(57)【要約】【課題】排熱回収と液回収とを両立させつつ、更に燃料電池システムの小型化を図ることができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１は、原燃料を改質して改質ガスを生成する改質器２と、改質器２によって生成された改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタック３と、ホットモジュール４から蒸気を含んで排出される排気ガスを導入して排気ガスと排熱回収水との間で熱交換を行う第１及び第２の熱交換器５，６と、を備えている。第１の熱交換器５は、その長手方向が水平になるように排気ガスラインＬ２上に配置され、第２の熱交換器６は、その長手方向が鉛直になるように排気ガスラインＬ２上の第１の熱交換器５の下流に配置され、第２の熱交換器６において、第１の熱交換器５で低温化された排気ガス中の水蒸気を熱交換によって凝縮させ、凝縮水を回収する。【選択図】図１
2011233296.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原燃料を改質して改質ガスを生成する改質器と、
前記改質器によって生成された前記改質ガス及び酸素含有ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、
前記改質器を昇温させるための燃焼部及び前記燃料電池スタックの少なくとも一方から蒸気を含んで排出される排気ガスを導入して前記排気ガスと所定の流体との間で熱交換を行う第１及び第２の熱交換部と、を備え、
前記第１の熱交換部は、前記排気ガスの流れ方向が水平方向に沿うように配置されて、前記排気ガスを前記熱交換によって低温化させ、
前記第２の熱交換部は、前記第１の熱交換部に対して前記排気ガスの流れ方向下流となる位置に前記排気ガスの流れ方向が鉛直方向に沿うように配置されて、前記排気ガスに含まれる蒸気を前記熱交換によって凝縮させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記第１の熱交換部が前記排気ガスに含まれる前記蒸気の顕熱を回収し、且つ、前記第２の熱交換部が前記排気ガスに含まれる前記蒸気の潜熱を回収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】
前記第１の熱交換部が前記排気ガスに含まれる前記蒸気の潜熱の一部を回収す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】
前記第１及び第２の熱交換部は、同一構造の熱交換器からそれぞれ構成されることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記第１及び第２の熱交換部は、前記第１及び第２の熱交換部が一体化した熱交換器から構成されることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項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】
燃料電池システムは、改質ガスを生成する改質器や、改質器を昇温させるための燃焼部や、改質ガスおよび酸素含有ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックを備えており、改質ガス生成の際や発電の際に発生する排気ガスを系外に排出できるように構成されている。この排気ガスは高温であり且つ発電プロセスに再利用できる水蒸気を含んでいる。燃料電池システムにおいては、市水として給水される水に含まれるシリカが燃料電池システム内で析出することによって不具合事象が発生してしまうことから、市水からの供給なく運転する水自立を行うため、排気ガスに含まれる水蒸気を回収する液回収といった技術の重要度が高まってきている。しかも、燃料電池システムとしては、熱回収を行う必要もあり、排気ガスより熱を温水としてより多く回収する熱回収技術も併せて、回収技術を両立させることが求められている。このような要請に応えるため、例えば、排気ガスの流れ方向が十分な長さとなるように長尺状の熱交換器を用いて排熱回収を確実に行うと共に、排気ガスの流れ方向が鉛直方向になるように長尺状の熱交換器を縦に置いて水蒸気が凝縮して得られる凝縮水を均一に下方に流すようにして液回収を効率的に行う方法が知られている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−０９６０７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述した方法では、排気ガス中の水蒸気を効率的に回収するため長尺状の熱交換器を横置きにすることはできずに縦置きにする必要があり、この縦置きにされた長尺状の熱交換器がネックとなって燃料電池システムの形状が全体として鉛直方向に長くなってしまうといった問題があった。一方、熱交換器の熱交換性能を維持したまま熱交換器の鉛直方向の形状を小さくしようとすると、熱交換器における熱交換効率を向上させる必要があり、熱交換器を含む燃料電池システムのコスト増を招いてしまうため、望ましくなかった。
【０００５】
そこで、本発明は、排熱回収と液回収とを両立させつつ、更に燃料電池システムの小型化を図ることができる燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、原燃料を改質して改質ガスを生成する改質器と、改質器によって生成された改質ガスおよび酸素含有ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、改質器を昇温させるための燃焼部及び燃料電池スタックの少なくとも一方から蒸気を含んで排出される排気ガスを導入して排気ガスと所定の流体との間で熱交換を行う第１及び第２の熱交換部と、を備え、第１の熱交換部は、排気ガスの流れ方向が水平方向に沿うように配置されて、排気ガスを熱交換によって低温化させ、第２の熱交換部は、第１の熱交換部に対して排気ガスの流れ方向下流となる位置に排気ガスの流れ方向が鉛直方向に沿うように配置されて、排気ガス温度を下げるとともに排気ガスに含まれる蒸気を熱交換によって凝縮させることを特徴とする。
【０００７】
この燃料電池システムでは、それぞれ異なる方向に沿うように配置された第１及び第２の熱交換部が用いられている。この水平方向に沿うように配置された第１の熱交換部では、主として、排気ガス中に含まれる蒸気が凝縮を始める温度になるまで排気ガスを低温化させる。そして、第１の熱交換部の下流に位置して鉛直方向に沿うように配置された第２の熱交換部では、第１の熱交換部で事前に低温化された排気ガスに含まれる蒸気を凝縮させ、液回収を行えるようにしている。この場合、第１及び第２の熱交換部の両交換部によって、排気ガスの熱及び水蒸気を回収するのに必要なトータルの長さを確保できるため排熱回収を従来と同程度で行えると共に、鉛直方向に沿うように配置された第２の熱交換部で蒸気を凝縮するようにしているため液回収も従来と同程度に行うことができ、更に、凝縮手前までの低温化を主として担う第１の熱交換部を水平方向に沿うように配置しているため、液回収効率への影響を低減させつつ燃料電池システムの小型化を図ることもできる。
【０００８】
ここで、第１の熱交換部が排気ガスに含まれる蒸気の顕熱を回収し、且つ、第２の熱交換部が排気ガスに含まれる蒸気の潜熱を回収することが好ましい。これによれば、水回収を確実に実行することができる。この場合において、第１の熱交換部が排気ガスに含まれる蒸気の潜熱の一部を回収するようにしてもよい。なお、ここで用いる「顕熱」とは、物質の状態を変えずに温度を変化させるために費やされる熱量を意味し、「潜熱」とは、物質の状態変化のとき、温度変化を伴わないで吸収又は放出される熱量を意味する。
【０００９】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、第１及び第２の熱交換部は、同一構造の熱交換器からそれぞれ構成されるようにしてもよい。この場合、第１及び第２の熱交換部を異なる構造の熱交換器から構成する場合に比べて、燃料電池システムのコストを低減することができる。
【００１０】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、第１及び第２の熱交換部は、第１及び第２の熱交換部が一体化した熱交換器から構成されるようにしてもよい。この場合、燃料電池システムをより小型化することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、排熱回収と液回収とを両立させつつ、更に燃料電池システムの小型化を図ることができる燃料電池システムを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【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３】熱交換器の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１４】
［第１実施形態］
燃料電池システム１は、固体酸化物形の燃料電池システムであり、図１に示されるように、改質ガスを生成する改質器２と、固体酸化物形のセルスタック（燃料電池スタック）３とを備えている。改質器２は、水蒸気及び原燃料を改質触媒２ａで改質して改質ガスを生成する。セルスタック３は、改質器２によって生成された改質ガスを用いて発電を行う。改質ガスは、改質ガスラインＬ１を介して改質器２からセルスタック３に導入される。
【００１５】
改質器２の改質触媒２ａでは、外部から導入された水蒸気及び原燃料が水蒸気改質反応させられて、水素を含有する改質ガスが生成される。水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、改質器２は、セルスタック３の排熱を利用し得るように、セルスタック３上に配置されており、改質器２とセルスタック３とでホットモジュール４が構成される。なお、改質器２を昇温するための燃焼部として例えばガスバーナなどがホットモジュール４に設けられていてもよいが、燃焼部はガスバーナに限定されるものではなく、改質器２を昇温できるものであればよい。改質触媒２ａとしては、例えば、ルテニウム系触媒、ニッケル系触媒等が適宜用いられる。
【００１６】
原燃料としては、固体酸化物形の燃料電池の分野で公知の炭化水素系燃料、すなわち、分子中に炭素と水素とを含む化合物（酸素等、他の元素を含んでいてもよい）若しくはそれらの混合物が適宜用いられる。例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類等が挙げられる。より具体的には、炭化水素類として、メタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、都市ガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油等が挙げられ、アルコール類として、メタノール、エタノール等が挙げられ、エーテル類として、ジメチルエーテル等が挙げられる。
【００１７】
セルスタック３は、ＳＯＦＣ（Solid  Oxide  Fuel  Cells）と称されるセルが複数積層されたものである。各セルは、固体酸化物である電解質が燃料極と空気極との間に配置されることで構成されている。電解質は、例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）からなり、８００℃〜１０００℃の温度で酸化物イオンを伝導する。燃料極は、例えばニッケルとＹＳＺとの混合物からなり、酸化物イオンと改質ガス中の水素とを反応させて、電子及び水を発生させる。空気極は、例えばランタンストロンチウムマンガナイトからなり、空気中の酸素と電子とを反応させて、酸化物イオンを発生させる。
【００１８】
燃料電池システム１には、第１及び第２の熱交換器（熱交換部）５，６が設けられている。第１及び第２の熱交換器５，６は、同一構造の熱交換器からそれぞれ構成されており、排気ガスラインＬ２を介して、排気ガスが導入される。排気ガスラインＬ２は、改質器２及びセルスタック３の少なくとも一方から排出された排気ガスを流通させる。このような排気ガスとしては、例えば、セルスタック３の空気極からのオフガスや改質器２を昇温するための燃焼部からの燃焼ガス等が挙げられ、水蒸気を始めとして、窒素、酸素、二酸化炭素等を含んでいる。
【００１９】
第１及び第２の熱交換器５，６には、排熱回収水ラインＬ３を介して、排気ガスの流れ方向とは逆方向になるように、排熱回収水（所定の流体）が導入される。第１及び第２の熱交換器５，６では、排気ガスラインＬ２を流れる排気ガスと排熱回収水ラインＬ３を流れる排熱回収水との間で熱交換が行われる。排熱回収水ラインＬ３は、両端部が貯湯槽７に接続される。貯湯槽７内の排熱回収水は、ポンプ８を駆動することで排熱回収水ラインＬ３に供給され、第１及び第２の熱交換器５，６での熱交換により排熱回収することで加温されて貯湯槽７内に返送され、貯湯槽７内に温水として熱が蓄積される。
【００２０】
第１の熱交換器５は、その長手方向が水平になるように排気ガスラインＬ２上に配置される。この水平配置によって、第１の熱交換器５は、内部に導入された排気ガスの流れ方向が水平方向に沿うようになる。ここでいう「水平方向に沿う」とは、水平方向との間の角度が−４５度よりも大きく且つ４５度よりも小さい範囲内にある場合をいい、本実施形態では略０度となっている。
【００２１】
第１の熱交換器５では、ホットモジュール４から供給される２００〜４００℃の排気ガスの熱を排熱回収水へと授受させて、この熱交換により、排気ガスを６０〜１００℃程度に低温化させる。この熱交換の際に第１の熱交換器５では、排気ガスに含まれる水蒸気の顕熱が回収される。第１の熱交換器５では、主として水蒸気の顕熱が回収されるため水蒸気の凝縮がほとんど起きず、その配置が水平であっても内部に水滴が多量に溜まってしまい、ガスの流れが阻害され、熱交換能力が低下することがない。
【００２２】
第２の熱交換器６は、排気ガスラインＬ２において第１の熱交換器５の下流となる位置に、その長手方向が鉛直になるように配置される。この鉛直配置によって、第２の熱交換器６は、内部に導入された排気ガスの流れ方向が鉛直方向に沿うように配置される。ここでいう「鉛直方向に沿う」とは、鉛直方向との間の角度が−４５度よりも大きく且つ４５度よりも小さい範囲内にある場合をいい、本実施形態では略０度となっている。
【００２３】
第２の熱交換器６では、排気ガスラインＬ２を介して第１の熱交換器５から供給される６０〜１００℃の排気ガスの熱を排熱回収水へと授受させて、この熱交換により、排気ガスを５〜４５℃程度に更に低温化させると共に、排気ガス中の水蒸気を熱交換によって凝縮させて凝縮水とする。この凝縮により、第２の熱交換器６では、排気ガスに含まれる水蒸気の潜熱が回収される。なお、燃料電池システム１として支障がない範囲では、第１の熱交換器５において、排気ガス中の水蒸気の潜熱の一部が回収されていてももちろんよい。
【００２４】
この水蒸気の凝縮による凝縮水は、鉛直方向に配置された第２の熱交換器６内を伝わってその下端へと流れ、排気ガスラインＬ２を介して凝縮水分離器９に送られ、凝縮水分離器９で排気ガスと分離される。凝縮水分離器９は、例えば、凝縮水が一定量溜まったか否かを判定するためのレベルセンサ（不図示）と電磁弁とを有しており、レベルセンサで一定量が溜まったと判定されると、電磁弁を開いてその凝縮水をプロセス水タンク１０へと送る。なお、凝縮水分離器９は、浮子等を使用した自動排水弁でもよい。プロセス水タンク１０内の凝縮水は、燃料電池システム１で用いられるプロセス水として再利用されるため、水ラインＬ４に供給される。
【００２５】
また、燃料電池システム１には、気化器１１が設けられている。気化器１１には、水ラインＬ４を介してプロセス水が導入される。水ラインＬ４には、プロセス水をプロセス水タンク１０から気化器１１に圧送するためのポンプ１２が設けられている。気化器１１は、ヒータ１１ａを有しており、ヒータ１１ａが発生する熱を用いてプロセス水を気化する。気化器１１によって生成された水蒸気は、水蒸気ラインＬ５を介して改質器２に導入され、これにより、プロセス水が再利用される。
【００２６】
以上説明したように、燃料電池システム１においては、それぞれ異なる方向に沿うように配置された第１及び第２の熱交換器５，６が用いられている。水平に配置された第１の熱交換器５では、主として、排気ガス中の水蒸気の温度が凝縮する手前の温度（６０〜１００℃）位になるまで排気ガスを低温化させる。そして、第１の熱交換器５の下流に位置して鉛直に配置された第２の熱交換器６では、第１の熱交換器５で低温化された排気ガスに含まれる水蒸気を凝縮させて、凝縮水として回収するようになっている。
【００２７】
このように燃料電池システム１では、第１及び第２の熱交換器５，６によって、熱交換部としての排気ガスの熱及び水蒸気を回収するのに必要なトータルの長さを確保できるため排熱回収を従来と同程度で行えると共に、鉛直に配置された第２の熱交換器６で水蒸気を凝縮するようにしているためプロセス水の回収も従来と同程度に行うことができ、しかも、凝縮手前までの低温化を主として担う第１の熱交換器５を水平方向に沿うように配置しているため、水回収効率への影響を低減させつつ燃料電池システム１の小型化を図ることができる。
【００２８】
また、燃料電池システム１では、第１の熱交換器５が排気ガスに含まれる水蒸気の顕熱を回収し、第２の熱交換器６が排気ガスに含まれる水蒸気の潜熱を回収するようになっている。このように、鉛直に配置された熱交換器６で水蒸気の潜熱を回収するようにしているため、液化した水蒸気の熱交換器６外への排出を滞らせることなく効率よく水回収を行うことができる。
【００２９】
また、燃料電池システム１では、第１及び第２の熱交換器５，６は、同一構造の熱交換器からそれぞれ構成されている。このため、第１及び第２の熱交換器５，６を異なる構造の熱交換器から構成する場合に比べて、燃料電池システム１のコストを低減することができる。
【００３０】
また、燃料電池システム１では、第１の熱交換器５を水平配置できるような全体構成となっているため、従来の熱交換器のように長尺状の熱交換器を鉛直に配置させた場合に比べて、排熱回収水を供給するためのポンプ８の揚程を低く抑えることができる。このため、燃料電池システム１では、ポンプ８の小型化を図ることもでき、燃料電池システム１の小型化を一層促進することができる。
【００３１】
［第２実施形態］
続いて、第２実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。燃料電池システム２１は、固体高分子形の燃料電池システムであり、図２に示されるように、改質ガスを生成する改質器２２ａを含む燃料処理システム（ＦＰＳ：Fuel  Processing  System）２２と、固体高分子形のセルスタック（燃料電池スタック）２３とを備えている。燃料処理システム２２に含まれる改質器２２ａは、水蒸気及び原燃料を改質触媒で改質して改質ガスを生成する。セルスタック２３は、改質器２２ａによって生成された改質ガスを用いて発電を行う。改質ガスは、改質ガスラインＬ１を介して燃料処理システム２２からセルスタック２３に導入される。
【００３２】
改質器２２ａの改質触媒では、外部から導入された水蒸気及び原燃料が水蒸気改質反応させられて、水素を含有する改質ガスが生成される。改質器２２ａの改質触媒としては、例えば、ルテニウム系触媒、ニッケル系触媒等が適宜用いられる。原燃料としては、固体高分子形の燃料電池の分野で公知の燃料が用いられる。
【００３３】
セルスタック２３は、ＰＥＦＣ（Polymer  Electrolyte  Fuel  Cells）と称されるセルが複数積層されたものである。各セルは、固体高分子膜である電解質が燃料極と空気極との間に配置されることで構成されている。燃料極では、改質ガス中の水素をプロトンと電子とに分解し、分解されたプロトンを電解質を通して空気極へと移動させると共に電子を導線を通して空気極へと移動させる。空気極では、燃料極から移動してきたプロトンと電子とを空気中の酸素に反応させて水を発生させる。
【００３４】
燃料電池システム２１には、第１実施形態と同様、第１及び第２の熱交換器５，６が設けられている。第１及び第２の熱交換器５，６には、排気ガスラインＬ２を介して、燃料処理システム２２及びセルスタック２３の少なくとも一方から排気ガスが導入される。この排気ガスには、水蒸気等が含まれている。これら第１及び第２の熱交換器５，６では、第１実施形態と同様、排気ガスラインＬ２を流れる排気ガスと排熱回収水ラインＬ３を流れる排熱回収水との間で熱交換が行われる。
【００３５】
また、本実施形態においても、第１の熱交換器５は、その長手方向が水平になるように排気ガスラインＬ２上に配置され、内部に導入された排気ガスの流れ方向が水平方向に沿うようになっている。また、第２の熱交換器６は、排気ガスラインＬ２において第１の熱交換器５の下流となる位置に、その長手方向が鉛直になるように配置され、内部に導入された排気ガスの流れ方向が鉛直方向に沿うようになっている。
【００３６】
燃料電池システム２１には、更に、第３の熱交換器２４が設けられている。第３の熱交換器２４には、排熱回収水ラインＬ３を介して、第１及び第２の熱交換器５，６で熱回収して昇温した排熱回収水が導入される。一方、第３の熱交換器２４には、保温水ラインＬ６を介して、この排熱回収水の流れ方向とは逆方向に、保温水が導入されており、排熱回収水と保温水との間で熱交換が行われる。そして、第３の熱交換器２４で所定の温度に調整された保温水は、ポンプ２５によってセルスタック２３内を循環し、セルスタック２３での発電による反応熱を回収し、所定の作動温度（例えば７０℃）に維持するようになっている。なお、貯湯槽７や凝縮水分離器９や気化器１１等は、第１実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
【００３７】
以上説明したように、燃料電池システム２１においても、第１実施形態と同様に、それぞれ異なる方向に沿うように配置された第１及び第２の熱交換器５，６が用いられている。このため、燃料電池システム２１でも、第１及び第２の熱交換器５，６によって、熱交換部としての排気ガスの熱及び水蒸気を回収するのに必要なトータルの長さを確保できるため排熱回収を従来と同程度で行えると共に、鉛直に配置された第２の熱交換器６で水蒸気を凝縮するようにしているためプロセス水の回収も従来と同程度に行うことができ、しかも、凝縮手前までの低温化を主として担う第１の熱交換器５を水平方向に沿うように配置しているため、水回収効率への影響を低減させつつ燃料電池システム２１の小型化を図ること等ができる。
【００３８】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した実施形態では、第１及び第２の熱交換部として、第１及び第２の熱交換器５，６を用いたが、第１及び第２の熱交換部を一体化した例えばＬ字形の熱交換器２６から構成されるようにしてもよい。熱交換器２６は、図３に示されるように、排気ガスの流れ方向が水平方向に沿うように配置された第１の熱交換部２６ａと、第１の熱交換部２６ａに対して排気ガスの流れ方向下流となる位置に排気ガスの流れ方向が鉛直方向に沿うように配置された第２の熱交換部２６ｂとを備え、第１の熱交換部２６ａが第１の熱交換器５と同様の機能を奏し、第２の熱交換部２６ｂが第２の熱交換器６と同様の機能を奏する。このような熱交換器２６によれば、上述した実施形態と同様の作用効果を奏することができ、更に、熱交換器２６自体のスペースを小さくすることができるため、燃料電池システムをより一層小型化できる。
【符号の説明】
【００３９】
１，２１…燃料電池システム、２，２２ａ…改質器、３，２３…セルスタック（燃料電池スタック）、５…第１の熱交換器（第１の熱交換部）、６…第２の熱交換器（第２の熱交換部）。
【図１】
2011233296.tif 000003
【図２】
2011233296.tif 000004
【図３】
2011233296.tif 000005