(57)【要約】【課題】燃料電池の発電状態が変化した場合であっても、改質器を最適な運転状態にし、改質効率の低下などを防止すると共に、装置全体としての運転効率を向上させるようにした燃料電池コージェネレーション装置を提供する。【解決手段】燃料電池１２と改質器３４を接続して燃料電池１２から排出されるアノードオフガスを改質触媒を加熱するための燃料として改質器３４に供給するアノードオフガス供給路４０において、改質器３４に供給されるアノードオフガスの流量を流量調整弁８２で調整して改質触媒を所定の温度に保持する。また、アノードオフガス供給路４０から分岐される分岐路８４に接続され、燃料電池１２から排出されるアノードオフガスの内、改質触媒を所定の温度に保持するのに必要な量を超えるアノードオフガスを燃焼させる燃焼器９０と、燃焼器９０に接続され、燃焼器９０における燃焼によって発生した熱を回収する熱交換器９２を備える。【選択図】図１
2008300251.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を改質触媒で反応させてアノードガスに改質する改質器と、前記改質されたアノードガスを反応空気と反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池と前記改質器を接続して前記燃料電池から排出されるアノードオフガスを前記改質触媒を加熱するための燃料として前記改質器に供給するアノードオフガス供給路とを備えた燃料電池コージェネレーション装置において、前記アノードオフガス供給路に介挿され、前記改質器に供給されるアノードオフガスの流量を調整して前記改質触媒を所定の温度に保持する温度保持手段と、前記アノードオフガス供給路から分岐される分岐路に接続され、前記燃料電池から排出されるアノードオフガスの内、前記改質触媒を前記所定の温度に保持するのに必要な量を超えるアノードオフガスを燃焼させる燃焼手段と、前記燃焼手段に接続され、前記燃焼手段における燃焼によって発生した熱を回収する熱回収手段とを備えることを特徴とする燃料電池コージェネレーション装置。
【請求項２】
前記熱回収手段は熱交換器を備えると共に、前記熱交換器が、前記燃料電池を熱交換によって冷却する１次冷却水を流通させる流路と、前記熱交換によって昇温させられた１次冷却水を熱交換によって冷却する２次冷却水を流通させる流路の少なくともいずれかに接続されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池コージェネレーション装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は燃料電池コージェネレーション装置に関し、より具体的には、燃料電池から排出されるアノードオフガスを改質触媒を加熱するための燃料として改質器に供給するようにした燃料電池コージェネレーション装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料と水蒸気を改質触媒で反応させてアノードガスに改質する改質器と、改質されたアノードガスを反応空気と反応させて発電する燃料電池を備えた燃料電池コージェネレーション装置が種々提案されている。上記した改質触媒での反応（水蒸気改質反応）は吸熱反応であるため、改質触媒は連続的に加熱される必要がある。そこで、例えば特許文献１に記載される技術にあっては、燃料電池から排出されるアノードオフガスを改質器の燃焼バーナに供給して燃焼させることで、改質触媒を加熱するように構成している。
【特許文献１】特開２００１−１８９１６２号公報（段落００１９，００２３、図１，２など）
【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、アノードオフガスの流量は燃料電池の発電状態に応じて増減するため、特許文献１記載の技術のように、アノードオフガスを燃焼させて改質触媒を加熱するように構成すると、改質効率の低下などを招くおそれがある。即ち、燃料電池の発電量が増加してアノードガスが多量に使用されると、燃料電池から排出されて燃焼バーナに供給されるアノードオフガス量は減少するため、改質器での改質反応に必要な熱量が不足し、改質反応が進み難くなって改質効率が低下する。他方、燃料電池の発電量が減少すると、アノードオフガス量は増加するため、改質器における熱量も過度に増加し、よってアノードガス中の一酸化炭素濃度の上昇や改質効率の低下などの不具合が生じる。
【０００４】
従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、燃料電池の発電状態が変化した場合であっても、改質器を最適な運転状態にし、改質効率の低下などを防止すると共に、装置全体としての運転効率を向上させるようにした燃料電池コージェネレーション装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的を解決するために、請求項１にあっては、燃料を改質触媒で反応させてアノードガスに改質する改質器と、前記改質されたアノードガスを反応空気と反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池と前記改質器を接続して前記燃料電池から排出されるアノードオフガスを前記改質触媒を加熱するための燃料として前記改質器に供給するアノードオフガス供給路とを備えた燃料電池コージェネレーション装置において、前記アノードオフガス供給路に介挿され、前記改質器に供給されるアノードオフガスの流量を調整して前記改質触媒を所定の温度に保持する温度保持手段と、前記アノードオフガス供給路から分岐される分岐路に接続され、前記燃料電池から排出されるアノードオフガスの内、前記改質触媒を前記所定の温度に保持するのに必要な量を超えるアノードオフガスを燃焼させる燃焼手段と、前記燃焼手段に接続され、前記燃焼手段における燃焼によって発生した熱を回収する熱回収手段とを備えるように構成した。
【０００６】
請求項２にあっては、前記熱回収手段は熱交換器を備えると共に、前記熱交換器が、前記燃料電池を熱交換によって冷却する１次冷却水を流通させる流路と、前記熱交換によって昇温させられた１次冷却水を熱交換によって冷却する２次冷却水を流通させる流路の少なくともいずれかに接続されるように構成した。
【発明の効果】
【０００７】
請求項１に係る燃料電池コージェネレーション装置にあっては、燃料電池と改質器を接続して燃料電池から排出されるアノードオフガスを改質触媒を加熱するための燃料として改質器に供給するアノードオフガス供給路において、改質器に供給されるアノードオフガスの流量を調整して改質触媒を所定の温度に保持するように構成したので、燃料電池の発電状態が変化してアノードオフガスの流量が増減した場合であっても、改質触媒を所定の温度、具体的には、改質反応に適した温度にすることが可能となり、よって改質器を最適な運転状態にでき、改質効率の低下などを防止することができる。
【０００８】
また、アノードオフガス供給路から分岐される分岐路に接続され、燃料電池から排出されるアノードオフガスの内、改質触媒を所定の温度に保持するのに必要な量を超えるアノードオフガス（即ち、改質触媒を所定の温度に保持するのに不要なアノードオフガス、換言すれば、余剰アノードオフガス）を燃焼させる燃焼手段と、燃焼手段に接続され、燃焼手段における燃焼によって発生した熱を回収する熱回収手段とを備えるように構成したので、改質触媒の加熱に不要な余剰アノードオフガスを、燃焼させて熱として回収することができ、結果として燃料電池コージェネレーション装置全体としての運転効率を向上させることができる。
【０００９】
請求項２に係る燃料電池コージェネレーション装置にあっては、熱回収手段は熱交換器を備えると共に、熱交換器が、燃料電池を熱交換によって冷却する１次冷却水を流通させる流路と、熱交換によって昇温させられた１次冷却水を熱交換によって冷却する２次冷却水を流通させる流路の少なくともいずれかに接続されるように構成したので、上記した効果に加え、燃料電池を熱交換によって冷却することで昇温させられた１次冷却水を、熱回収手段で回収した熱でさらに昇温させる、あるいは１次冷却水を熱交換によって冷却することで昇温させられた２次冷却水を、熱回収手段で回収した熱でさらに昇温させることも可能となり、よって余剰アノードオフガスを燃焼させることで得た熱を効率良く回収（利用）することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、添付図面に即してこの発明に係る燃料電池コージェネレーション装置の最良の実施の形態について説明する。
【実施例１】
【００１１】
図１は、この発明の第１実施例に係る燃料電池コージェネレーション装置の構成を示す概略図である。
【００１２】
図１において、符号１０は燃料電池コージェネレーション装置を示す。燃料電池コージェネレーション装置１０は、家庭や工場などに設置される定置型の装置であり、アノードガスをカソードガス（反応空気）と反応させて発電する燃料電池（スタック）１２と、燃料電池１２にカソードガスを供給するカソードガス供給系１４と、燃料電池１２にアノードガスを供給するアノードガス供給系１６と、燃料電池１２で発生する電力を制御する電力制御系２０と、燃料電池１２で生じる排熱を回収する排熱回収系２２を備える。
【００１３】
燃料電池１２は、電解質膜（固体高分子膜）と、それを挟持するアノード極（燃料極）とカソード極（空気極）と、各電極の外側に配置されるセパレータ（いずれも図示せず）とから構成される単電池（セル）を複数個積層して形成された、公知の固体高分子型燃料電池からなる。
【００１４】
カソードガス供給系１４は、燃料電池１２のカソードガス供給口（図示せず）に接続されてカソードガスを供給するカソードガス供給路２４を備える。カソードガス供給路２４には、空気を吸引してカソードガスとして燃料電池１２に圧送するカソードガスポンプ２６と、カソードガスポンプ２６の下流側においてカソードガスを燃料電池１２から排出されるカソードオフガスなどによって加湿する加湿器３０が設置される。尚、この明細書において「上流」「下流」とは、そこを流れる気体あるいは液体（流体）などの流れ方向における上流、下流を意味する。
【００１５】
カソードガス供給系１４はさらに、その一端が燃料電池１２のカソードオフガス排出口（図示せず）に接続される一方、他端が大気に開放され、燃料電池１２で生成されるカソードオフガスを外部に排出させるカソードオフガス排出路３２を有する。カソードオフガス排出路３２の途中には、前記した加湿器３０が配置される。
【００１６】
アノードガス供給系１６は、改質用燃料（燃料。例えば、メタンを主成分とする都市ガス）を改質触媒（図示せず）で反応させて水素を含有したアノードガスに改質する改質器３４と、改質器３４と燃料電池１２（具体的には、燃料電池１２のアノードガス供給口（図示せず））を接続して改質されたアノードガスを燃料電池１２に供給する第１のアノードガス供給路３６ａと、燃料電池１２（具体的には、図示しない燃料電池１２のアノードオフガス排出口）と改質器３４（正確には、後述する改質器３４の燃焼バーナ）を接続して燃料電池１２から排出されるアノードオフガスを改質触媒を加熱するための燃料として改質器３４に供給するアノードオフガス供給路４０を備える。
【００１７】
改質器３４には、改質用燃料の供給源（図示せず）の改質用燃料を供給する改質用燃料供給路４２と、図示しない水源の水を改質用の水（以下「改質用水」という）として供給する改質用水供給路４４が接続される。改質用燃料供給路４２には、改質用燃料の付臭剤、例えば有機硫黄化合物などを除去する脱硫器４６が配置される一方、改質用水供給路４４には、改質用水を改質器３４に圧送する送水ポンプ５０が配置される。
【００１８】
改質器３４の改質触媒付近であって改質されたアノードガスが排出される部位（改質器出口）には改質器出口温度センサ５２が取り付けられ、改質器出口温度センサ５２は改質器出口の温度ＴＡに応じた信号を出力する。
【００１９】
また、改質器３４は、加熱用燃料（例えば都市ガス）を燃焼させて改質触媒などを加熱する燃焼バーナ３４ａを備える。燃焼バーナ３４ａには、燃焼用の空気（以下「燃焼空気」という）などを供給する燃焼空気供給路５４が接続される。燃焼空気供給路５４には、空気を燃焼空気として圧送する燃焼空気ポンプ５６が設けられると共に、燃焼空気ポンプ５６の下流側には、燃焼空気に加熱用燃料を供給する加熱用燃料供給路６０が接続される。改質器３４にはさらに、燃焼バーナ３４ａでの燃焼によって発生する燃焼排ガスを外部に排出（排気）させる燃焼排ガス排出路６２が接続される。
【００２０】
第１のアノードガス供給路３６ａには、第１のアノードガス供給路３６ａを開閉する第１の開閉弁（遮断弁）６４が介挿されると共に、その下流側には第１のアノードガス供給路３６ａとアノードオフガス供給路４０を連通させる第２のアノードガス供給路３６ｂが接続される。第２のアノードガス供給路３６ｂには、第２のアノードガス供給路３６ｂを開閉する第２の開閉弁（電磁弁）６６が介挿される。第２の開閉弁６６は、非通電時に閉弁され、燃料電池１２において必要なアノードガスの量が減少したとき、通電されてアノードガスを第２のアノードガス供給路３６ｂを介してアノードオフガス供給路４０に供給するように設定される。
【００２１】
第１のアノードガス供給路３６ａにおいて第２のアノードガス供給路３６ｂの接続位置よりも下流側には、第１の熱交換器７０と第１の気液分離器７２が配置される。第１の熱交換器７０には、アノードガスを冷却する冷却水を供給する冷却水供給路７０ａが接続される。また、第１の気液分離器７２は、第１の熱交換器７０において冷却されたアノードガスを気体成分と液体成分（凝縮水）に分離するように構成される。第１の気液分離器７２は、分離して得られた凝縮水を排出する排出路７２ａを備えると共に、排出路７２ａには、凝縮水の量に応じて排出路７２ａを開閉する第３の開閉弁（電磁弁）７２ｂが設置される。
【００２２】
アノードオフガス供給路４０には、アノードオフガス供給路４０を開閉する第４の開閉弁７４が配置される。第４の開閉弁７４と前述した第１の開閉弁６４はいずれも電磁弁からなり、燃料電池１２の非運転時にアノードガスなどが外部に流出するのを防止するため、燃料電池１２の運転終了時に全て閉弁されているものとする。
【００２３】
アノードオフガス供給路４０において第４の開閉弁７４より下流側には、第２のアノードガス供給路３６ｂの接続位置を介して第２の熱交換器７６と第２の気液分離器８０が配置される。第２の熱交換器７６には、アノードオフガスを冷却する冷却水を供給する冷却水供給路７６ａが接続される。また、第２の気液分離器８０は、第２の熱交換器７６において冷却されたアノードオフガスを気体成分と液体成分に分離し、得られた凝縮水を排出路８０ａを介して排出させる。排出路８０ａには、凝縮水の量に応じて排出路８０ａを開閉する第５の開閉弁（電磁弁）８０ｂが設置される。尚、第１、第２の気液分離器７２，８０の排出路７２ａ，８０ａは共に加湿器３０に接続され、凝縮水はカソードガスの加湿用の水として利用される。
【００２４】
アノードオフガス供給路４０において第２の気液分離器８０より下流側には、アノードオフガスの流量を調整する流量調整弁（温度保持手段）８２が介挿される。従って、第２の気液分離器８０において水分が除去されたアノードオフガスは、流量調整弁８２を介して燃焼バーナ３４ａに改質触媒を加熱するための燃料として供給される。
【００２５】
アノードオフガス供給路４０の途中（具体的には、第２の気液分離器８０と流量調整弁８２の間）には分岐路８４が設けられ、かかる分岐路８４は、後に詳説する余剰アノードオフガスが流通させられる。分岐路８４には、余剰アノードオフガスによる圧力（別言すれば、余剰アノードオフガスの流量）が所定値以上のときに開弁する一方、所定値未満のときに閉弁する逃がし弁（リリーフ弁）８６が介挿される。尚、前記所定値は、流量調整弁８２が閉鎖方向に駆動され、アノードオフガス供給路４０のアノードオフガスが余剰アノードオフガスとして供給されたときに開弁するような値に設定される。
【００２６】
分岐路８４において逃がし弁８６の下流側には、余剰アノードオフガスを燃焼させる燃焼器（燃焼手段）９０が接続されると共に、燃焼器９０の下流側には、燃焼器９０での燃焼によって発生した燃焼排ガスの熱を回収する第３の熱交換器（熱回収手段）９２が接続される。
【００２７】
電力制御系２０は、マイクロ・コンピュータなどからなる電子制御ユニット（Electronic Control Unit。以下「ＥＣＵ」という）９４と、燃料電池１２で発生する電力（直流電流）を所定の周波数の交流電流に変換して電気負荷（交流電源機器）９６に出力するインバータ１００などからなり、燃料電池１２で発生した電力を出力する出力端子１０２に接続される。ＥＣＵ９４は、改質器出口温度センサ５２などの信号が信号線（図示せず）などを介して入力されると共に、入力されたセンサの信号に基づき、流量調整弁８２などの補機類の動作を制御するが、それについては後述する。
【００２８】
排熱回収系２２は、燃料電池１２を熱交換によって冷却する１次冷却水を流通させる１次冷却水流路（流路）１０４と、１次冷却水流路１０４に第４の熱交換器１０６を介して接続されると共に、燃料電池１２との熱交換によって昇温させられた１次冷却水を第４の熱交換器１０６における熱交換によって冷却する２次冷却水を流通させる２次冷却水流路（流路）１１０を有する。
【００２９】
１次冷却水流路１０４の一端は、燃料電池１２の冷却水導入口（図示せず）に接続されると共に、他端は燃料電池１２の冷却水排出口（図示せず）に接続される。１次冷却水流路１０４には、燃料電池１２の冷却水排出口側から順に、第３の熱交換器９２、第４の熱交換器１０６、１次冷却水を燃料電池１２に圧送する１次冷却水ポンプ１１２が配置される。このように、分岐路８４に配置された第３の熱交換器９２は１次冷却水流路１０４に接続される。これにより、１次冷却水は、１次冷却水ポンプ１１２に圧送されることによって燃料電池１２、第３の熱交換器９２、第４の熱交換器１０６および１次冷却水ポンプ１１２の順で循環させられる。
【００３０】
２次冷却水流路１１０には、第４の熱交換器１０６の他に、２次冷却水（正確には、１次冷却水を熱交換によって冷却することで昇温させられた２次冷却水。温水）が貯留される貯湯槽１１４と、貯湯槽１１４の２次冷却水を吸入して２次冷却水流路１１０内を循環させる２次冷却水ポンプ１１６が配置される。従って、２次冷却水は、２次冷却水ポンプ１１６に圧送されることにより、第４の熱交換器１０６、貯湯槽１１４および２次冷却水ポンプ１１６の順で循環させられる。
【００３１】
貯湯槽１１４には、貯湯槽１１４の貯湯量が減少したとき、水源（図示せず）から水を供給（補給）する給水流路１２０と、貯湯槽１１４に貯留された２次冷却水（温水）を温水使用機器（例えば、温水シャワーなど）１２２に供給する給湯流路１２４などが接続される。
【００３２】
次いで、上記の如く構成された燃料電池コージェネレーション装置１０の動作について概説する。
【００３３】
先ず燃料電池１２の始動指示がなされると（より詳しくは、オペレータによって始動スイッチ（図示せず）がオンされると）、改質器３４においてアノードガスが生成される。具体的には、燃焼空気ポンプ５６を作動させ、燃焼空気を燃焼空気供給路５４を介して燃焼バーナ３４ａに向けて流通させる。燃焼空気には、加熱用燃料供給路６０を介して加熱用燃料が供給されて予混合ガスが生成され、燃焼バーナ３４ａに供給される。燃焼バーナ３４ａは供給された予混合ガスを点火電極（図示せず）によって点火（着火）して燃焼させ、その燃焼によって比較的高温の燃焼排ガスが発生する。燃焼排ガスは、改質触媒などを加熱して昇温させた後、燃焼排ガス流路６２を介して大気中に排気される。
【００３４】
改質触媒が改質可能な温度（例えば、７００℃程度）まで加熱されると、第１、第４の開閉弁６４，７４および流量調整弁８２を開弁させると共に、送水ポンプ５０を駆動させる。これにより、改質器３４の改質触媒には、改質用水が改質用水供給路４４を介して供給される。さらに、改質触媒には、改質用燃料が改質用燃料供給路４２、脱硫器４６を介して供給されて改質動作が開始される。具体的には、改質用水は燃焼バーナ３４ａの燃焼排ガスなどによって加熱されて蒸発し、水蒸気となる。水蒸気は改質用燃料と混合された後、改質可能な温度まで加熱された改質触媒に供給され、そこで水蒸気改質反応が起こる、即ち、混合された改質用燃料と水蒸気をアノードガスに改質させる。
【００３５】
アノードガスは、改質器３４において一酸化炭素などが除去された後、第１のアノードガス供給路３６ａ、第１の開閉弁６４を介して第１の熱交換器７０、第１の気液分離器７２に供給されて適宜に水分が除去され、その後燃料電池１２のアノード極に供給される。
【００３６】
次いでカソードガスポンプ２６を作動させる。これにより、カソードガスは、図示しないエアクリーナで粉塵が除去された後、カソードガス供給路２４を介して加湿器３０に流入させられる。カソードガスは、加湿器３０でカソードオフガスに含まれた水分などの供給を受けて所望の湿度となるまで加湿された後、燃料電池１２のカソード極に供給される。
【００３７】
燃料電池１２においては、アノード極に供給されたアノードガスをカソード極に供給されたカソードガスと電気化学反応させて発電動作が行われる。電気化学反応によって燃料電池１２で発生した電力は、出力端子１０２から取り出され、その一部がＥＣＵ９４や送水ポンプ５０などの補機類の電源として使用されると共に、残部がインバータ１００を介して電気負荷９６に供給される。
【００３８】
燃料電池１２で生成されて排出されるカソードオフガスは、カソードオフガス排出路３２を介して加湿器３０に供給され、カソードガス供給路２４を流れるカソードガスを加湿した後、大気中に排気される。
【００３９】
燃料電池１２で生成されて排出されるアノードオフガス、正確には、燃料電池１２の発電動作において使用されずに排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス供給路４０、第４の開閉弁７４を介して第２の熱交換器７６、第２の気液分離器８０に供給され、適宜に水分が除去された後、流量調整弁８２を介して改質器３４の燃焼バーナ３４ａに供給（還流）される。燃料電池１２において発電動作が開始されてアノードオフガスが燃焼バーナ３４ａに供給されると、加熱用燃料供給路６０に設置される開閉弁（図示せず）を閉弁させ、加熱用燃料供給路６０を介する燃焼バーナ３４ａへの加熱用燃料の供給を遮断（停止）する。
【００４０】
このときの逃がし弁８６は、流量調整弁８２が閉鎖方向に駆動されていないため、供給されるアノードオフガスの圧力は所定値未満となり、よって閉弁されている。他方、後述するように流量調整弁８２が閉鎖方向に駆動されると、逃がし弁８６に供給されるアノードオフガス（余剰アノードオフガス）の圧力が所定値以上となるため開弁し、余剰アノードオフガスは燃焼器９０に供給されてそこで燃焼される。燃焼器９０での燃焼によって発生した燃焼排ガスは、第３の熱交換器９２を通過した後、外部に排気される。
【００４１】
また、燃料電池１２は発電動作によってその温度が徐々に上昇するため、排熱回収系２２によって冷却される（換言すれば、燃料電池１２で生じる排熱は排熱回収系２２によって回収される）。具体的には、１次冷却水ポンプ１１２と２次冷却水ポンプ１１６を作動させる。これにより、１次冷却水ポンプ１１２から吐出された１次冷却水は、高温となった燃料電池１２の内部を通過し、熱交換によって冷却する。
【００４２】
燃料電池１２を冷却することで昇温させられた１次冷却水は、第３の熱交換器９２に供給され、そこで燃焼排ガスと熱の授受（熱交換）が行われてさらに昇温させられる。即ち、燃焼器９０において余剰アノードオフガスが燃焼させられるときは燃焼排ガスが第３の熱交換器９２を流通するため、その燃焼排ガスの熱が１次冷却水に伝達され、１次冷却水はさらに昇温させられる。
【００４３】
次いで１次冷却水は第４の熱交換器１０６に供給され、そこで１次冷却水の熱が２次冷却水に伝達され、よって２次冷却水は昇温させられて温水となる。第４の熱交換器１０６での熱交換によって温度が低下した１次冷却水は、１次冷却水ポンプ１１２に吸入され、燃料電池１２に再度供給される。また、第４の熱交換器１０６において熱交換された２次冷却水は、貯湯槽１１４に一旦貯留された後、２次冷却水ポンプ１１６によって再度第４の熱交換器１０６に供給される。
【００４４】
続いて、図２を参照して第１実施例に係る燃料電池コージェネレーション装置１０の動作の内、ＥＣＵ９４による流量調整弁８２の動作の制御などについて説明する。
【００４５】
図２は、コージェネレーション装置１０のＥＣＵ９４の動作を示すフロー・チャートである。
【００４６】
以下、図２フロー・チャートの処理について説明すると、先ずＳ１０において改質器出口温度センサ５２を介して検出された改質器３４の出口温度ＴＡを読み込む。次いでＳ１２に進み、検出された出口温度ＴＡが第１の所定出口温度ＴＡref１以上か否か判断する。第１の所定出口温度ＴＡref１は、改質触媒が改質反応を十分に行うことのできる状態（最適な運転状態）にあるときの出口温度の上限値を意味し、例えば６６０℃に設定される。
【００４７】
Ｓ１２で否定されるときは後述するＳ１４，Ｓ１６の処理をスキップする一方、肯定されるとき、即ち、改質器３４の出口温度ＴＡが過度に上昇しており、改質触媒が所定の温度（最適な運転状態のときの適正温度範囲。例えば７００〜７５０℃）を超えていると判断されるときはＳ１４に進む。
【００４８】
Ｓ１４においては、改質触媒を所定の温度に保持するように、流量調整弁８２を駆動させる。具体的には、アノードオフガスの内、改質触媒を所定の温度に保持するのに必要な量のみが通過するように、流量調整弁８２を閉鎖方向に駆動させ、燃焼バーナ３４ａに供給されるアノードオフガスの流量を減少させる。これにより、燃焼バーナ３４ａにおける熱量も減少するため、改質触媒の温度は所定の温度になるまで徐々に低下する。このように、流量調整弁８２は、改質器３４に供給されるアノードオフガスの流量を調整して改質触媒を所定の温度に保持するように駆動される。
【００４９】
尚、流量調整弁８２によるアノードオフガスの減少量は、具体的には、予め設定されたマップ（図示せず）を、検出された出口温度ＴＡなどに基づいて検索することにより決定される。前記減少量は、アノードオフガスの全体量の０．５〜１０％の間、例えば出口温度ＴＡが第１の所定出口温度ＴＡref１を僅かに超えるときは０．５％、第１の所定出口温度ＴＡref１を比較的大きく超えるときは１０％となるように設定される。
【００５０】
Ｓ１４において流量調整弁８２を閉鎖方向に駆動させると、アノードオフガスの内、改質触媒を所定の温度に保持するのに必要な量を超えるアノードオフガス、即ち、余剰アノードオフガスが、分岐路８４を介して逃がし弁８６に供給される。これにより、逃がし弁８６は、余剰アノードオフガスによる圧力が所定値以上となって開弁し、よって余剰アノードオフガスは燃焼器９０に供給される。
【００５１】
余剰アノードオフガスが燃焼器９０に供給されると、次いでＳ１６に進み、燃焼器９０を駆動させる。具体的には、燃焼器９０において、供給された余剰アノードオフガスを燃焼させる。燃焼器９０での燃焼によって発生した燃焼排ガスは、第３の熱交換器９２に供給され、前述したように、そこで１次冷却水流路１０４の１次冷却水を昇温させる。このように、第３の熱交換器９２は燃焼器９０における燃焼によって発生した熱を回収する。
【００５２】
次いでＳ１８に進み、出口温度ＴＡが第２の所定出口温度ＴＡref２以下か否か判断する。第２の所定出口温度ＴＡref２は、改質触媒が改質反応を十分に行うことのできる状態にあるときの出口温度の下限値（例えば６００℃）に設定される。
【００５３】
Ｓ１８で否定されるときは以降の処理をスキップして終了する一方、肯定されるとき、即ち、改質器３４の出口温度ＴＡが過度に低下しており、改質触媒が所定の温度を下回っていると判断されるときはＳ２０に進み、流量調整弁８２を全開方向に駆動（開弁）させる。これにより、Ｓ１４などの処理で流量調整弁８２が閉鎖方向に駆動させられていた場合、燃焼バーナ３４ａに供給されるアノードオフガスの流量を増加させて熱量を増加させ、改質触媒を昇温させることができる。
【００５４】
次いでＳ２２に進み、改質触媒を所定の温度に保持するように、燃料電池１２の動作を制御する。具体的には、燃料電池１２の発電量（負荷）を減少させる（換言すれば、燃料電池１２で使用されるアノードガス量を減少させる）ことで、燃料電池１２から排出されるアノードオフガスの流量を増加させ、よって燃焼バーナ３４ａに供給されるアノードオフガスの流量を増加させる。これにより、燃焼バーナ３４ａにおける熱量も増加するため、改質触媒の温度は所定の温度になるまで徐々に上昇する。このように、燃料電池１２は、出口温度ＴＡが第２の所定出口温度ＴＡref２以下のとき、発電量を調整して改質触媒を所定の温度に保持するように、その動作が制御される。
【００５５】
尚、燃料電池１２において減少される発電量は、上記したアノードオフガスの減少量と同様、予め設定されたマップ（図示せず）を、検出された出口温度ＴＡなどに基づいて検索することにより決定される。減少される発電量は、全体の発電量の０．５〜１０％の間、例えば出口温度ＴＡが第２の所定出口温度ＴＡref２を僅かに下回るときは０．５％、第２の所定出口温度ＴＡref２を比較的大きく下回るときは１０％となるように設定される。
【００５６】
このように、この発明の第１実施例に係る燃料電池コージェネレーション装置にあっては、燃料電池１２と改質器３４を接続して燃料電池１２から排出されるアノードオフガスを改質触媒を加熱するための燃料として改質器３４に供給するアノードオフガス供給路４０において、改質器３４に供給されるアノードオフガスの流量を流量調整弁８２で調整して改質触媒を所定の温度に保持するように構成したので、燃料電池１２の発電状態が変化してアノードオフガスの流量が増減し、改質触媒の温度が変化した場合（具体的には、改質器３４の出口温度ＴＡが第１の所定出口温度ＴＡref１以上になった場合）であっても、改質触媒を所定の温度、具体的には、改質反応に適した温度にすることが可能となり、よって改質器３４を最適な運転状態にでき、改質効率の低下などを防止することができる。また、アノードオフガスの流量を調整して改質触媒を所定の温度に保持するように構成したので、燃料電池１２に供給されるアノードガスの流量を一定にでき、よって燃料電池１２は安定した発電動作を行うことができる。
【００５７】
また、アノードオフガス供給路４０から分岐される分岐路８４に接続され、燃料電池１２から排出されるアノードオフガスの内、改質触媒を所定の温度に保持するのに必要な量を超えるアノードオフガス（即ち、改質触媒を所定の温度に保持するのに不要なアノードオフガス、換言すれば、余剰アノードオフガス）を燃焼させる燃焼器９０と、燃焼器９０に接続され、燃焼器９０における燃焼によって発生した熱を回収する第３の熱交換器９２とを備えるように構成したので、改質触媒の加熱に不要な余剰アノードオフガスを、燃焼させて熱として回収することができ、結果として燃料電池コージェネレーション装置全体としての運転効率を３％から１０％程度向上させることができる。
【００５８】
また、第３の熱交換器９２が、燃料電池１２を熱交換によって冷却する１次冷却水を流通させる１次冷却水流路１０４に接続されるように構成したので、燃料電池１２を熱交換によって冷却することで昇温させられた１次冷却水を、第３の熱交換器９２で回収した燃焼排ガスの熱でさらに昇温させることができ、よって余剰アノードオフガスを燃焼させることで得た熱を効率良く回収（利用）することができる。
【００５９】
また、燃料電池１２は、電気負荷９６による負荷が変動したとき、燃料電池１２の始動時など定常状態にないとき、あるいは改質触媒の劣化によりアノードガス組成やアノードガス量が変動したとき、発電量を減少させるように動作が制御されるが、そのような場合であっても、余剰アノードオフガスを燃焼器９０で燃焼させて熱として回収できるため、燃料電池コージェネレーション装置全体の運転効率の低下を最小限にすることができる。
【実施例２】
【００６０】
次いで、この発明の第２実施例に係る燃料電池コージェネレーション装置について説明する。
【００６１】
図３は、第２実施例に係る燃料電池コージェネレーション装置の構成を示す、図１と同様な概略図である。
【００６２】
以下、第１実施例と相違する点に焦点をおいて説明すると、第２実施例にあっては、図３に示す如く、第３の熱交換器９２が２次冷却水流路１１０に接続される。即ち、第４の熱交換器１０６において１次冷却水を熱交換によって冷却することで昇温させられた２次冷却水が、２次冷却水流路１１０を介して第３の熱交換器９２に供給され、そこで燃焼器９０の燃焼排ガスと熱交換が行われてさらに昇温させられるように構成した。
【００６３】
このように、この発明の第２実施例に係る燃料電池コージェネレーション装置にあっては、２次冷却水を第３の熱交換器９２で回収した熱でさらに昇温させることができ、よって余剰アノードオフガスを燃焼させることで得た熱を効率良く回収（利用）することができる。
【００６４】
尚、残余の構成および効果は、第１実施例のそれと異ならない。
【実施例３】
【００６５】
次いで、この発明の第３実施例に係る燃料電池コージェネレーション装置について説明する。
【００６６】
以下、第１実施例と相違する点に焦点をおいて説明すると、第３実施例にあっては、改質器出口温度センサ５２が除去されると共に、図１に想像線で示す如く、改質器３４の改質触媒付近であって改質用燃料と改質用水が供給される部位（改質器入口）には、改質器入口温度センサ１３０が取り付けられる。改質器入口温度センサ１３０は改質器入口の温度ＴＢに応じた信号をＥＣＵ９４に出力する。
【００６７】
図４は、第３実施例に係るコージェネレーション装置１０のＥＣＵ９４の動作を示す、図２と同様なフロー・チャートである。
【００６８】
先ずＳ１０ａにおいて改質器入口温度センサ１３０を介して検出された改質器３４の入口温度ＴＢを読み込む。次いでＳ１２ａに進み、検出された入口温度ＴＢが第１の所定入口温度ＴＢref１以上か否か判断する。第１の所定入口温度ＴＢref１は、改質触媒が改質反応を十分に行うことのできる状態（最適な運転状態）にあるときの入口温度の上限の値、例えば５００℃に設定される。
【００６９】
Ｓ１２ａで肯定されるとき、即ち、改質器３４の入口温度ＴＢが過度に上昇しており、改質触媒が所定の温度を超えていると判断されるときはＳ１４，Ｓ１６に進み、前述した処理を実行する。これにより、改質触媒の温度を所定の温度になるまで低下させることができると共に、余剰アノードオフガスを燃焼器９０で燃焼させることによって得た熱を第３の熱交換器９２において回収することができる。
【００７０】
Ｓ１６の処理が終了、あるいはＳ１２ａで否定されるときはＳ１８ａに進み、入口温度ＴＢが第２の所定入口温度ＴＢref２以下か否か判断する。第２の所定入口温度ＴＢref２は、改質触媒が改質反応を十分に行うことができるときの入口温度の下限値（例えば４００℃）に設定される。
【００７１】
Ｓ１８ａで否定されるときは以降の処理をスキップして終了する一方、肯定されるとき、即ち、入口温度ＴＢが過度に低下しており、改質触媒が所定の温度を下回っていると判断されるときはＳ２０，Ｓ２２に進み、第１実施例と同様の処理を実行する。これにより、燃焼バーナ３４ａに供給されるアノードオフガスの流量を増加できると共に、燃焼バーナ３４ａにおける熱量も増加させることができ、よって改質触媒の温度を所定の温度になるまで上昇させることができる。
【００７２】
尚、残余の構成および効果は、従前の実施例のそれと異ならない。
【実施例４】
【００７３】
次いで、この発明の第４実施例に係る燃料電池コージェネレーション装置について説明する。
【００７４】
以下、第１実施例と相違する点に焦点をおいて説明すると、第４実施例にあっては、改質器出口温度センサ５２が除去されると共に、図１に想像線で示す如く、燃焼バーナ３４ａの火炎の近傍には火炎温度センサ１４０が配置される。火炎温度センサ１４０は、例えば白金と白金ロジウムからなる熱電対の熱起電力を利用して火炎の温度を測定するものであり、前記熱電対が燃焼バーナ３４ａの火炎の近傍に配置される。火炎温度センサ１４０は燃焼バーナ３４ａの火炎温度ＴＣに応じた信号をＥＣＵ９４に出力する。
【００７５】
図５は、第４実施例に係るコージェネレーション装置１０のＥＣＵ９４の動作を示す、図２と同様なフロー・チャートである。
【００７６】
先ずＳ１０ｂにおいて火炎温度センサ１４０を介して検出された燃焼バーナ３４ａの火炎温度ＴＣを読み込む。次いでＳ１２ｂに進み、検出された火炎温度ＴＣが第１の所定火炎温度ＴＣref１以上か否か判断する。第１の所定火炎温度ＴＣref１は、改質触媒が改質反応を十分に行うことのできるときの火炎温度の上限値を意味し、例えば７５０℃に設定される。
【００７７】
Ｓ１２ｂで肯定されるとき、即ち、火炎温度ＴＣが過度に上昇しており、改質触媒が所定の温度を超えていると判断されるときはＳ１４，Ｓ１６に進み、前述した処理を実行する。これにより、改質触媒の温度を所定の温度になるまで低下させることができると共に、余剰アノードオフガスを燃焼器９０で燃焼させることによって得た熱を第３の熱交換器９２において回収することができる。
【００７８】
Ｓ１６の処理が終了、あるいはＳ１２ｂで否定されるときはＳ１８ｂに進み、火炎温度ＴＣが第２の所定火炎温度ＴＣref２以下か否か判断する。第２の所定火炎温度ＴＣref２は、改質触媒が改質反応を十分に行うことのできる状態にあるときの火炎温度の下限値（例えば６６０℃）に設定される。
【００７９】
Ｓ１８ｂで否定されるときは以降の処理をスキップして終了する一方、肯定されるとき、即ち、火炎温度ＴＣが過度に低下しており、改質触媒が所定の温度を下回っていると判断されるときはＳ２０，Ｓ２２に進み、第１実施例と同様の処理を実行する。これにより、燃焼バーナ３４ａに供給されるアノードオフガスの流量を増加できると共に、燃焼バーナ３４ａにおける熱量も増加させることができ、よって改質触媒を所定の温度になるまで昇温させることができる。
【００８０】
尚、残余の構成および効果は、従前の実施例のそれと異ならない。
【実施例５】
【００８１】
次いで、この発明の第５実施例に係る燃料電池コージェネレーション装置について説明する。
【００８２】
以下、第１実施例と相違する点に焦点をおいて説明すると、第５実施例にあっては、改質器出口温度センサ５２が除去されると共に、図１に想像線で示す如く、第１のアノードガス供給路３６ａであって改質器３４と第１の開閉弁６４の間には、燃料電池１２に供給されるアノードガスの水素濃度を検出し、濃度に応じた信号をＥＣＵ９４に出力する第１の水素濃度センサ１５０が接続される。
【００８３】
図６は、第５実施例に係るコージェネレーション装置１０のＥＣＵ９４の動作を示す、図２と同様なフロー・チャートである。
【００８４】
先ずＳ１０ｃにおいて第１の水素濃度センサ１５０を介して検出されたアノードガスの水素濃度ＣＡを読み込み、次いでＳ１２ｃに進んでアノードガスの水素濃度ＣＡが第１の所定水素濃度ＣＡref１以上か否か判断する。第１の所定水素濃度ＣＡref１は、改質触媒が改質反応を十分に行うことのできる状態にあるときのアノードガスの水素濃度の上限値、例えば７５％に設定される。
【００８５】
Ｓ１２ｃで肯定、即ち、アノードガスの水素濃度ＣＡが過度に上昇しており、改質触媒が所定の温度を超えていると判断されるときはＳ１４，Ｓ１６に進み、第１実施例と同様な処理を実行する。これにより、改質触媒の温度を所定の温度になるまで低下させることができると共に、余剰アノードオフガスを燃焼器９０で燃焼させることによって得た熱を第３の熱交換器９２において回収することができる。
【００８６】
Ｓ１６の処理が終了、あるいはＳ１２ｃで否定されるときはＳ１８ｃに進んで水素濃度ＣＡが第２の所定水素濃度ＣＡref２以下か否か判断する。第２の所定水素濃度ＣＡref２は、改質触媒が改質反応を十分に行うことのできるときのアノードガスの水素濃度の下限値（例えば６０％）に設定される。
【００８７】
Ｓ１８ｃで否定されるときは以降の処理をスキップして終了する一方、肯定されるとき、即ち、アノードガスの水素濃度ＣＡが過度に低下しており、改質触媒が所定の温度を下回っていると判断されるときはＳ２０，Ｓ２２に進み、前述した処理を実行する。これにより、燃焼バーナ３４ａに供給されるアノードオフガスの流量を増加できると共に、燃焼バーナ３４ａにおける熱量も増加させることができ、よって改質触媒の温度を所定の温度になるまで上昇させることができる。
【００８８】
尚、残余の構成および効果は、従前の実施例のそれと異ならない。
【実施例６】
【００８９】
次いで、この発明の第６実施例に係る燃料電池コージェネレーション装置について説明する。
【００９０】
以下、第１実施例と相違する点に焦点をおいて説明すると、第６実施例にあっては、改質器出口温度センサ５２が除去されると共に、図１に想像線で示す如く、アノードオフガス供給路４０（正確には、燃料電池１２のアノードオフガスの出口付近であって第４の開閉弁７４よりも上流側）には、燃料電池１２から排出されるアノードオフガスの水素濃度ＣＢに応じた信号をＥＣＵ９４に出力する第２の水素濃度センサ１６０が接続される。
【００９１】
図７は、第６実施例に係るコージェネレーション装置１０のＥＣＵ９４の動作を示す、図２と同様なフロー・チャートである。
【００９２】
先ずＳ１０ｄにおいて第２の水素濃度センサ１６０を介して検出されたアノードガスの水素濃度ＣＢを読み込む。次いでＳ１２ｄに進み、検出されたアノードガスの水素濃度ＣＢが第１の所定水素濃度ＣＢref１以上か否か判断する。第１の所定水素濃度ＣＢref１は、改質触媒が改質反応を十分に行うことのできるときのアノードオフガスの水素濃度の上限値（例えば３５％）に設定される。
【００９３】
Ｓ１２ｄで肯定、即ち、アノードオフガスの水素濃度ＣＢが過度に上昇しており、改質器３４の温度が所定の温度を超えていると判断されるときはＳ１４，Ｓ１６に進み、前述した処理を行う。これにより、改質触媒の温度を所定の温度になるまで低下させることができると共に、余剰アノードオフガスを燃焼器９０で燃焼させることによって得た熱を第３の熱交換器９２において回収することができる。
【００９４】
Ｓ１６の処理が終了、あるいはＳ１２ｄで否定されるときはＳ１８ｄに進み、Ｓ１０ｄで読み込んだ水素濃度ＣＢが第２の所定水素濃度ＣＢref２以下か否か判断する。第２の所定水素濃度ＣＢref２は、改質触媒が改質反応を十分に行うことのできるときのアノードオフガスの水素濃度の下限値（例えば１７％）に設定される。
【００９５】
Ｓ１８ｄで否定されるときは以降の処理をスキップする一方、肯定されるとき、即ち、アノードオフガスの水素濃度ＣＢが低下し、改質触媒の温度が低いと判断されるときにはＳ２０，Ｓ２２に進み、前述した処理を行う。これにより、燃焼バーナ３４ａに供給されるアノードオフガスの流量を増加できると共に、燃焼バーナ３４ａにおける熱量も増加させることができ、よって改質触媒を所定の温度になるまで昇温させることができる。
【００９６】
尚、残余の構成および効果は、従前の実施例のそれと異ならない。
【００９７】
上記した如く、この発明の第１から第６の実施例にあっては、燃料（改質用燃料）を改質触媒で反応させてアノードガスに改質する改質器３４と、前記改質されたアノードガスを反応空気（カソードガス）と反応させて発電する燃料電池１２と、前記燃料電池と前記改質器を接続して前記燃料電池から排出されるアノードオフガスを前記改質触媒を加熱するための燃料として前記改質器に供給するアノードオフガス供給路４０とを備えた燃料電池コージェネレーション装置１０において、前記アノードオフガス供給路に介挿され、前記改質器に供給されるアノードオフガスの流量を調整して前記改質触媒を所定の温度に保持する温度保持手段（流量調整弁８２。ＥＣＵ９４。Ｓ１４）と、前記アノードオフガス供給路から分岐される分岐路８４に接続され、前記燃料電池から排出されるアノードオフガスの内、前記改質触媒を前記所定の温度に保持するのに必要な量を超えるアノードオフガス（余剰アノードオフガス）を燃焼させる燃焼手段（燃焼器９０。ＥＣＵ９４。Ｓ１６）と、前記燃焼手段に接続され、前記燃焼手段における燃焼によって発生した熱を回収する熱回収手段（第３の熱交換器９２）とを備えるように構成した。
【００９８】
また、前記熱回収手段は熱交換器（第３の熱交換器９２）を備えると共に、前記熱交換器が、前記燃料電池を熱交換によって冷却する１次冷却水を流通させる流路（１次冷却水流路１０４）と、前記熱交換によって昇温させられた１次冷却水を熱交換によって冷却する２次冷却水を流通させる流路（２次冷却水流路１１０）の少なくともいずれかに接続されるように構成した。
【００９９】
尚、上記した第１から第６実施例において、第１の所定出口温度ＴＡref１や第１の所定入口温度ＴＢref１、改質触媒の改質可能な温度などを具体的に示したが、それらの数値は例示であって限定されるものではない。
【０１００】
また、第４実施例において、火炎温度センサ１４０は燃焼バーナ３４ａの火炎温度ＴＣを測定するように構成したが、火炎温度ＴＣに代えて、火炎の輻射熱温度を測定するように構成しても良い。
【０１０１】
また、改質用燃料や加熱用燃料として都市ガスを使用するように構成したが、それに限られるものではなく、ＬＰガスなどであっても良い。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】この発明の第１実施例に係る燃料電池コージェネレーション装置の構成を示す概略図である。
【図２】図１に示すコージェネレーション装置のＥＣＵの動作を示すフロー・チャートである。
【図３】この発明の第２実施例に係る燃料電池コージェネレーション装置の構成を示す、図１と同様な概略図である。
【図４】この発明の第３実施例に係るコージェネレーション装置のＥＣＵの動作を示す、図２と同様なフロー・チャートである。
【図５】この発明の第４実施例に係るコージェネレーション装置のＥＣＵの動作を示す、図２と同様なフロー・チャートである。
【図６】この発明の第５実施例に係るコージェネレーション装置のＥＣＵの動作を示す、図２と同様なフロー・チャートである。
【図７】この発明の第６実施例に係るコージェネレーション装置のＥＣＵの動作を示す、図２と同様なフロー・チャートである。
【符号の説明】
【０１０３】
１０  燃料電池コージェネレーション装置、１２  燃料電池、３４  改質器、４０  アノードオフガス供給路、８２  流量調整弁（温度保持手段）８４  分岐路、９０  燃焼器（燃焼手段）、９２  第３の熱交換器（熱回収手段）、９４  ＥＣＵ、１０４  １次冷却水流路（流路）、１１０  ２次冷却水流路（流路）
【図１】
2008300251.tif 000003
【図２】
2008300251.tif 000004
【図３】
2008300251.tif 000005
【図４】
2008300251.tif 000006
【図５】
2008300251.tif 000007
【図６】
2008300251.tif 000008
【図７】
2008300251.tif 000009