(57)【要約】【課題】  燃料改質に必要な水分の全量を燃料排ガスから得ることのできる燃料電池システムを提供する。【解決手段】  燃料改質器１１を備えた固体酸化物型燃料電池１において、燃料極２側からの燃料排ガスの所望量を分配路６に分配させ、分配した燃料排ガスを凝縮器１２に送り込んで凝縮水を生成する。その凝縮水を他の市水を用いることなく原燃料Ｇと混合し、燃料改質器１１に送り込み、改質後の燃料ガスを燃料極２へ送り込む。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料改質器を備えた固体酸化物型燃料電池の燃料極側からの燃料排ガス流路に燃料排ガス分配路を設け、該分配路に分配した水蒸気を含む燃料排ガス中から潜熱を回収して凝縮水を得ることのできる凝縮器を配置し、生成した凝縮水を原燃料と混合して燃料改質器に送り込むようになっていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
分配路への燃料排ガスの分配量を調節することのできる流量調整手段をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
凝縮器は生成した凝縮水と流入する燃料排ガスとの熱交換手段を備えており、生成された凝縮水は凝縮器での熱交換により加熱された後、原燃料と混合するようになっていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
燃料改質器を備えた固体酸化物型燃料電池の燃料極への燃料ガス供給方法であって、燃料極側からの水蒸気を含む燃料排ガスの所望量を分配路に分配させ、該所望量に分配した燃料排ガスを凝縮器に送り込んで凝縮水を生成し、他の市水を用いることなく生成した凝縮水のみを原燃料と混合した後、燃料改質器に送り込み、改質後の燃料ガスを燃料極へ送り込むことを特徴とする燃料ガス供給方法。
【請求項５】
生成された凝縮水を熱交換器で熱交換することにより加熱し、加熱された凝縮水を原燃料と混合することを特徴とする請求項４に記載の燃料ガス供給方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物型燃料電池を用いた燃料電池システムとその燃料極への燃料ガス供給方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１、特許文献２等に記載のように、燃料電池の１つとして固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）が知られている。ＳＯＦＣは作動温度が８００℃〜１０００℃と高く、純水素だけでなくメタン、一酸化炭素等も燃料として直接発電に利用できる。そのために、都市ガスやＬＰガスをＳＯＦＣの燃料として用いることが行われるが、都市ガスは、主成分であるメタンに加え、炭素数Ｃ２〜Ｃ４であるエタン、プロパン、ブタン等を含んでいるので、メタンおよびＣ２以上の炭化水素を、最終的に、水素、一酸化炭素に改質する改質処理が行われ、改質後の燃料ガスが燃料としてＳＯＦＣの燃料極に送られる。
【０００３】
上記した改質処理は、一般的に、原燃料としての都市ガスと加熱水蒸気とを混合し、それを改質触媒と接触させることにより行われる。前記特許文献１、２には、原燃料（都市ガス）と加熱水蒸気との混合を、市水を水蒸気化して都市ガスと混合するか、ＳＯＦＣの燃料極側の燃料排ガスは高温でありかつ発電生成物である水（水蒸気）を含んでいることから、水蒸気を含んだ排ガスを原燃料（都市ガス）と混合するか、あるいは、その双方により行うことが記載されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平７−２３０８１６号公報
【特許文献２】特開２００３−２２９１６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃料改質に伴う水蒸気供給に際して、市水を用いる場合、市水に含まれる不純物を除くための水処理装置を別途設けることが必要となる。燃料排ガスに含まれる水分（水蒸気）は市水と比較すると純度の高い水分であり、水蒸気を含む燃料排ガスから改質に必要な純水を得ることができれば、発電システム内での水供給を実質的に完結することができ、システム外に設ける水供給施設や水処理施設を省略できるか、大きく簡素化することができて、燃料電池システムの簡素化が図られる。
【０００６】
ＳＯＦＣを備える燃料電池システムの場合、燃料排ガス中には燃料改質に必要とされる充分な水分量と充分な熱量とが含まれており、理論上は、外部から市水を導入することなく所要の燃料改質を行うことができる。しかし、ＳＯＦＣは作動温度が８００℃〜１０００℃と高く、燃料排ガスの温度もそのように高温度であって、その温度に耐え得るファン等が汎用品として存在しないことから、燃料排ガスを循環させて原燃料としての都市ガスに混合することはきわめて困難であり、事実上は不可能に近い。適宜の熱交換器を通過させて燃料排ガスの温度をある程度まで下げることはできるが、燃料排ガスを全量熱交換させると、その熱量の大きさから潜熱まで回収することは容易でなく、コジェネシステムでの場合のように大がかりな外部凝縮器を別途配置しないと凝縮水が得られない。
【０００７】
そのようなことから、発電装置としてのＳＯＦＣを備える燃料電池システムにおいて、原燃料の改質に必要な純水の全量を燃料排ガスから調達することは、実機レベルでは実用化に至っていないのが実情である。本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、燃料改質器を備えた固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を備える燃料電池システムにおいて、燃料改質に必要な純水の全量を燃料排ガス中から調達することを、発電装置としての実機レベルで可能とした燃料電池システム、および電池燃料極への燃料ガス供給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】
【０００８】
本発明による燃料電池システムは、基本的に、燃料改質器を備えた固体酸化物型燃料電池の燃料極側からの燃料排ガス流路に燃料排ガス分配路を設け、該分配路に分配した水蒸気を含む燃料排ガス中から潜熱を回収して凝縮水を得ることのできる凝縮器を配置し、生成した凝縮水を原燃料と混合して燃料改質器に送り込むようになっていることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明による燃料ガス供給方法は、基本的に、燃料改質器を備えた固体酸化物型燃料電池の燃料極への燃料ガス供給方法であって、燃料極側からの水蒸気を含む燃料排ガスの所望量を分配路に分配させ、該所望量に分配した燃料排ガスを凝縮器に送り込んで凝縮水を生成し、他の市水を用いることなく生成した凝縮水のみを原燃料と混合した後、燃料改質器に送り込み、改質後の燃料ガスを燃料極へ送り込むことを特徴とする。
【００１０】
本発明では、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の運転中に、供給される原燃料（例えば都市ガス）の改質に必要な量（あるいはそれよりもわずかに多い量）の純水を生成できるだけの水蒸気を含む量の燃料排ガスを、燃料排ガスの全量から分配して使用する。そして、凝縮器で分配した燃料排ガスから潜熱まで回収して凝縮水を生成し、それを、他の市水等を用いることなく、原燃料と混合して所用の改質を行う。高温の燃料排ガスの全量ではなく、分配した量に対する熱回収処理であり、通常入手できる凝縮器で十分対処可能となる。また、市水を使用しないので、外部に水浄化装置等を設置する必要がないか、もしくは水浄化装置を簡略化することができて、システムへの水供給をシステム内で完結することができるので、システムの簡素化が図れる。凝縮水の生成に寄与しなかった燃料排ガスは、高い熱エネルギーを保有したままで、他の排熱利用部に回すことができ、全体としての熱効率も向上する。
【００１１】
分配量をどの程度とするかは、当該燃料電池システムで使用する固体酸化物型燃料電池の発電容量あるいは運転時の能力負荷割合等によって変動するので、実際の運転環境に合わせて、計算によりあるいは実測しながら、最適な量を選定すればよい。そのために、分配路への燃料排ガスの分配量を連続的にあいるは段階的に調節することのできる流量調整手段を備えることは好ましい。実運転で燃料改質に必要となる最大燃料排ガス量を予め予測しておき、その量の燃料排ガスを分配する固定バイパス路を分配路として設けるようにしてもよい。この場合、低負荷運転時に多少のエルネギーロスが生じるが、システムはより簡素化とされる。
【００１２】
凝縮水は加熱あるいは水蒸気化して原燃料と混合することが望まれる。そのために、凝縮器に、生成した凝縮水と流入する燃料排ガスとの熱交換手段を備えるようにし、生成した凝縮水を燃料排ガスの熱と凝縮器で熱交換して加熱した後、原燃料と混合するように構成することは、より好ましくかつ現実的に態様となる。また、分配した燃料排ガスは量的には少なくなっているとしても、依然として大きな熱量を備えているので、凝縮器での熱回収負担を低減するために、分配した燃料排ガスが凝縮器に至る途中で、燃料排ガスと他の材料との間で所用の熱交換を行えるようにシステムを構築することは望ましい。熱交換を行う他の材料として、例えば、空気極に送られる空気（酸化剤）、都市ガスのような原燃料、改質後の燃料ガス等が上げられる。
【００１３】
本発明において、固体酸化物型燃料電池および燃料改質器は、前記した特許文献１や２に記載されるような、従来知られたものをそのまま用いることができる。また、凝縮器も同様であり、既存の凝縮器をそのまま用いることができる。さらに、本発明において、起動時や急激な負荷変動時等のように、改質に必要な量の水蒸気を含んだ燃料排ガスを調達できないことが起こり得ることが予測される場合には、市水を補助的に供給できるようにしておくこともできる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、燃料改質器を備えた固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を備える発電装置としての燃電池システムにおいて、燃料改質に必要な純水の全量を燃料排ガス中から調達することが実機レベルで可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明による燃料電池システムを示す系統図である。
【００１６】
図１において、１は固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の発電部であり、燃料極２と空気極３をを持つ。発電に伴い、燃料極２および空気極３からは１０００℃程度の排ガスが排出される。燃料極２からの燃料排ガスは発電生成物としての水（水蒸気）を含んでいる。燃料排ガスの排ガス流路４には、流量調整機能を備えた分配弁５が設けられ、そこから分配管路６が分配している。
【００１７】
ＳＯＦＣの燃料極２側には原燃料である都市ガスを改質した燃料ガスが供給され、空気極３には空気（酸化剤）が供給される。この例において、空気供給路７には空気用の熱交換器８が配置されており、燃料供給路９には燃料用の熱交換器１０と改質器１１が配置されている。燃料供給路９には、限定されるものではないがこの例では原燃料として都市ガスＧが供給される。
【００１８】
分配弁５で分配された量の燃料排ガスは分配管路６を通り、改質器１１および空気用の熱交換器８、燃料用の熱交換器１０で熱を放出しながら、凝縮器１２に流入する。凝縮器１２は流入した燃料排ガスから水蒸気の持つ顕熱までを回収し、それにより凝縮水が生成される。水以外の成分は排ガスとして排出される。生成された凝縮水はシスターン１３に集められ、そこから水管路１４を通り、凝縮器１２内を流れる燃料排ガスと熱交換して加熱される。
【００１９】
加熱された凝縮水は、燃料供給路９内を流れる原燃料（都市ガスＧ）と共に燃料用の熱交換器１０に流入してさらに加熱された後、改質器１１に流入し、一例として、ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２  のような従来知られた反応が進み、原燃料はＳＯＦＣ用の燃料ガスに改質される。そして改質された燃料ガスがＳＯＦＣ１の燃料極２に供給され、ＳＯＦＣ１内では、空気極３に供給された空気（酸素）との間で、Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ＋電気、の反応が進行して電気が得られると共に、生成された水（Ｈ２Ｏ）は燃料排ガスと共に排出される。
【００２０】
前記したように、ＳＯＦＣでの燃料排ガスは１０００℃程度の高温であり熱量が大きく、また多量の水分を含む。その全量を通常の熱交換手段（凝縮器）により熱交換しても、その熱量の大きさから顕熱までを回収することができず、凝縮水を得るのは容易でない。本発明のシステムでは、必要量の燃料排ガスのみを例えば分配弁５により分岐させた後、通常の凝縮器１２に分配し、そこで熱回収して凝縮水の生成を行うようにしたので、システム内で改質に必要な水を供給することを実機レベルで行うことが可能となる。
【００２１】
図２は燃料排ガス分配率とＳＯＦＣの能力負荷との関係の一例を示すグラフである。この例では、負荷１００％のときに７０％程度の燃料排ガス分配を必要とし、負荷５０％では８５％程度の燃料排ガス分配を必要としている。そして、両者はほぼ直線的に変化する関係にあることがわかる。このことから、排ガス流路４に配置した流量調整機能を備えた分配弁５をＳＯＦＣの能力負荷に応じて制御することにより、高い熱効率で運転を行えることがわかる。一方、最大分配率が８５％程度であることから、流量調整機能を備えた分配弁５を用いることなく、固定分配量の分配弁を備えておいても、支障なくＳＯＦＣの運転を継続して行いうることもわかる。
【００２２】
なお、特に図示しないが、必要時（例えば、起動時や急激な負荷変動時等）に燃料改質に市水を供給できるシステムをさらに組み込むことも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明による燃料電池システムを示す系統図。
【図２】燃料排ガス分配率とＳＯＦＣの能力負荷との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
【００２４】
１…固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）、２…燃料極、３…空気極、４…燃料排ガス流路、５…分配弁、６…分配管路、７…空気供給路、８…空気用の熱交換器、９…燃料供給路、１０…燃料用の熱交換器、１１…燃料改質器、１２…凝縮器、１３…シスターン、１４…水管路、Ｇ…都市ガス（原燃料）
【図１】
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【図２】
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