(57)【要約】【課題】発熱量が少なくて水分が多い可燃ガスを熱効率よく燃焼することができる触媒燃焼装置と、該触媒燃焼装置を備えアノードオフガスを燃焼することで、高い総合エネルギ効率を有する純水素又は水素に富むガスを燃料とする燃料電池コージェネレーションシステムとを提供する。【解決手段】酸素を有する支燃剤ガス２２ａと可燃ガスと２１ａの燃焼を促進する燃焼触媒１６６を充填した触媒充填層１６４と、触媒充填層の周囲に形成された、支燃剤ガスと可燃ガスとの流路であるガス導入路１６５と、触媒充填層で燃焼したガス６３ａの流路であって、燃焼したガスの熱を伝熱する伝熱促進媒体１７６を充填した伝熱媒体充填層１７４と、伝熱媒体充填層の周囲に形成された冷却水４２ａの流路である冷却水流路１７５とを備える触媒燃焼装置１５０とする。更に、該触媒燃焼装置をそなえ、アノードオフガスを燃焼する燃料電池コージェネレーションシステムとする。【選択図】  図１
2005158501.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素を有する支燃剤ガスと可燃ガスとの燃焼を促進する燃焼触媒を充填した触媒充填層と；
前記触媒充填層の周囲に形成された、前記支燃剤ガスと前記可燃ガスとの流路であるガス導入路と；
前記触媒充填層で燃焼したガスの流路であって、前記燃焼したガスの熱を伝熱する伝熱促進媒体を充填した伝熱媒体充填層と；
前記伝熱媒体充填層の周囲に形成された冷却水の流路である冷却水流路とを備える；
触媒燃焼装置。
【請求項２】
前記ガス導入路が、前記触媒充填層の周囲に形成されたジャケットにより構成される；
請求項１に記載の触媒燃焼装置。
【請求項３】
前記冷却水流路が、前記伝熱媒体充填層の周囲に形成されたジャケットにより構成される；
請求項１又は請求項２に記載の触媒燃焼装置。
【請求項４】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学的反応により発電し、水を発生する燃料電池と；
前記燃料電池から排出されるアノードオフガスとカソードオフガスとを導入して触媒燃焼を行う請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の触媒燃焼装置と；
前記発生した水を回収した回収水により前記酸化剤ガスを加湿する酸化剤ガス加湿装置と；
前記回収水により前記燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿装置と；
前記燃料電池を冷却した冷却水と、熱を回収する排熱温水との熱交換を行う冷却水熱交換器と；
前記排熱温水を貯留する貯湯装置とを備える；
燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項５】
前記伝熱媒体充填層の冷却水流路に、前記回収水が流通する；
請求項４に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触媒燃焼装置に関し、特に、熱回収効率の高い触媒燃焼装置に関する。また、該触媒燃焼装置を備えたエネルギ効率の高い燃料電池コージェネレーションシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、原料燃料が純水素又は水素に富むガスであり、原料燃料をそのまま燃料ガスとして用いる、発電量が０．５〜５ｋWのような小型燃料電池システムの場合、燃料電池から排出されたアノードオフガスは、含有する水素量が少なくて熱量が少ないことや水分含有量が多くて燃焼しにくいことのために燃焼させて熱を回収するには燃焼システムが複雑になることから、空気等で希釈して放出するのが一般的であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、アノードオフガスを希釈して放出すると、含有する水素ガスの熱量や保有する顕熱と潜熱が回収されずに廃棄され、更に、水分も回収利用されないことになるので、燃料電池システムの総合エネルギ効率および水自立性が低下してしまう。
そこで本発明は、発熱量が少なくて水分が多い可燃ガスを熱効率よく燃焼することができる触媒燃焼装置と、該触媒燃焼装置を備えることにより燃焼空気ブロワ等の電動補機を追加することなくアノードオフガスの燃焼を行うことで、高い総合エネルギ効率を有する純水素又は水素に富むガスを燃料とする燃料電池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。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明に係る触媒燃焼装置は、例えば図１に示すように、酸素を有する支燃剤ガス２２ａと可燃ガスと２１ａの燃焼を促進する燃焼触媒１６６を充填した触媒充填層１６４と、触媒充填層１６４の周囲に形成された、支燃剤ガス２２ａと可燃ガス２１ａとの流路であるガス導入路１６５と、触媒充填層１６４で燃焼したガス６３ａの流路であって、燃焼したガス６３ａの熱を伝熱する伝熱促進媒体１７６を充填した伝熱媒体充填層１７４と、伝熱媒体充填層１７４の周囲に形成された冷却水４２ａの流路である冷却水流路１７５とを備える。
【０００５】
このように構成すると、支燃剤ガスと可燃ガスとがガス導入路を流通する過程で、触媒燃焼層で生ずる燃焼熱により予熱を受け、また、同一流路を流通することにより混合されるので、触媒燃焼層に導入された支燃剤ガスと可燃ガスとが燃焼し易い。また、触媒燃焼層には、燃焼触媒が充填されており、支燃剤ガスと可燃ガスとの燃焼が促進される。よって、支燃剤ガスと可燃ガスとを予熱するための予熱装置を追加することなく効率よく燃焼する触媒燃焼装置となる。また、触媒燃焼により発生した燃焼ガスは冷却水と熱交換し、燃焼熱が冷却水に回収される。特に、燃焼ガスは伝熱促進媒体を充填した伝熱媒体充填層を流通することにより、燃焼ガスの熱が伝熱促進媒体に伝熱され、熱が伝熱促進媒体を経て冷却水に伝えられるので、熱交換が効率よく行われる。
【０００６】
また、請求項２に記載の発明に係る触媒燃焼装置は、例えば図１に示すように、請求項１に記載の触媒燃焼装置１５０において、ガス導入路１６５が、触媒充填層１６４の周囲に形成されたジャケット１６２により構成される。
【０００７】
このように構成すると、ジャケット内を流通する過程で、予熱を受けることに加え、支燃剤ガスと可燃ガスとが充分に混合されるので、触媒燃焼層に導入された支燃剤ガスと可燃ガスとがより燃焼し易くなる。また、支燃剤ガスと可燃ガスとの流路がジャケットとなるので、圧力損失の増大もない。また、ジャケットで構成することにより、構成が単純になり、更に、触媒燃焼層に断熱材を設ける必要もなくなるか、断熱材を薄くすることができる。
【０００８】
また、請求項３に記載の発明に係る触媒燃焼装置は、例えば図１に示すように、請求項１又は請求項２に記載の触媒燃焼装置１５０において、冷却水流路１７５が、伝熱媒体充填層１７４の周囲に形成されたジャケット１７２により構成される。
【０００９】
このように構成すると、冷却水の流路がジャケットとなるので、圧力損失の増大もない。また、ジャケットで構成することにより、機器数を増やすこともなく熱交換が行われ、更に、伝熱媒体充填層に断熱材を設ける必要もなくなるか、断熱材を薄くすることができる。
【００１０】
前記の目的を達成するために、請求項４に記載の発明に係る燃料電池コージェネレーションシステム１は、例えば図２に示すように、燃料ガス４ａと酸化剤ガス６１ａとの電気化学的反応により発電し、水を発生する燃料電池３０と、燃料電池３０から排出されるアノードオフガス２１ａとカソードオフガス２２ａとを導入して触媒燃焼を行う請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の触媒燃焼装置１５０と、発生した水を回収した回収水４２ａにより酸化剤ガス６１ａを加湿する酸化剤ガス加湿装置７０と、回収水４２ａにより燃料ガス４ａを加湿する燃料ガス加湿装置１４０と、燃料電池３０を冷却した冷却水２４ａと、熱を回収する排熱温水４３ａとの熱交換を行う冷却水熱交換器１１０と、排熱温水４３ａを貯留する貯湯装置１２０とを備える。
【００１１】
このように構成すると、燃料電池で発生した回収水を用いて、燃料ガスと酸化剤ガスを加湿するので、燃料電池の発電効率が高まり、また、加湿に回収水を用いているので、水自立したシステム、すなわち外部からの水の供給なしに稼動できるシステムとなる。また、アノードオフガスとカソードオフガスとを燃焼効率よく触媒燃焼させるので、燃料ガスの利用効率が向上する。その燃焼ガスと冷却水とが熱交換して熱エネルギを回収するので、エネルギの回収率も向上する。したがって、総合エネルギ効率の高い燃料電池コージェネレーションシステムとなる。
【００１２】
また、請求項５に記載の発明に係る燃料電池コージェネレーションシステム１は、例えば図２に示すように、請求項４に記載の燃料電池コージェネレーションシステム１において、伝熱媒体充填層１７０の冷却水流路１７５に、回収水４２ａが流通する。
【００１３】
このように構成すると、触媒燃焼の燃焼ガスから回収水が熱を回収し、回収水にて燃焼ガスの熱が有効利用されるので、総合エネルギ効率の高い燃料電池コージェネレーションシステムとなる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ガス導入路を流通する過程で、支燃剤ガスと可燃ガスとが触媒燃焼層で生ずる燃焼熱により予熱を受け、良く混合するので、予熱装置やガス混合装置を別途追加することなく触媒燃焼し、燃料効率の向上した触媒燃焼装置が得られる。また、燃焼ガスが冷却水と熱交換することで、燃焼熱が冷却水に回収されるので、効率の高い触媒燃焼装置が得られる。
【００１５】
また、本発明に係る触媒燃焼装置を備えた燃料発電コージェネレーションシステムでは、燃料電池での電気化学的反応により発生した水分により燃料ガスと酸化剤ガスとを加湿するので、燃料電池の発電効率を高めることができ、水自立したシステムとなる。また、燃料ガスの利用効率が向上し、エネルギの回収率も向上するので、総合エネルギ効率の高い燃料電池コージェネレーションシステムとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、互いに同一又は相当する装置には同一符号を付し、重複した説明は省略する。なお、図２中、「ａ」を添えた符号及び「４２Ａ」、「４２Ｂ」、「４２Ｃ」は物を表し、これらの符号で示されるときに線は物の流れを、これらの符号を添えていない符号で示されるときに線は配管を表す。また、破線は、電気信号を表す。
【００１７】
図１は、本発明の第１の実施の形態である触媒燃焼装置１５０を説明する模式的断面図である。触媒燃焼装置１５０は、図２に示す燃料電池コージェネレーションシステム１において、燃料電池３０から排出されるアノードオフガス２１ａとカソードオフガス２２ａとを触媒燃焼させ、回収水４２ａで燃焼熱を回収するための装置である。触媒燃焼装置１５０では、触媒充填層１６４とガス導入路としてのガス流路１６５とを備える触媒燃焼部１６０を上に、伝熱媒体充填層１７４と冷却水流路１７５とを備える伝熱部１７０を下に積層し、一体としている。すなわち、触媒燃焼部１６０で触媒燃焼により発生した燃焼ガス６３ａは、伝熱部１７０を通り、熱回収され冷却される。触媒燃焼部１６０は、円筒形又は角筒形の容器である触媒充填層の側壁（以降、「触媒充填層壁」という。）１６１と、触媒１６６より小さな小穴を多数有する平板あるいは網目であって、触媒充填層壁１６１の底部で断面に広がる、触媒支持板１６３とを有している。触媒充填層壁１６１の上部は開放されているが、触媒充填層壁１６１と触媒支持板１６３とで囲まれた空間として、触媒充填層１６４を形成する。触媒充填層１６４には燃焼触媒１６６が充填されている。
【００１８】
燃焼触媒１６６は、貴金属系燃焼触媒、特に、プラチナＰｔ、パラジウムＰｄ、又はプラチナＰｔ−パラジウムＰｄ二元系燃焼触媒が好適に用いられるが、銅等の卑金属系燃焼触媒を用いてもよい。貴金属系燃焼触媒を用いると、触媒活性が高く使用量が少なくて済み、触媒充填層１６４を小さくすることができる。卑金属系燃焼触媒を用いると、燃焼触媒が安価となる。また、触媒燃焼装置１５０では、触媒の形状は粒状であるが、ペレット状、モノリス状あるいはハニカム状であってもよい。燃焼触媒の形状を粒状とすると、燃焼触媒が損傷を受けにくくなる。また、ペレット状とすると、燃焼触媒の製造が粒状とする場合に比べ、容易になる。また、モノリス状あるいはハニカム状とすると、触媒の幾何学表面積が増大し、触媒効率が向上する。燃焼触媒充填層１６４は、アノードオフガス２１ａとカソードオフガス２２ａとの混合ガスのガス空塔速度が、最大流量の場合に、５，０００〜５０，０００（１／時間）とし、好ましくは、１０，０００〜３０，０００（１／時間）となる容積とする。ここで、ガス空塔速度とは、単位時間当たりのアノードオフガス２１ａとカソードオフガス２２ａとの混合ガス流量を、燃焼触媒充填層１６４の容積で除した値である。このガス空塔速度が得られるように、触媒充填層１６４の容積を選定する。また、燃焼触媒充填層１６４の高さ（Ｌ）と直径（Ｄ）との比（Ｌ／Ｄ）は１〜５、好ましくは、２〜４とする。
【００１９】
触媒充填層壁１６１の周囲に間隙を有してガスジャケット１６２が形成され、ガス流路１６５が触媒充填層壁１６１とガスジャケット１６２との間の空間として触媒充填層壁１６１の周囲に形成される。なお、「ジャケット」というときは、ジャケット内に形成される流体流路を意味するときもあるが、触媒燃焼部１６０及び後述の伝熱部１７０の説明においては、「ジャケット」は構造としての殻を意味し、流体流路は流路として別の名称を用いる。ガスジャケット１６２は、上面が平板で封止され、下面の触媒充填層壁１６１との間も封止される。すなわち、ガスジャケット１６２により、触媒燃焼部１６０は閉じた空間となる。ガスジャケット１６２の下面近くの側面にアノードオフガスノズル１６８とカソードオフガスノズル１６７が形成され、外部とガス流路１６５とが連通される。図１では、アノードオフガスノズル１６８とカソードオフガスノズル１６７とは上下の位置に接続されているが、周方向に並んでいてもよい。ただし、アノードオフガスノズル１６８から導入される可燃ガスとしてのアノードオフガス２１ａと、カソードオフガスノズル１６７から導入される支燃剤ガスとしてのカソードオフガス２２ａとが、充分に混合するように、両ノズル１６７、１６８は、近接した位置とすることが好ましい。特に、カソードオフガス２２ａの流量がアノードオフガス２１ａの流量より多い場合、カソードオフガスノズル１６７がアノードオフガスノズル１６８の下に配置されることにより、アノードオフガス２１ａが滞留することなく、アノードオフガス２１ａとカソードオフガス２２ａとはよく混合する。ガスジャケット１６２の上面は触媒充填層壁１６１より高い位置に配され、ガスジャケット１６２上面の下の空間がガス流路１６５と燃焼触媒充填部１６４とを連通する。
【００２０】
アノードオフガス２１ａとカソードオフガス２２ａとの触媒充填層壁１６１廻りのガス流路は、ジャケットでなくてもよく、例えば、触媒充填層壁１６１に沿ってその周囲に巻き付けられた管としてもよい。ただし、ジャケットとすることで、構造も簡単になり、圧力損失の増大も防ぐこともできる。
【００２１】
伝熱部１7０では、触媒充填層壁１６１と同形の伝熱部１７０の側壁及び底板（以降、両者を合わせて「伝熱媒体充填層壁」という。）１７１が一つの容器を形成する。なお、触媒充填層壁１６１と伝熱媒体充填層壁１７１とは、一体で成形されている。伝熱媒体充填層壁１７１の底板の僅か上で、その下に燃焼ガス６３ａの流路を形成する位置に、伝熱促進媒体１７６より小さな小穴を多数有する平板あるいは網目である伝熱媒体支持板１７３が断面に広がる。伝熱媒体支持板１７３より上方の伝熱媒体層壁１７１の内部が伝熱媒体充填層１７４を形成する。伝熱媒体充填層１７４には伝熱促進媒体１７６が充填される。しかし、触媒燃焼装置１５０では触媒燃焼部１６０と伝熱部１７０とが一体とされ、触媒充填層壁１６１と伝熱媒体充填層壁１７１とが一体に連続して形成されているので、伝熱促進媒体１７６は、後述する冷却水ジャケット１７２の上面まで充填される。伝熱媒体充填層壁１７１の底板には、燃焼ガスノズル１７７が形成され、伝熱部１７０内部（伝熱媒体支持板１７３の下の空間）と外部を連通する。
【００２２】
伝熱促進媒体１７６は、燃焼ガス６３ａに対して耐蝕性及び耐熱性を有し、且つ、高い熱伝導率を有する物質、例えばステンレス鋼で形成される。伝熱促進媒体１７６は、触媒燃焼装置１５０では球体の集合体であるが、球体でなく、線状物の集合体あるいはハニカム状としてもよい。伝熱促進媒体１７６は、燃焼ガス６３ａとの接触面積が大きくなるように、その表面積が大きく成形される。また、燃焼ガス６３ａから回収した熱を伝熱媒体充填層壁１７１に速やかに伝導するように、伝熱促進媒体１７６は伝熱媒体充填層壁１７１まで連続する一体として成形される。伝熱促進媒体１７６の充填量は、伝熱促進媒体の形状や熱伝導性と、要求される燃焼ガス６３ａの排出温度によって異なるが、燃焼触媒１６６の充填量の２〜５倍である。
【００２３】
伝熱媒体充填層壁１７１の側面には、伝熱媒体充填層壁１７１の周囲に間隙を有して、冷却水ジャケット１７２が形成され、伝熱媒体充填層壁１７１と冷却水ジャケット１７２との間の空間として冷却水流路１７５を形成する。冷却水ジャケット１７２は、上面および下面の伝熱媒体充填層壁１７１との間は封止され、閉じられた空間となっている。冷却水ジャケット１７２の上面は、ガスジャケット１６２の下面とは接触せず、両者の間に空隙が設けられているが、冷却水ジャケット１７２の上面とガスジャケット１６２の下面とを接触させ、あるいは、ガスジャケット１６２と冷却水ジャケット１７２を一体として、冷却水ジャケット１７２の上面とガスジャケット１６２の下面とを一枚のプレートで兼用してもよい。冷却水ジャケット１７２の下部の側面に冷却水入口ノズル１７８が、上部の側面に冷却水出口ノズル１７９が形成され、外部と冷却水流路１７５とを連通する。
【００２４】
伝熱媒体充填層壁１７１廻りの冷却水流路は、ジャケットでなくてもよく、例えば、伝熱媒体充填層壁１７１に沿ってその周囲に巻き付けられた管としてもよい。ただし、ジャケットとすることで、構造も簡単になり、圧力損失の増大も防ぐこともできる。
【００２５】
続いて、図１を参照して、触媒燃焼装置１５０における燃焼について説明する。可燃ガスとしてのアノードオフガス２１ａがアノードオフガスノズル１６８からガス流路１６５内の下部に導入される。また、支燃剤ガスとしてのカソードオフガス２２ａがカソードオフガスノズル１６７からガス流路１６５内の下部に導入される。アノードオフガス２１ａとカソードオフガス２２ａとは、ガス流路１６５を充満し、下部から上方に流される。触媒充填層壁１６１は、後述するように触媒充填層１６４内での触媒燃焼により加熱されており、アノードオフガス２１ａとカソードオフガス２２ａとがガス流路１６５を上昇するに伴い、触媒充填壁１６１により加熱される。また、アノードオフガス２１ａとカソードオフガス２２ａとが近接した二つのノズル１６７、１６８からガス流路１６５に導入され、混在して流れるので、ガス流路１６５を上昇する間に攪拌され、両ガス２１ａ、２２ａは混合する。
【００２６】
アノードオフガス２１ａとカソードオフガス２２ａとの混合ガスがガス流路１６５を上昇し、触媒充填層壁１６１の上面に達すると、ジャケット１６２の上面により上昇を阻まれ、ジャケット１６２上面の下部を通って、触媒充填層１６４に導かれる。その時点でアノードオフガス２１ａとカソードオフガス２２ａとの混合ガスは加熱され、且つ、二種のガス２１ａ、２２ａは充分に混合している。触媒充填層１６４では、アノードオフガス２１ａとカソードオフガス２２ａとは、下降する流れとなる。そこで、燃焼触媒１６６により燃焼が促進されるので、アノードオフガス２１ａ中の水素とカソードオフガス２２ａ中の酸素とが燃焼する。水素と酸素は、燃焼することにより、熱を発生し、水分を生ずる。発生した熱の一部は、触媒充填層壁１６１に伝えられ、ガス流路１６５を流通するアノードオフガス２１ａとカソードオフガス２２ａとを加熱する。
【００２７】
触媒燃焼装置１５０では、可燃ガスとしてのアノードオフガス２１ａと支燃剤ガスとしてのカソードオフガス２２ａとが、予熱され、且つ、充分に混合された上で、燃焼触媒１６６により燃焼が促進されるので、酸素を追加供給することなく燃焼させることができる。したがって、燃焼空気を供給するためのブロワ等の電動補機を備えることなく、アノードオフガス２１ａのように水素含有量が少なく水分を多く含む可燃ガスを燃焼させることができる。
【００２８】
触媒充填層１６４において、触媒燃焼したアノードオフガス２１ａとカソードオフガス２２ａとは、燃焼ガス６３ａとして、燃焼熱と水分を保有したまま下降し、触媒支持板１６３の小穴を通過して、伝熱媒体充填層１７４に導入される。伝熱媒体充填層１７４を下降するにつれ、燃焼ガス６３ａは、伝熱促進媒体１７６と熱交換をし、温度が低下し、水分も凝縮する。燃焼ガス６３ａは、伝熱媒体充填層１７４を下降して、伝熱媒体支持板１７３の小穴を通過し、燃焼ガスノズル１７７から、触媒燃焼装置１５０外へ排出される。燃焼ガス６３ａから伝熱促進媒体１７６に伝えられた熱は、伝熱促進媒体１７６中を伝導し、伝熱媒体充填層壁１７１に伝えられる。
【００２９】
冷却水入口ノズル１７８から低温の冷却水としての回収水４２ａが冷却水ジャケット１７５に流入し、冷却水ジャケット１７５内を充満して上昇し、冷却水出口ノズル１７９から流出する。回収水４２ａが冷却水ジャケット１７５内を上昇する間に伝熱媒体充填層壁１７１と熱交換をし、燃焼ガス６３ａの熱を回収する。
【００３０】
これまで説明した触媒燃焼装置１５０は、触媒燃焼部１６０と伝熱部１７０とが上下に一体に形成されており、装置数を減少することができ、設置場所も小さくなり、触媒燃焼部１６０と伝熱部１７０とを連接する配管も不要になる。しかし、触媒燃焼部１６０と伝熱部１７０とをそれぞれ独立した装置としてもよく、その場合には、触媒燃焼部１６０と伝熱部１７０とを別々に補修できメンテナンスが容易になり、また、一つ一つの装置が小さく軽量となるので、輸送や設置作業が容易になる。
【００３１】
上記のように、可燃ガスであるアノードオフガス２１ａと支燃剤ガスであるカソードオフガス２２ａとがガス流路１６５を流通する間に燃焼熱により予熱され、且つ二種のガス２１ａ、２２ａとが充分に混合するので、効率よく触媒燃焼する。また、燃焼ガス６３ａが伝熱媒体充填層１７４を通過し伝熱促進媒体１７６に熱を伝え、冷却水である回収水４２ａが伝熱促進媒体１７６からの熱で過熱された伝熱媒体充填層壁１７１に沿った冷却水流路１７５を流通するので、燃焼ガス６３ａから回収水４２ａへ効率よく熱を回収することができる。
【００３２】
次に図２を参照して、本発明の第２の実施の形態である燃料電池コージェネレーションシステム１について説明する。図２は、これまで説明した触媒燃焼装置１５０を備える燃料電池コージェネレーションシステム１の模式的ブロック図である。燃料電池コージェネレーションシステム１は、燃料電池３０と、酸化剤ガス加湿装置としての気液接触塔７０と、燃料ガス加湿装置１４０と、触媒燃焼装置１５０と、燃料ガス熱交換器１１４と、冷却水熱交換器１１０と、貯湯装置としての貯湯タンク１２０と、制御部１２２と、気液分離器４５、５５、８９と、ブロワ８４と、ポンプ８２、１０８、１２５と、水処理装置９３と、排熱温水の流路切替手段としての三方電磁弁１２７とを備える。
【００３３】
燃料電池コージェネレーションシステム１には、系外から純水素あるいは水素に富むガスが燃料電池３０の燃料ガス４ａとして供給される。系外から燃料ガス４ａを搬送する配管（不図示）は、燃料ガス加湿装置１４０に接続される。燃料ガス加湿装置１４０は、後述する回収水４２ａの一部をバブラ保持液１４９ａとして貯留するバブラ容器１４８と、燃料ガス４ａを導入する燃料ガス導入ノズル１４２と、燃料ガス４ａを加湿する水であるバブラ保持液１４９ａ中に燃料ガス４ａを細かい泡状にして吐出する燃料ガス分散器１４３と、回収水４２ａの一部をバブラ保持液１４９ａとして導入するための回収水補給ノズル１４６と、バブラ保持液１４９ａと循環する（バブラ保持液１４９ａとして用いられない）回収水４２ａとの熱交換をする熱交換部であるジャケット１４１とを備える。
【００３４】
バブラ容器１４８は、燃料ガス４ａを加湿するための水であるバブラ保持液１４９ａを貯留する円筒状の容器である。形状は円筒状でなくてもよいが、円筒状であると強度的に弱い部分がなく均等となるので、バブラ容器１４８の製造が容易となる。バブラ容器１４８内の底面に広がって燃料ガス分散器１４３が配置される。燃料ガス分散器１４３は、燃料ガス４ａをバブラ保持液１４９ａ中に細かな気泡として吐出するための部材で、多数の細かな小穴（不図示）を多数有し、その中に燃料ガス４ａの流路（不図示）が形成された板若しくは管若しくは多孔質金属焼結体又はそれらの組み合わせなどで構成される。燃料ガス分散器１４３がバブラ容器１４８内の底面に広がっているので、バブラ保持液１４９ａと燃料ガス４ａとの接触面積が増大し、効率が高くなる。燃料ガス分散器１４３は、その燃料ガス４ａの流路の入口が燃料ガス導入ノズル１４２と連接し、系外から燃料ガス４ａを導入する。バブラ容器１４８の上面には燃料ガス出口ノズル１４７が設けられ、燃料ガス熱交換器１１４と接続される。なお、２つの機器等が「接続される」とは、配管を介して接続される場合を含む。
【００３５】
燃料ガス加湿装置１４０は、上記に説明するバブラ加湿方式でなくてもよく、気液接触塔を用いた接触塔加湿方式あるいは加湿膜を用いた膜加湿法でもよい。ただし、燃料ガス４ａは流量が比較的少なく、すなわち加湿負荷が小さいので、バブラ加湿方式で充分に加湿され、装置も簡単となる。
【００３６】
回収水補給ノズル１４６には、後述の回収水４２ａの循環流路中の配管１３８から分岐した配管１３９が接続する。配管１３９には、仕切弁である回収水補給バルブ１３６が配置される。回収水補給バルブ１３６は、ソレノイド、モータなどのアクチュエータで動作するように構成され、制御部１２２からアクチュエータの起動・停止を指示する電気信号ｉ５用ケーブルが接続される。
【００３７】
また、バブラ容器１４８には、バブラ保持液１４９ａの液面を検知するレベルセンサ１４４が備えられる。レベルセンサ１４４からは、液面高さの電気信号ｉ４を伝達する信号ケーブルが制御部１２２に配線される。
【００３８】
バブラ容器１４８の周囲にはジャケット１４１が形成される。ジャケット１４１には、触媒燃焼装置１５０の伝熱部１７０で加熱された回収水４２ａが流れ、バブラ保持液１４９ａを加熱する。すなわち、ジャケット１４１がバブラ保持液１４９ａと回収水４２ａとの熱交換部となる。バブラ保持液１４９ａと回収水４２ａとの熱交換部をジャケットとすることで、製作が容易となり、且つ回収水４２ａの圧力損失の増大も防げる。しかし、バブラ保持液１４９ａと回収水４２ａとの熱交換部はジャケットでなく、回収水４２ａが流れる配管をバブラ容器１４８内に挿入してもよい。このように構成すると、熱交換効率が向上する。
【００３９】
燃料電池３０は、例えば積層型の固体高分子型燃料電池を使用することができ、冷却水流路３１と燃料極３２と空気極３３とを有する。燃料極３２には、燃料ガス加湿装置１４０で加湿され燃料ガス熱交換器１１４を経て供給される燃料ガス４ａを導入するノズル（不図示）と、燃料ガス４ａのオフガスであるアノードオフガス２１ａを排出するノズル（不図示）が配置される。空気極３３には、気液接触塔７０から燃料ガス熱交換器１１４を経て送出される酸化剤ガス６１ａを導入するノズル（不図示）と、酸化剤ガス６１ａのオフガスであるカソードオフガス２２ａを排出するノズル（不図示）が配置される。冷却水流路３１には、ポンプ１０８から圧送されて燃料ガス熱交換器１１４を経て供給される冷却水としてのスタック冷却水２４ａを導入するノズル（不図示）と、スタック冷却水２４ａを流出するノズル（不図示）が配置される。
【００４０】
燃料電池３０は、燃料ガス４ａと酸化剤ガス６１ａとの電気化学的反応により電力を出力し、水を発生する。この電気化学的反応は、発熱反応であり、冷却するためにスタック冷却水２４ａが導入されている。ここで発生した熱が主に排熱となり、スタック冷却水２４ａあるいは排出されるガス（アノードオフガス２１ａ、カソードオフガス２２ａ）により燃料電池３０から搬出される。また、固体高分子型燃料電池を用いる場合には、プロトン交換膜（不図示）の電気伝導度を高く維持するために、燃料極３２に供給する燃料ガス４ａと空気極３３に供給する酸化剤ガス６１ａを所定の露点まで加湿する必要がある。使用する燃料電池の作動温度等運転条件によって変わるが、要求される燃料ガス４ａの露点は５０〜８０℃の範囲であるのが一般的であり、要求される酸化剤ガス６１ａの露点は５０〜８０℃の範囲であるのが一般的である。
【００４１】
燃料電池３０の燃料極３２から排出されたアノードオフガス２１ａを搬送するアノードオフガス配管３６は触媒燃焼装置１５０に接続し、空気極３３から排出されたカソードオフガス２２ａを搬送するカソードオフガス配管３７も、触媒燃焼装置１５０に接続する。
【００４２】
燃料電池３０の冷却水流路３１には、スタック冷却水２４ａが流れ、燃料ガス４ａと酸化剤ガス６１ａとの電気化学的反応により発生した熱を吸収して、燃料電池３０を冷却する。冷却水流路３１から排出されるスタック冷却水２４ａが流れる流路には、冷却水熱交換器１１０とポンプ１０８と燃料ガス熱交換器１１４とが、この順序で配置され、冷却水２４ａの流路は、これらの機器を経由して冷却水流路３１に戻る循環経路とされる。なお、ポンプ１０８は、スタック冷却水２４ａを圧送して循環させるもので、冷却水熱交換器１１０と燃料ガス熱交換器１１４との間でなくても、循環するスタック冷却水２４ａの経路上に配置されればよい。
【００４３】
アノードオフガス配管３６とカソードオフガス配管３７とが接続する触媒燃焼装置１５０は、前記のように、アノードオフガス２１ａとカソードオフガス２２ａとを触媒燃焼させる装置である。触媒燃焼装置１５０から燃焼ガス６３ａが排出されるノズル１７７には、気液分離器８９を経て系外へ至る配管３８が接続され、気液分離器８９で水分が回収される。気液分離器８９で燃焼ガス６３ａから水分が回収された残りの排ガス６４ａは、配管３８により系外１０２へ放出される。
【００４４】
冷却水熱交換器１１０は、貯湯タンク１２０に貯えられる排熱温水４３ａと、スタック冷却水２４ａとを熱交換する熱交換器であり、温度差の比較的小さな液体同士で熱交換を行うためにプレート型熱交換器が好適に用いられる。冷却水熱交換器１１０により、排熱温水４３ａは加熱され、冷却水２４ａは冷却される。すなわち、排熱温水４３ａによりスタック冷却水２４ａ中の排熱を回収する。冷却水熱交換器１１０の排熱温水４３ａの出口ノズル（不図示）は、貯湯タンク１２０に接続され、排熱温水４３ａが排熱を回収した後に貯湯タンク１２０に貯留されることにより、排熱は貯湯タンク１２０に回収熱として貯えられる。
【００４５】
燃料ガス熱交換器１１４は、スタック冷却水２４ａと、気液接触塔７０から送出される酸化剤ガス６１ａとを熱交換し、更にスタック冷却水２４ａと、燃料ガス加湿装置１４０から送出される燃料ガス４ａとを熱交換する３流体の熱交換器であって、多管式熱交換器が好適に用いられる。更に好適には、気体である酸化剤ガス６１ａと燃料ガス４ａとの流路にフィンを設けた管を備える多管式熱交換器とする。あるいは、３重管型熱交換器も好適に用いられる。
【００４６】
燃料ガス熱交換器１１４の燃料ガス４ａの出口ノズル（不図示）は、気液分離器４５を経て、燃料電池３０の燃料極３２に接続される。燃料ガス熱交換器１１４の酸化剤ガス６１ａの出口ノズル（不図示）は、気液分離器５５を経て、燃料電池３０の空気極３３に接続される。燃料ガス熱交換器１１４のスタック冷却水２４ａの出口ノズル（不図示）は、燃料電池３０の冷却水流路３１に接続される。
【００４７】
気液分離器４５は、燃料ガス４ａ中の水分を分離する装置で、分離された回収水４２Ａを気液接触塔７０に導入する配管が接続される。気液分離器５５は、酸化剤ガス６１ａ中の水分を分離する装置で、分離された回収水４２Ｂを気液接触塔７０に導入する配管が接続される。また、気液分離器８９は、燃焼ガス６３ａ中の水分を分離する装置で、分離された回収水４２Ｃを気液接触塔７０に導入する配管が接続される。  
【００４８】
気液接触塔７０は、その下部に、気液分離器４５、５５、８９から送出された回収水４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃが入る回収水入口７３と、導入された回収水４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃを回収水４２ａとして貯留する貯液部７１と、ポンプ８２によって回収水４２ａが外に向けて吸引される回収水吸引口７４と、所定の水位レベルを超える回収水４２ａが溢れ出て流れ込む溢流管７５と、回収水４２ａが溢流管７５に溢れて流れ込む溢流口７６とを有し、酸化剤ガス６１ａが入り込む酸化剤ガス入口７２を溢流口７６の上方に有する。所定の水位レベルとは、溢流口７６が設定された水位レベルである。回収水４２ａは溢流管７５から気液接触塔７０の系外に流れ出る。また、貯液部７１の周囲には、熱交換部として、排熱温水４３ａが流れるジャケット１３０が設けられる。なお、本実施の形態で例示する酸化剤ガス入口７２は、大気開放されており、大気中の空気を酸化剤ガス６１ａとして用いる。
【００４９】
気液接触塔７０は、その上部に、酸化剤ガス６１ａが燃料電池３０の空気極３３に向けて流れ出る酸化剤ガス出口７７と、燃料ガス加湿装置１４０のジャケット１４１から戻った回収水４２ａが注入される回収水注入口７８と、回収水注入口７８に注入された回収水４２ａを細かい水滴として気液接触塔７０内に撒き散らす水分散器７９とを有する。また、上部に配置する水分散器７９と酸化剤ガス出口７７との間に、デミスタ９１が設けられる。デミスタ９１により、上昇する酸化剤ガス６１ａに随伴したミストが除去される。
【００５０】
気液接触塔７０は、その上部と下部の間に、注入された回収水４２ａと酸化剤ガス６１ａとの気液接触を促進するための充填物を充填した充填部８０と、充填部８０を支持する充填物支持板８１とを有する。
【００５１】
回収水吸引口７４の先は、ポンプ８２、水処理装置９３、触媒燃焼装置１５０の冷却水流路１７５及び燃料ガス加湿装置１４０のジャケット１４１を経て、気液接触塔７０上部の水分散器７９に接続される。このように、貯液部７１から回収水吸引口７４、ポンプ８２、水処理装置９３、触媒燃焼装置１５０の冷却水流路１７５、燃料ガス加湿装置１４０のジャケット１４１、回収水注入口７８、水分散器７９、充填部８０を経て貯液部７１に回収水４２ａを循環する循環経路が構成される。
【００５２】
気液接触塔７０の酸化剤ガス出口７７に、酸化剤ガス６１ａを燃料電池３０に圧送するブロワ８４が接続される。ブロワ８４により気液接触塔７０内の酸化剤ガス６１ａが吸引される。酸化剤ガス入口７２から吸引された酸化剤ガス６１ａと、回収水注入口７８から注入された回収水４２ａは、充填部８０にて向流接触する。
【００５３】
ブロワ８４の出口は、燃料ガス熱交換器１１４、気液分離器５５を経て、燃料電池３０の空気極３３に接続される。ブロワ８４にて酸化剤ガス６１ａを昇圧して、燃料電池３０の空気極３３に供給する。
【００５４】
ブロワ８４による昇圧の結果、酸化剤ガス６１ａの露点が上昇する。例えば、ブロワ８４による酸化剤ガス６１ａの圧力上昇を１２ｋＰａとして、酸化剤ガス出口７７における酸化剤ガス６１ａの露点が５０℃の場合は、酸化剤ガス６１ａの露点が約２℃上昇し約５２℃になる。よって、酸化剤ガス６１ａの達成すべき露点が一定の場合、酸化剤ガス６１ａのブロワ８４を気液接触塔７０の下流側に配置することにより、気液接触塔７０の加湿負荷を軽減し、気液接触塔７０をコンパクト化することができる。また、ブロワ８４を酸化剤ガス入口７２側に配置した場合と違って、気液接触塔７０内はブロワ８４により加圧されることがない。
【００５５】
また、気液接触塔７０内の貯液部７１は、酸化剤ガス入口７２にて大気開放状態を維持することにより大気圧の状態にあるので、気液分離器４５、５５、８９とのレベル差によって気液分離器４５、５５、８９から回収水４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃを貯液部７１へ導入することができる。したがって、回収水４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃを液送する送液ポンプ等を不要にすることができる。さらに、余剰の回収水４２ａは、追加の送液ポンプや液面センサ等の系外排出機器を用いることなく、貯液部７１内に配置する溢流管７５の底部排出口から燃料電池コージェネレーションシステム１の系外へ排出することができる利点もある。
【００５６】
水処理装置９３は、気液接触塔７０の回収水吸引口７４に接続する回収水４２ａの循環経路中のポンプ８２の下流側に配置され、イオン交換樹脂充填カラム９４を有している。この水処理装置９３のイオン交換樹脂充填カラム９４に用いるイオン交換樹脂としては、陰イオン交換樹脂が望ましい。本実施の形態において、酸化剤ガス６１ａ中に含まれる酸性ガス汚染物質、例えば、硫黄酸化物ＳＯ２は、ＳＯ２ ＋ ＯＨ−  →  ＨＳＯ３−  の反応式のように、充填部８０にて接触する回収水４２ａの中の水酸化イオンＯＨ−と反応してイオン化し、回収水４２ａに吸収されている。そして、吸収された回収水４２ａ中のＨＳＯ３−は、ＨＳＯ３− ＋ Ｒ−ＯＨ−  →  Ｒ−ＨＳＯ３− ＋ ＯＨ−  の反応式のように、イオン交換樹脂充填カラム９４にて陰イオン交換樹脂の水酸化イオンＯＨ−とイオン交換をしてイオン交換樹脂充填カラム９４内のイオン交換樹脂に吸着される。この時に、水酸化イオンＯＨ−が回収水４２ａに供給される。また、イオン交換樹脂充填カラム９４の下流側にフィルタ９５を設置することで、イオン交換樹脂が回収水４２ａに混入することを防止する。更に、酸化剤ガス６１ａに粉塵等の固形汚染物質が多量に含まれる場合には、イオン交換樹脂充填カラム９４の上流側に固形物フィルタを追加することもできる。
【００５７】
本実施の形態では、回収水４２ａが循環する循環経路に、陰イオン交換樹脂を用いた水処理装置９３を備えることによって、気液接触塔７０で酸化剤ガス６１ａと気液接触する回収水４２ａに水酸化イオンＯＨ−を常に供給する。すなわち、循環する回収水４２ａが常にアルカリ性に保たれ、酸化剤ガス６１ａに含有されるＮＯｘ、ＳＯｘ等の酸性ガスの汚染物質が効果的に除去される。但し、水処理装置９３は、備えられていなくてもよい。
【００５８】
貯湯タンク１２０は、排熱温水４３ａを貯留するタンクである。貯湯タンク１２０には、排熱温水４３ａを供給又は循環させることにより系外の熱需要に熱を供給する装置（不図示）が接続されている。例えば、貯湯タンク１２０に貯留される排熱温水４３ａが系外に循環し、排熱を供給した後に、貯湯タンク１２０に戻される。すなわち、排熱温水４３ａに回収された排熱が、熱源として有効利用される。
【００５９】
貯湯タンク１２０には、上記の系外への循環経路の他に、燃料電池コージェネレーションシステム１内に、排熱を回収するための排熱温水４３ａの循環経路が接続されている。この循環経路として、貯湯タンク１２０に第１の配管１２８が接続される。第１の配管１２８には、ポンプ１２５が設置され、排熱温水４３ａを吸引し、圧送する。第１の配管１２８には、第１の分岐部であり、かつ、流路切替手段である三方電磁弁１２７が配置されている。三方電磁弁１２７の一方は、更に第１の配管１２８を経て、気液接触塔７０のジャケット１３０に接続している。三方電磁弁１２７の他の一方は、バイパス配管１３１に接続している。
【００６０】
気液接触塔７０のジャケット１３０は、排熱温水４３ａと貯液部７１に貯留する回収水４２ａとの熱交換を行う熱交換部である。触媒燃焼装置１５０の伝熱部１７０で加熱され、貯液部７１に貯留される回収水４２ａの熱を、ジャケット１３０を流れる排熱温水４３ａにより回収する。熱交換部がジャケットで構成されるので、排熱温水４３ａの圧力損失も少なくなり、気液接触塔７０の構造も単純になるが、熱交換部をジャケットとしないで、例えば、貯液部７１に貯留される回収水４２ａ中に排熱温水４２ａの配管を敷設する構成としてもよい。
【００６１】
ジャケット１３０の出口ノズル（不図示）には、第２の配管１２９が接続している。第２の配管１２９は冷却水熱交換器１１０に接続している。ジャケット１３０と冷却水熱交換器１１０との間の第２の配管１２９上に、分岐管１３７が配置されている。分岐管１３７は、第１の配管１２８上の三方電磁弁１２７と接続するバイパス配管１３１と冷却水熱交換器１１０とに接続される。第２の配管１２９が、更に、冷却水熱交換器１１０と貯湯タンク１２０とを接続することにより、循環経路を構成する。
【００６２】
この循環経路を流れることにより、貯湯タンク１２０に貯留される排熱温水４３ａは、ジャケット１３０で回収水４２ａと、冷却水熱交換器１１０でスタック冷却水２４ａと熱交換をして、排熱を回収し、貯湯タンク１２０に戻り、排熱を貯湯タンク１２０に蓄える。
【００６３】
貯湯タンク１２０の下部には、第１の温度検出器１２４が設置され、第１の温度検出器１２４から制御部１２２に電気信号を伝達する信号ケーブルが接続される。貯湯タンク１２０内で、排熱温水４３ａは温度による成層をなして貯留されており、すなわち、高温の排熱温水４３ａは貯湯タンク１２０の上部に、低温の排熱温水４３ａは貯湯タンク１２０の下部に貯留する。そこで、系外に熱源として供給される排熱温水４３ａは上部の排熱温水４３ａを、排熱回収のためにジャケット１３０及び冷却水熱交換器１１０を循環する排熱温水４３ａは下部の排熱温水４３ａを用いる。第１の温度検出器１２４は、ジャケット１３０及び冷却水熱交換器１１０を循環する排熱温水４３ａの温度を計測するために貯湯タンク１２０の下部に設置される。あるいは、貯湯タンク１２０から排熱回収に循環する配管１２８の貯湯タンク１２０と三方電磁弁１２７との間に配置してもよい。第１の温度検出器１２４で検出された温度は、電気信号ｉ１として、制御部１２２に伝送される。
【００６４】
また、第２の温度検出器１２６が、燃料ガス加湿装置１４０のジャケット１４１を出て、気液接触塔７０の水分散器７９に送られる回収水４２ａの温度を測定するために、配管１３８のジャケット１４１から気液接触塔７０に至る流路に設置される。なお、第２の温度検出器１２６は、回収水注入口７８に配置されてもよい。第２の温度検出器１２６から制御部１２２には電気信号を伝達する信号ケーブルが接続され、検出された温度が電気信号ｉ２として、制御部１２２に伝送される。更に、制御部１２２からは三方電磁弁１２７に信号ケーブルが接続され、三方電磁弁１２７の制御信号ｉ３が第１の配管１２８上の三方電磁弁１２７に送られる。
【００６５】
次に、本発明の実施の形態である燃料電池コージェネレーションシステム１の作用を説明する。
系外から供給された純水素あるいは水素に富む燃料ガス４ａは、燃料ガス加湿装置１４０に送られ、燃料ガス導入ノズル１４２から燃料ガス分散器１４３を通って細かな気泡となりバブラ保持液１４９ａ中に吐出される。燃料ガス分散気１４３がバブラ容器１４８の底面に広がっているので、気泡を広く分散して吐出することができ、効率がよい。バブラ保持液１４９ａとの接触により加湿された燃料ガス４ａは、燃料ガス出口ノズル１４７より燃料ガス熱交換器１１４へ搬送される。また、バブラ保持液１４９ａが、後述するように、回収水４２ａと熱交換し加熱され、５０〜８０℃となっており、燃料ガス４ａも５０〜８０℃に加熱される。
【００６６】
燃料ガス４ａを加湿することによりバブラ保持液１４９ａは減少し液面が低下する。バブラ保持液１４９ａの液面は、レベルセンサ１４４により検知されており、レベルセンサ１４４から制御部１２２に電気信号ｉ４により液面高さが伝達される。バブラ保持液１４９ａの液面が所定量以下に低下すると、制御部１２２からバルブを開放する信号ｉ５が回収水補給バルブ１３６へ伝達され、回収水補給バルブ１３６は開放される。すると、回収水４２ａを循環する配管１３８から回収水４２ａの一部が配管１３９を通ってバブラ容器１４８に送り込まれ、バブラ保持液１４９ａの液面は上昇する。バブラ保持液１４９ａの液面が所定量以上になると、レベルセンサ１４４からの電気信号ｉ４により制御部１２２では、回収水補給バルブ１３６を閉止すると判断し、制御部１２２から回収水補給バルブ１３６を閉止する電気信号ｉ５が伝達され、回収水補給バルブ１３６は閉止される。
【００６７】
燃料ガス加湿装置１４０で加湿された燃料ガス４ａは、燃料ガス熱交換器１１４に送出され、燃料ガス熱交換器１１４でスタック冷却水２４ａにより冷却され、温度及び露点が適宜調整される。冷却された燃料ガス４ａは５０〜７０℃となり、燃料ガス加湿装置１４０で加湿された水分の一部が凝縮し、気液分離器４５において回収水４２Ａが分離される。気液分離器４５で回収水４２Ａが分離された燃料ガス４ａは、燃料電池３０の燃料極３２に供給される。
【００６８】
気液接触塔７０に吸引された酸化剤ガス６１ａは、充填部８０へ導かれ、充填部８０を通過中に回収水４２ａと気液接触し、回収水４２ａによって洗浄されると共に、昇温及び加湿される。洗浄、昇温、加湿が終了した酸化剤ガス６１ａは、デミスタ９１にてミストが除去された後に気液接触塔７０から流出する。なお、気液接触塔７０に入る酸化剤ガス６１ａの温度は、５〜４０℃であり、気液接触塔７０を流出する酸化剤ガス６１ａの温度は、５０〜６５℃である。
【００６９】
気液接触塔７０を流出した酸化剤ガス６１ａは、ブロワ８４によって昇圧され、燃料ガス熱交換器１１４に圧送され、燃料ガス熱交換器１１４でスタック冷却水２４ａにより冷却される。燃料ガス熱交換器１１４で冷却された酸化剤ガス６１ａは、余剰な水分が凝縮し、気液分離器５５で凝縮した回収水４２Ｂが分離され、回収水４２Ｂが分離された酸化剤ガス６１ａは、燃料電池３０の空気極３３に供給される。燃料ガス熱交換器１１４に入る前の酸化剤ガス６１ａの温度は、５５〜８５℃、燃料ガス熱交換器１１４を出る酸化剤ガス６１ａの温度は、５０〜７０℃である。燃料ガス熱交換器１１４に入る前のスタック冷却水２４ａの温度は、５０〜７０℃であり、燃料ガス熱交換器１１４を出るスタック冷却水２４ａの温度は、５０〜７０℃である。ここで、燃料ガス熱交換器１１４においては、スタック冷却水２４ａと、酸化剤ガス６１ａ並びに燃料ガス４ａとの比熱が大きく異なるので、燃料ガス４ａ並びに酸化剤ガス６１ａが冷却されても、スタック冷却水２４ａの温度はほとんど変わらない。スタック冷却水２４ａ、酸化剤ガス６１ａ及び燃料ガス４ａは、燃料ガス熱交換器１１４で並流することによりそれぞれの出口温度は同じとなり、燃料電池３０に送られる。
【００７０】
燃料電池３０は、燃料極３２に供給された燃料ガス４ａと、空気極３３に供給された酸化剤ガス６１ａとの、電気化学的反応により電力を出力し、燃料極３２からアノードオフガス２１ａを、空気極３３からカソードオフガス２２ａを排出する。なお、燃料ガス４ａは水素を主成分としており、酸化剤ガス６１ａとの電気化学的反応で、水分を多く生じ、オフガスと共に排出される。
【００７１】
燃料極３２から排出されたアノードオフガス２１ａと空気極３３から排出されたカソードオフガス２２ａとは、触媒燃焼装置１５０へ送られる。触媒燃焼装置１５０では、前述の通りに、ガス流路１６５にてアノードオフガス２１ａとカソードオフガス２２ａとが混合され、燃焼触媒充填層１６４にて燃焼触媒１６６（図１参照）により燃焼反応が行われ、アノードオフガス２１ａ中に残留する水素が燃焼する。このように、燃料ガス４ａ中に含有される水素ガスは、無駄なく燃焼させられ、熱を生ずると共に水も生成される。続いて、伝熱部１７０で、触媒燃焼により発生した燃焼ガス６３ａと回収水４２ａとの間で熱交換が行われ、燃焼ガス６３ａ中の顕熱及び潜熱の一部が、気液接触塔７０から供給された回収水４２ａに回収される。すなわち、燃料電池３０での燃料ガス４ａと酸化剤ガス６１ａとの電気化学的反応により発生した熱であってスタック冷却水２４ａに吸収されなかった熱と、触媒燃焼装置１５０でアノードオフガス２１ａとカソードオフガス２２ａとの触媒燃焼により発生した熱とが、回収水４２ａに回収される。触媒燃焼した直後の燃焼ガス６３ａの温度は、１００〜４００℃であり、触媒燃焼装置１５０を出る燃焼ガス６３ａの温度は、３５〜５５℃である。また、この場合の触媒燃焼装置１５０に入る前の回収水４２ａの温度は、３０〜５０℃であり、触媒燃焼装置１５０を出る回収水４２ａの温度は、５５〜８５℃である。触媒燃焼装置１５０において燃焼ガス６３ａと回収水４２ａとの間で熱交換が行われ、回収水４２ａが燃焼ガス６３ａによって加熱されることにより燃焼ガス６３ａ中の熱が回収水４２ａに回収される。伝熱部１７０にて冷却された燃焼ガス６３ａ中には、燃料ガス４ａ及び酸化剤ガス６３ａに含まれていた水分、燃料電池３０における電気化学的反応により生じた水分及び触媒燃焼で生成した水分が凝縮し、回収水４２Ｃとして気液分離器８９で分離される。水分が分離された燃焼ガス６３ａは、系外１０２に排ガス６４ａとして放出される。
【００７２】
スタック冷却水２４ａは、燃料ガス熱交換器１１４で燃料ガス４ａ及び酸化剤ガス６１ａを冷却した後に、燃料電池３０の冷却水流路３１に送られ、燃料電池３０を冷却し、燃料ガス４ａと酸化剤ガス６１ａとの電気化学的反応により発生した熱を吸収する。冷却水流路３１を出たスタック冷却水２４ａは、冷却水熱交換器１１０に導入される。冷却水熱交換器１１０で、スタック冷却水２４ａと貯湯タンク１２０から導入された排熱温水４３ａとの間で熱交換が行われ、スタック冷却水２４ａは排熱温水４３ａを加熱し、排熱温水４３ａはスタック冷却水２４ａを冷却する。このようにして、スタック冷却水２４ａ中に吸収された燃料電池３０からの排熱は、排熱温水４３ａに回収される。なお、冷却水熱交換器１１０に入る前のスタック冷却水２４ａの温度は、６０〜８０℃であり、冷却水熱交換器１１０を出るスタック冷却水２４ａの温度は、５０〜７０℃である。また、冷却水熱交換器１１０に入る前の排熱温水４３ａの温度は、５〜４５℃であり、冷却水熱交換器１１０を出る排熱温水４３ａの温度は、６０〜８０℃である。
【００７３】
冷却水熱交換器１１０によって排熱温水４３ａに排熱を回収させ、温度が低下したスタック冷却水２４ａは、ポンプ１０８へ導かれ、ポンプ１０８により昇圧され、再び燃料ガス熱交換器１１４へ送出される。
【００７４】
燃料ガス熱交換器１１４で冷却された燃料ガス４ａ中に凝縮し気液分離器４５によって分離された回収水４２Ａは、気液接触塔７０に導入される。燃料ガス熱交換器１１４により冷却された酸化剤ガス６１ａ中に凝縮し気液分離器５５によって分離された回収水４２Ｂは気液接触塔７０に導入される。触媒燃焼装置１５０で触媒燃焼後に冷却された燃焼ガス６３ａ中に凝縮し気液分離器８９によって分離された回収水４２Ｃは、気液接触塔７０に導入される。これらの導入された回収水４２Ａ〜Ｃは、一緒になって回収水４２ａとして気液接触塔７０の貯液部７１に貯留される。燃料電池コージェネレーションシステム１では回収水４２ａを利用することで、外部からの水の供給が不要となり、燃料電池コージェネレーションシステム１の水自立が達成される。
【００７５】
気液接触塔７０内の回収水４２ａは、回収水吸引口７４からポンプ８２により吸引され、水処理装置９３に圧送される。水処理装置９３のイオン交換樹脂充填カラム９４により回収水４２ａ中の酸性ガス汚染物質が除去される。水処理装置９３を出た回収水４２ａは、触媒燃焼装置１５０の伝熱部１７０の冷却水流路１７５を流通することにより燃焼ガス６３ａにより加熱され、燃焼ガス６３ａ中の排熱を回収し、５５〜８５℃となる。排熱を回収した回収水４２ａは、燃料ガス加湿装置１４０のジャケット１４１に送られる。ジャケット１４１を流れる間に、バブラ容器１４８内のバブラ保持液１４９ａと熱交換し、バブラ保持液１４９ａを加熱し、温度が２〜７℃程度低下する。ジャケット１４１を出た回収水４２ａは、気液接触塔７０に注入され、水分散器７９によって充填部８０に分散して撒かれ、そこで酸化剤ガス６１ａと気液接触し、酸化剤ガス６１ａを加湿、昇温、洗浄する。一方、回収水４２ａは、酸化剤ガス６１ａによって脱炭酸され、冷却される。脱炭酸され、冷却された回収水４２ａは、再び貯液部７１に戻り、貯留される。したがって、貯液部７１に貯留される回収水４２ａは、脱炭酸されたものとなる。なお、回収水４２ａの脱炭酸処理工程により少量の炭酸ガスが酸化剤ガス６１ａに混入するが、炭酸ガスが燃料電池３０内の空気極触媒(不図示)に対する触媒被毒作用をほとんど有しないので、燃料電池３０の劣化や寿命に影響することはない。
【００７６】
また、回収水４２ａの一部は、バブラ保持液１４９ａとして使用される。前述の通りに、バブラ容器１４８内のバブラ保持液１４９ａの液面が低下したときには、水処理装置９３を出た回収水４２ａは、分岐する配管１３９を通り、回収水補給バルブ１３６を通過して、回収水補給ノズル１４６からバブラ容器１４８内に送られる。
【００７７】
冷却水熱交換器１１０でスタック冷却水２４ａから排熱を回収した排熱温水４３ａは、貯湯タンク１２０に貯留され、貯湯タンク１２０から熱需要に供給又は循環される（不図示）。すなわち、系外の熱需要にて熱を有効利用され、減少した分の新たな排熱温水４３ａ用の水が系外から不図示の給水管により供給され、又は、温度が下がった排熱温水４３ａが貯湯タンク１２０に戻されるので、貯湯タンク１２０中の排熱温水４３ａには、温度の低いものが混じる。貯湯タンク１２０では、前述の通り、排熱温水４３ａは温度により層をなして貯留されており、熱源として利用する排熱温水４３ａは高温の上層のものであり、スタック冷却水２４ａを冷却し、排熱を回収する排熱温水４３ａは低温の下層のものである。
【００７８】
排熱温水４３ａは、貯湯タンク１２０の下部からポンプ１２５により吸引され、第１の配管１２８を流送する。一方、制御部１２２が、第１の温度検出器１２４で検出された温度の電気信号ｉ１と第２の温度検出器１２６で検出された温度の電気信号ｉ２とから、排熱温水４３ａを気液接触塔７０のジャケット１３０に送るか否かを判断する。
【００７９】
第１の温度検出器１２４から電気信号ｉ１を通じて伝送される貯湯タンク１２０下部の温度、すなわち、第１の配管１２８に流送される排熱温水４３ａの温度により、貯湯タンク１２０が満蓄していないことを確認する。満蓄しているとは、排熱回収が進み、もはやスタック冷却水２４ａを冷却できないほどに排熱温水の温度が上がっていることであり、貯湯タンク１２０に貯留される排熱温水４３ａの温度が、下層においても高くなっている状態である。満蓄すると、排熱温水４３ａとの熱交換でスタック冷却水２４ａを冷却できなくなるので、燃料電池３０の運転を停止するか、ラジエータなどによりスタック冷却水２４ａを空冷する必要がある。そこで、満蓄しそうな場合には、貯湯タンク１２０に貯留される排熱温水４３ａの温度を上げないために、排熱回収を抑制するのがよく、スタック冷却水２４ａ以外からの排熱回収を停止する。すなわち、排熱温水４３ａを気液接触塔７０のジャケット１３０に送るのを停止する。
【００８０】
また、第２の温度検出器１２６から電気信号ｉ２を通じて伝送される、気液接触塔７０で酸化剤ガス６１ａと気液接触する前の回収水４２ａの温度により、酸化剤ガス６１ａの加湿・加熱条件を確認する。排熱温水４３ａによる回収水４２ａからの排熱回収が進み、回収水４２ａの温度が過剰に低下すると、酸化剤ガス６１ａと気液接触しても酸化剤ガス６１ａを十分に加熱することができず、所定の加湿が行えなくなる。そこで、気液接触塔７０で酸化剤ガス６１ａと気液接触する前の回収水４２ａの温度が、所定の温度以下となると、排熱温水４３ａによる回収水４２ａからの排熱回収、つまり回収水４２ａの冷却を停止する。すなわち、排熱温水４３ａを気液接触塔７０のジャケット１３０に送るのを停止する。
【００８１】
そこで、制御部１２２は、電気信号ｉ１により伝送される第１の温度検出器１２４での温度が所定の温度以下であり、かつ、電気信号ｉ２により伝送される第２の温度検出器１２６での温度が所定の温度以上である場合には、排熱温水４３ａを気液接触塔７０のジャケット１３０に送り、電気信号ｉ１により伝送される第１の温度検出器１２４での温度が所定の温度より高い場合、あるいは、電気信号ｉ２により伝送される第２の温度検出器１２６での温度が所定の温度より低い場合には、排熱温水４３ａを気液接触塔７０のジャケット１３０に送らないように三方電磁弁１２７を制御する電気信号ｉ３を出力する。
【００８２】
三方電磁弁１２７は、制御部１２２から伝送される電気信号ｉ３に応じて、ポンプ１２５から流送される排熱温水４３ａを、第１の配管１２８を通ってジャケット１３０に送る運転、あるいはバイパス配管１３１に送る運転となるように流路を切り替える。なお、流路の切り替えは、三方電磁弁１２７でなく、例えば分岐管と閉止弁とを組み合わせて構築してもよい。
【００８３】
排熱温水４３ａが、気液接触塔７０のジャケット１３０に送られる運転では、排熱温水４３ａは、ジャケット１３０を通過する過程で回収水４２ａの熱を回収する。すなわち、排熱温水４３ａは加熱され、回収水４２ａは冷却される。ジャケット１３０で加熱された排熱温水４３ａは、第２の配管１２９を戻り、分岐管１３７を通過して第２の配管１２９を更に流送し、冷却水熱交換器１１０でスタック冷却水２４ａから排熱を回収し、更に加熱される。なお、ジャケット１３０を出た排熱温水４３ａの温度は、２０〜４５℃であり、冷却水流路３１を出たスタック冷却水２４ａの温度である６０〜８０℃より低く、冷却水熱交換器１１０で排熱温水４３ａは加熱され、スタック冷却水２４ａは冷却される。回収水４２ａ及びスタック冷却水２４ａの排熱を回収した排熱温水４３ａは、貯湯タンク１２０に戻る。
【００８４】
一方、排熱温水４３ａが、バイパス配管１３１に送られる運転では、排熱温水４３ａは、ジャケット１３０を通過せず、バイパス配管１３１から分岐管１３７にて第２の配管１２９に戻り、冷却水熱交換器１１０でスタック冷却水２４ａから排熱を回収する。スタック冷却水２４ａの排熱を回収した排熱温水４３ａは、貯湯タンク１２０に戻る。
【００８５】
本発明の実施の形態である燃料電池コージェネレーションシステム１は、触媒燃焼装置１５０を用いてアノードオフガス２１ａとカソードオフガス２２ａとを触媒燃焼させるので、燃料ガス４ａ中の水素の利用効率が向上する。更に、触媒燃焼装置１５０に伝熱部１７０を設け、触媒燃焼による発熱を回収水４２ａに回収させ有効利用し、水素の燃焼により生ずる水分は燃料ガス触媒燃焼装置１５０の下流に配した気液分離器８９で回収水４２Ｃとして回収する。よって、総合エネルギ効率の向上した、また、水自立性の向上した燃料電池コージェネレーションシステムとなる。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明の実施の形態である触媒燃焼装置を説明する模式的断面図である。
【図２】本発明の実施の形態である燃料電池コージェネレーションシステムを説明する模式的ブロック図である。
【符号の説明】
【００８７】
１      燃料電池コージェネレーションシステム
４ａ    燃料ガス
２１ａ  アノードオフガス
２２ａ  カソードオフガス
２４ａ  スタック冷却水
３０    燃料電池
３１    冷却水流路
３２    燃料極
３３    空気極
３６    アノードオフガス配管
３７    カソードオフガス配管
３８    燃焼ガス（排ガス）配管
４２ａ、４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃ  回収水
４３ａ  排熱温水
４５、５５、８９  気液分離器
６１ａ  酸化剤ガス
６３ａ  燃焼ガス
６４ａ  排ガス
７０    気液接触塔(酸化剤ガス加湿装置)
７１    貯液部
７２    酸化剤ガス入口
７３    回収水入口
７４    回収水吸引口
７５    溢流管
７６    溢流口
７７    酸化剤ガス出口
７８    回収水注入口
７９    水分散器
８０    充填部
８１    充填物支持板
８２、１０８、１２５  ポンプ
８４    ブロワ
９１    デミスタ
９３    水処理装置
９４    イオン交換樹脂充填カラム
９５    フィルタ
１１０  冷却水熱交換器
１１４  燃料ガス熱交換器
１２０  貯湯タンク(貯湯装置)
１２２  制御部
１２４  第１の温度検出器
１２６  第２の温度検出器
１２７  三方電磁弁（第１の分岐部、流路切替手段）
１２８  第１の配管
１２９  第２の配管
１３０  気液接触塔のジャケット（熱交換部）
１３１  バイパス配管
１３６  回収水補給バルブ
１３７  分岐管
１３８  回収水循環配管
１３９  回収水補給配管
１４０  燃料ガス加湿装置
１４１  （燃料ガス加湿装置の）ジャケット(熱交換部）
１４２  燃料ガス導入ノズル
１４３  燃料ガス分散器
１４４  レベルセンサ
１４６  回収水補給ノズル
１４７  燃料ガス出口ノズル
１４８  バブラ容器
１４９ａバブラ保持液（燃料ガス加湿水）
１５０  触媒燃焼装置
１６０  （触媒燃焼装置の）触媒燃焼部
１６１  触媒充填層壁
１６２  ガスジャケット
１６３  触媒支持板
１６４  触媒充填層
１６５  ガス流路
１６６  触媒
１６７  カソードオフガスノズル
１６８  アノードオフガスノズル
１７０  （触媒燃焼装置の）伝熱部
１７１  伝熱媒体充填層壁
１７２  冷却水ジャケット
１７３  伝熱媒体支持板
１７４  伝熱媒体充填層
１７５  冷却水流路
１７６  伝熱促進媒体
１７７  燃焼ガスノズル
１７８  冷却水入口ノズル
１７９  冷却水出口ノズル
【図１】
2005158501.tif 000003
【図２】
2005158501.tif 000004