(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと空気とを反応させて発電する燃料電池部を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池部が、固体酸化物形であり、燃料ガスの少なくとも一部を水蒸気改質させて前記燃料電池部に供給する改質器と、前記燃料電池部から排出されるオフガスに燃料ガスを供給して、オフガスに含まれる酸素を用いて当該供給された燃料ガスを燃焼させるオフガス利用燃焼部と、そのオフガス利用燃焼部にて燃焼された燃焼排ガスが有する熱エネルギーを利用する熱エネルギー利用部とが設けられ、
前記オフガス利用燃焼部で燃焼する燃料ガスは、脱硫した燃料ガスであり、
前記オフガス利用燃焼部が、前記改質器における燃料ガスの水蒸気改質を行うために用いられ及びその次に空気予熱器における前記燃料電池部に供給する空気の予熱を行うために用いられた後のオフガスに燃料ガスを供給して燃料ガスを燃焼させるオフガス燃焼器と、前記オフガス燃焼器から排出される燃焼排ガスにて前記オフガス燃焼器に供給する前のオフガスを予熱するオフガス予熱器とを備えて構成され、
前記熱エネルギー利用部が、前記オフガス燃焼器に供給する前のオフガスの予熱のために前記オフガス予熱器で用いられた後の燃焼排ガスを用いて、前記水蒸気改質に用いる水蒸気を生成する水蒸気生成器における水蒸気の生成、及び、排熱回収熱交換器における温水の生成を行い、前記水蒸気生成器にて生成された水蒸気の一部及び前記水蒸気の生成に用いられた後の燃焼排ガスを用いて前記排熱回収熱交換器にて生成した温水の何れか一方又は両方を出力するように構成され、
前記水蒸気生成器では、純水タンクに貯留されている改質水が供給されて水蒸気の生成が行われ、
前記排熱回収熱交換器では、前記オフガス利用燃焼部の燃焼排ガスの排熱を回収して温水を生成すると共に前記オフガス利用燃焼部の燃焼排ガスに含まれる水蒸気が凝縮され、生成された凝縮水は前記純水タンクに貯留されるように構成されている燃料電池システム。
【請求項２】
前記熱エネルギー利用部が、ヒートポンプ装置の駆動源として熱エネルギーを出力するように構成されている請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記水蒸気生成器には、前記オフガス利用燃焼部の燃焼排ガスと改質水との熱交換により水蒸気を生成する蒸気生成用熱交換器が備えられ、
前記蒸気生成用熱交換器には、前記オフガス利用燃焼部の燃焼排ガスと改質水との温度差に基づいて発電する熱発電素子が設けられている請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスと空気とを反応させて発電する燃料電池部を備えた燃料電池システムに関するものであり、特に、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の性能改善に適する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）としての従来の燃料電池システム１００は、図５に示すように、発電ユニット１とその付帯機器から構成される。
発電ユニット１は、燃料電池部としてのＳＯＦＣスタック３、燃料ガスを水蒸気改質させてＳＯＦＣスタック３に供給する改質器４、改質器４に供給する水蒸気を生成する水蒸気生成器５、及び、ＳＯＦＣスタック３に供給する空気を予熱する空気予熱器６から構成される。
付帯機器は、改質水（純水）を製造する純水装置８、製造した純水を一次貯留する純水タンク１３、ＳＯＦＣスタック３から排出されるオフガスの排熱を回収して温水を製造する排熱回収熱交換器７、及び、発電ユニット１で発電した直流電気を、商用系統周波数の交流に変換して送電するインバーター９から構成される。ここで、排熱回収熱交換器７では、ＳＯＦＣスタック３から排出されるオフガスが循環水ポンプ１０にて循環される排熱回収用循環水で冷却され、それに含まれる水蒸気が凝縮される。排熱回収熱交換器７にて生成した凝縮水が、純水装置８からの改質水（純水）と共に、純水タンク１３に貯留される。改質水ポンプ１１は、純水タンク１３に貯留された改質水（純水）を水蒸気生成器５に供給する。空気ポンプ１２は、空気を空気予熱器６にて予熱してＳＯＦＣスタック３に供給する。
【０００３】
ＳＯＦＣスタック３は、複数のＳＯＦＣセル２を積層させて構成され、改質された燃料ガスと空気とを７００℃〜８００℃で電気化学反応させて発電する。未反応の燃料ガス（電気化学反応において生成される中間体を含む）は、ＳＯＦＣスタック３の出口で完全燃焼する。発電した電気は、インバーター９に送られる。
ＳＯＦＣスタック３から排出されるオフガスは、改質器４で、吸熱反応である水蒸気改質反応に熱を補い、水蒸気生成器５で水蒸気改質反応に用いる水蒸気を生成するための熱源として用いられる。次にオフガスは、ＳＯＦＣスタック３に供給される空気を空気予熱器６で加熱し、最終的に排熱回収熱交換器７で循環水を加熱して、温水として出力される。
【０００４】
図６は、上述の従来の燃料電池システム１００に、排熱回収ユニット２０と補助熱源機３０を組合せたコージェネレーションシステムの構成を示す説明図である。ここで、排熱回収ユニット２０は、温度成層型の蓄熱槽２１を用いて燃料電池システム１００から出力される温水の熱を温水の形で蓄え、電気と熱の時間的な負荷の不一致を調整している。また、補助熱源機３０としては、給湯用熱交換器３１、暖房用熱交換器３２、風呂用液液熱交換器３３からなるセントラルヒーティングボイラを採用している。
【０００５】
他のコージェネレーションシステムとしては、補助熱源機に代えて、電動式ヒートポンプ給湯機を組み合わせたものもある（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１３９９１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図５の従来の固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）では、燃料ガスをＳＯＦＣスタック３に供給し、ＳＯＦＣスタック３が、ＳＯＦＣセル３内部で燃料ガスを自己で改質させ、その改質された燃料ガスと空気とを反応させて発電している。そして、燃料ガスを水蒸気改質させてＳＯＦＣスタック３に供給する改質器４を設けることにより、ＳＯＦＣスタック３における燃料ガスの自己改質を容易に行えるようにして、運転温度を７００℃〜８００℃に低下させている。
このように、従来の固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）では、高温で作動するため、小型の場合、ＳＯＦＣスタック３からの放熱損失が相対的に大きくなり、熱出力を大きく取れない点が課題であった。７００Ｗ〜１ｋＷクラスの家庭用として開発されているものでは、排熱回収熱交換器７に入るまでに、オフガス温度が低下して、もはや蒸気を製造することはできず、８０℃の温水を製造するのがせいぜいであり、その場合の熱出力は、電気出力の６５％〜７０％に留まっていた。
【０００８】
固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）において、ＳＯＦＣセル２にて完全に燃料ガスを自己で改質させてその改質された燃料ガスと空気とを反応させて発電することにより、改質器を設けていないものもある。この燃料電池システムは、運転温度が１０００℃程度となっている。その為に、排熱回収熱交換器７に入るオフガス温度を高温とでき、熱出力を大きく取ることも可能であるが、運転温度の低下による効果は得られない。また、１ｋＷクラスよりも大きなクラスの燃料電池システムでも、排熱回収熱交換器７に入るオフガス温度を高温とでき、熱出力を大きく取ることも可能であるが、運転温度の低下による効果は得られない。
したがって、特に、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）において、運転温度の低下による効果を得ることができながら、熱出力の増大を図ることが望まれている。
【０００９】
運転温度の低下による効果としては、以下の３つの点がある。
第１の点は、ＳＯＦＣセル２等の材料として、特殊な耐熱鋼やセラミックではなく、ステンレス鋼レベルの安価な材料が使用可能になる。第２の点は、ＳＯＦＣセル２の温度歪み（ＳＯＦＣセル２の各部分での温度差）が少なくなり、割れが発生する確率が減少する。第３の点は、ＳＯＦＣセル２等の固体材料中での原子の拡散を抑えることができる。ＳＯＦＣセル２等の固体材料中での原子の拡散速度は高温ほど大きくなる。例えば、コーティングや積層の為に固体材料を使用した場合、構成元素が固体材料中を相互に拡散し合うと、本来の目的を妨げてしまうという欠点が生じる虞がある。
【００１０】
燃料電池システムからの熱出力が小さい場合には、下記のような問題を招く虞がある。
図６のコージェネレーションシステムでは、燃料電池システムから出力される熱が不足すると、その不足熱を補うために補助熱源機３０を動かすことになる。補助熱源機３０がガスセントラルヒーティングボイラの場合、その効率は８２％〜９５％と、燃焼機器としては極限に近い値を示すものの、エクセルギー（熱、化学エネルギーなどの各種エネルギーのうち、機械的仕事に変換できる最大限のエネルギーのことをいう）から見たときの効率が低い。したがって、補助熱源機を含むコージェネレーションシステム全体としての効率を低下させる結果に繋がる。特に燃料電池としてＳＯＦＣを選択した場合には、熱電比（熱出力と電気出力の間の出力比率）が小さくなるため、補助熱源機を含むコージェネレーションシステム全体としての効率は、不足熱を補う補助熱源機が占める割合が増大するので、コージェネレーションシステム全体としての効率の低下が顕著になる虞がある。
【００１１】
特許文献１に記載のコージェネレーションシステムでは、補助熱源機に代えて、電動式ヒートポンプ給湯機を設けているので、図６のコージェネレーションシステムと比べると、コージェネレーションシステム全体としての効率の低下を抑制できる。しかしながら、電動式ヒートポンプ給湯機は、電力にて駆動されるので、電動式ヒートポンプ給湯機を駆動するために燃料電池システムにて出力される電力の一部が使われてしまい、取り出せる電力量が低下することになる。
【００１２】
また、改質器４で使用する水蒸気として水道水を利用する場合、純水装置８によって水処理する必要があるが、使用するイオン交換樹脂等は、通水量に応じて交換する必要があり、そのコストが問題になる。
【００１３】
本発明は、かかる点に着目してなされたものであり、その目的は、熱出力の増大を図ることができ、コストも低減できる燃料電池システムを提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この目的を達成するために、本発明に係る燃料電池システムの第１特徴構成は、燃料ガスと空気とを反応させて発電する燃料電池部を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池部が、固体酸化物形であり、燃料ガスの少なくとも一部を水蒸気改質させて前記燃料電池部に供給する改質器と、前記燃料電池部から排出されるオフガスに燃料ガスを供給して、オフガスに含まれる酸素を用いて当該供給された燃料ガスを燃焼させるオフガス利用燃焼部と、そのオフガス利用燃焼部にて燃焼された燃焼排ガスが有する熱エネルギーを利用する熱エネルギー利用部とが設けられ、前記オフガス利用燃焼部で燃焼する燃料ガスは、脱硫した燃料ガスであり、前記オフガス利用燃焼部が、前記改質器における燃料ガスの水蒸気改質を行うために用いられ及びその次に空気予熱器における前記燃料電池部に供給する空気の予熱を行うために用いられた後のオフガスに燃料ガスを供給して燃料ガスを燃焼させるオフガス燃焼器と、前記オフガス燃焼器から排出される燃焼排ガスにて前記オフガス燃焼器に供給する前のオフガスを予熱するオフガス予熱器とを備えて構成され、前記熱エネルギー利用部が、前記オフガス燃焼器に供給する前のオフガスの予熱のために前記オフガス予熱器で用いられた後の燃焼排ガスを用いて、前記水蒸気改質に用いる水蒸気を生成する水蒸気生成器における水蒸気の生成、及び、排熱回収熱交換器における温水の生成を行い、前記水蒸気生成器にて生成された水蒸気の一部及び前記水蒸気の生成に用いられた後の燃焼排ガスを用いて前記排熱回収熱交換器にて生成した温水の何れか一方又は両方を出力するように構成され、前記水蒸気生成器では、純水タンクに貯留されている改質水が供給されて水蒸気の生成が行われ、前記排熱回収熱交換器では、前記オフガス利用燃焼部の燃焼排ガスの排熱を回収して温水を生成すると共に前記オフガス利用燃焼部の燃焼排ガスに含まれる水蒸気が凝縮され、生成された凝縮水は前記純水タンクに貯留されるように構成されている点にある。
【００１５】
燃料電池部から排出されるオフガスには、酸素が８〜１０％程度含まれ、一般のボイラ等の排ガス酸素濃度（４〜５％）に比べて２倍程度高い。これは、少ない空気量でＳＯＦＣ燃料電池を駆動できれば効率は増大するものの、カーボンが析出する等の好ましくない現象を回避するためである。
そこで、オフガス中に燃料ガスを投入して、オフガスに含まれる過剰酸素にて燃焼させること（以下、排気再燃と略称する場合がある）により、低酸素燃焼を行った場合と同様の省エネルギー効果を実現した。つまり、新気（大気）で燃焼させるよりも、含有される不活性成分（窒素等）を昇温するために必要な熱が不要になると共に、燃焼排ガス量が減少する、いわゆる排気再燃の効果によって省エネルギーを図ることができる。もっとも、オフガス中の過剰酸素量には限界があるため、過剰酸素量にて完全燃焼できる以上の燃料ガスを投入して増熱を図る必要のある場合、及び、燃焼を安定させる必要のある場合には、一部に新気を追加して燃焼することも可能である。
【００１６】
したがって、オフガス中に燃料ガスを投入してオフガスに含まれる過剰酸素にて燃焼させることにより熱エネルギーを追加発生させ、熱エネルギー利用部にてオフガス利用燃焼部にて燃焼された燃焼排ガスが有する熱エネルギーを利用することにより、熱出力の増大を図ることができる。
【００１７】
燃料電池部が固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）であり、燃料ガスの少なくとも一部を水蒸気改質させて燃料電池部に供給する改質器を設けることにより、燃料電池部における燃料ガスの自己改質を容易に行えるようにして、運転温度を例えば７００℃〜８００℃に低下させることができる。したがって、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）において、運転温度の低下による効果を得ることができながら、熱出力の増大を図ることができる。
【００１８】
オフガス利用燃焼部の燃焼室の大きさ等の限界はあるものの、燃料電池の発電出力と無関係に燃料ガス（及び追加新気）の増減にて熱出力を変更できるため、熱利用の利便性の向上と、出力される熱を蓄熱する蓄熱設備の容量低減が可能になる。これは、燃料電池として電気出力の応答性に優れたＳＯＦＣを選択した場合、家庭用等の負荷変動の激しい電力用途にて電主運転すると、特に効果を発揮する。また、コージェネレーションシステムでは、補助熱源機等の設備そのものの省略、設備容量の低減、もしくは燃焼器を省略して熱交換設備のみとすること（排熱ボイラ化）を可能にするものであり、コストダウンと専有面積の縮小に繋がるものである。
【００１９】
オフガス利用燃焼部が、燃料電池部から排出された直後のオフガスに燃料ガスを供給して燃料ガスを燃焼させるように構成され、熱エネルギー利用部が、オフガス利用燃焼部の燃焼排ガスを用いて、改質器における燃料ガスの水蒸気改質、及び、少なくとも水蒸気改質に用いる水蒸気を生成する水蒸気生成器における水蒸気の生成の夫々を行い、その後の燃焼排ガスを用いて、空気予熱器における燃料電池部に供給する空気の予熱及び温水の生成の夫々を行い、その生成された温水及び水蒸気生成器にて生成した水蒸気の一部の何れか一方又は両方を出力するように構成すると、オフガス利用燃焼部にて排気再燃を行うに当り、燃焼面あるいはエネルギー利用面から見て、高温のオフガスを利用できる面で有利である。しかしながら、発生する燃焼排ガスが高温になり過ぎて、利用しにくくなる面が生じる。例えば、改質器に異常過熱対策を施行したり、容器や熱交換器材料をより高度な耐熱材料に変更したりする必要に迫られる。また、既に燃料電池システムとして、燃料電池部及び改質器等が、システムとして一体に設計されている場合には、オフガス利用燃焼部の導入によって、システムを根本的に設計変更する必要が生じてしまう。
【００２０】
そこで、本特徴構成において、オフガス利用燃焼部は、改質器における燃料ガスの水蒸気改質を行うために用いられ及びその次に空気予熱器における燃料電池部に供給する空気の予熱を行うために用いられた後のオフガスに燃料ガスを供給して燃料ガスを燃焼させている。熱エネルギー利用部が、オフガス燃焼器に供給する前のオフガスの予熱のためにオフガス予熱器で用いられた後の燃焼排ガスを用いて水蒸気生成器にて水蒸気の生成を行い、その生成された水蒸気の一部を改質器に供給するとともに、残りの一部を出力するので、改質器に供給する水蒸気と出力する水蒸気とを一つの水蒸気生成器にて生成することができ、構成の簡素化を図ることができ、オフガス燃焼器に供給する前のオフガスの予熱のためにオフガス予熱器で用いられた後の燃焼排ガスを用いて、排熱回収熱交換器における温水の生成を行う。もちろん、水蒸気生成器に別の温水熱交換器を設けることにより、温水も出力することができる。加えて、水蒸気生成器では、純水タンクに貯留されている改質水が供給されて水蒸気の生成が行われ、排熱回収熱交換器では、オフガス利用燃焼部の燃焼排ガスの排熱を回収して温水を生成すると共にオフガス利用燃焼部の燃焼排ガスに含まれる水蒸気が凝縮され、生成された凝縮水は純水タンクに貯留される。
【００２１】
ところで、改質器における燃料ガスの水蒸気改質を行うために用いられた後のオフガスは温度が低下しており、そのままでは、自着火せず、新気を追加しないと安定燃焼させることが困難である。酸素濃度が低下していて低酸素燃焼を要求されるからである。
そこで、予熱部にてオフガス燃焼器にて昇温した燃焼排ガスとオフガス燃焼器に供給する前のオフガスとの間で熱交換器を行い、オフガスの温度を上昇させてからオフガス燃焼器にて燃焼させるいわゆるリジェネレイティブ燃焼の原理を用いて、オフガス燃焼器をリジェネレイティブ燃焼器にて構成している。オフガス燃焼器では、昇温されたオフガス中では酸素濃度が低くても、安定燃焼が可能であり、新気の追加を抑えることができる。
これにより、システム構成に大きな変更を加えなくても、上述と同様の増熱効果と熱電比可変効果が実現することになる。特に、オフガス燃焼器は、オフガスの流れ方向において、改質器及び空気予熱器の下流側で、且つ、水蒸気生成器や温水回収熱交換器等の熱出力を行うための機器の直上流に設けることができる。したがって、改質器に異常過熱対策を施行する等、改質器等の機器への影響に配慮することなく、オフガス燃焼器での燃焼を自由に行うことができる。
【００２３】
改質器での水蒸気改質用に使用する水蒸気は、燃焼排ガスを冷却して、その燃焼排ガスに含まれる水蒸気を凝縮させて分離して得られた凝縮水を用いる。水道水を利用する場合には、純水装置によって水処理する必要があるが、そこで使用するイオン交換樹脂等は、通水量に応じて交換する必要があり、そのコストが問題になる。ところが、脱硫された燃料ガスを比較的低温で反応（燃焼）させて発生する燃焼排ガスは、硫黄酸化物や窒素酸化物を含まないため、本特徴構成において得られる凝縮水も不純物をほとんど含まず、ほとんどそのまま利用できる。したがって、本システムにおいて生成した凝縮水を用いて改質器で使用する水蒸気を生成することができ、コストの問題を解消できる。
【００２４】
本発明に係る燃料電池システムの第２特徴構成は、前記熱エネルギー利用部が、ヒートポンプ装置の駆動源として熱エネルギーを出力するように構成されている点にある。
【００２５】
ヒートポンプ装置が、熱エネルギー利用部から出力される熱エネルギーを駆動源として駆動するので、ボイラや湯沸器で増熱するよりも熱エネルギー利用部から出力される熱エネルギーを効率的に増大させることが可能になる。
オフガス利用燃焼部での排気再燃においては、燃料電池部からのオフガスを利用する限り、燃料ガス投入量がオフガスの量と酸素濃度に支配される。それを脱するためには新気の追加が必要になるが、その分省エネルギー効果が薄れることになる。そこで、できる限り新気の追加量を抑えて排気再燃を行い、更なる増熱は、熱エネルギー利用部から出力される熱エネルギーを用いて、ヒートポンプ装置により大気等から汲み上げることが効率的である。そのために、ヒートポンプ装置は、熱エネルギー利用部から出力される熱エネルギーを駆動源とする、熱駆動式のヒートポンプ装置（ケミカルヒートポンプ装置、吸着式ヒートポンプ装置、吸収式ヒートポンプ装置等）を利用する。家庭用に熱電比の小さなＳＯＦＣを導入した場合であっても、ヒートポンプ装置による増熱で、蓄熱を併用すれば、湯沸器による追焚き無しに熱需要を賄えるとの試算が成り立つ。熱駆動式のヒートポンプ装置の場合、発電した電力をほとんど消費しないので、取出し電力量が低下しない点もメリットである。
【００２６】
熱負荷の小さくなる夏期には、燃料ガスの投入を止めてオフガス利用燃焼部での排気再燃と熱駆動式のヒートポンプ装置を休止すれば、熱出力はＳＯＦＣ本来の量に戻るため、熱が過剰になる問題はほとんど生じないが、一方で、設備過剰の問題が残る。ところが、熱駆動式のヒートポンプ装置は、サイクルを切替えれば、冷凍機としても利用可能である。従って、夏期には熱駆動式のヒートポンプ装置を冷凍機として使用して、ヒートポンプ装置の稼働率を向上させることができる。これにより、負荷設備の投資を早期に回収することが可能になる。
【００２７】
本発明に係る燃料電池システムの第３特徴構成は、前記水蒸気生成器には、前記オフガス利用燃焼部の燃焼排ガスと改質水との熱交換により水蒸気を生成する蒸気生成用熱交換器が備えられ、前記蒸気生成用熱交換器には、前記オフガス利用燃焼部の燃焼排ガスと改質水との温度差に基づいて発電する熱発電素子が設けられている点にある。
【００２８】
オフガス利用燃焼部での排気再燃を利用して温度の上昇したオフガスを単に熱として利用するだけでは、エネルギーの質を有効に生かし切れていないことになる。できれば、温度の上昇した燃焼排ガスにて発電を行い、そのエクセルギーを有効に活用すべきである。しかしながら、小型のＳＯＦＣでは、蒸気タービンを駆動して発電するような大掛かりな設備は経済的には成立しない。また、エネルギー収支においても小型の蒸気タービンの効率は必ずしも高くない。
例えば、酸化物型熱発電素子は、高温に耐えて使用することができるので、この熱発電素子を蒸気生成用熱交換器に設けることにより、燃焼排ガスを高温側とし且つ改質水を低温側として温度差を設ければ、熱発電素子はその温度差にて発電して、燃料電池部の発電出力に加えることが可能になる。
この場合、改質水は燃焼排ガスから熱を得て、蒸気になるので、熱発電素子と蒸気生成用熱交換器とを一体的に形成することによって、生成した蒸気は改質器に供給して使用し、残りの余剰な水蒸気を出力することができる。なお、改質水を低温側に利用した場合、改質水は蒸発潜熱にて熱発電素子を冷却することになるため温度上昇を効果的に抑え、熱発電素子に安定した温度差を与える作用をする。その結果、熱発電素子から安定した電気出力を取出すことが可能になり、燃料電池システムの電気出力増大に寄与する。これは燃料電池システムとして見た場合、発電に寄与しない燃料ガスを投入してオフガス利用燃焼部での排気再燃を行うことで見かけ上低下した発電効率を、熱発電素子を利用して一部回復させることに相当する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】燃料電池システムの概略構成図
【図２】第１実施形態における燃料電池システムの概略構成図
【図３】第２実施形態における燃料電池システムの概略構成図
【図４】熱発電素子の概略構成図
【図５】従来の燃料電池システムの概略構成図
【図６】従来の燃料電池システムを組み合わせたコージェネテーションシステムの概略構成図
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本発明に係る燃料電池システムの実施形態を図面に基づいて説明する。
以下、本発明に係る燃料電池システムについて説明するが、図５において説明した従来の燃料電池システムと同様の構成については、図５の燃料電池システムと同様の符号を記すことによりその説明は省略する。
〔第１実施形態〕
先ず、図１に示す燃料電池システム１０１について説明した後、図２に示す第１実施形態の燃料電池システムについて説明する。
図１に示す燃料電池システム１０１では、燃料電池部としてのＳＯＦＣスタック３から排出されるオフガスに燃料ガスを供給してオフガスに含まれる酸素を用いて燃料ガスを燃焼させるオフガス利用燃焼部１４と、そのオフガス利用燃焼部１４にて燃焼された燃焼排ガスが有する熱エネルギーを利用する熱エネルギー利用部１５とが設けられている。
【００３１】
オフガス利用燃焼部１４は、ＳＯＦＣスタック３から排出された直後のオフガスに燃料ガスを供給して燃料ガスを燃焼させる燃焼器にて構成されている。
オフガスに供給する燃料ガスは、オフガス利用燃焼部１４にてＳＯＦＣスタック３の下流で且つ改質器４もしくは水蒸気生成器５の上流に投入している。これにより、燃料ガスは、ＳＯＦＣスタック３で利用されなかった燃料ガスと共に、過剰の酸素で燃焼されて、燃料ガスの持つ発熱量相当の熱が増熱される。燃料ガスの燃焼に新気を追加しなければ、新気中の不活性成分を昇温する必要が無くなるので、より高い温度の燃焼排ガスが生成し、以降の熱交換が有利になると共に、温水として利用する際の熱量が増大する。
【００３２】
一方で、オフガス利用燃焼部１４に新気を追加しない限り、過剰酸素量には限界があるため、投入可能な燃料ガスの量、ひいては増熱量も制限される。この場合、省エネルギー効果は一部失われるものの、熱の利用の仕方によっては、有利となる場合もあり得る。新気を追加する場合は、オフガス利用燃焼部１４への一次空気としての供給が、燃焼の安定性向上面からも好ましい。
また、燃料電池は効率向上のため、できる限り過剰空気を抑えて運転するように設計されているが、そのため、カーボン析出等に余裕のない状態におかれている面がある。オフガス利用燃焼部１４での排気再燃を行えば、空気過剰気味で運転しても、その際の損失が一部相殺される効果が生じる。従って、無理な低空気過剰運転を行う必要が無くなり、セル寿命の延長等の有利な効果が見込まれる。
さらに、電気の負荷変動が大きい場合、改質器４の温度も連れて大きく変動し、改質触媒が有効に働けなくなって、改質性能が保てなくなる場合がある。このような場合に、燃料ガス量を制御して、発電出力と独立して改質器４の温度を制御することも可能である。これにより、ＳＯＦＣの負荷応答性が維持・改善すされることはもとより、セルの寿命延長にも繋がる効果が期待される。
【００３３】
熱エネルギー利用部１５が、オフガス利用燃焼部１４での燃焼排ガスを用いて、改質器４における燃料ガスの水蒸気改質、及び、少なくとも改質器４での水蒸気改質に用いる水蒸気を生成する水蒸気生成器５における水蒸気の生成の夫々を行い、その後の燃焼排ガスを用いて、空気予熱器６におけるＳＯＦＣスタック３に供給する空気の予熱、及び、排熱回収熱交換器７における温水の生成の夫々を行い、その生成された温水を出力するように構成されている。
尚、図１の点線で示すように、例えば、水蒸気生成器５にて生成した水蒸気の余剰分を外部へ出力することも可能である。
【００３４】
以上のように、図１に示す燃料電池システム１０１では、オフガス利用燃焼部１４が、ＳＯＦＣスタック３から排出された直後のオフガスに燃料ガスを供給して燃料ガスを燃焼させるように構成され、熱エネルギー利用部１５が、オフガス利用燃焼部１４の燃焼排ガスを用いて、改質器４における燃料ガスの水蒸気改質、及び、少なくとも水蒸気改質に用いる水蒸気を生成する水蒸気生成器５における水蒸気の生成の夫々を行い、その後の燃焼排ガスを用いて、空気予熱器６におけるＳＯＦＣスタック３に供給する空気の予熱及び温水の生成の夫々を行い、その生成された温水及び水蒸気生成器５にて生成した水蒸気の一部の何れか一方又は両方を出力するように構成されている。
このように構成することで、オフガス利用燃焼部１４にて排気再燃を行うに当り、オフガスが高温の場合が効果的になる。つまり、オフガスが高温であると、着火が容易となる。特に、オフガスが燃料ガスの自着火温度以上にある場合には、点火装置無しでも着火・燃焼でき、しかも、新気を追加しなくても、又は、複雑な保炎機構を有する燃焼器を使用しなくても、安定して燃焼させることができる。また、新気中の不活性成分の昇温に燃焼熱を要しないので、高温の燃焼ガスが得ることができる。したがって、熱エネルギー利用部１５では、オフガスと被加熱物との温度差を大きく取ることができるので、熱交換器の伝熱面積を縮小でき、効率を上げて熱エネルギーを利用することが可能になる。
また、オフガス利用燃焼部１４にて燃焼された燃焼排ガスが高温でしかも増量される効果によって、より、高い温度での熱エネルギーの利用が可能になる。したがって、従来、温水でしか出力できなかったが、蒸気としても出力することも可能になる。もちろん、蒸気を生成するために用いた後の燃焼排ガスは温水を生成するために用いることができ、温水と蒸気との両方を出力することも可能になる。
【００３５】
熱エネルギー利用部１５は、温水や蒸気を出力するのであるが、熱エネルギー利用部１５にて出力される温水や蒸気を用いてヒートポンプ装置１６を駆動させるように構成されている。つまり、熱エネルギー利用部１５は、ヒートポンプ装置１６の駆動源として熱エネルギーを出力するように構成されている。
オフガス利用燃焼部１４での排気再燃においては、ＳＯＦＣスタック３からのオフガスを利用する限り、燃料ガス投入量がオフガスの量と酸素濃度に支配される。それを脱するためには新気の追加が必要になるが、その分省エネルギー効果が薄れることになる。そこで、できる限り新気の追加量を抑えて排気再燃を行い、更なる増熱は、熱エネルギー利用部１５から出力される温水や蒸気を用いて、ヒートポンプ装置１６により大気等から汲み上げている。そのために、ヒートポンプ装置１６は、熱エネルギー利用部１５から出力される温水や蒸気を駆動源とする、熱駆動式のヒートポンプ装置（ケミカルヒートポンプ装置、吸着式ヒートポンプ装置、吸収式ヒートポンプ装置等）を利用している。この熱駆動式のヒートポンプ装置１６は、発電した電力をほとんど消費しないので、取出し電力量が低下しない。また、夏期等には熱駆動式のヒートポンプ装置１６を冷凍機として使用して、ヒートポンプ装置１６の稼働率を向上させるとともに、熱エネルギー利用部１５から出力される温水や蒸気を用いて冷熱の出力としても取り出すことができる。
【００３６】
この燃料電池システム１０１では、改質器４で使用する水蒸気は、排熱回収熱交換器７にてＳＯＦＣスタック３から排出されたオフガスを冷却し、そのオフガスに含まれる水蒸気を凝縮させて分離した燃焼生成水から生成している。水道水を利用する場合には、純水装置８によって水処理する必要があるが、使用するイオン交換樹脂等は、通水量に応じて交換する必要があり、そのコストが問題になる。脱硫された燃料ガスを比較的低温で反応（燃焼）させて発生するオフガスは、硫黄酸化物や窒素酸化物を含まないため、凝縮水も不純物をほとんど含まず、ほとんどそのまま利用できる。したがって、排熱回収熱交換器７にて生成した凝縮水を用いて改質器４で使用する水蒸気を生成することができ、コストの問題を解消できる。
脱硫した燃料ガスを用いることにより、酸素濃度が低下したオフガスは、露点が上昇するため、排熱回収熱交換器７にて比較的高い温度で凝縮水を回収することが可能になる。これは、凝縮熱を温水として回収利用する際に、より高い温度で多量の温水が回収できることを意味し、熱利用の用途と量の拡大効果をもたらす。
【００３７】
次に、第１実施形態の燃料電池システム１０２について説明する。
第１実施形態の燃料電池システム１０２は、図１を参照して説明した上記燃料電池システム１０１とは、オフガス利用燃焼部１４及び熱エネルギー利用部１５について構成が異なっている。その他の構成は、上記燃料電池システム１０１と同様であるので説明は省略する。
【００３８】
第１実施形態の燃料電池システム１０２では、図２に示すように、オフガス利用燃焼部１４が、改質器４における燃料ガスの水蒸気改質、及び、空気予熱器６における空気の予熱の夫々を行うために用いられた後のオフガスに燃料ガスを供給して燃料ガスを燃焼させるオフガス燃焼器１４ａと、オフガス燃焼器１４ａから排出される燃焼排ガスにてオフガス燃焼器１４ａに供給する前のオフガスを予熱する予熱部１４ｂとを備えて構成されている。このようにして、オフガス燃焼器１４ａは、改質器４における燃料ガスの水蒸気改質を行うために用いられた後のオフガスに燃料ガスを供給して燃料ガスを燃焼させている。
【００３９】
予熱部１４ｂは、リジェネレイティブ燃焼の再生器として使用しており、温度の低下したオフガスを昇温して、低酸素濃度下でも燃焼可能にしてからオフガス燃焼器１４ａでの燃焼を行っている。
熱エネルギー利用部１５は、オフガス利用燃焼部１４の燃焼排ガスを用いて、水蒸気生成器１７における水蒸気の生成を行い、水蒸気生成器１７にて生成された水蒸気の一部を出力するように構成されている。つまり、図２では、図５の従来の燃料電池システム１００において発電ユニット１内に設けていた水蒸気生成器５を発電ユニット１の外部に取出して新たな水蒸気生成器１７とし、その水蒸気生成器１７を蒸気ボイラとして構成している。
発電ユニット１内に設けられていた水蒸気生成器５を取り止めた効果による増熱分と投入する燃料ガスの増熱分が合わさった熱量を持つオフガスが、新たに設けた水蒸気生成器１７に入って蒸気を発生させ、改質器４への供給のみならず、外部への蒸気出力も可能としている。もちろん、水蒸気生成器１７に、温水熱交換器を別に設ければ、温水を生成することもできる。
この第１実施形態では、予熱部１４ｂを追加で必要とするものの、発電ユニット１の主要部は従来と大きな変更無く構成できる点が特長である。図２では、発電ユニット１内に設けられていた水蒸気生成器５を取り止めているが、図５の従来の燃料電池システム１００と同様に、発電ユニット１内に水蒸気生成器の機能の一部としての水蒸気生成器（スーパーヒーター）５を残すことも可能である。
【００４０】
〔第２実施形態〕
第２実施形態の燃料電池システム１０３では、図３に示すように、水蒸気生成器５に、オフガス利用燃焼部１４の燃焼排ガスと改質水との熱交換により水蒸気を生成する蒸気生成用熱交換器１８が備えられている。その他の構成は、上記燃料電池システム１０１と同様であるので説明は省略する。
【００４１】
蒸気生成用熱交換器１８には、オフガス利用燃焼部１４の燃焼排ガスと改質水との温度差に基づいて発電する複数の熱発電素子１９が設けられている。
複数の熱発電素子１９の夫々は、図４に示すように、円筒状に形成してあり、蒸気生成用熱交換器１８の管部材１８ａに外嵌されている。複数の熱発電素子１９は、例えば酸化物型であり、複数のｐ型熱発電素子１９ａと複数のｎ型熱発電素子１９ｂとから構成されている。ｐ型熱発電素子１９ａとｎ型熱発電素子１９ｂとは、その間に絶縁層２０を設けて管部材１８ａの長手方向に交互に配置されている。管部材１８ａの長手方向において隣接するｐ型熱発電素子１９ａとｎ型熱発電素子１９ｂとを絶縁層２０を跨いで接続する導電膜２１が設けられている。導電膜２１は、管部材１８ａの長手方向において熱発電素子１９の外周部側と熱発電素子１９の内周部側（図示省略）とに交互に配置されており、全ての熱発電素子１９を接続している。管部材１８ａの長手方向において両端に配置された熱発電素子１９には導線が接続され、発電した電力を出力している。
【００４２】
熱発電素子１９は、素子両端の温度差を利用して発電するものであるが、高温側を燃焼排ガスとし且つ低温側を改質水として、温度差を設けている。低温側を蒸発水で冷却することにより、沸点相当の温度の蒸発潜熱を利用したヒートシンクとして有効に機能させている。
熱発電素子１９にて発電された電力は、インバーター９に送られ、燃料電池出力に加えられて出力される。一方、改質水は蒸気として利用され、改質器４で改質用蒸気として使用される。もちろん、水蒸気生成器５にて生成した水蒸気に余剰があれば、図３の点線で示すように、外部に蒸気を出力することも可能である。
【００４３】
このように、投入する燃料ガスの保有熱量を単に熱にするだけではなく、電気としての利用を可能にして、エネルギーの利用価値を高めている点に特長がある。オフガス利用燃焼部１４での排気再燃を行って増熱を図れば、投入する燃料ガスの発熱量に応じて燃料電池システムとして見た場合の発電効率は低下することになるが、本構成はその一部を相殺するものである。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、燃料ガスと空気とを反応させて発電する燃料電池部を備え、熱出力の増大を図ることができ、コストも低減できる各種の燃料電池システムに適応可能である。
【符号の説明】
【００４５】
３          燃料電池部（ＳＯＦＣスタック）
４          改質器
５、１７    水蒸気生成器
６          空気予熱器
１４        オフガス利用燃焼部
１４ａ      オフガス燃焼器
１４ｂ      オフガス予熱器
１５        熱エネルギー利用部
１６        ヒートポンプ装置
１８        蒸気生成用熱交換器
１９        熱発電素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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