(57)【要約】【課題】熱・電気併用の燃料電池発電装置において、給湯使用および雑菌繁殖防止の観点から必要十分な適温の湯量が常時確保でき、かつ熱効率の向上およびコストの低減を図る。【解決手段】炭化水素系原燃料を改質するバーナを備えた改質器３と、燃料電池スタック１と、燃料電池の排熱を回収して湯として貯蔵する貯湯槽６０とを備えた燃料電池発電装置において、貯湯槽の湯を前記バーナの燃焼排ガスにより昇温する手段と、バーナに前記燃料電池のオフ水素および前記原燃料を供給する手段とを備え、さらに、貯湯槽に設けた温度検出器６１の出力に基づき、貯湯槽内湯温を所定温度以上に維持するようにバーナへの原燃料供給流量を制御する制御手段（６２，６４）を備えたものとし、燃料電池の電力負荷が所定の最低負荷に到達して発電を停止した際には、バーナへの原燃料供給を継続して行なう。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒加熱用バーナを有し炭化水素系原燃料を触媒により改質する改質器と、前記改質して得られた燃料ガスと空気との電気化学的反応により発電を行なう燃料電池と、前記燃料電池の排熱を回収して湯として貯蔵する貯湯槽とを備えた燃料電池発電装置において、
前記貯湯槽の湯を前記バーナの燃焼排ガスにより昇温する手段と、前記バーナに前記燃料電池のオフ水素および前記原燃料を供給する手段とを備え、さらに、前記貯湯槽に設けた温度検出器の出力に基づき、前記貯湯槽内湯温を所定温度以上に維持するように前記バーナへの原燃料供給流量を制御する制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項２】
前記所定温度は、６０℃とすることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池発電装置の運転方法であって、前記燃料電池の電力負荷が、所定の最低負荷に到達した際に発電を停止し、その際、前記バーナへの原燃料の供給を継続して、前記貯湯槽内湯温を所定温度以上に維持することを特徴とする燃料電池発電装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、炭化水素系原燃料ガスを触媒により水素リッチな改質ガスに変換する改質器と、燃料電池の排熱を回収して湯として貯蔵する貯湯槽とを備えた燃料電池発電装置、特に固体高分子電解質型燃料電池発電装置とその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池発電装置に組み込まれる燃料電池としては、電解質の種類、改質原料の種類等によって異なる種々のタイプがあるが、例えば、固体高分子膜を電解質として用い、その運転温度が約８０℃と比較的低いタイプの燃料電池として、固体高分子電解質型燃料電池がよく知られている。
【０００３】
この固体高分子電解質型燃料電池は、リン酸型燃料電池と同様に、例えばメタンガス（都市ガス），ＬＰＧ，灯油，ナフサ等の炭化水素系原燃料を水蒸気改質して得られた燃料ガス中の水素と空気中の酸素とを、燃料電池の燃料極および空気極にそれぞれ供給し、電気化学反応に基づいて発電を行うものである。一般に、原燃料としては、また、原燃料を燃料ガスへ改質するに際しては、原燃料に水蒸気を加え燃料改質器で触媒により改質を促進する方法が採用されている（前記基本的システム構成は、例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
前記改質を定常的に行なうには、所要の水蒸気量を定常的に補給する必要があり、水蒸気の供給装置には、これに対応した水を常時補給する必要がある。なお、使用する水は高純度の水であることが必要であり、イオン交換式の水処理装置で不純物を除去したイオン交換水が用いられるのが通例である。
【０００５】
一方、燃料電池の電気化学反応では発電生成水が生じ、また燃料改質器では吸熱反応である水蒸気改質反応を定常的に行なうための触媒加熱用の燃焼に伴い燃焼生成水が生じるが、これらの生成水は通常の水道水に比べて不純物が少なく、これらの生成水を原水として用いれば、水処理装置の負荷を軽減することができるため、回収水タンクおよび排ガス冷却器を付加して、これらの生成水を回収して改質水蒸気発生用の供給水とする方法が、通常採用されている。
【０００６】
また、燃料電池の電気化学反応では反応に伴って熱が発生し、この排熱エネルギーの一部は、貯湯槽に温水として貯え、給湯もしくは暖房に供される。
【０００７】
図２は、都市ガスを原燃料とする従来の固体高分子電解質型燃料電池発電装置の一例を示す系統図であり、特許文献１に開示されたものに対して、電池冷却水系機器や回収水機器等々を追加して、より詳細なシステム構成を示す。
【０００８】
図２において、模式的に示した燃料電池１は、燃料極１ａと空気極１ｂとを有する単位セルを複数個重ねる毎に、図示しない冷却管または冷却溝を有する冷却板１ｃを配設，積層することにより構成されている。
【０００９】
原燃料はまず改質用水蒸気とともに改質器３に供給され、以下の反応により、水素と一酸化炭素に改質される。改質用の触媒としては、貴金属系触媒またはニッケル系触媒が用いられる。
【００１０】
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ  （吸熱反応）
その後、この改質ガスは、ＣＯ変成器４に供給され、以下の反応により、改質ガス中の―酸化炭素は１％程度まで低減される。ＣＯ変成用触媒としては、貴金属系触媒または銅−亜鉛系触媒が用いられる。
【００１１】
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋ＣＯ２  （発熱反応）
その後、さらにＣＯ除去器５に供給され、図示しない選択酸化空気ブロアによって供給された空気によりＣＯを選択酸化する以下の反応により、改質ガス中の一酸化炭素は１０ｐｐｍ程度まで低減された後、燃料電池の燃料極１ａに供給される。
【００１２】
ＣＯ＋１／２Ｏ２→ＣＯ２  （発熱反応）
上記の如く、改質器３において改質反応を行う場合、水蒸気を供給する必要があり、固体高分子型燃料電池発電装置では、その熱源として改質器３の燃焼排ガスの顕熱，ＣＯ変成器４及びＣＯ除去器５の反応熱を利用するのが一般的である。そのため、電池冷却水循環ポンプ５４にて供給される改質用水を、ＣＯ変成器４，ＣＯ除去器５，水蒸気発生器２４の各反応器を直列に順次流すための改質用水蒸気供給ライン２５を設け、前記各反応器から熱を受けて水蒸気とし、この水蒸気と原燃料とを混合して、改質用水蒸気供給ライン２５から改質器３へ導入する構成としている。なお、図２においては、ＣＯ変成器４，ＣＯ除去器５への前記改質用水の通流ラインを省略している。
【００１３】
又、上記の各反応器は触媒による化学反応を行うため、燃料電池発電装置の起動時には、適正な温度に予め昇温する必要がある。
各反応器の適正な温度は以下のとおりである。改質器：５００〜７００℃、ＣＯ変成器：２００〜３００℃、ＣＯ除去器：１００〜２５０℃である。
【００１４】
このため、改質器３は、燃料電池の排水素供給ライン１９から供給される水素を改質器内に設置されているバーナで燃焼させることで、通常時は加熱されているが、起動時には原燃料をバーナで燃焼させることにより昇温している。また、改質器の燃焼排ガスにより水蒸気発生器２４も昇温している。一方、ＣＯ変成器４とＣＯ除去器５とは、それぞれが個々に備える図示しない電気ヒータにより昇温している。前記バーナには、燃焼空気ブロア６により、燃焼用空気が導入される。なお、７は、燃料電池本体の空気極に反応用の空気およびＣＯ除去器におけるＣＯ選択酸化用の空気を供給するための反応空気ブロアである。
【００１５】
また、都市ガスは、都市ガス昇圧ブロア２７により、まず脱硫器２へ導入され、都市ガス内に含まれる硫黄成分が除去された後、改質器３の触媒反応器へ導入され、前記燃焼排ガスにより熱の供給を受けながら改質され、水素リッチな燃料ガスとなる。
【００１６】
次に、図２における燃料電池の冷却水系機器５０および回収水系機器３０について以下に述べる。冷却水系機器５０は、電池冷却水冷却器５１と、カソードオフガス冷却器５２と、燃焼排ガスの排ガス冷却器５３と、純水タンク５５と、電池冷却水循環ポンプ５４、その他配管等を含む。
【００１７】
燃料電池１は、前述のように約８０℃で運転され、前記電池冷却水循環ポンプ５４によって、純水タンク５５から通流される水によって冷却され、電池冷却水冷却器５１によって除熱される。電池冷却水冷却器５１には、図２には図示しない貯湯槽に接続される循環水導出ライン５６から供給される、例えば約５０℃の水が導入され、ここで電池冷却水を冷却した水は、その後、カソードオフガス冷却器５２および燃焼排ガスの排ガス冷却器５３を経由して、例えば約６０℃〜７０℃に昇温されて、循環水導出ライン５７から前記貯湯槽に還流する。前記純水タンク５５には、液面計が設けてあり、液面が下限に到達した際には、後述する回収水が、水処理装置３５を介して、間歇的に補給される。
【００１８】
次に、回収水系機器３０について述べる。回収水系機器３０は、回収水タンク３１と、回収水ポンプ３３と、回収水冷却器３４等からなる。前記回収水タンク３１の上部には、カソードオフガス冷却器５２および燃焼排ガスの排ガス冷却器５３により冷却されたオフ空気および燃焼排ガスが導入され、空気およびガス中の含有水分を、上部に設けた散水装置から冷却水を散布することにより凝縮して、回収水タンク３１の下部に回収する。この回収水を、回収水冷却器３４により冷却して、前記散水装置に導入する。この散水装置の後段には、ラシヒリング等の充填層を備えた冷却水直接接触式凝縮器を設ける場合もある。
【００１９】
この場合、水蒸気を含むオフ空気と燃焼排ガスを、図２には図示しない充填層下部から上方に通流し、一方、上部から回収水冷却器３４で冷却された４０℃程度の回収水を散水して、充填層部分でガスと冷却水を直接接触させながら、空気およびガス中の水蒸気分を凝縮・回収するものであり、簡単な構造で、回収効率が向上する利点がある。
【００２０】
上記回収水は、前述のように、水処理装置で純化され補給水として用いられる。なお、回収水タンク３１の下部にも液面計が設けられ、回収水タンク内の水が不足した場合には、補給水として市水（水道水）が供給され、この市水は水処理装置で純化される。
【００２１】
ところで、上記のような熱および電力併用（コージェネレーション）システムとしての燃料電池発電装置は、電力負荷あるいは熱負荷に応じて出力を調整しながら運転され、所定の低負荷時には、運転を停止するのが一般的である。しかしながら、発電装置を停止した場合、貯湯槽内の湯温が下がり、使用時に十分な湯量が確保できない問題がある。
【００２２】
特許文献２には、燃料電池の作動・停止の状態とは独立して、改質器の作動を継続し、この改質ガスを、燃料電池停止中も、温水加熱に利用するコージェネレーションシステムが開示されている。但し、特許文献２において、改質器の作動を継続する主目的は、下記のような別な目的にある。
【００２３】
即ち、特許文献２の記載を概ね引用すれば、「改質器を有する燃料電池を用いたコージェネレーションシステムは、該コージェネレーションシステムの運転と停止の繰り返しによって構成機器や改質器の触媒に熱歪等の影響を生じやすい。そこで、構成機器の作動や停止に伴う熱的な弊害を極力生じさせないようにしたコージェネレーションシステムを提供すること」を目的とする。
【００２４】
さらに、特許文献２の［００６８］に記載されたように、特許文献２のコージェネレーションシステムの実施形態は、下記を特徴とする。即ち、「夜間は燃料電池の作動を停止し、改質器の作動を継続しつつ前記改質器で発生した改質ガスを燃料として燃焼装置を作動させ、夜間における貯湯タンクの温水の温度を約８０℃以上（好ましくは９０〜９５℃の温水）に昇温させるよう追いだき的に制御するので、エネルギの有効活用が可能となり、改質触媒の耐久性を低下させたり、燃料電池を構成する機器の劣化を減らし、機器や装置の耐久性を損なわないようにしつつ、コージェネレーションシステム全体としてのエネルギ効率や経済性の向上を図ることができる。」
【００２５】
【特許文献１】
特開２００２−１２４２８８号公報（第２−３頁、図２）
【特許文献２】
特開２００２−５６８７５号公報（第１頁，第７頁、図１，図２）
【００２６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記特許文献２に記載された燃料電池発電装置においては、下記のような問題点がある。
【００２７】
前述のように、燃料電池発電装置の停止時に、改質器で発生した改質ガスを燃料として燃焼装置を作動させ、貯湯タンクの温水を追いだき的に昇温するので、昇温用の燃焼装置を必要とし設備コストが高い問題がある。また、燃料電池の作動・停止の状態とは独立して、改質器の作動を継続するので、熱効率の点でも問題がある。
【００２８】
コージェネレーションシステムにおいて、温水の好ましい利用形態を考えると、▲１▼燃料電池の作動・停止の状態とは無関係に、常に、所定温度以上の温水が利用できる状態が維持されていること、▲２▼前記所定温度は、少なくとも雑菌が繁殖する恐れがない温度以上であること、▲３▼熱効率の観点から、必要以上に加熱エネルギーを消費しないこと、▲４▼装置がシンプルで設備および運転コストが安価であること等である。上記▲１▼〜▲４▼の内、▲３▼および▲４▼に関して、特許文献２に記載された燃料電池発電装置は難がある。
【００２９】
この発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、この発明の課題は、給湯使用および雑菌繁殖防止の観点から必要十分な適温の湯量が常時確保でき、かつ熱効率の向上およびコストの低減を図った燃料電池発電装置とその運転方法を提供することにある。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、この発明においては、触媒加熱用バーナを有し炭化水素系原燃料を触媒により改質する改質器と、前記改質して得られた燃料ガスと空気との電気化学的反応により発電を行なう燃料電池と、前記燃料電池の排熱を回収して湯として貯蔵する貯湯槽とを備えた燃料電池発電装置において、前記貯湯槽の湯を前記バーナの燃焼排ガスにより昇温する手段と、前記バーナに前記燃料電池のオフ水素および前記原燃料を供給する手段とを備え、さらに、前記貯湯槽に設けた温度検出器の出力に基づき、前記貯湯槽内湯温を所定温度以上に維持するように前記バーナへの原燃料供給流量を制御する制御手段を備えたものとする（請求項１の発明）。また、前記発明の実施態様として、前記所定温度は６０℃とする（請求項２の発明）が好ましい。
【００３１】
雑菌の繁殖を防止するためには、貯湯槽内湯温を６０℃以上に維持することが望ましい。また、温水を暖房に使用したり、水を混ぜて一度に大量消費する場合には、湯温が高い程、使い勝手がよいが、特に家庭用設備等においては、通常、前記６０℃以上の温度であれば、使い勝手上も好適な温度である。また、前記発明によれば、改質器のバーナの燃焼排ガスのみで貯湯槽内湯温を所定温度以上に維持することができるので、特許文献２の発明に比べて、装置がシンプルでかつ熱効率も高い。
【００３２】
さらに、燃料電池の発電停止時の運転方法としては、前記装置の簡略化および熱効率向上の観点から、下記請求項３の発明が好ましい。即ち、前記請求項１または２に記載の燃料電池発電装置の運転方法であって、前記燃料電池の電力負荷が、所定の最低負荷に到達した際に発電を停止し、その際、前記バーナへの原燃料の供給を継続して、前記貯湯槽内湯温を所定温度以上に維持する。
【００３３】
【発明の実施の形態】
図に基づき、本発明の実施例について以下にのべる。
【００３４】
図１は、この発明の実施例に関わる燃料電池発電装置の概略システム系統図である。図１において、図２に示した部材と同一機能を有する部材には、同一番号を付してその詳細説明を省略する。
【００３５】
図１のシステムは、貯湯槽６０の湯を、改質器３が備えるバーナの燃焼排ガスにより昇温する手段としての熱交換器６３と、前記バーナに電池スタック１のオフガスを供給する排水素供給ライン１９と、前記バーナに原燃料を供給する原燃料供給ライン２０とを備える。また、貯湯槽６０には温度検出器６１が設けられ、さらに、この温度検出器６１の出力に基づき、貯湯槽内湯温を所定温度、例えば６０℃以上に維持するようにバーナへの原燃料供給流量を制御する制御手段としての制御装置６２と原燃料供給制御弁６４とを備える。
【００３６】
上記構成によれば、例えば、燃料電池が発電中でかつ給湯量が多い場合には、バーナに燃料電池のオフ水素を供給するとともに、温度検出器６１の出力に基づき、原燃料供給制御弁６４を開として、原燃料をいわゆる助燃燃料として改質器のバーナに供給して追加燃焼させることにより、バーナの燃焼排ガスのみで貯湯槽内湯温を所定温度以上に維持することができる。
【００３７】
また、燃料電池の電力負荷が所定の最低負荷に到達して、発電を停止した際には、バーナへの原燃料の供給は継続して行なうようにすることで、貯湯槽内湯温を所定温度以上に維持することができる。
【００３８】
【発明の効果】
上記のとおり、この発明によれば、触媒加熱用バーナを有し炭化水素系原燃料を触媒により改質する改質器と、前記改質して得られた燃料ガスと空気との電気化学的反応により発電を行なう燃料電池と、前記燃料電池の排熱を回収して湯として貯蔵する貯湯槽とを備えた燃料電池発電装置において、前記貯湯槽の湯を前記バーナの燃焼排ガスにより昇温する手段と、前記バーナに前記燃料電池のオフ水素および前記原燃料を供給する手段とを備え、さらに、前記貯湯槽に設けた温度検出器の出力に基づき、前記貯湯槽内湯温を所定温度以上に維持するように前記バーナへの原燃料供給流量を制御する制御手段を備えたものとし、
また、燃料電池の電力負荷が所定の最低負荷に到達して、発電を停止した際に、バーナへの原燃料の供給を継続して行なうこととしたので、
給湯使用および雑菌繁殖防止の観点から必要十分な適温の湯量が常時確保でき、かつ熱効率の向上およびコストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例に関わる燃料電池発電装置の概略システム系統図
【図２】従来の燃料電池発電装置の一例を示すシステム系統図
【符号の説明】
１：電池スタック、３：改質器、４：ＣＯ変成器、５：ＣＯ除去器、１９：排水素供給ライン、２０：原燃料供給ライン、６０：貯湯槽、６１：温度検出器、６２：制御装置、６３：熱交換器、６４：原燃料供給制御弁。
【図１】
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【図２】
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