(57)【要約】【課題】高温型燃料電池の高温排気ガスのエネルギーを有効利用し、低温型燃料電池の起動時間を短縮させたハイブリッド型燃料電池システムを提供する。【解決手段】ハイブリッド型燃料電池システムは、加圧高温型燃料電池１と、改質器２２を備える常圧低温型燃料電池２とを併設して構成される。高温型燃料電池１の燃料極排ガス１０１Ｇ及び空気極排空気１０２Ｇ、或いはこれらの燃焼排ガスを、低温型燃料電池２の改質器バーナ２２１の燃料或いは加熱源として活用できるよう、バイパス配管路１０１Ｓ，１０２Ｓが設けられている。低温型燃料電池２の停止中、前記燃料極排ガス１０１Ｇ及び空気極排空気１０２Ｇを改質器バーナ２２１で燃焼させたり、或いは空気極排空気１０２Ｇや燃焼排ガスを熱源とすることて改質器２２をホットバンキング状態に維持し、再起動の際の起動に要する時間を短縮する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温型燃料電池と、改質器を備える低温型燃料電池とを併設してなるハイブリッド型燃料電池システムにおいて、
前記高温型燃料電池の燃料極排ガス及び／又は空気極排空気、或いは燃料極排ガスと空気極排空気との燃焼排ガスを、前記低温型燃料電池の停止時から再起動までの間の少なくとも一部の時間において、前記改質器を加温状態に保つための、直接的又は間接的なエネルギー源として用いることを特徴とするハイブリッド型燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載のハイブリッド型燃料電池システムにおいて、前記高温型燃料電池の燃料極排ガス及び空気極排空気を、それぞれ前記低温型燃料電池の改質器バーナにバーナ燃料として導入自在とし、これにより前記改質器バーナを、改質器を加温状態に保つホットバンキングモードで動作可能としておき、
前記低温型燃料電池の停止時から再起動までの間の少なくとも一部の時間において、前記改質器バーナを前記ホットバンキングモードで動作させることを特徴とするハイブリッド型燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１記載のハイブリッド型燃料電池システムにおいて、前記高温型燃料電池の燃料極排ガスと空気極排空気とを燃焼させた燃焼排ガス、或いは空気極排空気を、前記低温型燃料電池の改質器の炉内へ導入可能としておき、
前記低温型燃料電池の停止時から再起動までの間の少なくとも一部の時間において、前記燃料極排ガスと空気極排空気との燃焼排ガス、或いは空気極排空気を前記改質器の炉内へ導入することで、前記改質器を加温状態に保つことを特徴とするハイブリッド型燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のハイブリッド型燃料電池システムにおいて、前記改質器は、その再起動の直前において加温状態とされることを特徴とするハイブリッド型燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のハイブリッド型燃料電池システムにおいて、前記改質器は、一定温度での加温状態に保たれることを特徴とするハイブリッド型燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のハイブリッド型燃料電池システムにおいて、前記改質器は脱硫器及び一酸化炭素変成器を少なくとも付帯設備として備えており、
前記付帯設備は熱媒循環系統が設けられており、前記改質器が加温状態とされるとき、前記付帯設備もその触媒温度が動作温度の近傍に維持されるよう加温状態とされることを特徴とするハイブリッド型燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のハイブリッド型燃料電池システムにおいて、前記低温型燃料電池は電池冷却水系を備えており、
前記低温型燃料電池の停止時から再起動までの間の少なくとも一部の時間において、前記高温型燃料電池が直接的又は間接的に生成する熱により、前記電池冷却水系を保温することを特徴とするハイブリッド型燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、発電容量が数ｋＷから数百ＭＷ級の業務用や自家用発電設備、および電気事業用電源として、高温型燃料電池と低温型燃料電池とを併設して運用する場合において、両者をハイブリット化すると共に、低温型燃料電池の起動時間を短縮化することにより高い運用性と経済性を兼ね備えたハイブリッド型燃料電池発電システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池を分類するカテゴリーの一つとして電池の作動温度による区分があり、大きく分けて作動温度が６００〜１０００℃程度以上である高温型燃料電池と、作動温度が２００℃程度以下の低温型燃料電池とがある。
【０００３】
図８は、高温型燃料電池の代表である固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）のシステム構成概要を示すブロック図であり、図８（ａ）は加圧型ＳＯＦＣを、図８（ｂ）は常圧型ＳＯＦＣをそれぞれ示している。図８（ａ）において、都市ガス等の燃料ＮＧは、脱硫器８１でイオウ分を除去して水蒸気を加えられ、続いて予熱器８２で加温状態とされ、作動温度が７００〜１０００℃のＳＯＦＣ電池スタック８０へ導入される。電池スタック８０内部で水素、一酸化炭素、二酸化炭素に改質されながら、水素と一酸化炭素の大部分は、その燃料極８０１で酸素イオンと反応して電気を発生する。一方、電池スタック８０の空気極８０２では、空気中の酸素を取り込んでこれをイオン化し、この酸素イオンは電解質８０３を通って燃料極８０１へ移動する。なお、加圧型の場合、空気極８０２へは加圧空気を送る必要があるが、この例では後述するタービン８４１によりコンプレッサー８４３を動作させ、これを空気極８０２へ送気する構成とされている。図６（ｂ）に示す常圧型ＳＯＦＣも、基本構成は加圧型ＳＯＦＣとほぼ同じである。ただ、空気極８０２へ加圧された空気を送らないので、電動機８６０とブロワー８６１とからなる送気装置８６により常圧空気を空気極８０２へ送る点で相違している。
【０００４】
一般に、燃料極８０１での水素の利用率は７０〜８０％程度であって、残りの水素は余剰燃料極排ガスとして排出される。また、空気極８０２での空気中の酸素利用率は５０〜６０％程度で、残りの空気は余剰空気極排空気として排出される。高温型燃料電池スタックでは、これらの燃料極排ガスや空気極排空気は再度システム内に循環させたり、燃料極排ガスや空気極排空気を燃焼させて電池スタックを高温に維持するために使用し、その後４００〜６００℃の高温ガスとして排出される。而して、これら余剰の燃料極排ガス及び空気極排空気、或いはこれらの燃焼排ガスの活用が、燃料電池の運用性や経済性を高める上で重要となる。
【０００５】
ＳＯＦＣが低圧型の場合は、これら余剰の燃料極排ガスと空気極排空気、或いはこれらの燃焼排ガスも低圧であり、各種ボイラーのバーナ燃料などとして使用し、蒸気や高温水を製造する程度の用途に止まる。しかし、ボイラーの熱源として使用する場合は、電気に対して価値の低い熱の発生しかできない。また、夏季等の熱需要が低い時期には熱利用自体の必要性がなくなり、経済性に乏しいという問題がある。
【０００６】
一方、ＳＯＦＣが加圧型の場合は、燃料極排ガスと空気極排空気、或いはこれらの燃焼排ガスも高圧であり、例えばガスタービン発電機のバーナ燃料や高温・高圧の駆動ガスとして使用することができる。図８（ａ）はこのような発電装置８４を、電池スタック８０の後段側に配置した例を示している。電池スタック８０から排出された燃料極排ガスと空気極排空気は、燃焼室バーナで燃焼されて燃焼排ガスとなり、熱交換器８３を経由して発電装置８４へ供給され、そのガスタービン８４１を駆動させるエネルギー源として用いられる。なお８５は、ガスタービン８４１の排気エネルギーを回収するための排熱回収ボイラーである。前記ガスタービン８４１は発電機８４２を作動させて電気を発生させると共に、コンプレッサー８４３も作動させて加圧空気を生成し、電池スタック８０の空気極８０２にこの加圧空気を供給する。このように加圧型ＳＯＦＣにあっては、余剰の燃料極排ガスと空気極排空気、或いはこれらの燃焼排ガスとから電気と空気極８０２での反応用加圧空気を得ることが可能となり、前記燃料極排ガスと空気極排空気、或いはこれらの燃焼排ガスを効果的に利用することができる。
【０００７】
他の高温型燃料電池の例として、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）が挙げられる。ＭＣＦＣの場合、燃料電池からの燃料極排ガスと空気極排空気の温度が４００〜５００℃程度と、若干ＳＯＦＣのそれ（７００〜１０００℃）より低くなる。システム構成については、電池動作温度が低いために燃料極排ガスと空気極排空気とを燃焼させて電池保温をする必要がないので、電池スタックから燃料極排ガスと空気極排空気とを別々に取り出して利用することが可能である。通常、燃料極排ガスは燃料極入り口側に再循環させて使用し、空気極排空気の一部は空気極に再循環させているが、残りはターボコンプレッサーの駆動エネルギーとして利用されている。
【０００８】
次に、低温型燃料電池としては、りん酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）や固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）が挙げられる。図９はＰＡＦＣのシステム構成を示すブロック図である。都市ガス等の燃料ＮＧは、脱硫器９１でイオウ分を除去して水蒸気を加えられ、７００〜８００℃とされた改質器９２内部で改質されながら水素、一酸化炭素、二酸化炭素に分離される。熱交換器９３を経て、一酸化炭素は一酸化炭素変成器９４で水素と二酸化炭素とに変換され、一酸化炭素濃度は一定値（数％）以下とされる。その後、該改質ガスはＰＡＦＣ電池スタック９０へ導入され、導入された水素の大部分は燃料極９０１で水素イオンになり、この水素イオンは電解質９０３を通って空気極９０２に移動する。空気極９０２には加圧空気が導入され、空気中の酸素を取り込んでこれをイオン化し、該酸素イオンと空気極９０２に移動してきた前記の水素イオンとが反応して電気を発生するものである。
【０００９】
一般に、前記燃料極９０１での水素の利用率は７０〜８０％で残りは燃料極排ガス９０１Ｇとして排出される。また、空気極９０２での空気中の酸素利用率は５０〜６０％で、残りは空気極排空気９０２Ｇとして排出される。これら燃料極排ガス９０１Ｇと空気極排空気９０２Ｇとは、改質器９２のバーナ９２１に導入され、改質器９２の加熱用燃料として使用することで、有効活用が図られている。
【００１０】
一方ＰＥＦＣは、電池の作動温度がＰＡＦＣは１８０〜２００℃であるのに対して，ＰＥＦＣは８０〜１００℃程度と、低温型燃料電池の中でも比較的低温であり、またＰＥＦＣの場合は燃料電池セルに入る改質ガス組成中の一酸化炭素濃度を１０ｐｐｍ以下にする必要があるといった相違はあるが、基本的にはＰＡＦＣと同じシステム構成である。
【００１１】
なお、ＰＡＦＣやＰＥＦＣも加圧型と常圧型があるが、加圧型はシステムが複雑となり制御が困難である等の課題があり、製造コストや技術の難易度が高い。従って、十数ｋＷ程度の業務用や数百ｋＷ程度の工場の自家発電用設備として加圧型を採用してもメリットが少なく、一般的に普及しているのは常圧型である。
近年、業務用ＰＥＦＣとして３〜５ｋＷ，３０ｋＷ，２００ｋＷ級のものが開発され、逐次市場に投入されようとしている。また、工場用ＰＡＦＣとしては５０ｋＷ，１００ｋＷ，２００ｋＷ，５００ｋＷ，さらには１０００ｋＷ級のものが開発されているのが現状である。
【００１２】
【特許文献１】
特開２００２−７５４２６号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
需要家の電気や熱負荷需要量は、需要家の業種や規模、昼夜、或いは季節により様々なものになる。その一例として、図１０に事務所ビルの一日の電力・熱負荷需要量の変化を季節別に示す。このように、夏季、冬季、中間期等の季節や一日の間でも時間帯によっても負荷は変化しており、数ｋＷ〜数百ｋＷの燃料電池を経済的に運用するには、このような負荷変動にうまく追従させて運転し、余剰となる電気や熱の発生を極力少なくさせる必要がある。
【００１４】
このような要請があるのに拘わらず、高温型燃料電池はその構造上、負荷変化や起動停止が極めて制限されてしまうという特質がある。すなわち、固体電解質電池（ＳＯＦＣ）の場合、電池の作動温度は７００〜１０００℃もの高温になることから、その電池スタックはセラミック材等の耐熱材料で構成する必要があるが、もし起動停止を繰り返すと、常温〜１０００℃にも及ぶ広範囲の温度変化が生じることとなり、これを繰り返すとセラミック材に割れが発生する恐れがあることから、間欠的に運転と停止を繰り返すといった運用は基本的には行えない。また、負荷変化についても、負荷を下げると電池温度が下がるために７５〜１００％程度の負荷変化しか許容できないとされている。
【００１５】
これは溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）の場合も事情はほぼ同じで、起動停止や負荷変化に対する許容は極めて少ない。実際、定期点検等で高温型燃料電池の運転を停止した場合、再起動に数十時間から数日を要しており、総じて高温型燃料電池は、発電効率は高効率であるが臨機応変に起動停止や負荷変動に対応できないと評価される。
【００１６】
このため、高温型燃料電池を設置する場合は、需要家の最低負荷相当容量の燃料電池を設置するものとし、年間を通してほぼ一定負荷で運転できるような燃料電池システムの設計を目指すこととなる。しかしながら、現実には、休日や深夜においては電気や熱負荷需要は極めて少なくなるので、前記のように最低負荷に合わせるとなると、設置できる燃料電池容量は極めて小容量機にならざるを得ない。例えば、図１０に示した事務所ビルの電力負荷パターンを見ると、昼間の電力負荷は３０ｋＷ超程度あるにもかかわらず、夜間若しくは休日では５ｋＷ程度しかなく、従って５ｋＷ程度の高温型燃料電池しか設置できないという不都合がある。
【００１７】
これに対して、りん酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）や固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）のような低温型燃料電池においては、起動停止や負荷変化に対して強い耐力を持っていると言える。ＰＡＦＣの場合、電池作動温度が２００℃程度と低温であるため、起動停止を行ってもさほど大きな熱変化が電池スタックに付加されず、また負荷変化の許容幅は３０〜１００％と広範であり、例えば週一回程度の起動停止を行う「ＷＳＳ運用」にも十分対応可能である。また、ＰＥＦＣの場合は、動作温度が８０〜１００℃程度とさらに低く、負荷変化の許容幅も３０〜１００％であり、毎日一回程度の起動停止を行う「ＤＳＳ運用」にも対応可能である。ただ、低温型燃料電池は一般に発電効率が高温型よりもかなり低いという根本的な問題があり、低温型燃料電池単体では燃料電池システムの経済的な運用は図り難いという問題があった。
【００１８】
ところで、高温型燃料電池は高温系統であるので電池スタック内部で燃料の改質が行えるが、低温型燃料電池においては低温系統であるため別途改質器を設置し、改質器において燃料を改質した後に電池スタックへ導入する必要がある。低温型燃料電池は上述の通り起動停止が可能なのであるが、前記改質器の起動には相応の時間を要するという問題がある。例えば２００ｋＷ級のＰＡＦＣ場合、その起動時間は約４時間（改質器の起動に３．５時間、電池の起動に１時間程度、重複０．５時間）を必要としているのが現状であり、この改質器の起動に要する時間もまた、燃料電池システムの経済的な運用の妨げになるという問題があった。
【００１９】
本発明者はこのような事情に鑑み、高効率の高温型燃料電池と、発電効率は低いが運用性の高い低温型燃料電池を併設して、発電システム全体として経済的運用することを着想し、本発明を完成するに至った。すなわち本発明は、常時運転をしている高温型燃料電池の高温排気ガスのエネルギーを有効利用し、低温型燃料電池の起動時間を短縮させたハイブリッド型燃料電池システムを提供することを目的としている。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明の請求項１にかかるハイブリッド型燃料電池システムは、高温型燃料電池と、改質器を備える低温型燃料電池とを併設してなるハイブリッド型燃料電池システムにおいて、前記高温型燃料電池の燃料極排ガス及び／又は空気極排空気、或いは燃料極排ガスと空気極排空気との燃焼排ガスを、前記低温型燃料電池の停止時から再起動までの間の少なくとも一部の時間において、前記改質器を加温状態に保つための、直接的又は間接的なエネルギー源として用いることを特徴とするものである。
【００２１】
このような構成によれば、深夜や週末などの低温型燃料電池の停止時において、常時運転をせざるを得ない高温型燃料電池の燃料極排ガス及び／又は空気極排空気、或いは燃料極排ガスと空気極排空気との燃焼排ガスをエネルギー源として直接的又は間接的に生成される熱により、改質器が一種の暖気運転状態とされるので、低温型燃料電池を再起動させる場合に改質器の昇温のために要する時間を短縮でき、ひいては低温型燃料電池の起動時間を短縮することができる。例えば前述の２００ｋＷ級のＰＡＦＣ場合、このような加温を改質器に施すことで、改質器の起動時間を、現状の４時間から１時間程度に短縮することが可能となる。
【００２２】
ここで、「直接的にエネルギー源として用いる」態様は、高温型燃料電池の燃料極排ガス及び空気極排空気のいずれか一方又は双方、或いはそれらの燃焼排ガス自身が保有している熱によって、改質器を加温する態様であって、例えば前記燃料極排ガス又は空気極排空気を改質器の燃焼炉内に導入して内部から加温したり、或いは改質器の周囲に加温用配管を設置し、そこに前記燃料極排ガス又は空気極排空気を流通させる具体的態様が挙げられる。また「間接的にエネルギー源として用いる」態様は、高温型燃料電池の燃料極排ガスと空気極排空気とを燃料としてバーナなどの熱生成源を動作させ、これにより得られる燃焼排ガスなどの二次的な熱媒により、改質器を前記と同様にして加温する態様が挙げられる。
【００２３】
また請求項２にかかるハイブリッド型燃料電池システムは、請求項１において、前記高温型燃料電池の燃料極排ガス及び空気極排空気を、それぞれ前記低温型燃料電池の改質器バーナにバーナ燃料として導入自在とし、これにより前記改質器バーナを、改質器を加温状態に保つホットバンキングモードで動作可能としておき、前記低温型燃料電池の停止時から再起動までの間の少なくとも一部の時間において、前記改質器バーナを前記ホットバンキングモードで動作させることを特徴とするものである。
【００２４】
本構成は、前記高温型燃料電池の燃料極排ガス及び空気極排空気を「間接的にエネルギー源として用いる」好適な態様であって、改質器を加温する熱源として当該改質器自身が保有している改質器バーナを、この改質器バーナの燃料として前記燃料極排ガス及び空気極排空気を用い、低温型燃料電池の停止時に前記改質器バーナをホットバンキングモードで動作させるという構成を採るので、新たに加温設備を設置する必要がないという利点がある。具体的には、改質器バーナを作動させて得た燃焼ガスの一部又は全部を、改質器の燃焼炉内に導入することで、改質器を加温状態にする態様が挙げられる。
【００２５】
請求項３記載のハイブリッド型燃料電池システムは、請求項１において、前記高温型燃料電池の燃料極排ガスと空気極排空気とを燃焼させた燃焼排ガス、或いは空気極排空気を、前記低温型燃料電池の改質器の炉内へ導入可能としておき、前記低温型燃料電池の停止時から再起動までの間の少なくとも一部の時間において、前記燃料極排ガスと空気極排空気との燃焼排ガス、或いは空気極排空気を前記改質器の炉内へ導入することで、前記改質器を加温状態に保つことを特徴とするものである。
【００２６】
本構成は、前記高温型燃料電池の空気極排空気を直接的にエネルギー源として用いるか、或いは間接的に燃料極排ガスと空気極排空気との燃焼排ガスをエネルギー源として用いる態様である。例えば本発明で用いる高温型燃料電池として固体電解質型（ＳＯＦＣ）電池を用いた場合、その空気極排空気は５００℃〜６００℃程度に達するので、これを例えば改質器の燃焼炉内に導入すれば、起動時間を短縮できる程度に改質器を加温状態とすることができる。
【００２７】
請求項４記載のハイブリッド型燃料電池システムは、請求項１乃至請求項３のいずれかのシステムにおいて、前記改質器を、その再起動の直前において加温状態とすることを特徴とするものである。
【００２８】
改質器は、前記低温型燃料電池の停止時から再起動までの全時間において必ずしも加温しておく必要はない。すなわち、その再起動の直前において加温状態を担保しておけば、起動時間の短縮効果は得られる。従って、本発明による改質器の加温を再起動の直前時間帯（例えば再起動前数時間）において少なくとも行うようにし、それ以外の時間帯においては、前記高温型燃料電池の燃料極排ガス及び空気極排空気、或いはこれらの燃焼排ガスが具備するエネルギーを他の用途に用いることで、より効果的なエネルギー利用を図ることが可能となる。
【００２９】
請求項５のハイブリッド型燃料電池システムは、請求項１乃至請求項３のいずれかのシステムにおいて、前記改質器が、一定温度での加温状態に保たれることを特徴とする。
【００３０】
改質器は、一定水準以上の加温状態としておけば、また低温型燃料電池の停止時から再起動までの間の少なくとも一部の時間において加温状態としておけば、起動時間の短縮効果を得ることができる。しかし、改質器にヒートサイクルが加わると改質管の寿命が短くなるという弊害が生じ易くなるところ、低温型燃料電池の停止時から再起動までの間、一定の温度で改質器を加温するようにし、改質管に大きな熱変化が与えられないようにすることが望ましい。
【００３１】
請求項６のハイブリッド型燃料電池システムは、請求項１乃至請求項３のいずれかのシステムにおいて、前記改質器は脱硫器及び一酸化炭素変成器を少なくとも付帯設備として備えており、前記付帯設備は熱媒循環系統が設けられており、前記改質器が加温状態とされるとき、前記付帯設備もその触媒温度が動作温度の近傍に維持されるよう加温状態とされることを特徴とする。
【００３２】
このように改質器の付帯設備も併せて加温状態としておけば、脱硫器及び一酸化炭素変成器の触媒温度を動作温度の近傍に維持することができるので、結果として改質器並びにその付帯設備からなる改質装置全体の昇温時間を短縮することができるものである。
【００３３】
請求項７のハイブリッド型燃料電池システムは、請求項１乃至請求項３のいずれかのシステムにおいて、前記低温型燃料電池が電池冷却水系を備えており、前記低温型燃料電池の停止時から再起動までの間の少なくとも一部の時間において、前記高温型燃料電池が直接的又は間接的に生成する熱により、前記電池冷却水系を保温することを特徴とする。
【００３４】
電池冷却水や電池スタックの温度もまた、低温型燃料電池の起動時間の長短に影響を与える。そこで前記高温型燃料電池の燃料極排ガス及び空気極排空気、或いはこれらの燃焼排ガスにて加温される排熱ボイラーなどが発生した蒸気を利用し、電池冷却水系を保温するように構成すれば、起動時間をより短縮できるものである。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。
［第一実施例］
図１は本発明のハイブリッド型燃料電池システムにかかる基本的なシステムの一例として、加圧高温型燃料電池（ＨＴＦＣ）１と常圧低温型燃料電池（ＬＴＦＣ）２とを併設した場合についての構成を示すブロック図である。なお、燃料電池の組み合わせはこれに限定されるものではなく、この他に加圧高温型燃料電池／加圧低温型燃料電池、常圧高温型燃料電池／加圧低温型燃料電池、常圧高温型燃料電池／常圧低温型燃料電池が考えられる。また燃料電池形式においては、高温型燃料電池としては固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）や溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）などを、一方、低温型燃料電池としてはりん酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）や固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）などを選択することができる。
【００３６】
図１において、加圧高温型燃料電池１は、基本構成として脱硫器１１、熱交換器１３、及び電池本体部としての電池スタック１０を備えている。該電池スタック１０は、燃料極１０１及び空気極１０２を備え、これらから排出される燃料極排ガス１０１Ｇ及び空気極排空気１０２Ｇを活用して作動される発電装置１４、並びに排熱回収ボイラー３が付設されている。
【００３７】
このように構成された加圧高温型燃料電池１において、まず天然ガスなど（プロパンガス、ナフサ、灯油等でもよい）の燃料源ＮＧから供給された燃料ＮＧ１は、燃料昇圧コンプレッサー１Ｃにより加圧状態とされ、脱硫器１１へ送られる。脱硫器１１では、燃料中に含まれる付臭材としてのイオウ分が除去され、熱交換器１３を経て電池スタック１０の燃料極１０１へ送られる。ここで加圧高温型燃料電池１として、例えば溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）を採用した場合で説明すると、電池スタック１０の作動温度は約６５０℃とされ、水蒸気と共に電池スタック１０へ送られた燃料ＮＧ１は、電池スタック１０内部で水素、一酸化炭素、二酸化炭素に改質されながら、水素と一酸化炭素の大部分は、その燃料極１０１で炭酸イオンと反応して水と二酸化炭素を生成すると共に電気を発生する。一方、電池スタック１０の空気極１０２では、空気中の酸素と二酸化炭素を取り込んでこれを炭酸イオンとし、この炭酸イオンは電解質１０３を通って燃料極１０１へ移動し、前記反応源としての炭酸イオンを供給する。
【００３８】
前述の通り、ＭＣＦＣにおいては、一般に燃料極１０１での水素の利用率は７０〜８０％程度であって、残りの水素は燃料極排ガス１０１Ｇとして排出される。また、空気極１０２での空気中の酸素利用率は５０〜６０％程度で、残りの空気は空気極排空気１０２Ｇとして排出される。ＭＣＦＣの場合、燃料極排ガス１０１Ｇと空気極排空気１０２Ｇは電池スタック１０から別々に排出される。この排出された燃料極排ガス１０１Ｇと空気極排空気１０２Ｇは、再循環ブロワーによりそれぞれ燃料系統や空気系統に返され有効利用される。また、燃料極排ガス１０１Ｇの一部は空気系統に送られ、二酸化炭素を空気極１０２に供給して再利用されている。また、余剰となる燃料極排ガス１０１Ｇと空気極排空気１０２Ｇについては、ガスタービンの駆動源として使用することもできる。
【００３９】
本実施例では、このような燃料極排ガス１０１Ｇと空気極排空気１０２Ｇとを、配管路１０１Ｍ及び１０２Ｍによりそれぞれバーナ１５に導いて燃焼させ、その燃焼ガスで発電装置１４のガスタービン１４１を回転させ、発電機１４０にて発電させるべく構成し、電池スタック１０からの排ガスを活用している。また前記タービン１４１の回転軸にはコンプレッサー１４２が連結されており、コンプレッサー１４２は外気を取り入れて加圧空気を発生し、該加圧空気を前記空気極１０２へ送られる。このように電池スタック１０からの排ガスは、自身の空気極１０２の動作源としても活用されている。
【００４０】
これに加えて、前記バーナ１５の燃焼排ガス１５Ｇをも活用すべく、該燃焼排ガス１５Ｇを排熱回収ボイラー３に導き、熱回収を図っている。排熱回収ボイラー３の内部では、蒸気発生器３１、高温水発生器３２、及び低温水発生器３３にて、それぞれ蒸気、高温水、低温水が生成され、冷凍機や暖房、給湯などの用途に供される。一方、熱回収された前記燃焼排ガス１５Ｇは、排熱回収ボイラー３を出た後に水回収器３４へ導出され、水回収器３４にて燃焼排ガス１５Ｇ中に含まれている水分を回収して排気筒３５から排出される。
【００４１】
次に、常圧低温型燃料電池（ＬＴＦＣ）２は、基本構成として脱硫器２１、改質器２２、熱交換器２３，２６、一酸化炭素変成器２４、気水分離器２５、及び電池本体部としての電池スタック２０を備えている。
【００４２】
このように構成された常圧低温型燃料電池２において、燃料源ＮＧから供給された燃料ＮＧ２は、脱硫器２１へ送られてイオウ分が除去され、水蒸気と共に改質器２２へ送られる。ここで常圧低温型燃料電池２として固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）を採用した場合で説明すると、改質器２２へ導入された脱硫後燃料と水蒸気は、７００〜８００℃とされた改質器２２内部で加熱・反応され、水素、一酸化炭素、二酸化炭素に分離されて改質ガスが生成される。続いて、熱交換器２３を経て、一酸化炭素は一酸化炭素変成器２４で水素と二酸化炭素とに変換され、一酸化炭素濃度は一定値（数％）以下とされる。その後、この水素リッチな改質ガスは、気水分離器２５及び熱交換器２６を経てＰＥＦＣ電池スタック２０の燃料極２０１へ導入される。電池スタック２０の作動温度は８０〜１００℃とされ、導入された水素の大部分は燃料極２０１で水素イオンになり、この水素イオンは電解質２０３を通って空気極２０２に移動する。空気極２０２には電動機２７０とブロワー２７１とからなる送気装置２７から常圧の空気が導入され、該空気中の酸素を取り込んでこれをイオン化し、この酸素イオンと空気極２０２に移動してきた前記の水素イオンとが反応して電気を発生するものである。
【００４３】
前記燃料極２０１での水素の利用率は７０〜８０％で残りは燃料極排ガス２０１Ｇとして排出される。また、空気極２０２での空気中の酸素利用率は５０〜６０％で、残りは空気極排空気２０２Ｇとして排出される。そこで、これら燃料極排ガス２０１Ｇと空気極排空気２０２Ｇとは、配管路２０１Ｓ、２０２Ｓを通して改質器２２のバーナ２２１に導入され、改質器２２の加熱用燃料として使用することで、有効活用が図られている。
【００４４】
以上の通り構成された加圧高温型燃料電池１と常圧低温型燃料電池２とを併置し、高効率である（加圧）高温型燃料電池１、起動停止性や負荷変化性に優れる（常圧）低温型燃料電池２の特性をそれぞれ生かし、夜間や休日は加圧高温型燃料電池１のみを運転して常圧低温型燃料電池２は停止し、それ以外は負荷に応じて常圧低温型燃料電池２も併用運転するという如き、ハイブリッド型燃料電池システムが構築可能となる。このようなハイブリッド型燃料電池システムにあって、本発明においては、（加圧）高温型燃料電池１の前記燃料極排ガス１０１Ｇと空気極排空気１０２Ｇ、或いはこれらの燃焼ガスが具備するエネルギーをさらに活用し、（常圧）低温型燃料電池２の停止時において改質器２２をホットバンキング状態に保ち、再起動に要する時間を大幅に短縮させるようにした点に特徴を有する。
【００４５】
燃料極排ガス１０１Ｇと空気極排空気１０２Ｇが備えるエネルギーの活用態様は、改質器２２をホットバンキング状態に保ちうるならば特に制限はないが、好ましい態様は図１に示す通り、燃料極排ガス１０１Ｇと空気極排空気１０２Ｇとを燃料として改質器バーナ２２１へ導入し、これを燃焼させて改質器２２をホットバンキング状態に保持する態様である。具体的には、燃料極排ガス１０１Ｇと空気極排空気１０２Ｇとをバーナ１５へ供給する配管路１０１Ｍ及び１０２Ｍの中間部位に、制御弁１０１Ｂ，１０２Ｂをそれぞれ設けてバイパス配管路１０１Ｓ，１０２Ｓを引き出し、改質器バーナ２２１の燃料供給口に接続する。
【００４６】
このように構成されたハイブリッド型燃料電池システムの動作を説明する。昼間などの高負荷時は、加圧高温型燃料電池１と常圧低温型燃料電池２とが併用運転される。このとき前記制御弁１０１Ｂ，１０２Ｂはバイパス配管路１０１Ｓ，１０２Ｓへの流路を「閉」とし、発電装置１４を作動させるバーナ１５にのみ燃料極排ガス１０１Ｇと空気極排空気１０２Ｇを送るようにする。一方改質器バーナ２２１は、専らＰＥＦＣ電池スタック２０から排出される燃料極排ガス２０１Ｇ及び空気極排空気２０２Ｇで燃焼ガスを生成する。
【００４７】
一方、深夜や休日などの低負荷時は、加圧高温型燃料電池１は運転を続けるが常圧低温型燃料電池２は停止される。このとき前記制御弁１０１Ｂ，１０２Ｂはバイパス配管路１０１Ｓ，１０２Ｓへの流路をも「開」とし、燃料極排ガス１０１Ｇ及び空気極排空気１０２Ｇを、バーナ１５だけでなく、その一部を改質器バーナ２２１へも送るようにする。改質器バーナ２２１へは、常圧低温型燃料電池２が停止していることから配管路２０１Ｓ、２０２Ｓからの燃料極排ガス２０１Ｇ及び空気極排空気２０２Ｇの供給は停止されるが、前記燃料極排ガス１０１Ｇ及び空気極排空気１０２Ｇの供給により改質器バーナ２２１は動作可能となり、図示しない制御装置により改質器２２を加温状態（ホットバンキング状態）に保つホットバンキングモードで燃焼ガスを生成するよう制御される。
【００４８】
続いて、加圧高温型燃料電池１の単独運転状態から、加圧高温型燃料電池１と常圧低温型燃料電池２との併用運転状態に移行すると、前記制御弁１０１Ｂ，１０２Ｂはバイパス配管路１０１Ｓ，１０２Ｓへの流路を「閉」とする。
【００４９】
ここで、常圧低温型燃料電池２の起動の際、その停止期間中において改質器２２はホットバンキング状態とされているので、常温から昇温させる場合に比べて、改質器２２を作動温度に至らせるまでに要する時間を大幅に短縮することができるものである。
【００５０】
なお改質器２２は、前記常圧低温型燃料電池２の停止時から再起動までの全時間において必ずしも加温しておく必要はない。すなわち、改質器２２の再起動の直前において加温状態を担保しておけば、起動時間の短縮効果は得られる。従って、負荷パターンがある程度定まっている場合には、改質器２２の加温を再起動の直前時間帯（例えば再起動前数時間）において行うよう制御することが望ましい。かかる制御を行えば、改質器２２の加温を行わないの時間帯においては、例えば前記加圧高温型燃料電池１の燃料極排ガス１０１Ｇ及び空気極排空気１０２Ｇをバーナ１５にのみ供給し、発電装置１４を高出力で運転することができる。
【００５１】
また改質器２２は、一定水準以上の加温状態としておけば、起動時間の短縮効果を得ることができる。しかし、改質器２２にヒートサイクルが加わると改質管の寿命が短くなるという弊害が生じ易くなるという不都合もある。この観点を重視する場合は、常圧低温型燃料電池２の停止時から再起動までの間の全時間において、運転再開スタンバイ状態となる「一定」の温度（例えば６００〜７００℃の間の一定温度）で常に改質器２２を加温するようにし、改質管に大きな熱変化が与えられないようにすることが望ましい。
【００５２】
さらに図１に示す実施例では、改質器２２だけでなく、その付帯設備もまた加温可能とし、速やかな再起動に備えている。すなわち、脱硫器２１、改質器２２、熱交換器２３、一酸化炭素変成器２４、及び気水分離器２５等の、改質器２２の隣接設備に対して起動用のウォーミングを行うための配管路４Ｍを、これら設備を循環するように敷設している。この配管路４Ｍには窒素ガスなどの熱媒４１が流通自在とされ、ブロワー４２により配管路内を循環されるよう構成されている。
【００５３】
このような構成を付加しておけば、改質器２２がホットバンキング状態とされているとき、この熱を配管路４Ｍによって循環させて付帯設備へ伝熱することで、脱硫器２１や一酸化炭素変成器２４などもまた、ホットバンキング状態とすることが可能となる。これにより、これら機器の触媒温度を動作温度の近傍に維持することが可能となり、結果として改質器２２並びにその付帯設備からなる改質装置全体の昇温時間を短縮することができる。
【００５４】
なお上記実施例のシステムにおいて、改質器２２並びにその付帯設備のホットバンキングのために要する燃料極排ガス１０１Ｇと空気極排空気１０２Ｇの量については、改質器２２、脱硫器２１などの各反応容器の大きさ、配管の容量や表面積からの放熱特性により変動するので、適宜状況に応じて設定すれば良い。例えば、５００ｋＷ級の常圧低温型りん酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）の場合、起動時の改質器バーナに必要なのＬＮＧ燃料流量（２０〜４０Ｎｍ３／ｈ）は、定格負荷時燃料極排ガスのＬＮＧ燃料流量換算量である３０Ｎｍ３／ｈ  （１５３Ｎｍ３／ｈ×０．２）と同程度であり、改質器バーナ２２１をホットバンキングモードで動作させるのに必要とする熱量はさらに少なくなる。
【００５５】
ところで、一般に低温型燃料電池を再起動スタンバイ状態で保持できるための条件を挙げると以下の通りである。
改質器温度                    ６００〜７００℃
脱硫器温度                    ２５０〜３００℃
一酸化炭素変成器温度    １５０〜２００℃
この温度は各反応容器に充填されている触媒の動作温度により決まり、動作温度近傍に温度保持しておくことにより、起動特性を大幅に改善することが可能となる。
【００５６】
上述の実施例では、加圧高温型燃料電池１の燃料極排ガス１０１Ｇ及び空気極排空気１０２Ｇを、改質器バーナ２２１で燃焼させる場合について説明したが、例えば燃料極排ガス１０１Ｇを燃料電池システム内で再循環して使用して空気極排空気１０２Ｇしか余剰とならない場合、空気極排空気１０２Ｇ自身の温度が改質器２２をホットバンキング状態にまで加温するのに十分であれば、これを直接的なエネルギー源として用いることができる。例えば本発明で用いる高温型燃料電池１として溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）燃料電池を用いた場合、その空気極排空気は５００℃〜６００℃程度にも達し、このようなガス温度であれば上記の再起動スタンバイ状態温度に改質器２２を加温することが可能である。従って、この場合は空気極排空気１０２Ｇを改質器２２の燃焼炉内に直接導入すれば、改質器２２を速やかな再起動が可能な程度に加温状態とすることができ、このような態様で改質器２２をホットバンキング状態に保持するものであっても良い。
【００５７】
［第二実施例］
本発明の他の実施例として、図２に常圧高温型燃料電池（ＨＴＦＣ）５と加圧低温型燃料電池（ＬＴＦＣ）６とのハイブリッド型燃料電池システムを示す。このシステムの概要は、常圧高温型燃料電池５の燃料極５０１と空気極５０２とでそれぞれ発生する燃料極排ガスと空気極排空気を、燃料電池内部に設けた燃焼室５０５において燃焼させて電池スタック５０を高温に保持させた後に、その燃焼排ガス５０５Ｇが排出される。そして、この燃焼排ガス５０５Ｇを加圧低温型燃料電池６の改質器６２の炉内加熱用燃料として使用することにより改質ガスを製造し、該改質ガスは加圧型として、加圧低温型燃料電池６の燃料極６０１に供給して発電し、さらに加圧低温型燃料電池６の燃料極排ガス６０１Ｇはターボコンプレッサー発電機６８を動作させるバーナ６７の燃料として、空気極排空気６０２Ｇは燃焼用酸化剤として利用するものである。すなわちこのハイブリッドシステムは、常圧高温型燃料電池５の高温燃焼排ガスを加圧低温型燃料電池６の改質器６２の燃料として有効利用するシステムであり、発電効率をより高くすることを目指している。以下、本実施例のシステムについて詳述する。
【００５８】
図２において、常圧高温型燃料電池５は電池本体部としての電池スタック５０、脱硫器５１、及び電池スタック５０の空気極５０２へ空気を送るための電動機５３０及びブロワー５３１からなる送気装置５３を備えている。燃料源ＮＧから供給された燃料ＮＧ３は、脱硫器５１でイオウ分が除去された後、常圧で電池スタック５０の燃料極５０１へ供給される。
【００５９】
燃料極５０１へ送られた燃料ＮＧ３は、高温の電池スタック５０内部で水素、一酸化炭素、二酸化炭素に改質されながら、水素と一酸化炭素の大部分は、その燃料極５０１で酸素イオンと反応して電気を発生する。一方、電池スタック５０の空気極５０２では、送気装置５３から送られた空気中の酸素を取り込んでこれをイオン化し、この酸素イオンは燃料極５０１へ移動し、前記反応源としての酸素イオンを供給する。
【００６０】
そして、前記燃料極５０１と空気極５０２とから排出された燃料極排ガスと空気極排空気は、電池スタック５０内部の燃焼室５０５で燃焼反応をして高温ガスとなる。この高温ガスの熱は、電池スタック５０を高温型燃料電池の動作温度である高温（固体酸化物型では７００〜１０００℃）に維持するために使用され、その後電池スタック５０から燃焼排ガス５０５Ｇとして排出される。この燃焼排ガス５０５Ｇは、配管路５０５Ｍを経由して、加圧低温型燃料電池６用の改質ガスを生成する改質器６２のバーナ部６２１に供給されるよう構成されている。さらに、該バーナ部６２１の燃焼排ガス６２−Ｇ１は、配管路６２−Ｍ１により熱交換器６２２を経由して排熱回収ボイラー３へ送られ、熱回収がなされるものである。
【００６１】
加圧低温型燃料電池６は、基本構成として脱硫器６１、改質器６２、熱交換器６３，６６、一酸化炭素変成器６４、気水分離器６５、及び電池本体部としての電池スタック６０を備えている。かかる構成において、燃料源ＮＧから供給された燃料ＮＧ４は、燃料昇圧コンプレッサー６Ｃで加圧され、脱硫器２１へ送られてイオウ分が除去され、水蒸気と共に改質器６２へ送られる。改質器６２へ導入された脱硫後燃料と水蒸気は、改質温度まで昇温された改質器６２内部で加熱・反応され、水素、一酸化炭素、二酸化炭素に分離されて改質ガスが生成される。続いて、熱交換器６３を経て、一酸化炭素は一酸化炭素変成器６４で水素と二酸化炭素とに変換され、該改質ガスは、気水分離器６５及び熱交換器６６を経て電池スタック６０の燃料極６０１へ導入される。
【００６２】
導入された水素の大部分は燃料極６０１で水素イオンになり、この水素イオンは空気極６０２に移動する。空気極６０２には後述するコンプレッサー６８２から加圧空気が導入され、該空気中の酸素を取り込んでこれをイオン化し、この酸素イオンと空気極６０２に移動してきた前記の水素イオンとが反応して電気を発生するものである。
【００６３】
本実施例にあっては、加圧低温型燃料電池６の後段にターボコンプレッサー発電機６８を配置し、該発電機を電池スタック６０から排出される燃料極排ガス６０１Ｇと空気極排空気６０２Ｇとを利用して駆動させ、電気を発生させる構成としている。ターボコンプレッサー発電機６８は、発電機６８０とタービン６８１を備え、該タービン６８１はバーナ部６７の燃焼ガスにて回転される。このバーナ部６７の燃料として、前記燃料極排ガス６０１Ｇ及び空気極排空気６０２Ｇを供給すべく配管路が設置されている。
【００６４】
前記ターボコンプレッサー発電機６８は、タービン６８１と同軸上に配置されたコンプレッサー６８２を備え、該コンプレッサー６８２はタービン６８１の回転に伴い駆動されて加圧空気Ａを製造する。かかる加圧空気Ａは、電池スタック６０の空気極６０２へ送られる。
【００６５】
前記バーナ部６７の燃焼排ガスは、配管路６８Ｍにより排熱回収ボイラー３に導かれ熱回収される。なお、この配管路６８Ｍに、改質器バーナ部６２１の燃焼排ガス６２−Ｇ２を送る配管路６２−Ｍ２を連結し、バーナ部６７の燃焼排ガスと改質器バーナ部６２１の燃焼排ガスとを合流させて排熱回収ボイラー３に供給するようにしても良い。
【００６６】
このようなハイブリッド型燃料電池システムにおいて、深夜や週末に加圧低温型燃料電池６を停止している間は、改質器６２による改質ガスの生成は不要となることから、常圧高温型燃料電池５の燃焼排ガス５０５Ｇは余剰となる。そこで、電池スタック５０と改質器バーナ部６２１とを繋ぐ配管路５０５Ｍの途中に切り替え弁５０５Ｂを介在し、排熱回収ボイラー３のバーナ部に至るバイパス配管路５０５Ｓを設け、前記の燃焼排ガス５０５Ｇを排熱ボイラー３の加熱用熱源として活用できるよう構成している。
【００６７】
ここで本発明においては、余剰の燃焼排ガス５０５Ｇの全てを排熱回収ボイラー３のバーナ部へ供給するのではなく、その一部を加圧低温型燃料電池６の改質器バーナ部６２１に導入して燃焼させるようにする。従って前記切り替え弁５０５Ｂは、加圧低温型燃料電池６の運転時にあってはバイパス配管路５０５Ｓへの流路を「閉」として改質器バーナ部６２１にのみ燃焼排ガス５０５Ｇを供給し、加圧低温型燃料電池６の停止時にあっては、バイパス配管路５０５Ｓへの流路を「開」として、改質器バーナ部６２１と排熱回収ボイラー３のバーナ部とへ前記の燃焼排ガス５０５Ｇを分岐供給するよう制御される。
【００６８】
これにより、改質器６２の炉内を５００〜６００℃程度のホットバンキング状態に保持しすることが可能となり、加圧低温型燃料電池６の再起動に要する時間を短縮させることができる。また、前記実施例と同様に、改質器６２の付帯設備（反応容器）に対しても起動用のウォーミングを行うための配管路４Ｍを設け、窒素などの熱媒４１をブロワー４２にて循環させれば、脱硫器６１や一酸化炭素変成器６４などを１２０〜１５０℃程度の起動スタンバイ状態に保つことができ、起動時間の短縮に貢献しうる。
【００６９】
なお上記実施例において、加圧低温型燃料電池６として、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）を選定してハイブリッドシステムとする場合は、電池スタックに入る燃料ガスを温度は８０℃程度、燃料ガス中の一酸化炭素濃度は１０ｐｐｍ以下にする必要があり、一酸化炭素選択酸化器を設置する必要がある。
【００７０】
図３に、一般的な改質器の昇温時間特性を、図４に一酸化炭素変成器および気水分離器（水蒸気分離器）の昇温時間特性をそれぞれ示している。このような昇温時間特性を備える場合において、上記実施例のように改質器６２の炉内を５００〜６００℃程度に、脱硫器６１や一酸化炭素変成器６４などを１２０〜１５０℃程度にホットバンキング状態としておけば、実際に加圧低温型燃料電池６を再起動させて発電を開始するにあたり、必要な動作温度を３時間程度短縮し、約１時間程度で運転を開始することができるものである。
【００７１】
ところで、低温形燃料電池は停止中にセル温度は低下するために、電池スタックを起動する場合、燃料電池セルを動作温度まで昇温する必要がある。昇温速度はセル保護の観点から５０℃／ｈ程度の昇温率を維持しなければならない。例えばりん酸形燃料電池の場合、図５に示すようにセルの動作温度は約２００℃なのであるが、停止時の保持温度が６０℃である場合、６０℃から２００℃まで昇温するのに約３時間を必要とすることになる。また、固体高分子形燃料電池のセル動作温度は８０〜１００℃と低いが、それでも常温から昇温すると０．５〜１時間程度を必要としてしまう。
【００７２】
このように電池スタックの起動にもまた相当の時間を要する事情があるが、セル寿命に影響を与えない範囲でセル温度を高い状態で保持できれば、起動時間を短縮させるためには効果的であると言える。なお、低温形燃料電池の停止中には、セルの内部の燃料ガスや空気は窒素により置換しているためにセルを高い温度で保持しても、セル寿命には悪い影響は与えない。そこで本発明では、低温形燃料電池の停止時にセル温度も高温に保ち、さらなる速やかな再起動に備えるハイブリッド型燃料電池システムを提供する。以下に具体例を詳述する。
【００７３】
［第三実施例］
図６は、先に図１で示した、加圧高温型燃料電池（ＨＴＦＣ）１と常圧低温型燃料電池（ＬＴＦＣ）２とを併設したハイブリッド型燃料電池システムと同様のシステムを示しているが、本実施例では常圧低温型燃料電池２の電池スタック２００の冷却を担う水蒸気分離器７に、加圧高温型燃料電池１の排熱で作動する排熱回収ボイラー３の蒸気発生器３１が生成した蒸気を導入することで、当該電池スタック２００の冷却水系配管路７Ｍを活用してセルを保温する構成を追加した場合を示している。なお、加圧高温型燃料電池１の電池スタック１０内部に燃料極排ガスと空気極排空気を燃焼させる燃焼室１０５を設け、その燃焼排ガス１０５Ｇを配管路１０５Ｍとバイパス配管路１０５にて、それぞれ排熱回収ボイラー３のバーナ部１５、改質器２２のバーナ部２２１へ導くよう構成している点で、図１の構成とは相違している。
【００７４】
図７は、前記水蒸気分離器７部分の詳細図である。水蒸気分離器７は、容器７０の内部に冷却水Ｗを有し、冷却水系配管路７Ｍが電池スタック２００内部に積層されているセル数枚あたり１枚の割合で積層されている冷却板（冷却水配管が組み込まれている）を通って、再び容器７０内に戻るよう配管されている。電池冷却水循環ポンプ７Ｐにより、冷却水Ｗは配管路７Ｍを流通自在とされている。前記常圧低温型燃料電池２が運転されている間は、この配管路７Ｍは本来的な冷却水系として機能し、電池スタック２００内で発生する熱を吸収して容器７０内に戻り、熱を蒸気として逃がす作用をなす。
【００７５】
一方、常圧低温型燃料電池２が停止されている間は、前記配管路７Ｍは保温水系として機能する。すなわち、容器７０内には熱交換器３１Ｈが冷却水Ｗと接するように配置され、その配管路３Ｍには、排熱回収ボイラー３の蒸気発生器３１が発生する蒸気が流通可能とされている。これにより、前記蒸気にて冷却水Ｗが加温され、該加温水を循環ポンプ７Ｐで電池スタック２００内へ送り、電池スタック２００内を一定温度に保温しておくものである。
【００７６】
なお、過剰な加温が行われないよう、配管路３Ｍに制御弁３０Ｂを設けておき、容器７０内に冷却水Ｗの温度を測定する温度計３０Ｔを配置し、該温度計３０Ｔの検温結果に基づいて制御弁３０Ｂを調整可能として、水温が一定温度に保たれるよう蒸気発生器３１からの蒸気供給量を制御することが望ましい。
【００７７】
このような構成を採用し、例えばりん酸形燃料電池において電池スタックの温度を１５０℃程度に保温しておけば、図７の起動曲線における６０℃〜１５０℃の部分が短縮できることになり、起動時間を大幅に短縮できる。
【００７８】
なお、低温型燃料電池２として、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）を選定した場合、ＰＥＦＣは電池動作温度が８０℃と低いことから、電池スタック２００を保温する熱源として、排熱回収ボイラー３の高温水発生器３２が発生する９０℃の高温水を利用するようにしてもよい。
【００７９】
以上説明したハイブリッド燃料電池システムを具体的に運用する方法としては、季節あるいは月別の熱・電負荷の時刻別のデータから、何時に低温型燃料電池を起動するかとの予測をしておき、起動時間を加味して負荷増加前に運転準備に入る必要がある。すなわち、該低温型燃料電池の改質器、付帯設備、および電池スタックを、かかる起動計画に合致させてホットバンキング状態に到達させておく。このように起動パターンをあらかじめ決めておき、起動後は低温型燃料電池の負荷を制御することにより、需要負荷に追従させる運用となる。
【００８０】
【発明の効果】
以上説明した通りの本発明のハイブリッド型燃料電池システムによれば、低温型燃料電池の停止時に改質器を加温状態とすることにより、例えば２００ｋＷ級のＰＡＦＣの場合、その起動時間を現状の４時間から１時間程度に短縮することが可能となる。従って、現状における汽力発電所のＤＳＳ運用時の起動時間は１５０〜１６０分、ガスタービンコンバインド発電所のＤＳＳ運用時の起動時間は７０〜８０分程度であることから、これら競合機器に比較して遜色のないレベルまで起動に要する時間を短縮することができる。また、高温型燃料電池の燃料極排ガスと空気極排空気、或いはこれらの燃焼排ガスを活用するので、改質器の加温に要する燃料や電力は新たに必要とならず、ＤＳＳ運用やＷＳＳ運用での経済性が向上するメリットが生じる。従って、高・低温型燃料電池をハイブリッド化したシステムの利用性が格段に向上するという効果を奏する。
【００８１】
また、低温型燃料電池の起動時間の短縮により機動的なハイブリッド運用が可能となり、需要負荷が低いときは低温型燃料電池を停止することにより、燃料電池システム全体での最低負荷が切り下げられ、広い負荷領域での運用が可能となる。すなわち、高温型燃料電池はほぼ一定の定格負荷運転をし、低温型燃料電池に負荷変化や起動停止の負担を担わせることで、システム全体としては４０〜１００％程度の幅広い負荷変化が可能となる。このようなハイブリッド型燃料電池システムは、高温型燃料電池設置時の欠点である需要家の最低負荷相当の設置容量に縛られずに、より大容量機の設置が可能となり運用性が向上するという効果も奏する。
【００８２】
さらに低温型燃料電池を停止しても、改質器を高温型燃料電池の燃料極排ガスと空気極排空気、或いはこれらの燃焼排ガスを活用して加温状態に維持でき、常温まで冷えた状態とならないようにできるため、起動停止毎に繰り返される温度履歴（常温〜８００℃）が改質管に加わらないようにすることができる。従って改質管の熱サイクル疲労が生じず、改質管の寿命を長くできるという効果も奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるハイブリッド型燃料電池システムの第一実施例を示すブロック図である。
【図２】本発明にかかるハイブリッド型燃料電池システムの第二実施例を示すブロック図である。
【図３】一般的な改質器の昇温時間特性を示すグラフ図である。
【図４】一般的な一酸化炭素変成器および気水分離器（水蒸気分離器）の昇温時間特性を示すグラフ図である。
【図５】低温型燃料電池（ＰＡＦＣ）の電池スタック起動曲線を示すグラフ図であって、（ａ）図は常圧型を、（ｂ）図は加圧型の曲線を示している。
【図６】本発明にかかるハイブリッド型燃料電池システムの第三実施例を示すブロック図である。
【図７】図６における水蒸気分離器部分の詳細を示すブロック図である。
【図８】従来の高温型燃料電池の一例を示すブロック図である。
【図９】従来の低温型燃料電池の一例を示すブロック図である。
【図１０】需要家の負荷パターンの一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１        （加圧）高温型燃料電池
１０１Ｇ  燃料極排ガス
１０２Ｇ  空気極排空気
１１，２１，５１，６１  脱硫器
２        （常圧）低温型燃料電池
２２      改質器
２２１    改質器バーナ
２４，６４  一酸化炭素変成器
３        排熱回収ボイラー
５      （常圧）高温型燃料電池
５０１Ｇ  燃料極排ガス
５０２Ｇ  空気極排空気
６      （加圧）低温型燃料電池
６２      改質器
６２１    改質器バーナ
７        水蒸気分離器
【図１】
2005044572.tif 000003
【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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