１０６に供給された空気１５６と熱交換させることによって空気１５６の予熱が行われる。以下の（７）式及び（８）式に空気予熱器用燃料極排出ガス１５８中の水素及び一酸化炭素の燃焼反応を示す。
【００２７】
（水素の燃焼反応）
Ｈ2  ＋  １／２  Ｏ2  →  Ｈ2Ｏ  ・・・（７）
（一酸化炭素の燃焼反応）
ＣＯ  ＋  １／２  Ｏ2  →  ＣＯ2  ・・・（８）
空気予熱器１０６において予熱が行われた空気１５６は、燃料電池用空気１５７として燃料電池１０３の酸化剤極１０３ｃへ供給される。
【００２８】
また、空気予熱器バーナ１０７からは、空気予熱器用燃料極排出ガス１５８と酸化剤極排出ガス１５９とを燃焼させることによって生じた燃焼排出ガスである空気予熱器排出ガス１６０が排出される。
【非特許文献１】電気学会・燃料電池発電次世代システム技術調査専門委員会編：「燃料電池の技術」，オーム社，ｐｐ．２０３−２０８（２００２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２９】
上述したように図３に示した燃料電池発電システムでは、燃料電池１０３を所定の発電温度に維持するために、酸化剤極１０３ｃにおける酸化剤極反応に使用される酸素量に見合った量よりもかなり多い燃料電池用空気１５７を酸化剤極１０３ｃへ供給し、燃料電池１０３の冷却を行っている。
【００３０】
この場合、高温の燃料電池１０３に常温の空気をそのまま供給すると燃料電池１０３が破壊する恐れがあるため、空気予熱器１０６において大量の燃料電池用空気１５７の予熱を行うことが必要である。図３に示した燃料電池発電システムにおいては、この予熱のために消費される燃料のエネルギーが大きいため、燃料電池発電システムの発電効率の向上を妨げているという問題点がある。
【００３１】
また、大量の燃料電池用空気１５７の予熱を行うためには、大型の空気予熱器１０６が必要であり、空気予熱器１０６の設置スペースの増加とシステムコストの上昇とが避けられないという問題点がある。
【００３２】
本発明は、燃料電池の冷却のために燃料電池に供給する酸化剤の供給量を削減し、酸化剤の予熱に必要な燃料のエネルギーを減少させた高発電効率の燃料電池発電システムおよび燃料電池発電方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３３】
上記目的を達成するために本発明は、
燃料と外部から供給された酸化剤とを用いた電池反応によって発電を行う燃料電池を有し、前記酸化剤を利用して前記燃料電池を冷却する燃料電池発電システムであって、
前記電池反応によって生じた燃料極排出ガスと酸化剤極排出ガスとを燃焼させ、該燃焼によって生じた燃焼排出ガスを排出する燃焼排出ガス供給手段と、
前記燃焼排出ガス供給手段から排出された燃焼排出ガスと、前記酸化剤とを熱交換することによって前記燃焼排出ガスを冷却し、該冷却された燃焼排出ガスを排出する熱交換手段と、
前記熱交換手段から排出された前記冷却された燃焼排出ガスによって前記燃料電池を冷却する冷却手段とを有する。
【００３４】
また、燃料と外部から供給された酸化剤とを用いた電池反応によって発電を行う燃料電池を有し、前記酸化剤を利用して前記燃料電池を冷却する燃料電池発電システムにおける燃料電池発電方法であって、
前記電池反応によって生じた燃料極排出ガスと酸化剤極排出ガスとを燃焼させ、該燃焼によって生じた燃焼排出ガスを排出する処理と、
前記燃焼排出ガスと、前記酸化剤とを熱交換することによって前記燃焼排出ガスを冷却し、該冷却された燃焼排出ガスを排出する処理と、
前記冷却された燃焼排出ガスによって前記燃料電池を冷却する処理とを有する。
【発明の効果】
【００３５】
本発明は以上説明したように構成されているので、燃料電池発電システムの発電効率を向上させることができる。
【００３６】
また、空気予熱器の設置スペースの増加とシステムコストの上昇とを避けることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００３８】
図１は、本発明の燃料電池発電システムの実施の一形態の構成を示す図である。
【００３９】
本形態の燃料電池発電システムは図１に示すように、脱硫器１と、改質器２と、燃料と酸化剤とを用いて発電を行う固体酸化物形燃料電池である燃料電池３と、温度計測手段である温度計測器４と、冷却手段である冷却器５と、空気予熱器６と、燃焼排出ガス供給手段である空気予熱器バーナ７と、熱交換手段である熱交換器８と、空冷ガス混合手段である混合器９と、出力調整装置１０と、エジェクタ１１と、複数の流量制御弁１２ａ，１２ｂと、空冷用ガス流量制御手段である流量制御弁１２ｃと、複数のブロワ１３ａ，１３ｂと、負荷１４と、後述する各種のガスを流すための配管類（不図示）とを備えている。
【００４０】
脱硫器１は、天然ガス５０中に腐臭剤として添加されているメルカプタン等の硫黄分を吸着除去する。
【００４１】
改質器２では、改質器２に充填されたニッケル系触媒、ルテニウム系触媒等の改質触媒の働きにより、天然ガス５０に含まれる炭化水素から水素を生成するための水蒸気改質反応が行われ、水素リッチな改質ガス５５がつくられる。
【００４２】
燃料電池３は、燃料極３ａと、電解質３ｂと、酸化剤極３ｃとを備えている。
【００４３】
燃料極３ａでは、燃料極反応によって水蒸気または二酸化炭素と電子とが生成される。
【００４４】
電解質３ｂは、酸化剤極３ｃにおいて酸化剤極反応によって生成された酸化物イオン（Ｏ2-）を燃料極３ａへ通過させる。
【００４５】
酸化剤極３ｃでは、酸化剤極反応によって酸素から酸化物イオンが生成される。
【００４６】
温度計測器４は、燃料電池３の温度を計測する。
【００４７】
冷却器５は、燃料電池３の発電温度を所定の温度に維持するために燃料電池３を冷却する。
【００４８】
空気予熱器６では、熱交換器８において空気予熱器排出ガス６０と熱交換された酸化剤である空気５６の予熱が行われる。そして、予熱が行われた空気５６は、燃料電池用空気５７として酸化剤極３ｃへ供給される。
【００４９】
空気予熱器バーナ７では、燃料電池３の電池反応によって燃料極３ａにて生じた燃料極排出ガス５２の一部である空気予熱器用燃料極排出ガス５８と、同様に燃料電池３の電池反応によって酸化剤極３ｃにて生じた酸化剤極排出ガス５９とが燃焼され、燃焼排出ガスである空気予熱器排出ガス６０が生成される。そして、空気予熱器排出ガス６０は熱交換器８へ排出される。
【００５０】
熱交換器８では、空気予熱器排出ガス６０と、燃料電池発電システムの外部からブロワ１３ａを用いて取り込んだ空気５６とが熱交換されることにより、空気５６の昇温と空気予熱器排出ガス６０の冷却とが行われる。
【００５１】
混合器９では、空気５６の一部であり空冷用ガスである冷却用空気６１と、ブロワ１３ｂを介して熱交換器８から供給された冷却された空気予熱器排出ガス６０とが混合される。そして、冷却用空気６１と、混合されることによって所定の温度まで冷却された空気予熱器排出ガス６０とが混合された混合ガスである混合器排出ガス６２が冷却器５にリサイクルされる。
【００５２】
出力調整装置１０は、燃料電池３の発電によって得られた燃料電池直流出力２０の電圧の変換や直流から交流への変換を行う。
【００５３】
エジェクタ１１は、リサイクル用燃料極排出ガス５３の供給量を調整する。
【００５４】
流量制御弁１２ａ〜１２ｃは、燃料電池発電システムの外部から取り込んだガス等の排出量を調整する。
【００５５】
ブロワ１３ａ，１３ｂは、空気を取り込んだり、ガスの排出量を調整したりする。
【００５６】
負荷１４は、燃料電池３の発電によって得られた電力の供給を受ける。
【００５７】
以下に、上記のように構成された燃料電池発電システムの動作について図１を参照しながら説明する。
【００５８】
ここでは、図１に示す燃料電池発電システムにおける燃料電池の発電動作の説明は省略し、燃料電池３の冷却を兼ねて燃料電池３へ供給される燃料電池用空気５７の量を削減するために、空気予熱器用燃料極排出ガス５８と酸化剤極排出ガス５９との燃焼で生じた空気予熱器排出ガス６０を冷却して冷却器５へリサイクルすることによって燃料電池３を冷却する動作について詳しく説明する。
【００５９】
まず、燃料電池３の燃料極３ａにおいて生じた燃料極排出ガス５２の一部である空気予熱器用燃料極排出ガス５８と、燃料電池３の酸化剤極３ｃにおいて生じた酸化剤極排出ガス５９とが空気予熱器バーナ７に供給される。
【００６０】
次に、空気予熱器バーナ７において、空気予熱器用燃料極排出ガス５８中の未反応燃料、未反応水素及び未反応一酸化炭素と、酸化剤極排出ガス５９中の未反応酸素とを燃焼させることによって空気予熱器排出ガス６０が生成される。
【００６１】
次に、空気予熱器排出ガス６０と、燃料電池発電システムの外部からブロワ１３ａを用いて取り込んだ空気５６とが熱交換器８に供給され、熱交換器８において熱交換されることにより、空気５６の昇温と空気予熱器排出ガス６０の冷却とが行われる。
【００６２】
次に、熱交換器８において空気５６と熱交換されたことによって冷却された空気予熱器排出ガス６０は、ブロワ１３ｂを用いて混合器９に供給され、空気５６の一部である冷却用空気６１と混合される。なお、熱交換器８を設けずに、空気予熱器排出ガス６０を直接混合器９に供給することによって空気予熱器排出ガス６０の冷却を行ってもよい。また、熱交換器８は、ブロワ１３ｂの前後のいずれに設けてもよいが、ブロワ１３ｂの温度劣化を考慮するとブロワ１３ｂの前に設けるほうが望ましい。また、ブロワ１３ｂの代わりにファンを用いてもよい。その場合には、冷却された空気予熱器排出ガス６０の混合器９への供給量をファンを用いて制御する。また、冷却された空気予熱器排出ガス６０は、すべてを混合器９に供給してもよいし、その一部のみを供給してもよい。
【００６３】
そして、冷却用空気６１と、混合器９において冷却用空気６１と混合されることによって所定の温度まで冷却された空気予熱器排出ガス６０とが混合された混合器排出ガス６２は、冷却器５にリサイクルされて燃料電池３と熱交換されることにより、燃料電池３の冷却に利用される。
【００６４】
ここで、空気予熱器排出ガス６０の混合器９への供給量は、例えば、予め設定された燃料電池直流出力２０、送電端交流出力２１、電池電流のうちのいずれか１つと空気予熱器排出ガス６０の供給量との関係に基づき、ブロワ１３ｂを用いて制御する。
【００６５】
また、冷却用空気６１の混合器９への供給量は、温度計測器４で計測した燃料電池３の温度に応じ、流量制御弁１２ｃを用いて制御する。例えば、予め設定した燃料電池３の温度と、冷却用空気６１の供給量との関係に基づき、燃料電池３の温度が所定の温度もしくは温度範囲よりも上昇した場合、流量制御弁１２ｃを開けて冷却用空気６１の供給量を増加させることによって燃料電池３の温度を低下させる。逆に、燃料電池３の温度が所定の温度もしくは温度範囲よりも低下した場合、流量制御弁１２ｃを閉めて冷却用空気６１の供給量を減少させることによって燃料電池３の温度を上昇させる。
【００６６】
このように本形態においては、空気予熱器排出ガス６０の一部もしくは全部を混合器９を経て冷却器５にリサイクルして燃料電池３の冷却に利用することにより、燃料電池３の冷却を兼ねて燃料電池発電システムの外部から燃料電池３へ供給される空気５６の量を削減することができる。その結果、空気５６の予熱を行うために空気予熱器６で消費される燃料のエネルギーが減少し、燃料電池３の発電のために消費できる燃料のエネルギーが増加することになる。これは、燃料電池３の発電効率の向上をもたらす。
【００６７】
図２は、燃料電池発電システムにおける燃料のエネルギーの消費先を示す図である。
【００６８】
図２に示すように燃料電池発電システムでは、燃料のエネルギーは、主に発電、燃料の改質及び空気の予熱に消費され、その他は損失として放出されると考えられる。従って、図１に示した燃料電池発電システムでは、空気５６の予熱のための燃料のエネルギーを減少させることができるので、それに伴う損失の低減も可能となり、燃料電池発電システム全体のエネルギーバランスを改善することができる。その結果、発電のために消費できる燃料のエネルギーが増加し、発電効率が向上する。なお、燃料の昇温に必要なエネルギーは、燃料の供給量が空気の供給量と比較してわずかであるため、ここでは無視している。
【００６９】
また、本形態においては、燃料電池３へ供給する空気５６の供給量を削減でき、空気予熱器６で消費される空気５６の予熱のための燃料のエネルギーが減少するため、空気予熱器６の小型化が可能となる。
【００７０】
なお、上述した実施の形態では図１に示すように、燃料極３ａ、電解質３ｂ及び酸化剤極３ｃからなる燃料電池３の単セルあたり１個の冷却器５が設置されているが、本発明はこれに限定されることはない。例えば、冷却器５を燃料電池３の任意の数のセルあたりに１個設けてもよい。
【００７１】
また、上述した実施の形態では図１に示すように、燃料極３ａ、電解質３ｂ及び酸化剤極３ｃからなる燃料電池３の単セルあたり１個の温度計測器４が設置されているが、本発明はこれに限定されることはない。温度計測器４を燃料電池３の任意の数のセルあたりに１個設けてもよい。このとき、冷却用空気６１の供給量を制御する場合、複数の温度計測器４で計測した燃料電池３の温度の平均値を燃料電池３の温度としてもよい。
【００７２】
また、上述した実施の形態では、空気予熱器排出ガス６０を熱交換器８において空気５６と熱交換する場合について説明したが、空気予熱器排出ガス６０を熱交換器８において燃料電池用空気５７と熱交換させることにより、空気予熱器排出ガス６０の冷却と燃料電池用空気５７の昇温とを行ってもよい。このとき、空気予熱器排出ガス６０をすべて混合器９に供給する場合には、ブロワ１３ｂもしくはその代替のファンは設けなくてもよい。
【００７３】
また、上述した実施の形態では、燃料電池３として固体酸化物形燃料電池を用いた場合について説明したが、固体酸化物形燃料電池の代わりに溶融炭酸塩形燃料電池を用いてもよい。
【００７４】
また、上述した実施の形態では、改質器２において水蒸気改質反応を行う場合について説明したが、改質器２を用いずに燃料の水蒸気改質反応を直接燃料電池３の燃料極３ａで行い、燃料電池３の電池反応に必要な水素と一酸化炭素を生成させてもよい。
【００７５】
また、上述した実施の形態では、酸化剤として空気５６を用いた場合について説明したが、酸化剤として純酸素を用いてもよい。
【００７６】
また、本発明は、上述した実施の形態にのみ限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の燃料電池発電システムの実施の一形態の構成を示す図である。
【図２】燃料電池発電システムにおける燃料のエネルギーの消費先を示す図である。
【図３】固体酸化物形燃料電池を用いた燃料電池発電システムの構成の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００７８】
１，１０１    脱硫器
２，１０２    改質器
３，１０３    燃料電池
４    温度計測器
５    冷却器
６，１０６    空気予熱器
７，１０７    空気予熱器バーナ
８    熱交換器
９    混合器
１０，１１０    出力調整装置
１１，１１１    エジェクタ
１２ａ〜１２ｃ，１１２ａ，１１２ｂ    流量制御弁
１３ａ，１３ｂ，１１３    ブロワ
１４，１１４    負荷
２０，１２０    燃料電池直流出力
２１，１２１    送電端交流出力
５０，１５０    天然ガス
５１，１５１    脱硫天然ガス
５２，１５２    燃料極排出ガス
５３，１５３    リサイクル用燃料極排出ガス
５４，１５４    混合天然ガス
５５，１５５    改質ガス
５６，１５６    空気
５７，１５７    燃料電池用空気
５８，１５８    空気予熱器用燃料極排出ガス
５９，１５９    酸化剤極排出ガス
６０，１６０    空気予熱器排出ガス
６１    冷却用空気
６２    混合器排出ガス
【図１】
2010044960.tif 000003
【図２】
2010044960.tif 000004
【図３】
2010044960.tif 000005