(57)【要約】【課題】燃料電池の発電用に外部から吸入する酸化剤の量を低減する。【解決手段】燃料電池発電システム１は、燃料極１５１へ供給された燃料と酸化剤極１５３へ供給された酸化剤とから電力を生成する燃料電池１５を用いて発電を行う。酸化剤予熱器１６は、外部から吸入された酸化剤を予熱する。酸化剤供給器１８は、燃料電池１５の酸化剤極１５３から排出された酸化剤の少なくとも一部と、予熱が行われた外部から吸入された酸化剤とを、該酸化剤極１５３へ供給する。【選択図】図１
2010015755.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極へ供給された燃料と酸化剤極へ供給された酸化剤とから電力を生成する燃料電池を用いて発電を行う燃料電池発電システムにおいて、
外部から吸入された酸化剤を予熱する酸化剤予熱器と、
前記酸化剤極から排出された酸化剤の少なくとも一部と、前記酸化剤予熱器が予熱した酸化剤とを該酸化剤極へ供給する酸化剤供給器とを有することを特徴と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、
外部から吸入された酸化剤と、前記酸化剤極から排出された酸化剤との熱交換を行う熱交換器を有し、
前記酸化剤予熱器は、前記熱交換が行われた前記外部から吸入された酸化剤を予熱し、
前記酸化剤供給器は、前記熱交換が行われた前記酸化剤極から排出された酸化剤を回収し、該回収した酸化剤と前記酸化剤予熱器が予熱した酸化剤とを前記酸化剤極へ供給することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池発電システムにおいて、
前記酸化剤予熱器は、前記酸化剤極から排出された酸化剤の少なくとも一部と、前記燃料極から排出された燃料の少なくとも一部とを用いて、前記酸化剤を予熱することを特徴と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、
前記酸化剤極へ供給される酸化剤は、空気または純酸素であることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項５】
請求項１乃至４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または溶融炭酸塩形燃料電池であることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項６】
燃料極へ供給された燃料と酸化剤極へ供給された酸化剤とから電力を生成する燃料電池を用いて発電を行う燃料電池発電システムにおける発電方法であって、
外部から吸入された酸化剤を予熱する酸化剤予熱処理と、
前記酸化剤極から排出された酸化剤の少なくとも一部と、前記酸化剤予熱処理にて予熱した酸化剤とを該酸化剤極へ供給する酸化剤供給処理とを有する発電方法。
【請求項７】
請求項６に記載の発電方法において、
外部から吸入された酸化剤と、前記酸化剤極から排出された酸化剤との熱交換を行う処理を行い、
前記酸化剤予熱処理では、前記熱交換が行われた前記外部から吸入された酸化剤を予熱し、
前記酸化剤供給処理では、前記熱交換が行われた前記酸化剤極から排出された酸化剤を回収し、該回収した酸化剤と前記酸化剤予熱処理にて予熱した酸化剤とを前記酸化剤極へ供給することを特徴とする発電方法。
【請求項８】
請求項６または７に記載の発電方法において、
前記酸化剤予熱処理では、前記酸化剤極から排出された酸化剤の少なくとも一部と、前記燃料極から排出された燃料の少なくとも一部とを用いて、前記酸化剤を予熱することを特徴とする発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池発電システムおよび発電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料と酸化剤とから電力を生成する燃料電池を用いて発電を行う様々な燃料電池発電システムが考えられている。
【０００３】
例えば、図５に示すような構成を有する一般的な燃料電池発電システム３００が考えられている（例えば、非特許文献１参照。）。この燃料電池発電システム３００は、燃料制御弁３１と、脱硫器３２と、エジェクタ３３と、改質器３４と、固体酸化物形の燃料電池３５と、酸化剤予熱器３６と、予熱バーナ３７と、出力調整装置３８と、酸化剤制御弁３９と、酸化剤吸入器３１０とで構成される。
【０００４】
燃料制御弁３１は、燃料電池３５発電用の燃料ＦＬ（例えば、天然ガス）を外部から吸入し、吸入した燃料ＦＬを脱硫器３２へ送出する。また、燃料制御弁３１は、燃料ＦＬの流量を制御する。なお、燃料電池３５へ供給する燃料ＦＬの量は、あらかじめ設定された燃料電池３５が生成する直流電力Ｐｄと燃料制御弁３１の開度（燃料ＦＬの供給量）との関係に基づいて、燃料制御弁３１の開度を制御することにより直流電力Ｐｄを生成するために好適な値に設定する。
【０００５】
脱硫器３２は、燃料ＦＬに腐臭剤として添加されている硫黄分（例えば、メルカプタンなど）を吸着し、燃料ＦＬから硫黄分を除去する。当該除去は、改質器３４の改質触媒、または、燃料電池３５が具備する燃料極３５１の電極触媒が硫黄分により劣化することを防ぐために行われる。
【０００６】
エジェクタ３３は、脱硫器３２によって硫黄分が除去された燃料ＦＬを吸引し、吸引した燃料ＦＬを改質器３４へ吐出する。
【０００７】
なお、エジェクタ３３において、脱硫器３２から吸引された燃料ＦＬは、燃料電池３５の燃料極３５１から排出された燃料ＦＬ（以下、「燃料極排出ガスＥＸ−Ｆ」という）と混合される。燃料極排出ガスＥＸ−Ｆには、燃料電池３５の電池反応によって生成された水蒸気が含まれている。
【０００８】
改質器３４は、当該改質器３４に充填された改質触媒（ニッケル系触媒、ルテニウム系触媒）によって、燃料ＦＬに含まれる炭化水素の水蒸気改質反応を行わせる。これにより、水素リッチな改質ガスＨＲが生成される。燃料ＦＬの主成分であるメタンの水蒸気改質反応は、以下の（式１）で表わされる。
【０００９】
（メタンの水蒸気改質反応）
【００１０】
【数１】
2010015755.tif 000003
【００１１】
上述した（式１）に示したメタン（炭化水素）の水蒸気改質反応は、吸熱反応である。そのため、該水蒸気改質反応により水素を効率的に生成する場合、改質器３４の外部から水蒸気改質反応を維持するための反応熱を供給し、改質器３４の温度を７００℃〜７５０℃に維持する必要がある。このため、発電温度（一般的に、８００℃〜１，０００℃）で電力を生成する燃料電池３５から排出された熱を、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３４へ供給する。なお、改質器３４と燃料電池３５とは互いに近傍に設置される。
【００１２】
燃料電池３５は、燃料極３５１と、固体酸化物電解質３５２と、酸化剤極３５３（空気極）とで構成される単セルを有する。燃料電池３５は、セパレータ（図示せず）を用いて複数の単セルを積層したセルスタックにより構成してもよい。燃料電池３５をセルスタックで構成することにより、負荷機器４００へ供給する電力が有する電圧値を高くすることが可能である。
【００１３】
改質器３４で生成された水素リッチな改質ガスＨＲは、燃料電池３５が具備する燃料極３５１に供給する。
【００１４】
一方、燃料電池３５の酸化剤極３５３には、酸化剤を含む気体ＡＲ（例えば、空気）が供給される。図５に示した例では、酸化剤吸入器３１０により外部から吸入した気体ＡＲの温度を酸化剤予熱器３６を用いて上昇させ、燃料電池３５の酸化剤極３５３に供給する。なお、酸化剤極３５３へ供給される気体ＡＲの量は、あらかじめ設定した燃料制御弁３１の開度（燃料ＦＬの供給量）と、酸化剤制御弁３９の開度（気体ＡＲの供給量）との関係に基づいて、酸化剤制御弁３９の開度を制御することにより、燃料電池３５において燃料ＦＬと気体ＡＲとが好適に化学反応するように設定する。
【００１５】
燃料電池３５が具備する酸化剤極３５３では、金属酸化物系の電極触媒により、気体ＡＲに含まれている酸化剤（酸素Ｏ2）が、以下の（式２）に示す酸化剤極反応により電子と反応し、酸化物イオンＯ2-となる。なお、酸化剤極３５３における酸素Ｏ2の利用率は２０％程度である。
【００１６】
（酸化剤極反応）
【００１７】
【数２】
2010015755.tif 000004
【００１８】
酸化剤極３５３で生成した酸化物イオンＯ2-は、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などの固体酸化物電解質３５２のなかを移動し、燃料極３５１に到達する。
【００１９】
燃料極３５１では、金属系電極触媒により、酸化剤極３５３から燃料極３５１へ移動してきた酸化物イオンＯ2-と、改質ガスＨＲに含まれる水素Ｈ2とが、以下の（式３）に示す反応を起こす。
【００２０】
また、酸化剤極３５３から燃料極３５１へ移動してきた酸化物イオンＯ2-と、改質ガスＨＲに含まれる一酸化炭素ＣＯとは、以下の（式４）に示す反応を起こす。
【００２１】
（燃料極反応）
【００２２】
【数３】
2010015755.tif 000005
【００２３】
【数４】
2010015755.tif 000006
【００２４】
（式３）に示した反応の結果、燃料極３５１において、水蒸気Ｈ2Ｏと電子ｅ-とが生成される。また、（式４）に示した反応の結果、燃料極３５１において、二酸化炭素ＣＯ2と電子ｅ-とが生成される。なお、燃料極３５１にて、上述した（式３）または（式４）の反応に用いる金属系電極触媒は、例えば、ニッケル−ＹＳＺサーメット、ルテニウム−ＹＳＺサーメットなどでよい。
【００２５】
燃料極３５１にて生成された電子ｅ-は、外部回路（図示せず）を移動し、酸化剤極３５３に到達する。その後、当該電子ｅ-は、（式２）に示した酸化剤極反応により、酸素Ｏ2と反応する。この電子ｅ-が外部回路を移動する過程で、上述した（式３）および（式４）により発生した電気エネルギーを、燃料電池３５から出力される直流電力Ｐｄとして取り出すことができる。
【００２６】
なお、（式２）と（式３）、および、（式２）と（式４）それぞれをまとめると、燃料電池３５の電池反応は、以下の（式５）および（式６）として表すことができる。
【００２７】
（電池反応）
【００２８】
【数５】
2010015755.tif 000007
【００２９】
【数６】
2010015755.tif 000008
【００３０】
ここで、（式５）に示した反応は、水Ｈ2Ｏの電気分解の逆反応、つまり、水素Ｈ2と酸素Ｏ2とから水蒸気を生成する反応である。また、（式６）に示した反応は、一酸化炭素ＣＯと酸素Ｏ2とから二酸化炭素ＣＯ2を生成する反応である。
【００３１】
その後、出力調整装置３８は、負荷機器４００が動作可能なよう、燃料電池３５の発電によって得られた直流電力Ｐｄについて電圧値の変換または直流から交流への変換を行う。さらに、出力調整装置３８は、変換した電力を、送電端交流出力（動作用電力Ｐｏ）として負荷機器４００へ供給する。なお、負荷機器４００が直流電力で動作する場合、出力調整装置３８は、直流から交流への変換を行うことなく、負荷機器４００が動作可能な電圧値への変換のみを行い、該電圧値の動作用電力Ｐｏを負荷機器４００へ供給する。
【００３２】
燃料電池３５の発電温度は、一般的に８００℃〜１，０００℃であり、電池反応によって発生する熱により発電温度に維持されている。このため、燃料電池３５から排出された熱は、改質器３４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可能である。
【００３３】
燃料電池３５の燃料極３５１から排出された燃料極排出ガスＥＸ−Ｆには、燃料極３５１における電池反応によって生成された水蒸気Ｈ2Ｏが含まれている。当該燃料極排出ガスＥＸ−Ｆの一部は、改質器３４にて再利用するために、脱硫器３２により硫黄分が除去された燃料ＦＬと混合される。なお、燃料極排出ガスＥＸ−Ｆを再利用する目的は、（式１）に示した炭化水素の水蒸気改質反応に必要な水蒸気を供給することである。
【００３４】
また、燃料極３５１から排出された高温の燃料極排出ガスＥＸ−Ｆと、酸化剤極３５３から排出された酸化剤（以下、「酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏ」という）とは、予熱バーナ３７に供給される。
【００３５】
予熱バーナ３７では、燃料極排出ガスＥＸ−Ｆに含まれている未反応の燃料ＦＬ、未反応の水素Ｈ2および未反応の一酸化炭素ＣＯが、酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏに含まれている未反応の酸素Ｏ2と化学反応（燃焼）を起こす。当該燃焼により、予熱バーナ３７は、酸化剤吸入器３１０から吸入され酸化剤予熱器３６に供給された気体ＡＲの温度を上昇させる。なお、水素Ｈ2および一酸化炭素ＣＯの各燃焼反応を、以下の（式７）および（式８）にそれぞれ示す。
【００３６】
（水素の燃焼反応）
【００３７】
【数７】
2010015755.tif 000009
【００３８】
（一酸化炭素の燃焼反応）
【００３９】
【数８】
2010015755.tif 000010
【００４０】
酸化剤予熱器３６の予熱により温度が上昇した気体ＡＲは、酸化剤極３５１へ供給され、燃料電池３５の発電に用いられる。なお、予熱バーナ３７は、燃料極排出ガスＥＸ−Ｆと酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏとの化学反応（燃焼）によって発生した燃焼ガスＢＲを排出する。
【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、第２０３頁〜第２０８頁、２００２年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００４１】
上述した一般的な燃料電池発電システム３００は、電池反応に用いられた気体ＡＲを予熱バーナ３７へ供給し、気体ＡＲの予熱に再利用する。しかしながら、当該燃料電池発電システム３００によれば、燃料電池３５の発電に用いる気体ＡＲを外部から多量に吸入しなければならないという問題点がある。
【００４２】
本発明は、上述した課題を解決する燃料電池発電システムおよび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】
【００４３】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池発電システムは、燃料極へ供給された燃料と酸化剤極へ供給された酸化剤とから電力を生成する燃料電池を用いて発電を行う燃料電池発電システムにおいて、外部から吸入された酸化剤を予熱する酸化剤予熱器と、前記酸化剤極から排出された酸化剤の少なくとも一部と、前記酸化剤予熱器が予熱した酸化剤とを該酸化剤極へ供給する酸化剤供給器とを有する。
【００４４】
また、本発明の燃料電池発電システムは、外部から吸入された酸化剤と、前記酸化剤極から排出された酸化剤との熱交換を行う熱交換器を有し、前記酸化剤予熱器は、前記熱交換が行われた前記外部から吸入された酸化剤を予熱し、前記酸化剤供給器は、前記熱交換が行われた前記酸化剤極から排出された酸化剤を回収し、該回収した酸化剤と前記酸化剤予熱器が予熱した酸化剤とを前記酸化剤極へ供給してもよい。
【００４５】
また、本発明の燃料電池発電システムの前記酸化剤予熱器は、前記酸化剤極から排出された酸化剤の少なくとも一部と、前記燃料極から排出された燃料の少なくとも一部とを用いて、前記酸化剤を予熱してもよい。
【００４６】
また、本発明の燃料電池発電システムでは、前記酸化剤極へ供給される酸化剤は、空気または純酸素でもよい。
【００４７】
また、本発明の燃料電池発電システムでは、前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池または溶融炭酸塩形燃料電池でもよい。
【００４８】
また、上記課題を解決するために、本発明の発電方法は、燃料極へ供給された燃料と酸化剤極へ供給された酸化剤とから電力を生成する燃料電池を用いて発電を行う燃料電池発電システムにおける発電方法であって、外部から吸入された酸化剤を予熱する酸化剤予熱処理と、前記酸化剤極から排出された酸化剤の少なくとも一部と、前記酸化剤予熱処理にて予熱した酸化剤とを該酸化剤極へ供給する酸化剤供給処理とを有する。
【００４９】
また、本発明の発電方法は、外部から吸入された酸化剤と、前記酸化剤極から排出された酸化剤との熱交換を行う処理を行い、前記酸化剤予熱処理では、前記熱交換が行われた前記外部から吸入された酸化剤を予熱し、前記酸化剤供給処理では、前記熱交換が行われた前記酸化剤極から排出された酸化剤を回収し、該回収した酸化剤と前記酸化剤予熱処理にて予熱した酸化剤とを前記酸化剤極へ供給してもよい。
【００５０】
また、本発明の発電方法の前記酸化剤予熱処理では、前記酸化剤極から排出された酸化剤の少なくとも一部と、前記燃料極から排出された燃料の少なくとも一部とを用いて、前記酸化剤を予熱してもよい。
【発明の効果】
【００５１】
本発明によれば、燃料極へ供給された燃料と酸化剤極へ供給された酸化剤とから電力を生成する燃料電池を用いて発電を行う燃料電池発電システムにおいて、外部から吸入された酸化剤を予熱し、酸化剤極から排出された酸化剤の少なくとも一部と、予熱が行われた外部から吸入された酸化剤とを該酸化剤極へ供給する。
【００５２】
このように、燃料電池から排出された酸化剤を再利用して電力を生成する構成としたため、燃料電池の発電用に外部から吸入する酸化剤の量を低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５３】
（実施形態１）
以下、本発明の実施形態１に従った燃料電池発電システム（発電方法を含む）を説明する。まず、実施形態１の燃料電池発電システム１の全体構成を説明する。
【００５４】
図1に示すように、本燃料電池発電システム１は、燃料電池１５を用いて生成した電力を負荷機器２へ供給する。
【００５５】
なお、燃料電池発電システム１が、負荷機器２に供給する電力は、負荷機器２が動作可能な「動作用電力Ｐｏ」（直流電力または交流電力）である。
【００５６】
負荷機器２は、動作用電力Ｐｏを用いて所定動作を実行する所定の電気機器である。ここで、負荷機器２は、燃料電池発電システム１から出力された電力に対する出力負荷としての役割を果たす機器であれば、任意の機器でよい。また、以下では、負荷機器２の台数が「１」である場合を例に挙げて説明するが、台数については「２」以上でもよい。
【００５７】
つぎに、実施形態１の燃料電池発電システム１の構成について詳細に説明する。
【００５８】
燃料電池発電システム１は、燃料制御弁１１と、脱硫器１２と、エジェクタ１３と、改質器１４と、燃料電池１５と、酸化剤予熱器１６と、予熱バーナ１７と、酸化剤供給器１８と、出力調整装置１９と、酸化剤吸入器１１０と、酸化剤制御弁１１１と、各種の配管（図示せず）とを有する。
【００５９】
なお、ここでいう配管は、例えば、燃料電池１５の発電に用いられる燃料ＦＬ（例えば、天然ガス）や気体ＡＲ、燃料電池１５から排出された燃料極排出ガスＥＸ−Ｆや酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏなどを燃料電池発電システム１にて還流させる役割を果たす。
【００６０】
燃料制御弁１１は、燃料ＦＬを外部から吸入し、吸入した燃料ＦＬを脱硫器１２へ送出する。また、燃料制御弁１１は、燃料ＦＬの流量を制御する。
【００６１】
脱硫器１２は、燃料ＦＬに腐臭剤として添加されている硫黄分を吸着し、燃料ＦＬに含まれている硫黄分を除去する。
【００６２】
エジェクタ１３は、脱硫器１２によって硫黄分が除去された燃料ＦＬを吸引し、吸引した燃料ＦＬをノズル（図示せず）を通じて改質器１４へ吐出する。
【００６３】
なお、エジェクタ１３において、脱硫器１２から吸引された燃料ＦＬは、燃料電池１５の燃料極１５１から排出された燃料極排出ガスＥＸ−Ｆと混合される。燃料極排出ガスＥＸ−Ｆは、燃料電池１５の電池反応によって生成された水蒸気を含んでいる。
【００６４】
改質器１４は、（式１）に示したような、エジェクタ１３から吐出された燃料ＦＬに含まれる炭化水素（例えば、メタンＣＨ4）の水蒸気改質反応を行わせる。当該水蒸気改質反応により、改質器１４は、水素リッチな改質ガスＨＲを生成し、該改質ガスＨＲを燃料電池１５の燃料極１５１へ供給する。
【００６５】
燃料電池１５は、燃料ＦＬと、酸化剤（例えば、酸素Ｏ2）を含む気体ＡＲ（例えば、空気）との化学反応により直流電力Ｐｄを生成する。なお、燃料電池１５は、複数の単セルを積層したセルスタックで構成してもよい。
【００６６】
燃料電池１５は、燃料極１５１と、固体酸化物電解質１５２と、酸化剤極１５３とを有する。
【００６７】
図２に示すように、燃料極１５１は、改質器１４から供給された水素リッチな改質ガスＨＲを用いて電子ｅ-を生成し、当該電子による直流電力Ｐｄを出力調整装置１９へ出力する。
【００６８】
なお、図２に示したように、燃料極１５１では、（式３）に示した反応による水Ｈ2Ｏと、（式４）に示した反応による二酸化炭素ＣＯ2と、改質ガスＨＲに含まれる未反応の水素Ｈ2を含む燃料極排出ガスＥＸ−Ｆとが生成される。燃料極１５１は、燃料極排出ガスＥＸ−Ｆを予熱バーナ１７へ排出する。
【００６９】
図２に示したように、固体酸化物電解質１５２は、酸化剤極１５３にて生成された酸化物イオンＯ2-を燃料極１５１へ伝導する役割を果たす。なお、固体酸化物電解質１５２は、例えば、酸素イオン伝導性のセラミックスなどでよい。
【００７０】
図２に示したように、酸化剤極１５３は、酸化剤予熱器１６から供給された酸化剤を含む気体ＡＲを用いて、（式２）に示した酸化物イオンＯ2-生成用の反応を行わせる。
【００７１】
また、図２に示したように、酸化剤極１５３は、直流電力Ｐｄの生成に用いられた気体ＡＲを、酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏとして、酸化剤供給器１８と予熱バーナ１７とへ排出する。該酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏは、未反応の酸化剤（Ｏ2）を含んでいる。
【００７２】
図１に示した酸化剤予熱器１６は、例えば、予熱器で構成される。酸化剤予熱器１６には、酸化剤吸入器１１０が外部から吸入した気体ＡＲが供給される。
【００７３】
予熱バーナ１７は、例えば、バーナで構成される。予熱バーナ１７は、燃料極１５１からの燃料極排出ガスＥＸ−Ｆと、酸化剤極１５３からの酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏとの化学反応（燃焼）により発生した熱を用いて、酸化剤吸入器１１０が外部から吸入した気体ＡＲを予熱する。
【００７４】
酸化剤供給器１８は、例えば、エジェクタで構成される。酸化剤供給器１８は、「酸化剤供給処理」により、予熱バーナ１７が予熱した気体ＡＲとともに、酸化剤極１５３から一旦排出された酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏの少なくとも一部を、当該酸化剤極１５３へ供給する。
【００７５】
つまり、燃料電池１５は、直流電力Ｐｄの生成に一旦用いられた酸化剤を再利用して、直流電力Ｐｄを生成する。
【００７６】
出力調整装置１９は、燃料電池１５が生成した直流電力Ｐｄを動作用電力Ｐｏに変換し、該動作用電力Ｐｏを負荷機器２へ出力する。なお、負荷機器２が交流電力で動作する場合、出力調整装置１９は、インバータを備えるものでもよい。該インバータを用いて、出力調整装置１９は、燃料電池１５が生成した直流電力Ｐｄを、負荷機器２動作用の交流電力へ変換する。
【００７７】
酸化剤吸入器１１０は、例えば、ブロワまたはファンで構成される。酸化剤吸入器１１０は、酸化剤を含む気体ＡＲを外部から吸入し、該吸入した気体ＡＲを酸化剤制御弁１１１へ送出する。
【００７８】
酸化剤制御弁１１１は、酸化剤吸入器１１０から送出された気体ＡＲの流量を制御する。
【００７９】
つぎに、上記構成を有する実施形態１の燃料電池発電システム１が、燃料電池１５により発生した直流電力Ｐｄに基づいて、動作用電力Ｐｏを負荷機器２へ供給する動作を説明する。
【００８０】
燃料電池発電システム１が具備する燃料制御弁１１は、燃料ＦＬを外部から吸入して、該燃料ＦＬを脱硫器１２へ送出する。
【００８１】
脱硫器１２は、燃料制御弁１１から送出されてきた燃料ＦＬに含まれている硫黄分を除去する。その後、燃料ＦＬをエジェクタ１３へ送出する。
【００８２】
エジェクタ１３は、脱硫器１２からの燃料ＦＬを吸入し、ノズル（図示せず）を通じて該燃料ＦＬを改質器１４へ吐出する。なお、エジェクタ１３では、脱硫器１２からの燃料ＦＬと、燃料極１５１からの燃料極排出ガスＥＸ−Ｆとが混合される。
【００８３】
改質器１４は、水蒸気改質用の触媒（例えば、ニッケル系触媒やルテニウム系触媒など）を用いて、エジェクタ１３からの燃料ＦＬから水素リッチな改質ガスＨＲを生成する。その後、改質器１４は、該改質ガスＨＲを燃料電池１５が具備する燃料極１５１へ供給する。
【００８４】
一方、酸化剤吸入器１１０は、酸化剤を含む気体ＡＲを外部から吸入し、該気体ＡＲを酸化剤供給器１８へ送出する。なお、酸化剤制御弁１１１は、酸化剤吸入器１１０から酸化剤供給器１８へ送出される気体ＡＲの流量を制御する。
【００８５】
酸化剤供給器１８は、酸化剤吸入器１１０が外部から吸入した気体ＡＲを燃料電池１５の酸化剤極１５３へ供給する。また、燃料電池１５における直流電力Ｐｄの生成により酸化剤極１５３から酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏが排出されてきた場合、酸化剤供給器１８は、当該酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏを酸化剤極１５３へ再度供給する。
【００８６】
燃料電池１５においては、改質器１４から燃料極１５１へ供給された改質ガスＨＲ、ならびに、酸化剤供給器１８から酸化剤極１５３へ供給された気体ＡＲおよび酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏにより、図２に示した反応が行われる。当該反応により直流電力Ｐｄが生成され、該直流電力Ｐｄが出力調整装置１９へ出力される。
【００８７】
出力調整装置１９は、燃料電池１５から出力されてきた直流電力Ｐｄを動作用電力Ｐｏへ変換し、該動作用電力Ｐｏを負荷機器２へ出力する。負荷機器２は、出力調整装置１９からの動作用電力Ｐｏを入力し、所定の動作を実行する。以上で、燃料電池発電システム１が、燃料電池１５により生成した電力を負荷機器２へ供給する一連の動作が終了する。
【００８８】
以上説明したように、本発明の実施形態１によれば、酸化剤供給器１８は、予熱バーナ１７が予熱した気体ＡＲとともに、酸化剤極１５３から一旦排出された酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏの少なくとも一部を酸化剤極１５３へ供給する。
【００８９】
つまり、燃料電池１５では、直流電力Ｐｄの生成に一旦用いられた酸化剤を再利用して、直流電力Ｐｄを生成する。これにより、燃料電池１５の発電を行うために外部から新たに吸入する気体ＡＲ（ひいては、酸化剤）の量を低減できる。
【００９０】
なお、図３に示すように、燃料ＦＬの化学反応（燃焼）によって発生するエネルギーは、直流電力Ｐｄの発電と、燃料ＦＬの改質と、気体ＡＲ（空気）の予熱と、損失とに分配される。
【００９１】
本発明の燃料電池発電システム１によれば、図３に示した各エネルギーのうち、気体ＡＲ（空気）の予熱に用いるエネルギーを低減することができる。そのため、燃料電池発電システム１の発電効率を向上させることができる。
（実施形態２）
つぎに、実施形態２の燃料電池発電システム１Ａについて説明する。
【００９２】
図４に示すように、実施形態２の燃料電池発電システム１Ａの全体構成は、図１に示した燃料電池発電システム１の構成と基本的に同一である。
【００９３】
ただし、実施形態２の燃料電池発電システム１Ａは、図１に示した燃料電池発電システム１の構成に加えて、熱交換器１１２を有する。
【００９４】
熱交換器１１２は、酸化剤極１５３から排出された酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏと、酸化剤吸入器１１０により外部から吸入された気体ＡＲとがそれぞれ有する熱量を互いに交換させる。
【００９５】
この例では、酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏが有する熱量を、外部から吸入された気体ＡＲに与える。そのため、酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏは冷却されてその温度が低下する。一方、外部から吸入された気体ＡＲは暖められてその温度が上昇する。
【００９６】
なお、酸化剤予熱器１６には、熱交換器１１２における熱交換により温度が上昇した気体ＡＲが供給される。予熱バーナ１７は、燃料極１５１から排出された燃料極排出ガスＥＸ−Ｆと、酸化剤極１５３から排出された酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏとを化学反応（燃焼）させる。そして、予熱バーナ１７は、当該化学反応によって生成された熱量を用いて、熱交換器１１２にて温度が上昇した気体ＡＲをさらに予熱する。
【００９７】
また、熱交換器１１２における熱交換により温度が低下した酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏは、酸化剤供給器１８へ送出される。
【００９８】
実施形態２の酸化剤供給器１８は、例えば、ブロワまたはファンで構成される。酸化剤供給器１８は、熱交換器１１２にて温度が低下した酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏを吸入側から吸入することにより酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏを回収する。
【００９９】
また、酸化剤供給器１８は、回収した酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏと酸化剤予熱器１６が予熱した気体ＡＲとを混合させ、該酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏと気体ＡＲとを酸化剤極１５３へ送出する。なお、酸化剤供給器１８は、その回転数を制御することにより、酸化剤極１５３へ送出する酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏの量を制御することが可能である。
【０１００】
なお、熱交換器１１２は、酸化剤供給器１８の吸入側または排出側のいずれに設けてもよいが、酸化剤供給器１８の温度劣化を考慮して、酸化剤供給器１８の吸入側に設けることがより望ましい。
【０１０１】
つぎに、上記構成を有する実施形態２の燃料電池発電システム１Ａが、燃料電池１５が生成した電力を負荷機器２へ供給する動作を説明する。
【０１０２】
燃料電池１５の燃料極１５１へ燃料ＦＬを供給する際の、実施形態２の燃料制御弁１１、脱硫器１２、エジェクタ１３および改質器１４の動作は、実施形態１で説明した動作と同じである。
【０１０３】
一方、実施形態２の酸化剤吸入器１１０は、酸化剤を含む気体ＡＲを外部から吸入して、該気体ＡＲを熱交換器１１２へ送出する。なお、酸化剤制御弁１１１は、酸化剤吸入器１１０から熱交換器１１２へ送出される気体ＡＲの流量を制御する。
【０１０４】
熱交換器１１２では、酸化剤吸入器１１０から送出されてきた気体ＡＲと、燃料電池１５の酸化剤極１５３から排出された酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏとの熱交換が行われる。
【０１０５】
当該熱交換により、酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏの温度は低下する一方、酸化剤吸入器１１０からの気体ＡＲの温度は上昇する。なお、熱交換が行われた気体ＡＲの温度は、熱交換器１１２の規模や気体ＡＲの流速などに応じて変化するが、例えば、２００℃程度となるように設計してもよい。
【０１０６】
熱交換器１１２にて温度が上昇した気体ＡＲは、酸化剤予熱器１６へ供給される。このため、酸化剤予熱器１６が、気体ＡＲを発電温度に予熱する際のエネルギー消費を抑制することができる。
【０１０７】
さらに、予熱バーナ１７は、燃料極１５１から排出された燃料極排出ガスＥＸ−Ｆと、酸化剤極１５３から排出された酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏとを化学反応（燃焼）させる。予熱バーナ１７は、当該化学反応によって生成された熱量を用いて、熱交換器１１２にて温度が上昇した気体ＡＲを予熱する。なお、予熱バーナ１７は、燃焼により生成された燃焼ガスＢＲを外部へ排出する。
【０１０８】
一方、熱交換器１１２にて温度が低下した酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏは、酸化剤供給器１８によって回収される。
【０１０９】
酸化剤供給器１８は、回収した酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏと、予熱バーナ１７により予熱された気体ＡＲとを混合させる。その後、酸化剤供給器１８は、混合された酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏと気体ＡＲとを、燃料電池１５の酸化剤極１５３へ供給する。
【０１１０】
なお、燃料電池１５にて電池反応が行われた場合、該電池反応により大きな熱量が発生する。さらに、燃料電池１５の発電温度は８００℃〜１，０００℃である。このため、酸化剤極１５３への供給に先立って、熱交換により温度が低下した酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏと、燃料電池１５の破損を回避するために酸化剤予熱器１６により予熱した気体ＡＲとを酸化剤供給器１８にて混合し、予熱された気体ＡＲの温度を低下させておくことは好適である。なお、酸化剤供給器１８にて混合された気体ＡＲおよび酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏの温度は、酸化剤供給器１８の回転数などに応じて変化するが、例えば、６００℃程度となるように設計してもよい。
【０１１１】
燃料電池１５においては、改質器１４から燃料極１５１へ供給された改質ガスＨＲ、ならびに、酸化剤予熱器１６から酸化剤極１５３へ供給された気体ＡＲおよび酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏにより、図２に示した反応が行われる。これにより、直流電力Ｐｄが生成され、該直流電力Ｐｄが出力調整装置１９へ出力される。
【０１１２】
出力調整装置１９は、直流電力Ｐｄを動作用電力Ｐｏへ変換し、該動作用電力Ｐｏを負荷機器２へ出力する。負荷機器２は、該動作用電力Ｐｏを入力し、所定の動作を実行する。以上で、実施形態２の燃料電池発電システム１Ａが、燃料電池１５により生成した電力を負荷機器２へ供給する一連の動作が終了する。
【０１１３】
以上説明したように、実施形態２によれば、熱交換器１１２は、酸化剤極１５３から排出された酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏと、酸化剤吸入器１１０により外部から吸入された気体ＡＲとの熱交換を行わせる。そして、熱交換器１１２は、熱交換により温度が上昇した気体ＡＲを酸化剤予熱器１６へ供給する。このため、酸化剤予熱器１６が、気体ＡＲを発電温度に予熱する際のエネルギー消費を抑制することができる。
【０１１４】
つまり、燃料電池発電システム１Ａによれば、図３に示した各エネルギーのうち、気体ＡＲの予熱に用いるエネルギーを低減することができる。そのため、気体ＡＲの予熱に伴って発生する損失も低減させることが可能となり、燃料電池発電システム１Ａの発電効率を向上させることができる。なお、燃料ＦＬの温度上昇に必要なエネルギーについては、燃料ＦＬの供給量が気体ＡＲの供給量に比べて非常に少ないため、発電効率に及ぼす影響を無視することが可能である。
【０１１５】
さらに、実施形態２によれば、予熱バーナ１７は、燃料極１５１から一旦排出された燃料極排出ガスＥＸ−Ｆと、酸化剤極１５３から一旦排出された酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏとの化学反応によって生成された熱量を用いて、熱交換器１１２にて温度が上昇した気体ＡＲを予熱する。
【０１１６】
つまり、燃料極排出ガスＥＸ−Ｆおよび酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏの再利用により、燃料電池発電システム１Ａの発電効率をより一層向上させることができる。また、気体ＡＲの温度を上昇させるためのエネルギーを抑制できることにより、酸化剤予熱器１６の小型化も可能となる。
【０１１７】
なお、本発明の要旨を逸脱しない範囲で各種の変形が可能である。
【０１１８】
燃料電池１５は、固体酸化物形の燃料電池に限らず、例えば、溶融炭酸塩形の燃料電池で構成してもよい。溶融炭酸塩形の燃料電池を用いて燃料電池１５を構成する場合、固体酸化物電解質１５２に代えて、溶融した炭酸塩（炭酸リチウム、炭酸カリウムなど）を電解質として用いればよい。
【０１１９】
燃料ＦＬの水蒸気改質反応は、改質器１４を用いて行うに限られない。例えば、燃料電池１５の燃料極１５１にて、燃料ＦＬの水蒸気改質反応を直接行わせ、燃料電池１５の電池反応に必要な水素と一酸化炭素ＣＯとを燃料極１５１にて生成するようにしてもよい。
【０１２０】
酸化剤吸入器１１０が外部から取り込む気体ＡＲは、空気に限らず、純酸素でもよい。
【０１２１】
以上、実施形態１および２を参照して本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態１および２に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が理解し得る各種の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１２２】
【図１】本発明の実施形態１に従った燃料電池発電システムの構成を示す図である。
【図２】図１に示した燃料電池の構成を示す図である。
【図３】燃料電池にて発電を行う際の、燃料の化学反応により発生したエネルギーの分配を示す模式図である。
【図４】本発明の実施形態２に従った燃料電池発電システムの構成を示す図である。
【図５】一般的な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】
【０１２３】
１、１Ａ  燃料電池発電システム
２  負荷機器
１１  燃料制御弁
１２  脱硫器
１３  エジェクタ
１４  改質器
１５  燃料電池
１５１  燃料極
１５２  固体酸化物電解質
１５３  酸化剤極
１６  酸化剤予熱器
１７  予熱バーナ
１８  酸化剤供給器
１９  出力調整装置
１１０  酸化剤吸入器
１１１  酸化剤制御弁
１１２  熱交換器
【図１】
2010015755.tif 000011
【図２】
2010015755.tif 000012
【図３】
2010015755.tif 000013
【図４】
2010015755.tif 000014
【図５】
2010015755.tif 000015