(57)【要約】【課題】燃料電池システムにおける発電効率を向上させつつ、外部へ排出するガスの温度を効果的に低下させることができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】気化器１２には、二重管２０が接続されている。二重管２０の外側流路２４には、筐体１１外にあるガス源が接続されており、ブロアＢ１により原料ガスとしてのメタンが流入される。二重管２０の内側流路２２には、ポンプＰにより筐体１１外から水（液相）が流入される。【選択図】図１
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【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セルスタックと、
前記燃料電池セルスタックから排出されたアノードオフガスを燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器から排出されシステム系外へ排出される直前の燃焼排ガスと、前記燃料電池セルスタックへ向かうシステム系内へ供給される供給流体との間で熱交換する熱交換部と、
少なくとも前記燃料電池セルスタック及び前記燃焼器を収容する筐体と、
前記供給流体を前記筐体内の雰囲気から隔離しつつ前記熱交換部へ導入する低温保持導入部と、
を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
前記低温保持導入部は、前記供給流体を流通させる内側流路と、前記内側流路の外周に設けられた外側流路と、を有する二重管を含んで構成されている、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】
前記外側流路には、前記内側流路に流通させる前記供給流体よりも熱伝導率が低い流体を流通させること、を特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記外側流路には、前記内側流路に流通させる前記供給流体よりも高温の流体を流通させること、を特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
原料ガスを改質して前記燃料ガスを生成する改質器をさらに備え、
前記熱交換部は、前記改質器へ水蒸気を供給する気化器を有し、
前記低温保持導入部の内側流路には前記供給流体として前記気化器へ供給される水を流通させ、前記外側流路には前記気化器へ供給される前記原料ガスを流通させる、ことを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記外側流路は真空状態である、ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記低温保持導入部は、前記供給流体を流通させる流体路と、前記流体路の外周を覆う断熱材と、を含んで構成されている、ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記低温保持導入部は、前記筐体の外側に前記熱交換部を配置する構成を有している、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムの中でも、燃料電池セルスタックが高温で稼働するものについては、燃料電池システム内で発生した熱を、水蒸気改質反応の熱、供給ガス、水などで回収し、排出されるガスなどの熱を、ある程度の温度まで低下させ、燃料電池システムの系外へ排出する必要がある。
【０００３】
例えば、特許文献１では、コジェネレーションシステムにおいて、燃料電池装置で発生した熱を給湯用の水と熱交換することにより回収し、熱交換後の湯を貯湯槽に貯留し、需要に応じて湯を供給する技術が開示されている。また、特許文献１では、貯湯槽の水が高温の場合に、系外の上水を用いて貯湯槽を介さずに高温ガスとの間で熱交換を行う技術も開示されている。
【０００４】
特許文献１の燃料電池システムにおいては、湯として燃料電池システムの系外に回収後の熱が排出されている。しかしながら、燃料電池システムの用途や種類によっては、発電効率を高めることが求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１２１７３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記事実を考慮して成されたもので、燃料電池システムにおける発電効率を向上させつつ、外部へ排出するガスの温度を効果的に低下させることができる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】
【０００７】
請求項１記載の発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと空気とを反応させて発電する燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルスタックから排出されたアノードオフガスを燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器から排出されシステム系外へ排出される直前の燃焼排ガスと、前記燃料電池セルスタックへ向かうシステム系内へ供給される供給流体との間で熱交換する熱交換部と、少なくとも前記燃料電池セルスタック及び前記燃焼器を収容する筐体と、前記供給流体を前記筐体内の雰囲気から隔離しつつ前記熱交換部へ導入する低温保持導入部と、を備えている。
【０００８】
請求項１に係る燃料電池システムは、燃料電池セルスタック、及び燃焼器を備えている。燃焼器は、燃料電池セルスタックから排出されたアノードオフガスを燃焼させて、熱を発生させる。燃焼器から排出される燃焼排ガスは、システム系外へ排出される直前の熱交換部において、燃料電池セルスタックへ供給される供給流体との間で熱交換される。この供給流体は、低温保持導入部によって、筐体内の雰囲気から隔離されつつ熱交換部へ導入される。したがって、供給流体は、筐体内の気体が持つ熱による加熱が抑制された状態で熱交換部へ導入されるので、外部へ排出する燃焼排ガスの温度を効果的に（理想的には供給流体の温度まで）低下させることができる。また、燃焼排ガス温度の低下によりシステム系外に放出される熱量が減るため、筐体内部を高温に保つための投入熱量が減ることにより、燃料電池システムの発電効率を向上させることができる。
【０００９】
なお、「システム系外へ排出される直前の熱交換部」とは、燃焼排ガスがシステム系外へ排出される前の最終の熱交換部であることを意味し、システム系内において当該熱交換部より下流側では熱交換が積極的に行われないことを意味する。
【００１０】
請求項２記載の発明に係る燃料電池システムは、前記低温保持導入部は、前記供給流体を流通させる内側流路と、前記内側流路の外周に設けられた外側流路と、を有する二重管を含んで構成されている、ことを特徴とする。
【００１１】
請求項２に係る燃料電池システムでは、二重管の内側流路に供給流体を流通させて、熱交換部へ導入するという簡易な構成で低温保持導入部を構成することができる。
【００１２】
請求項３記載の発明に係る燃料電池システムは、前記外側流路には、前記内側流路に流通させる前記供給流体よりも熱伝導率が低い流体を流通させること、を特徴とする。
【００１３】
請求項３に係る燃料電池システムによれば、外側流路に熱伝導率が低い流体を流通させるので、筐体内の気体が持つ熱による内側流路を流れる供給流体の加熱を、効果的に抑制することができる。
【００１４】
請求項４記載の発明に係る燃料電池システムは、前記外側流路には、前記内側流路に流通させる前記供給流体よりも高温の流体を流通させること、を特徴とする。
【００１５】
請求項４に係る燃料電池システムによれば、外側流路に高温の流体を流通させるので、筐体内の気体の温度と供給流体の温度差が小さくなり、筐体内の気体が持つ熱による外側流路を流れる供給流体の加熱を、効果的に抑制することができる。
【００１６】
請求項５記載の発明に係る燃料電池システムは、原料ガスを改質して前記燃料ガスを生成する改質器をさらに備え、前記熱交換部は、前記改質器へ水蒸気を供給する気化器を有し、前記低温保持導入部の内側流路には前記供給流体として前記気化器へ供給される水を流通させ、前記外側流路には前記気化器へ供給される前記原料ガスを流通させる、ことを特徴とする。
【００１７】
請求項５に係る燃料電池システムでは、熱交換部は、改質器へ水蒸気を供給する気化器を有している。そして、二重管の内側流路に水を流通させて気化器へ供給し、外側流路に原料ガスを流通させて気化器へ供給する。このように、熱伝導率の低い気体を外側流路に流通させ、熱伝導率の高い液体を内側流路に流通させることにより、気化器へ導入される途中での加熱が抑制され、効率よく燃焼排ガスの温度を低下させることができる。
【００１８】
請求項６記載の発明に係る燃料電池システムは、前記外側流路は真空状態である、ことを特徴とする。
【００１９】
請求項６に係る燃料電池システムでは、二重管の外側流路を真空状態にすることにより、システム内の熱が内側流路に流通させた供給流体へ伝わり難くなり、低温のまま供給流体を熱交換部へ導入することができる。これにより、燃焼排ガスの温度を効率よく低下させることができる。
【００２０】
請求項７記載の発明に係る燃料電池システムは、前記低温保持導入部は、前記供給流体を流通させる流体路と、前記流体路の外周を覆う断熱材と、を含んで構成されている、ことを特徴とする。
【００２１】
請求項７に係る燃料電池システムでは、供給流体を流通させる流体路の外周を断熱材で覆っているので、システム内の熱が流体路に流通させた供給流体へ伝わり難くなり、低温のまま供給流体を熱交換部へ導入することができる。これにより、燃焼排ガスの温度を効率よく低下させることができる。
【００２２】
請求項８記載の発明に係る燃料電池システムは、前記低温保持導入部は、前記筐体の外側に前記熱交換部を配置する構成を有している、ことを特徴とする。
【００２３】
請求項８に係る燃料電池システムでは、筐体の外側に熱交換部を配置することにより、熱交換部へ導入される供給流体が筐体内で加熱されることを回避することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係る燃料電池システムによれば、システム系外へ排出するガスの温度を効果的に低下させつつ、筐体内部を高温に保つための投入熱量を減少させることにより、燃料電池システムにおける発電効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】第１実施形態における二重管の斜視図である。
【図３】第１実施形態における二重管の変形例の斜視図である。
【図４】第１実施形態の変形例に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図５】第２実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図６】第２実施形態における二重管の斜視図である。
【図７】第２実施形態の変形例に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図８】第３実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図９】第４実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図１０】第５実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図１１】第６実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
［第１実施形態］
以下、図面を参照して本発明の第１実施形態を詳細に説明する。
【００２７】
図１には、本実施形態に係る燃料電池システム１０Ａの概略構成が示されている。本実施形態に係る燃料電池システム１０Ａは、主要な構成として、気化器１２、改質器１４、燃料電池セルスタック１６、空気予熱器３０、及び燃焼器４０を備えている。また、燃焼器４０、燃料電池セルスタック１６、及び改質器１４を内部に収容する高温部１８を備えている。気化器１２、空気予熱器３０、及び高温部１８は、筐体１１内に収容されている。
【００２８】
筐体１１は、断熱性及び遮熱性の少なくとも一方を有する部材で形成されており、例えば断熱材で形成されている。筐体１１の内部は、外部よりも高温が維持されている。高温部１８は、筐体１１内に設けられ、断熱性及び遮熱性の少なくとも一方を有する部材、例えば金属で形成されている。燃料電池システム１０Ａが運転中は、高温部１８内は、筐体１１内で高温部１８外よりも高温とされている。なお、筐体１１の外側にも、燃料電池システム１０Ａの補機等を収容するために、不図示の筐体が設けられている。燃料電池システム１０Ａのシステム系外は、筐体１１の外側の当該筐体（不図示）の外部を意味している。
【００２９】
気化器１２には、二重管２０が接続されている。二重管２０は、図２に示されるように、内管２３及び内管２３の外周に配置された外管２５で構成されている。二重管２０には、内管２３の内側に内側流路２２が形成され、外管２５と内管２３の間に外側流路２４が形成されている。
【００３０】
外側流路２４には、筐体１１外にある図示しないガス源が接続されており、ブロアＢ１により原料ガスとしてのメタンが流入される。内側流路２２には、図示しない水源が接続されており、ポンプＰにより水（液相）が流入される。二重管２０へは、メタンと水が並行（同方向）に流れるように流入される。二重管２０は、筐体１１の壁を貫通して筐体１１の内側に配置された気化器１２と接続されている。メタンと水は、気化器１２へ供給される。気化器１２では、水が気化される。気化には、後述する燃焼器４０から排出された燃焼排ガスＧ１０の熱が用いられる。
【００３１】
なお、本実施形態では、原料ガスとしてメタンを用いるが、改質が可能なガスであれば特に限定されず、炭化水素燃料を用いることができる。炭化水素燃料としては、天然ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）、石炭改質ガス、低級炭化水素ガスなどが例示される。低級炭化水素ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭素数４以下の低級炭化水素が挙げられ、本実施形態で用いるメタンが好ましい。なお、炭化水素燃料としては、上述した低級炭化水素ガスを混合したものであってもよい。
【００３２】
メタン及び水蒸気は、気化器１２から配管Ｐ３を介して改質器１４へ送出される。改質器１４では、メタンを改質し、水素を含む６００℃程度の温度の燃料ガスＧ１を生成する。改質器１４には、燃料ガス管Ｐ４の一端が接続されている。燃料ガス管Ｐ４の他端は、燃料電池セルスタック１６のアノード（燃料極）１６Ａと接続されている。改質器１４で生成された燃料ガスＧ１は、燃料ガス管Ｐ４を介してアノード１６Ａに供給される。
【００３３】
燃料電池セルスタック１６は、固体酸化物形の燃料電池セルスタックであり(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)、積層された複数の燃料電池セルを有している。燃料電池セルスタック１６は、作動温度が６５０℃程度に設定されている。
【００３４】
燃料電池セルスタック１６の個々の燃料電池セルは、電解質膜と、当該電解質膜の表裏面にそれぞれ積層されたアノード（燃料極）１６Ａ、及びカソード（空気極）１６Ｂと、を有している。
【００３５】
燃料電池セルスタック１６のカソード１６Ｂには、空気管Ｐ５の一端が接続され、空気管Ｐ５の他端には、ブロアＢ２が接続されている。ブロアＢ２から送出された空気Ｇ５は、空気管Ｐ５によって、空気予熱器３０を経由し、カソード１６Ｂへ供給される。
【００３６】
カソード１６Ｂでは、下記（１）式に示すように、空気中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。生成された酸素イオンは電解質膜を通って燃料電池セルスタック１６のアノード１６Ａに到達する。
【００３７】
（空気極反応）
１／２Ｏ２＋２ｅ− →Ｏ２−  …（１）
【００３８】
カソード１６Ｂからは、カソードオフガスが排出される。
【００３９】
一方、燃料電池セルスタック１６のアノード１６Ａでは、下記（２）式及び（３）式に示すように、電解質膜を通ってきた酸素イオンが燃料ガス中の水素及び一酸化炭素と反応し、水(水蒸気)及び二酸化炭素と電子が生成される。アノード１６Ａで生成された電子がアノード１６Ａから外部回路を通ってカソード１６Ｂに移動することで、各燃料電池セルスタックにおいて発電される。また、各燃料電池セルスタックは、発電時に発熱する。
【００４０】
（燃料極反応）
Ｈ２ ＋Ｏ２− →Ｈ２Ｏ＋２ｅ−  …(２)
ＣＯ＋Ｏ２− →ＣＯ２＋２ｅ−  …(３)
【００４１】
アノード１６Ａには、アノードオフガス管Ｐ７の一端が接続されている。アノード１６Ａからアノードオフガス管Ｐ７へ、アノードオフガスＧ３が排出される。アノードオフガスＧ３には、未反応の水素、未反応の一酸化炭素、二酸化炭素及び水蒸気等が含まれている。
【００４２】
アノードオフガス管Ｐ７の他端は、燃焼器４０と接続されており、アノードオフガスＧ３は燃焼器４０へ送出される。
【００４３】
カソード１６Ｂには、カソードオフガス管Ｐ９の一端が接続されている。カソードオフガス管Ｐ９の他端は、燃焼器４０と接続されており、カソードオフガスＧ９は燃焼器４０へ送出される。
【００４４】
燃焼器４０では、燃料電池セルスタック１６のアノード１６Ａから排出されたアノードオフガスＧ３が燃焼される。燃焼器４０の出口側には、燃焼排ガス管Ｐ１０の一端が接続されている。燃焼排ガスＧ１０は、空気予熱器３０を経由して熱交換部としても機能する気化器１２に導入され、熱交換後に外部に排出されている。
【００４５】
燃焼排ガスＧ１０は、空気予熱器３０において、常温の空気Ｇ５と熱交換が行われる。その後、気化器１２へ送出され、気化器１２において、水及びメタンと熱交換が行われる。燃焼排ガスＧ１０は、気化器１２において熱交換が行われた後、外部に排出される。
【００４６】
次に、本実施形態の燃料電池システム１０Ａの動作について説明する。
【００４７】
ブロアＢ２により所定の空気吐出量で送出された空気Ｇ５は、空気予熱器３０を経てカソード１６Ｂへ供給され、発電に供された後、カソードオフガス管Ｐ９を経て燃焼器４０へ送出される。一方、ブロアＢ１により所定の吐出量で送出されたメタンは、二重管２０の外側流路２４を経て気化器１２へ供給される。また、ポンプＰにより所定の吐出量で送出された水（液相）は、二重管２０の内側流路２２を経て気化器１２へ供給される。気化器１２へ供給された水及びメタンは、燃焼排ガスとの熱交換により加熱される。これにより水は気化され、加熱されたメタンと水蒸気は改質器１４へ送出される。そして、改質器１４で燃料ガスＧ１へ改質され、アノード１６Ａへ供給されて、発電に供される。アノード１６Ａからは、未反応の水素等の燃料を含むアノードオフガスＧ３が排出され、アノードオフガス管Ｐ７を経て燃焼器４０へ送出される。
【００４８】
燃焼器４０では、アノードオフガスＧ３が燃焼に供され、燃焼による熱で改質器１４が加熱される。燃焼器４０からは、燃焼排ガスＧ１０が燃焼排ガス管Ｐ１０へ送出され、空気予熱器３０において、空気Ｇ５との間で熱交換が行われる。燃焼排ガスＧ１０は、さらに、気化器１２へ送出され、メタン及び水との間で熱交換が行われ、冷却された後、外部へ排出される。気化器１２は、燃焼排ガスＧ１０が燃料電池システム１０Ａの系外へ排出される直前の熱交換部である。すなわち、気化器１２が最終の熱交換部であり、燃焼排ガスＧ１０は、気化器１２よりも下流側では、積極的に熱交換が行われずに燃料電池システム１０Ａの系外へ排出される。
【００４９】
本実施形態では、二重管２０により、筐体１１の外部から筐体１１の内部の気化器１２へ、メタンと水を供給する。二重管２０の外側流路２４には、熱伝導率が水よりも小さいメタンを流通させ、内側流路２２には水を流通させる。したがって、常温で二重管２０の内側流路２２を流通する水は、筐体１１内で加熱されにくく、水は常温に近い温度で気化器１２へ供給される。これにより、気化器１２で水と熱交換される燃焼排ガスＧ１０の温度を、効果的に低下させることができる。
【００５０】
また、本実施形態では、二重管２０を用いているので、簡易な構成で、気化器１２まで導入される水の温度上昇を抑制することができる。
【００５１】
また、供給流体を二重管にして筐体１１の壁を貫通して筐体１１の内側に配置された気化器１２と接続されるので、貫通口の数が減り、貫通口を介した筐体１１内部から筐体１１外への放熱量を低減することができる。
【００５２】
また、気化器１２において、燃焼排ガスＧ１０の熱により、改質前のメタン及び水を加熱するので、メタンの昇温と水の気化、昇温に必要な熱を外部から別途供給する必要がなくなる。その結果、燃料電池システム１０Ａにおける発電効率を向上させることができる。
【００５３】
なお、本実施形態では、外側流路２４にメタンを流通させたが、外側流路２４を密閉して真空状態としてもよい。この場合には、原料ガスとしてのメタンは、別の配管で気化器１２へ供給する。
【００５４】
また、図３に示すように、本実施形態の二重管２０の外周を、断熱材２６で覆ってもよい。これにより、メタン及び水が筐体１１内で加熱されることを抑制できる。
【００５５】
また、本実施形態では、二重管２０を用いたが、図４に示すように、二重管２０を用いずに、原料ガスであるメタンの配管Ｐ１と、水供給用の配管Ｐ２を各々気化器１２へ別々に接続し、配管Ｐ１の外周、及び配管Ｐ２の外周を、断熱材２８で覆ってもよい。断熱材２８で覆うことにより、メタン、及び水が、筐体１１内で加熱されることを抑制できる。
【００５６】
なお、本実施形態では、原料ガスであるメタンを水蒸気改質して燃料ガスを生成する例について説明したが、二酸化炭素改質により燃料ガスを生成してもよい。この場合には、気化器１２に代えて原料ガス予熱器を設け、二重管２０の外側流路２４に二酸化炭素ガスを流通させ、内側流路２２にメタンを流通させて、原料ガス予熱器に送出することができる。
【００５７】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態では、第１実施形態と同様の部分については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００５８】
本実施形態の燃料電池システム１０Ｂは、図５に示されるように、筐体１１内に空気予熱器３２を備えている。空気予熱器３２は、空気管Ｐ５の空気予熱器３０よりも上流側に配置され、燃焼排ガス管Ｐ１０の気化器１２よりも下流側に配置されている。本実施形態では、燃焼排ガスＧ１０が燃料電池システム１０Ａの系外へ排出される直前の熱交換部は、空気予熱器３２である。すなわち、空気予熱器３２が最終の熱交換部であり、燃焼排ガスＧ１０は、空気予熱器３２よりも下流側では、積極的に熱交換が行われずに燃料電池システム１０Ｂの系外へ排出される。
【００５９】
空気予熱器３２へは、ブロアＢ２から吐出された、燃料電池システム１０Ｂへ導入された直後の常温の空気Ｇ５が、二重管５０を通って送出されている。二重管５０は、図６に示されるように、内管５３及び内管５３の外周に配置された外管５５で構成されている。二重管２０には、内管５３の内側に内側流路５２が形成され、外管５５と内管５３の間に外側流路５４が形成されている。二重管５０は、筐体１１の壁を貫通して筐体１１の内側に配置された空気予熱器３２と接続されている。空気Ｇ５は、内側流路５２に送出されて空気予熱器３２へ供給され、その後、配管Ｐ５により空気予熱器３０へ送出される。外側流路５４は密閉された真空状態とされている。
【００６０】
本実施形態の燃料電池システム１０Ｂは、二重管２０を有していない。気化器１２には、原料ガス管Ｐ１の一端が接続されており、原料ガス管Ｐ１の他端は図示しないガス源に接続されている。ガス源からは、ブロアＢによりメタンが気化器１２へ送出される。また、気化器１２には、水供給管Ｐ２が接続されている。水供給管Ｐ２には、ポンプＰが設置されており、ポンプＰにより水（液相）が気化器１２へ送出される。
【００６１】
気化器１２から排出された燃焼排ガスＧ１０は、空気予熱器３２へ送出されている。空気予熱器３２では、気化器１２で熱交換された後の燃焼排ガスＧ１０と常温の空気Ｇ５との間で熱交換が行われる。空気予熱器３２において空気Ｇ５と熱交換した後の燃焼排ガスＧ１０が外部に排出される。
【００６２】
本実施形態では、二重管５０の内側流路５２により、筐体１１の外部から筐体１１の内部の空気予熱器３２へ常温の空気Ｇ５を供給する。したがって、空気Ｇ５は、筐体１１内で加熱されにくく、温に近い温度で空気予熱器３２へ供給される。これにより、空気予熱器３２で空気Ｇ５と熱交換される燃焼排ガスＧ１０の温度を、効果的に低下させることができる。
【００６３】
なお、本実施形態でも、二重管５０を用いずに、空気Ｇ５の供給配管Ｐ５を空気予熱器３２へ接続し、配管Ｐ５の外周を、断熱材２８で覆ってもよい。断熱材２８で覆うことにより、空気Ｇ５が、筐体１１内で加熱されることを抑制できる。
【００６４】
また、本実施形態では、最終の熱交換部である空気予熱器３２へ供給される空気Ｇ５のみ二重管５０を用いて供給したが、図７に示されるように、第１実施形態のように、二重管２０を用いて、水、メタンを気化器１２へ供給してもよい。
【００６５】
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態では、第１、第２実施形態と同様の部分については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００６６】
本実施形態の燃料電池システム１０Ｃは、図８に示されるように、第１実施形態と同様に燃焼排ガスＧ１０が燃料電池システム１０Ｃの系外へ排出される直前の熱交換部である気化器１２が、筐体１１の外部に配置されている。すなわち、低温保持導入部として気化器１２が、筐体１１の外部に配置された構成を有している。気化器１２には、原料ガスであるメタンの配管Ｐ１と、水供給用の配管Ｐ２が接続されている。気化器１２へは、配管Ｐ１からメタンが供給され、配管Ｐ２から水が供給される。
【００６７】
このように、気化器１２を筐体１１の外部に配置することにより、メタン及び水が加熱されずに気化器１２へ供給される。これにより、気化器１２で水と熱交換される燃焼排ガスＧ１０の温度を、効果的に低下させることができる。
【００６８】
［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態では、第１−３実施形態と同様の部分については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００６９】
本実施形態の燃料電池システム１０Ｄは、図９に示されるように、第２実施形態と同様に燃焼排ガスＧ１０が燃料電池システム１０Ｄの系外へ排出される直前の熱交換部である空気予熱器３２が、筐体１１の外部に配置されている。すなわち、低温保持導入部として空気予熱器３２が、筐体１１の外部に配置された構成を有している。空気予熱器３２には、配管Ｐ５により空気Ｇ５が供給されている。
【００７０】
このように、空気予熱器３２を筐体１１の外部に配置することにより、空気Ｇ５が加熱されずに空気予熱器３２へ供給される。これにより、空気予熱器３２と熱交換される燃焼排ガスＧ１０の温度を、効果的に低下させることができる。
【００７１】
［第５実施形態］
次に、本実施形態の第５実施形態について説明する。本実施形態では、第１−第４実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
【００７２】
図１０に示されるように、本実施形態の燃料電池システム１０Ｅは、第１実施形態の燃料電池システム１０Ａにおいて、燃料電池セルスタック１６に加えて、高温部１８内に燃料電池セルスタック１７を有する、多段式の燃料電池システムで構成されている。本実施形態では、燃料電池セルスタック１６を第１燃料電池セルスタック１６と称し、燃料電池セルスタック１７を第２燃料電池セルスタック１７と称する。第２燃料電池セルスタック１７は、第１燃料電池セルスタック１６と同様の構成とされ、アノード１７Ａ及びカソード１７Ｂを有している。
【００７３】
アノード１６Ａから排出されたアノードオフガスＧ３は、アノードオフガス管Ｐ７−１を通って燃料再生器４４へ送出される。燃料再生器４４は、筐体１１内に収容され、高温部１８の外部に配置されている。燃料再生器４４では、アノードオフガスＧ３から、二酸化炭素及び水の少なくとも一方が除去される。燃料再生器４４では、例えば、分離膜、吸着剤、凝縮器などを用いて二酸化炭素及び水の少なくとも一方を除去することができる。燃料再生器４４で二酸化炭素及び水の少なくとも一方が除去されたアノードオフガスＧ３−２は、アノードオフガス管Ｐ７−２を通って第２燃料電池セルスタック１７のアノード１８Ａへ送出され、発電に供される。
【００７４】
一方、カソード１６Ｂから排出されたカソードオフガスＧ９−１は、カソードオフガス管Ｐ９−１を通って第２燃料電池セルスタック１７のカソード１７Ｂへ送出され、発電に供される。
【００７５】
アノード１７Ａからは、アノードオフガスＧ３−３がアノードオフガス管Ｐ７−３を通って燃焼器４０へ送出される。カソード１７Ｂからは、カソードオフガスＧ９−２がカソードオフガス管Ｐ９−２を通って燃焼器４０へ送出される。
【００７６】
燃焼器４０では、アノードオフガスＧ３−３が燃焼され、燃焼排ガスＧ１０が、第１実施形態と同様に、空気予熱器３０を経由して気化器１２に導入され、熱交換の後に外部に排出されている。
【００７７】
本実施形態では、第２燃料電池セルスタック１７で、アノードオフガスＧ３内の未反応水素や一酸化炭素を再利用して発電を行うので、燃焼器４０で燃焼させる燃料ガスの量が減少する。したがって、燃焼器４０から排出される燃焼排ガスＧ１０自体の温度を低下させることができる。
【００７８】
さらに、本実施形態では、燃焼排ガスＧ１０の温度を下げるために気化器１２へ供給する水の量を増加させても、燃料再生器４４でアノードオフガスＧ３−１から水を除去することにより、第２燃料電池セルスタック１７のアノード１７Ａへ供給するアノードオフガスＧ３−３に含まれる水（水蒸気）は減少している。したがって、燃料電池システム１０Ｃの発電効率を高く維持することができる。
【００７９】
［第６実施形態］
次に、本実施形態の第６実施形態について説明する。本実施形態では、第１−第５実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
【００８０】
図１１に示されるように、本実施形態の燃料電池システム１０Ｆは、第５実施形態の燃料電池システム１０Ｅにおいて、水タンク４５を有している。水タンク４５は、燃料再生器４４と接続されており、燃料再生器４４でアノードオフガスＧ３−１から除去された水を貯留する。水タンク４５に貯留される水は、常温よりも高温とされている。水タンク４５は、二重管２０の外側流路２４と接続されている。水タンク４５に貯留された水は、ポンプＰにより、外側流路２４を流通して気化器１２へ供給される。
【００８１】
原料ガスとしての常温で水タンク４５に貯留された水よりも低温のメタンは、内側流路２２を流通して気化器１２へ供給される。
【００８２】
本実施形態では、二重管２０の外側流路２４には、メタンよりも高温の水を流通させ、内側流路２２には常温のメタンを流通させており、筐体１１内部の高温気体の温度と、外側流路２４を流通する水の温度差は小さくなる。したがって、外側流路２４を流通する水についても筐体１１内部の高温気体と熱交換される熱量が少なくなり、気化器１２で水及びメタンと熱交換される燃焼排ガスＧ１０の温度を、効果的に低下させることができる。
【００８３】
なお、本発明の燃料電池としては、固体酸化物形の燃料電池(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)に限られるものではなく、他の燃料電池、例えば、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)であってもよい。
【００８４】
また、本発明は、燃料電池セルスタック１６からのアノードオフガスを再利用する、循環式の燃料電池システムに適用することもできる。
【符号の説明】
【００８５】
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆ  燃料電池システム
１１  筐体、  １２  気化器、  １４  改質器
１６、１７  燃料電池セルスタック
２０、５０  二重管（低温保持導入部）
２２、５２  内側流路、  ２４、５４  外側流路
２６、２８  断熱材、  ３２  空気予熱器（熱交換器）
４０   燃焼器、  ４４  燃料再生器
Ｐ１、Ｐ２  配管（流体路）
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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