(57)【要約】【課題】効率を向上させることができる固体電解質型燃料電池システムを提供する。【解決手段】ＳＯＦＣ１１から排出される排燃料の一部は、排燃料冷却器２４で冷却された後、排燃料ファン２５でシステムの外部から投入された燃料に混合される。このようにして排燃料が混合された燃料は、燃料加熱器２６で昇温され、ＳＯＦＣ１１に投入される。これにより、排燃料の再循環が行われ、排燃料中の未反応の水素を再利用して発電効率を向上させることができると共にＳＯＦＣ１１の燃料量が増えることによりＳＯＦＣ１１の出口の燃料温度が高くなることが抑制され、ＳＯＦＣ１１及び配管等の耐久性及び信頼性が向上する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質型燃料電池から排出された排燃料の一部を燃料電池に再循環させるシステムにおいて、
燃料電池から排出された排燃料の一部を冷却する冷却器と、
前記冷却器で冷却された排燃料を供給燃料に混合させるための排燃料ファンと、
排燃料が混合された供給燃料を昇温させる燃料加熱器と
を備えたことを特徴とする固体電解質型燃料電池システム。
【請求項２】
固体電解質型燃料電池から排出された排燃料の一部を燃料電池に再循環させるシステムにおいて、
燃料電池から排出された排燃料と排空気とを混合して燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器からの排ガスの熱を回収する熱交換器と、
前記熱交換器から排出された排ガスをドライブガスとして燃料電池から排出された排燃料の一部を燃料電池に再循環させるためのエゼクタと
を備えたことを特徴とする固体電解質型燃料電池システム。
【請求項３】
固体電解質型燃料電池から排出された排燃料の一部を燃料電池に再循環させるシステムにおいて、
燃料電池から排出された排燃料と排空気とを混合して燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器からの排ガスの熱を利用して水蒸気を製造する蒸発器と、
前記蒸発器で製造された水蒸気をドライブガスとして燃料電池から排出された排燃料の一部を燃料電池に再循環させるためのエゼクタと
を備えたことを特徴とする固体電解質型燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、固体電解質型燃料電池システムに係り、特に燃料電池本体から排出された燃料排ガスの一部を再循環させるシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）を用いたコジェネレーションシステムの構成を図８に示す。ＳＯＦＣ１は、例えば脱硫装置２で脱硫された天然ガスを燃料とし、空気を酸化剤として１０００℃程度の高温下での反応により発電を行うものである。ＳＯＦＣ１から排出された高温の排ガスを排熱回収ボイラ３に導入することにより、ここで温水あるいは蒸気が製造され、各種用途に利用される。なお、ＳＯＦＣ１での反応に供される空気は排熱回収ボイラ３で予熱された後にＳＯＦＣ１に供給される。
このようなコジェネレーションシステムにより発電と共に熱利用を図ることが可能となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、ＳＯＦＣ１からの高温の排ガスを排熱回収ボイラ３に一度通すだけでは十分な熱回収を行うことができなかった。システムとしての効率が満足し得るものではなかった。特に、高圧の蒸発器にＳＯＦＣ１からの排ガスを導入して、例えば１０ｋｇｆ／ｃｍ２、１７５℃程度の吸収冷凍機用蒸気を製造しようとしても、熱回収は満足し得るものではなく、コジェネレーションシステムとしての効率は低いものであった。
この発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、効率を向上させることができる固体電解質型燃料電池システム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】
【０００４】
第１の発明に係る固体電解質型燃料電池システムは、固体電解質型燃料電池から排出された排燃料の一部を燃料電池に再循環させるシステムにおいて、燃料電池から排出された排燃料の一部を冷却する冷却器と、冷却器で冷却された排燃料を供給燃料に混合させるための排燃料ファンと、排燃料が混合された供給燃料を昇温させる燃料加熱器とを備えたものである。
第２の発明に係る固体電解質型燃料電池システムは、固体電解質型燃料電池から排出された排燃料の一部を燃料電池に再循環させるシステムにおいて、燃料電池から排出された排燃料と排空気とを混合して燃焼させる燃焼器と、燃焼器からの排ガスの熱を回収する熱交換器と、熱交換器から排出された排ガスをドライブガスとして燃料電池から排出された排燃料の一部を燃料電池に再循環させるためのエゼクタとを備えたものである。
また、第３の発明に係る固体電解質型燃料電池システムは、固体電解質型燃料電池から排出された排燃料の一部を燃料電池に再循環させるシステムにおいて、燃料電池から排出された排燃料と排空気とを混合して燃焼させる燃焼器と、燃焼器からの排ガスの熱を利用して水蒸気を製造する蒸発器と、蒸発器で製造された水蒸気をドライブガスとして燃料電池から排出された排燃料の一部を燃料電池に再循環させるためのエゼクタとを備えたものである。
【発明の効果】
【０００５】
第１の発明によれば、燃料電池から排出された排燃料の一部を冷却器で冷却した後に排燃料ファンでこの排燃料を供給燃料に混合させるようにするため、排燃料の再循環を行うことが可能となり、排燃料中の未反応の水素を再利用することができ、発電効率が向上する。また、ＳＯＦＣの燃料量が増えることによりＳＯＦＣの出口の燃料温度が高くなることが抑制され、ＳＯＦＣ及び配管等の耐久性及び信頼性が向上する。
第２の発明によれば、熱交換器から排出された排ガスをドライブガスとしてエゼクタが燃料電池から排出された排燃料の一部を燃料電池に再循環させるので、排燃料中の未反応の水素を再利用して発電効率を向上させることができると共にＳＯＦＣ１１の燃料量が増えることによりＳＯＦＣ１１の出口の燃料温度が高くなることが抑制され、ＳＯＦＣ１１及び配管等の耐久性及び信頼性が向上する。
また、第３の発明によれば、蒸発器で製造された水蒸気をドライブガスとしてエゼクタが燃料電池から排出された排燃料の一部を燃料電池に再循環させるので、排燃料中の未反応の水素を再利用して発電効率を向上させることができると共にＳＯＦＣ１１の燃料量が増えることによりＳＯＦＣ１１の出口の燃料温度が高くなることが抑制され、ＳＯＦＣ１１及び配管等の耐久性及び信頼性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１にこの発明の実施の形態１に係る固体電解質型燃料電池システムの構成を示す。ＳＯＦＣ（固体電解質型燃料電池）１１の排燃料及び排空気の排出口に燃焼器１２が接続され、燃焼器１２の下流側に第２の空気予熱器１３、蒸発器１４及び第１の空気予熱器１５が順次接続されている。第１の空気予熱器１５の下流側にはコンプレッサ１６が配設され、コンプレッサ１６の出口がエゼクタ１７を介してＳＯＦＣ１１の燃料投入口に接続されている。エゼクタ１７にはＳＯＦＣ１１の排燃料ラインが接続されている。
また、第１の空気予熱器１５には、空気を供給するための空気ファン１８が接続され、第１の空気予熱器１５を出た空気ラインはＳＯＦＣ１１及びシステム全体からのヒートロス回収のためＳＯＦＣ１１内もしくは外部に設けられたインテーク空気熱交換器１９（図ではＳＯＦＣ内に配置されたものを示しているがＳＯＦＣ外部に設けても良い。以下同じ）及び第２の空気予熱器１３を介してＳＯＦＣ１１の空気投入口に接続されている。
なお、蒸発器１４はこの発明の第１の熱回収器を形成している。
【０００７】
次に、この実施の形態１の動作について説明する。ＳＯＦＣ１１に燃料と空気とが供給され、１０００℃程度の高温下で反応が進んで発電が行われる。ＳＯＦＣ１１から排出された高温の排燃料と排空気は燃焼器１２に送られ、ここで未反応の水素が完全燃焼する。燃焼器１２から排出された高温の排ガスは第２の空気予熱器１３、蒸発器１４及び第１の空気予熱器１５でそれぞれ熱交換することにより降温された後、この排ガスの一部がコンプレッサ１６により圧縮され、外部から投入された燃料と共にドライブガスとしてエゼクタ１７に所定の圧力で供給される。これにより、ＳＯＦＣ１１から排出された排燃料の一部がエゼクタ１７へ吸引され、第１の空気予熱器１５を通った排ガス及び外部から投入された燃料と共にＳＯＦＣ１１に投入される。
【０００８】
一方、空気ファン１８によって外部から送り込まれた空気は第１の空気予熱器１５で予熱されてから、ＳＯＦＣ１１内のインテーク空気熱交換器１９で再度予熱され、さらに第２の空気予熱器１３で予熱された後にＳＯＦＣ１１に投入される。
また、蒸発器１４には水あるいは温水が供給され、ここで第２の空気予熱器１３から排出された高温の排ガスにより加熱されて水蒸気が製造される。この水蒸気は蒸気機関等で各種の用途に使用される。
【０００９】
このように、ＳＯＦＣ１１から排出された排燃料と排空気を燃焼器１２で燃焼させるので、未反応の水素がシステム外に排出されることがなく、システムの安全性が確保される。また、燃焼器１２から排出された高温の排ガスを第２の空気予熱器１３、蒸発器１４及び第１の空気予熱器１５でそれぞれ熱交換するように構成したので、排ガスの熱回収を十分に行うことができ、システムの効率が向上する。さらに、ＳＯＦＣ１１内のインテーク空気熱交換器１９で供給空気を予熱するので、熱損失が低減される。
また、排ガスを利用してエゼクタ１７により排燃料の一部を再循環させるので、排燃料中の未反応の水素を再利用して発電効率を向上させることができると共にＳＯＦＣ１１の燃料量が増えることによりＳＯＦＣ１１の出口の燃料温度が高くなることが抑制され、ＳＯＦＣ１１及び配管等の耐久性及び信頼性が向上する。
【００１０】
実施の形態２．
実施の形態２に係る固体電解質型燃料電池システムの構成を図２に示す。このシステムは、図１に示した実施の形態１のシステムにおいて、ＳＯＦＣ１１と燃焼器１２との間に第２の熱回収器となるもう一つの蒸発器２０を介在させたものである。
この蒸発器２０によりＳＯＦＣ１１から排出された高温の排燃料の熱を利用して水蒸気を製造することができると同時に、蒸発器２０で熱交換がなされるので燃焼器１２に導入される排燃料の温度が低減され、燃焼器１２内における燃焼温度が低減される。その結果、燃焼器１２や第２の空気予熱器１３及び第２の空気予熱器１５にＳＵＳ等の汎用材料を使用することができ、コストダウンを図ることが可能となる。
【００１１】
なお、蒸発器２０をＳＯＦＣ１１からの排燃料のラインではなく、排空気のラインに介在させることもできる。また、第２の熱回収器として蒸発器２０の代わりに温水加熱器や空気予熱器を用いてもよい。
図２においては、二つの蒸発器１４及び２０を直列に接続したが、これに限るものではなく、蒸発器１４及び２０をそれぞれ独立して使用することもできる。
【００１２】
実施の形態３．
実施の形態３に係る固体電解質型燃料電池システムの構成を図３に示す。このシステムは、図１に示した実施の形態１のシステムにおいて、第１の空気予熱器１５の下流側の低温の排ガスを燃焼器１２内に導入して燃焼器１２内における燃焼温度を低減しようとするものである。これにより、燃焼器１２や第２の空気予熱器１３及び第２の空気予熱器１５にＳＵＳ等の汎用材料を使用することができ、コストダウンを図ることが可能となる。
なお、第１の空気予熱器１５の下流側の排ガス量が不足する場合には、図２に示されるように、コンプレッサ１６の出口側と燃焼器１２との間にエゼクタ２１を配置し、エゼクタ２１に第１の空気予熱器１５の下流側を接続することが好ましい。コンプレッサ１６により圧縮された排ガスにより、第１の空気予熱器１５の下流側の排ガスがエゼクタ２１へ吸引され、燃焼器１２に投入される。
なお、実施の形態２のシステムにおいて、第１の空気予熱器１５の下流側の排ガスを燃焼器１２内に導入するように構成してもよい。
【００１３】
実施の形態４．
実施の形態４に係る固体電解質型燃料電池システムの構成を図４に示す。このシステムは、図３に示した実施の形態３のシステムにおいて、ＳＯＦＣ１１に投入される燃料と空気との間で熱交換させる空気／燃料熱交換器２２を設けたものである。このようにすることにより、ＳＯＦＣ１１に投入される燃料と空気の温度差が低減され、ＳＯＦＣ１１内に使用されているセラミック等の材料の耐久性が向上する。
空気／燃料熱交換器２２は、実施の形態１または２のシステムに組み込むこともできる。
【００１４】
実施の形態５．
実施の形態５に係る固体電解質型燃料電池システムの構成を図５に示す。このシステムは、図４に示した実施の形態４のシステムにおいて、エゼクタ１７の上流側に燃料予熱器２３を配設し、エゼクタ１７により再循環される排燃料をこの燃料予熱器２３に導入するようにしたものである。これにより、システムの外部から投入された燃料は再循環される排燃料の熱によって予熱され、自己着火温度に達した時点で燃焼する。このため、エゼクタ１７での燃料の燃焼を防止することができ、システム運転の安全性が確保される。
この燃料予熱器２３は実施の形態４のシステムに限らず、実施の形態１〜３の各システムに適用することもできる。
なお、上記の実施の形態１〜５において、第１の熱回収器として蒸発器１４の代わりに温水加熱器を用いることもできる。
【００１５】
実施の形態６．
実施の形態６に係る固体電解質型燃料電池システムの要部構成を図６に示す。このシステムは、ＳＯＦＣ１１から排出される排燃料の一部を排燃料冷却器２４で冷却すると共にこの排燃料を排燃料ファン２５でシステムの外部から投入された燃料に混合し、さらに排燃料が混合された燃料を燃料加熱器２６で昇温させてＳＯＦＣ１１に投入するようにしたものである。このような構成とすることにより、実施の形態１〜５に示したエゼクタ１７の代わりに排燃料ファン２５を用いて排燃料を再循環させることができる。ただし、排燃料ファン２５が使用できる温度にまで排燃料を排燃料冷却器２４で冷却する必要がある。また、ＳＯＦＣ１１に投入するために、燃料加熱器２６で加熱している。
【００１６】
実施の形態７．
実施の形態７に係る固体電解質型燃料電池システムの要部構成を図７に示す。このシステムは、第１の熱回収器である蒸発器１４で製造された水蒸気をドライブガスとしてエゼクタ１７に導入し、水蒸気の圧力によってＳＯＦＣ１１から排出された排燃料の一部をエゼクタ１７に吸引して再循環させるようにしたものである。エゼクタ１７の下流側あるいは上流側で外部から燃料が投入され、排燃料と共にＳＯＦＣ１１に供給される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】この発明の実施の形態１に係る固体電解質型燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】実施の形態２に係る固体電解質型燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図３】実施の形態３に係る固体電解質型燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図４】実施の形態４に係る固体電解質型燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図５】実施の形態５に係る固体電解質型燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図６】実施の形態６に係る固体電解質型燃料電池システムの要部構成を示すブロック図である。
【図７】実施の形態７に係る固体電解質型燃料電池システムの要部構成を示すブロック図である。
【図８】固体電解質型燃料電池を用いたコジェネレーションシステムの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００１８】
１１  ＳＯＦＣ、１２  燃焼器、１３  第２の空気予熱器、１４，２０  蒸発器、１５  第１の空気予熱器、１６  コンプレッサ、１７，２１  エゼクタ、１８  空気ファン、１９  インテーク空気熱交換器、２２  空気／燃料熱交換器、２３  燃料予熱器、２４  排燃料冷却器、２５  排燃料ファン、２６  燃料加熱器。
【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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【図７】
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【図８】
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