(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
収納容器内に、外部から供給される被改質ガスおよび純水を用いて燃料ガスを生成する気化部および改質部を備える改質器と、前記燃料ガスと酸素含有ガスによる電極反応で発電を行う固体酸化物形の燃料電池セルとを備え、前記燃料電池セルの発電で使用されなかった前記燃料ガスを前記収納容器内で燃焼させて生じる燃焼熱により前記改質器の温度を上昇させる構成を有する固体酸化物形燃料電池と、
前記固体酸化物形燃料電池から排出された燃焼排ガスにおける上流側に位置しかつ該燃焼排ガスを用いて貯湯タンクに貯水するための水を加熱する第１の加熱手段と、
前記燃焼排ガスにおける下流側に位置しかつ該燃焼排ガスを用いて前記改質器に供給する純水を加熱する第２の加熱手段とを備えるとともに、
前記第１の加熱手段および前記第２の加熱手段は一体的に構成されて前記収納容器の外部に配置されていることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
水を処理して前記改質器に供給する純水とする水処理装置および該水処理装置による処理後の純水を貯えるリザーブタンクを備えるとともに、
前記第２の加熱手段が加熱を行った後、前記燃焼排ガス中の水蒸気から液化した回収水を、前記水処理装置または前記リザーブタンクに供給することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記リザーブタンク内の水量に基づいて前記回収水を前記リザーブタンクに供給するか否かを判断する水量判断手段を備え、
前記水量判断手段が水を供給すると判断した場合には、前記回収水を前記リザーブタンクに供給し、かつ、前記水量判断手段が水を供給しないと判断した場合には、前記回収水を廃棄することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記リザーブタンク内の水量に基づいて前記回収水を前記水処理装置に供給するか否かを判断する水量判断手段を備え、
前記水量判断手段が水を供給すると判断した場合には、前記回収水を前記水処理装置に供給し、かつ、前記水量判断手段が水を供給しないと判断した場合には、前記回収水を廃棄することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部から供給された被改質ガスおよび純水を用いて燃料ガスを生成する改質器と、燃料ガスと酸素含有ガスによる電極反応で発電を行う燃料電池とを備えた燃料電池発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の技術では、高温型燃料電池の代表格である固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、複数の固体酸化物形燃料電池セルからなる燃料電池セルスタックを収納容器内に収容して構成され、約７００〜１０００℃の温度で運転されている。
【０００３】
そして、近年の研究開発の進展により、従来にはなかった新たな知見が得られてきており小型分散型発電など多用途への展開が期待されている。これに伴い、従来のＳＯＦＣでは存在しなかった新たな課題が浮上しており、この課題解決が急務となっている。
【０００４】
たとえば、一般的に燃料電池発電に必要となる水素などの燃料は、都市ガスなどの炭化水素と水蒸気を触媒上で反応させる水蒸気改質法などによって生成されるが、この水蒸気の生成には高純度で供給する純水とこの純水を気化させるための大きな熱量が必要となる。高純度の純水を精製するためには、不純物等を除去するためのフィルターやイオン交換膜などの水処理装置が必要であるが、これらの寿命は決して長くないため定期的な交換が必要とされており、交換やメンテナンスなどに大きな費用や手間がかかる。これを避けるために水処理装置の負荷を低減し、交換頻度を減らすことが重要である。
【０００５】
さらに、燃料電池から排気される排ガスと水道水を熱交換し貯湯タンクに貯湯することで給湯を行うコジェネレーションシステムとして運用した場合、貯湯タンク内の常温の水を循環させながら排ガスの熱と熱交換を行うが、これを繰り返すことによって貯湯タンク内の水温が上昇すると排ガスの熱との温度差が少なくなって熱交換効率が低下し総合効率を低下させると共に、排ガスの温度が高く水蒸気を多く含んだままとなって、多量の水蒸気が排出されることになる。これにより水回収率が低下するだけではなく排気口付近で結露水が発生し、外装金属部材の腐食を引き起こしたり、燃料電池のシステム内部に結露水が流れ込んで侵入することによって補機類の破損、漏電などが生じる恐れがある。
【０００６】
また、従来のＳＯＦＣでは一定状態での定出力による大規模発電が通常であったが、小型分散発電への適用に向けて負荷追従運転が検討されている。負荷追従運転を実現するためには低出力での熱自立運転が必要であるが、低出力では投入熱量が少なくなるために熱自立温度が高出力時に比べて大きく低下してしまい発電効率を低下させる要因となっている。
【０００７】
このような課題に対応するため各種の方法が検討されている。例えば、ＳＯＦＣと同様に水蒸気改質法を用いる固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）の場合では、燃料電池から排気される排ガスと改質器から排出されるガスを冷却させて含有される水蒸気を回収し反応空気の加湿に再利用する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−２３１２８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記したＰＥＦＣで使用する方式では排ガスからの水回収は実現できるが、この水の回収経路が改質器から排出されるものと燃料電池から排気されるものとの２種類存在するために構造が複雑になりやすい。さらに、上記の方法だけではコジェネレーションシステムにおける熱効率低下という課題には不十分であり、回収水量が減少してしまうため水処理装置の負荷低減率が減少すると共に、安全性に欠けるシステムとなってしまうという問題があった。
【００１０】
本発明は、以上の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、システムからの排気中に含まれる水蒸気を効率的に回収すると共に、高い総合効率と安全性を両立させた燃料電池発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
以上の問題点を解決するために請求項１に係る発明は、収納容器内に、外部から供給される被改質ガスおよび純水を用いて燃料ガスを生成する気化部および改質部を備える改質器と、前記燃料ガスと酸素含有ガスによる電極反応で発電を行う固体酸化物形の燃料電池セルとを備え、前記燃料電池セルの発電で使用されなかった前記燃料ガスを前記収納容器内で燃焼させて生じる燃焼熱により前記改質器の温度を上昇させる構成を有する固体酸化物形燃料電池と、
前記固体酸化物形燃料電池から排出された燃焼排ガスにおける上流側に位置しかつ該燃焼排ガスを用いて貯湯タンクに貯水するための水を加熱する第１の加熱手段と、
前記燃焼排ガスにおける下流側に位置しかつ該燃焼排ガスを用いて前記改質器に供給する純水を加熱する第２の加熱手段とを備えるとともに、
前記第１の加熱手段および前記第２の加熱手段は一体的に構成されて前記収納容器の外部に配置されていることを特徴とする。
る。
【００１４】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の燃料電池発電システムにおいて、水を処理して前記改質器に供給する純水とする水処理装置および該水処理装置による処理後の純水を貯えるリザーブタンクを備えるとともに、前記第２の加熱手段が加熱を行った後、前記燃焼排ガス中の水蒸気から液化した回収水を、前記水処理装置または前記リザーブタンクに供給することを特徴とする。
【００１５】
請求項３に係る発明は、請求項２に記載の燃料電池発電システムにおいて、前記リザーブタンク内の水量に基づいて前記回収水を前記リザーブタンクに供給するか否かを判断する水量判断手段を備え、前記水量判断手段が水を供給すると判断した場合には、前記回収水を前記リザーブタンクに供給し、かつ、前記水量判断手段が水を供給しないと判断した場合には、前記回収水を廃棄することを特徴とする。
【００１６】
請求項４に係る発明は、請求項２に記載の燃料電池発電システムにおいて、前記リザーブタンク内の水量に基づいて前記回収水を前記水処理装置に供給するか否かを判断する水量判断手段を備え、前記水量判断手段が水を供給すると判断した場合には、前記回収水を前記水処理装置に供給し、かつ、前記水量判断手段が水を供給しないと判断した場合には、前記回収水を廃棄することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
以上、本発明に係る燃料電池発電システムによれば、システムからの排気中に含まれる水蒸気を効率的に回収すると共に、高い総合効率と安全性を両立させることが可能となる。
【００１９】
請求項１に係る発明においては、固体酸化物形燃料電池から発生した排ガスを用いて貯湯タンクに貯える水を加熱する第１の加熱手段と、同じく排ガスを用いて改質器に供給する純水を加熱する第２の加熱手段とを備えているため、ＳＯＦＣの非常に温度の高い排ガス（排気温度は１５０〜２８０℃程度）の排熱の有効利用を図ることができる。第１の加熱手段では貯湯タンクに貯える水を加熱し、第２の加熱手段では改質器に供給する純水を気化するべく加熱する。
【００２０】
請求項１に係る発明においては、排ガスを用いて加熱するための供給経路上流側に第１の加熱手段が設置され、供給経路下流側に第２の加熱手段が設置されているので、大量の熱量を必要とする貯湯タンクの方をより高温の上流側にて加熱し、その後、改質器に供給する純水を下流側にて加熱することにより効率よく排熱を利用することができる。
【００２１】
請求項１に係る発明においては、第１の加熱手段および第２の加熱手段は、排ガスを用いて加熱するための供給経路が形成されたガス供給手段内に一体的に構成されているので、第１の加熱手段および第２の加熱手段を別体で構成することと比較して、小型化を図ることができる。加えて、接続配管からの放熱が発生しないので熱効率も向上する。
【００２２】
請求項２に係る発明においては、回収水利用手段が、排ガス中の水蒸気が液化した回収水を改質器に供給する純水の一部として利用するので、回収水を有効利用できる。
【００２３】
請求項３に係る発明においては、水量判断手段が、純水のリザーブタンク内の水量に基づいて回収水を加えるか否かを判断し、加えると判断した場合にはリザーブタンクに加え、加えないと判断した場合には回収水を廃棄するので、回収水をより適切な時点で有効利用することができる。
【００２４】
請求項４に係る発明においては、回収水を水処理装置に供給するので、回収水に不純物等が含まれている場合にこれを精製し純水を得ることができる。また、水道水から純水製造するよりも水処理装置への負荷が少ないため、水処理装置の寿命が延びる。
【００２５】
請求項４に係る発明においては、水量判断手段が、純水のリザーブタンク内の水量に基づいて回収水を加えるか否かを判断し、加えると判断した場合には水処理装置に供給して精製し、加えないと判断した場合には回収水を廃棄するので回収水をより適切な時点で有効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】
【００２６】
以下、本発明による燃料電池発電システムを実施するための最良の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の燃料電池発電システムの一実施例を示す縦断面図である。本明細書では、図１の紙面に向かって左及び右を燃料電池１の左側及び右側としこの方向を左右方向と称し、紙面に垂直な方向を前後方向と称することとする。図２は、図１の燃料電池の中央部に設けた発電・燃焼室内を概略的に示す斜視図である。
【００２７】
図１に示すように、図示の燃料電池１は、略直方体形状のハウジング２を具備する。このハウジング２の外壁を形成する６面には、適宜の断熱材料である左側外断熱壁３ａ、右側外断熱壁３ｂ、上側外断熱壁３ｃ、下側外断熱壁３ｄ、前側外断熱壁（図示せず）及び後側外断熱壁（図示せず）が配設されている。ハウジング２内の中央部には発電・燃焼室８が設けられている。前側外断熱壁及び／又は後側外断熱壁は、着脱自在或いは開閉自在に装着されており、発電・燃焼室８内に交換・修理のためにアクセスできる。一実施例として、各外断熱壁の外周面上を金属板製カバーにて覆ってもよい。
【００２８】
図１の燃料電池１は、概ね左右対称な構造を有する。発電・燃焼室８の周囲は、上側を除いた５面に、適宜の断熱材料である左側内断熱壁４ａ、右側内断熱壁４ｂ、下側内断熱壁４ｃ、前側内断熱壁（図示せず）及び後側内断熱壁（図示せず）が配設されている。発電・燃焼室８の上側には隔壁板４６を介して上部ガス室ケース４１が配置されており、その内部に上部ガス室４２を形成する。そして、左側内断熱壁４ａと左側外断熱壁３ａとの間、並びに、右側内断熱壁４ｂと右側外断熱壁３ｂとの間には、それぞれ熱交換器７０ａ、７０ｂが設けられている。２つの熱交換器７０ａ、７０ｂの上端も、隔壁板４６を介して上部ガス室４２と区画されている。下側内断熱壁４ｃと下側外断熱壁３ｄとの間には、
底板４０が配設されている。
【００２９】
２つの熱交換器７０ａと７０ｂは、左右方向の幅に比べて上下方向及び前後方向の長さが長い直方体形状の中空筐体を具備し、互いに左右対称な構造である。熱交換器７０ａについて説明すると、中空筐体内部は鉛直隔壁７４により縦割りされ、外側の流入路７５と内側の排出路７６に区画されている。流入路７５の下端には、外部から供給される酸素含有ガス（例えば空気）が流入する流入部７７が設けられ、排出路７６の下端には、外部へ排出するべき排ガスを熱交換器７１から排出する排出部７８が設けられている。熱交換器７０ａの後方には、上下方向に細長く延びる二重筒体５０（図１にはその上端部のみが現れている）が配設されている。二重筒体５０の内側の流入用筒体５４は流入部７７と接続され、酸素含有ガス供給管（図示せず）が接続される。二重筒体５０の外側の排出用筒体５２は、熱交換器７０ａの排出部７８と接続されている。
【００３０】
熱交換器７０ａの流入路７５及び排出路７６の各々には、５枚の水平隔壁７３により上下方向に６つの階層からなるジグザグ形状の流路が形成されている。流入路７５については、例えば、外部から供給され流入部７７から熱交換器７０ａに流入した低温の酸素含有ガスが、１階層目では後から前へ、２階層目では前から後へとジグザグ状に流れながら上昇し、６階層目の上端に設けた流入開口４５から上部ガス室４２へと流入する。一方、排出路７６については、例えば発電・燃焼室８から排出開口７２を通って６階層目に流入した高温の排ガスが後から前へ、５階層目では前から後へとジグザグ状に流れながら降下し、１階層目の後端部に設けた排出部７８から熱交換器７０ａを出て、排出用筒体５２を通って外部へ排出される。従って、この過程において鉛直隔壁７４を介して低温の酸素含有ガスと高温の排ガスとの間で熱交換が行われ、その結果、酸素含有ガスが予熱される。このようにして排ガスからの排熱回収が行われる。
【００３１】
上部ガス室４２へ流入した酸素含有ガスは、酸素含有ガス導入管４３ａ、４３ｂ、４３ｃにより発電・燃焼室８内に導入される。酸素含有ガス導入管４３ａ、４３ｂ、４３ｃの上端は、隔壁板４６上に固定された酸素含有ガス導入管集合金具４７ａ、４７ｂ、４７ｃにそれぞれ取り付けられ、上部ガス室４２内に開口している。一方、下端は発電・燃焼室８内に垂下し開口している。この下端から酸素含有ガスを放出する。また、酸素含有ガス導入管４３ａ、４３ｂ、４３ｃの周囲は適宜の断熱材５ａ、５ｂ、５ｃで覆われている。これにより、高温の燃焼領域に挿通される酸素含有ガス導入管４３ａ、４３ｂ、４３ｃの熱による劣化を防止できる。
【００３２】
発電・燃焼室８内の底面上には、１つの燃料ガスマニホールド６１が設置されている。燃料ガスマニホールド６１は、前後方向に長く延びる直方体形状である。また好適には、左右方向の幅に比べて上下方向の厚さが比較的薄い平たい箱型形状である。燃料ガスマニホールド６１の天板上には、発電反応を行う４列のセルスタック３０ｂ、３０ａ、３１ａ、３１ｂが左右方向に所定間隔で配置されており、セルスタック集合体を形成している。図２に示すように、各セルスタックは、複数の燃料電池セルを含み、これらを前後方向に所定間隔で配列させている。１つの燃料電池セルは上下方向に細長い略平板形状である。
【００３３】
各燃料電池セルは、燃料ガスマニホールド６１の天板上に穿設された各スリット上にそれぞれ装着されることにより、燃料ガスマニホールド６１から燃料ガスを供給される。図示の例では、燃料ガスマニホールド６１内には２つの燃料ガス室６２ａ、６２ｂが設けられており、燃料ガス室６２ａは、左側２つのセルスタック３０ａ、３０ｂへ燃料ガスを供給し、燃料ガス室６２ｂは、右側２つのセルスタック３１ａ、３１ｂへ燃料ガスを供給する。別の実施例として、２つの燃料ガス室６２ａと６２ｂの間の仕切り壁に適宜の数及び形状の連通孔を形成してもよい。この場合には、燃料ガスの分配性がさらに良好となる。
【００３４】
さらに、改質器１０がセルスタック集合体の上方に設けられている。改質器１０は、外部から供給される被改質ガスを水素リッチな燃料ガスへと改質して燃料ガスとし、燃料ガスマニホールド６１へ送出する役割を担う。
【００３５】
図２を参照して改質器１０について説明する。改質器１０は、水平面内で互いに平行に配置される往路ケース１２と復路ケース１４を具備する。さらに往路ケース１２と復路ケース１４の端部同士を連結する連結ケース１３とを具備する略Ｕ字形状である。従って、往路ケース１２と復路ケース１４との間には、適宜の間隔の中央スペースが存在する。尚、改質器１０の往路ケース１２は、左側２つのセルスタック３０ａ、３０ｂの上方に位置し、一方、復路ケース１４は右側２つのセルスタック３１ａ、３１ｂの上方に位置することが好適である。連結ケースは、セルスタック集合体の後端側の上方に位置する。連結ケース１３は、発電・燃焼室８の底部に固定された支持具１７の上端に取り付けられ、支持されている。改質器１０は、この連結ケース１３を取り付けた支持具１７と、後述する燃料ガス導入ケース１６により所定の位置に保持されている。
【００３６】
好適には、図２に示すように、往路ケース１２と復路ケース１４が前後方向に長く延びる直方体形状であり、左右方向の幅に比べて上下方向の厚さが比較的薄い平たい箱型形状である。往路ケース１２の前端面へは被改質ガス供給管１１と水供給管１９とが接続され、これらにより被改質ガス及び水がそれぞれ供給される。被改質ガスは、都市ガス等の炭化水素ガスでよい。供給されたガスは、改質器１０の往路ケース１２内を前から後へと流れ、連結ケース１３内を通過して復路ケース１４内を後から前へと流れる。すなわち、図中破線矢印で示すように、Ｕ字形状を描くようにガスが流れる。
【００３７】
図２では、酸素含有ガス導入管は省略されているが、図１における中央の酸素含有ガス導入管４３ｂは、略Ｕ字形状の改質器１０の往路ケース１２と復路ケース１４の間のスペースを通って挿入配置されている。また、図１における左右の酸素含有ガス導入管４３ａ、４３ｃはそれぞれ、セルスタック集合体の左右外側に挿入配置されている。
【００３８】
一般的には、本発明におけるセルスタック集合体は、左右方向に複数のセルスタックを配列させてなる。同時に、セルスタック集合体は、同数ずつセルスタックを含む左側セルスタック群と右側セルスタック群とから構成されていることが好適である。すなわち、本発明の好適なセルスタック集合体は、偶数個のセルスタックを含むことになる。そして、いずれか一方のセルスタック群の上方に改質器１０の往路ケース１２が延在し、他方のセルスタック群の上方に改質器１０の復路ケース１４が延在する。図１及び図２の例では、セルスタック集合体が４つのセルスタックを含むが、これに限定されない。さらに、別の実施例として、左側セルスタック群と右側セルスタック群の各々に含まれるセルスタック数が必ずしも同数ずつでなくともよい。例えば、左側が３つ、右側が２つのごとくである。
【００３９】
さらに、図２に示すように、復路ケース１４の前端面には前後方向に延在する燃料ガス移送管１５の一端が連結されている。燃料ガス移送管１５の他端は、上下方向に延びる直方体形状の燃料ガス導入ケース１６の上部に連結されている。
【００４０】
燃料ガス導入ケース１６は、燃料ガスマニホールド６１上に立設されている。燃料ガス導入ケース１６は、左右方向の幅に比べて前後方向の厚さが薄い平たい箱形形状である。左右方向の幅は、図示の例では燃料ガスマニホールド６１の幅のほぼ半分であるが、被改質ガス供給管１１や水供給管１９の配置に支障とならなければ、さらに幅を拡張してもよい。燃料ガス導入ケース１６の下端１６ａは燃料ガスマニホールド６１と連通しており、例えば、燃料ガスマニホールド６１の天板６１ａの一部に穿設した連通孔６１ｂ上に立設する。
【００４１】
従って、改質器１０から送出された燃料ガスは、燃料ガス移送管１５を通って燃料ガス導入ケース１６内に流入し、矢印で示すように鉛直方向に降下して燃料ガスマニホールド６１へ流入する。燃料ガスは、燃料ガス導入ケース１６の幅全体に均一に拡散しつつ降下する。燃料ガスマニホールド６１内に流入した燃料ガスは、矢印で示すように各燃料ガス室へと流れていく。
【００４２】
図３は、図２のＡ断面図であり、改質器１０の横断面の一例を示す。改質器１０の往路ケース１２内に形成されたガス室１２ａには、被改質ガスと水の流入部側に空洞の気化部１２ｂが設けられる。気化部１２ｂでは水が水蒸気とされ、水蒸気が被改質ガスと混合される。このときの気化熱として排ガスの熱量が利用される。気化部１２ｂには、例えばジルコニア球等の耐熱性球体が充填され、球体の間隙をガスが流通する際に発生する乱流により水蒸気と被改質ガスが十分に混合され、かつ予熱される。続いて、連結ケース１３内のガス室１３ａを通り、復路ケース１４へと流入する。復路ケース１４内に形成されたガス室１４ａには、改質触媒１４ｂが収容されており、水素リッチな燃料ガスへと改質される。そして、復路ケース１４から送出された燃料ガスは、燃料ガス移送管１５を経て燃料ガス導入ケース１６へと流入し、降下する。図中、破線矢印は、被改質ガスまたは燃料ガス及び水または水蒸気の流れを示す。
【００４３】
再び図１を参照する。左右方向に複数配列したセルスタック同士の間に、酸素含有ガス導入管が挿入配置されていない場合、例えばセルスタック３０ａと３０ｂの間、及びセルスタック３１ａと３１ｂの間には、断熱材６ａ、６ｂがそれぞれ配置されている。このようなセルスタック間の上方には、改質器１０の往路ケース１２または復路ケース１４があるため、上方から酸素含有ガス導入管を垂下させることができない。このような空間を断熱材６ａ、６ｂで塞ぐことにより不都合な空気の流れを阻止して、熱放散を防ぐことができる。
【００４４】
以上の通り、本発明では、概ね左右対称の略Ｕ字形状の改質器がセルスタック集合体の上方に配置される関係上、セルスタック集合体が同数ずつのセルスタックを含む左側セルスタック群と右側セルスタック群から構成されることが好ましい。しかしながら、セルスタック集合体に含まれるセルスタック数は、実施例に示した２つまたは４つに限定されない。
【００４５】
図１及び図２を再び参照して、本発明の燃料電池における発電時の工程を説明する。上述したとおりの燃料電池１においては、被改質ガスが被改質ガス供給管１１を介して改質器１０に供給され、改質器１０内において水素リッチな燃料ガスに改質された後に、燃料ガス移送管１５及び燃料ガス導入ケース１６を介して燃料ガスマニホールド６１内に規定されている燃料ガス室６２ａ、６２ｂに供給され、次いでセルスタックに供給される。
【００４６】
一方、空気でよい酸素含有ガスは、二重筒体５０の流入用筒体５４から流入部７７を通して熱交換器７１の流入路７５に供給され、次いで上部ガス室４２から酸素含有ガス導入管４３ａ等により発電・燃焼室８内で噴射される。セルスタック３０ａ〜３１ｂの各々においては、酸素極において、
１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−（固体電解質）
の電極反応が生成され、燃料極において、
Ｏ２−（固体電解質）＋Ｈ２→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
の電極反応が生成されて発電される。
【００４７】
セルスタック３０ａ〜３１ｂにおける発電に使用されなかった燃料ガス及び酸素含有ガスは、発電・燃焼室８の上方に流動し、適宜の位置に配設されている点火手段（図示せず）によって点火されて燃焼される。周知の如く、セルスタックにおける発電に起因して、そしてまた燃料ガスと酸素含有ガスとの燃焼に起因して発電・燃焼室８内は例えば７００〜１０００℃程度の高温になる。そして、発電・燃焼室８の天井面近傍に開口する排出開口７２を通して排ガスが熱交換器７１の排出路７６へ流入する。そして、排出部７８を経て排出用筒体５２から排出される。なお、この形態では、排ガスとして燃焼ガスを用いたが、燃焼させずに水素ガス、酸素含有ガスを回収してこれを排ガスとしたものであってもよい。
【００４８】
斯かる発電時の工程において、改質器１０は発電・燃焼室８内に配設され、セルスタック３０ａ〜３０ｄの直ぐ上方に位置することから、燃焼炎による直接的な加熱も含め、発電・燃焼室８内に生成される高温が被改質ガスの改質に効果的に利用される。
【００４９】
そして、本発明における燃料電池発電システムでは、排出用筒体５２から排出された排ガスを用いて純水や水道水等を加熱するための排熱用熱交換器９０が、排出用筒体５２に接続されて設けられている。図４、図５は、この排熱用熱交換器９０の構成を示す説明図である。図４は、排熱用熱交換器９０の構成を示す斜視図、図５は、排熱用熱交換器９０の内部構成を示す縦断面図である。排熱用熱交換器９０は、排出用筒体５２から排出された排ガス用のガスパイプ９１を接続する中空の筐体を有する。この筐体の内部は排ガスが流れる供給経路を形成する。さらに、温水パイプ９２および純水パイプ９３が、排ガスが流れる供給経路を通過するように設けられている。図４および図５では、排熱用熱交換器９０の上部から下部に向かって排ガスが流れて下部に開口された排気口から排気される一方、温水パイプ９２および純水パイプ９３では、逆に下部から上部に向かって水が流れるようになっており、いわゆる対向流となっている。
【００５０】
温水パイプ９２および純水パイプ９３は、筐体の一方の側部から筐体内部に貫入し、対向する他方の側部から筐体外部に取り出されるように、筐体と一体的に設けられている。温水パイプ９２内は、後述する貯湯タンク内の水道水等の水が通過し、純水パイプ９３内は、水供給管１９を介して後述する改質器１０に供給される純水が通過する。よって、排熱用熱交換器９０の筐体内部には、貯湯タンクに貯水するための水を排ガスにより加熱する第１の加熱手段と、改質器に供給する純水を排ガスにより加熱する第２の加熱手段とが設けられていることになる。また、筐体内部の排ガス供給経路の上流側、即ち上部側に温水パイプ９２が設けられ、供給経路の下流側、即ち下部側に純水パイプ９３が設けられている。上流側のより高熱の排ガスが温水パイプ９２と第１段階目の熱交換を行い、更に、下流側で純水パイプ９３と第２段階目の熱交換を行って、２段階構成の熱交換システムにより常温程度のガスとなって排気口から排気される。
【００５１】
温水パイプ９２および純水パイプ９３は、筐体内部において排ガスとの熱交換効率を上げるために密に収納されているのが好ましく、排熱用熱交換器９０をなるべくコンパクトとするため蛇行形状が好適である。この形状は、螺旋状でもよい。尚、温水パイプ９２および純水パイプ９３の材質としては、銅、アルミニウム、ステンレスなどが挙げられるが、特に限定はされない。なお、温水パイプ９２は水量が多い貯湯タンク内の水をより効果的に加熱して生活用水として湯を供給できるようにするため、純水パイプ９３よりも外径が大きい。
【００５２】
そして、温水パイプ９２および純水パイプ９３の外側を流れる排ガスから温水パイプ９２および純水パイプ９３の内側を流れる水への伝熱面積を増加させるために、図６に示すように、温水パイプ９２および純水パイプ９３の外壁に接して複数のフィン９６が設けられている。このフィン９６は、排ガスの圧力損失をなるべく少なくするように、温水パイプ９２および純水パイプ９３の屈曲部位には設けられずに、排ガス流れ方向に垂直な方向の直線部位に、排ガス流れ方向に略平行に配置されている。また、複数のフィン９６は、所定の間隔で配置されているが、この間隔が狭すぎると、後述の排ガス中の水蒸気が液化してなる凝縮水がフィンの間隙に溜まり熱交換率が低下してしまうおそれがあり、間隔が広すぎると集熱が悪く熱交換率が低下してしまうおそれがあるので、フィン９６の間隔は１ｍｍ〜数ｍｍ程度であるのが好ましい。なお、フィン９６を設けた直線部位の方へ排ガスが流れていくように、両パイプ９２、９３の屈曲部位と直線部位との境界位置に仕切り壁９９（図５中に破線で示す）を立設することが好適である。
【００５３】
また、フィン９６は、排ガス流れ方向に対して連続しておらず、複数に分割されている。具体的には、上下に隣接する温水パイプ９２、純水パイプ９３の間で分割されているか、２〜３本程度のパイプとパイプの間ではつながっている状態となっている。この分割形状は、排ガス流れ方向に連続するような従来よりあるフィン形状を単に分割したような形状でもよく、図６に示すように温水パイプ９２、純水パイプ９３の周囲に付設可能な円盤状のフィンであってもよい。このように排ガス流れ方向に対して分割されていることにより、排ガス流れ方向（水の流れに垂直な方向）への熱伝導が悪くなり、排熱用熱交換器９０内で温度勾配ができることにより、熱交換器全体で均等に熱交換が行なわれるようになる。このようなフィン９６の材質としては、銅、アルミニウムなどが好ましいが、特にこれらに限定されるものではない。
【００５４】
尚、この排熱用熱交換器９０に流入する排ガス温度としては、２５０℃以下であるのが好ましい。この温度域では、ボイラーと定義されるものではないので、貯湯圧力を高く設定したとしても、危険性の少ないシステムとなる。
【００５５】
排熱用熱交換器９０の下部には、筐体内部で２段階構成の熱交換により、排ガス中の水蒸気が液化してなる凝縮水を回収するための回収水パイプ９４が接続されている。液化した凝縮水が筐体内部の内壁を流れ落ち回収水パイプ９４に流れ込み、回収水パイプ９４の先端に接続された回収水タンク９５に回収水として貯えられるようになっている。回収水は、後述するリザーブタンクに供給される。
【００５６】
また、固体酸化物形燃料電池の運転温度が８００℃以下であるとともに、排熱用熱交換器９０において熱交換により排ガス中の水蒸気が液化してなる凝縮水が後述するリザーブタンクを経て固体酸化物形燃料電池に供給されるのが好ましい。熱交換により潜熱の熱量が回収され、このとき排ガス中の水蒸気は液化されて水（凝縮水）となるが、運転温度が１０００℃になった状態で排出される排ガス中の水蒸気が熱交換により水になると、その水はＮＯｘやＳＯｘ等が含まれて酸性となっており、中和剤を入れてから廃棄しなければならない。これに対し、運転温度８００℃以下であることにより、固体酸化物形燃料電池における電気化学反応によって発生する水にはＮＯｘやＳＯｘ等が含まれていないため、純水に近く、廃棄の問題もない。更に、燃料ガスを改質して水素を取り出すために、従来、イオン交換水を蒸気にして供給する必要があったが、イオン交換水にかえて、上述のように発生した水が水蒸気となって含まれる燃料ガスが熱交換器を通過することにより得られる凝縮水を用いることができるようになり、イオン交換水を精製する装置が不要となり、燃料電池を小型化できる。
【００５７】
また、排熱用熱交換器９０内の温水パイプ９２、純水パイプ９３を流れる水の流量は、０．２リットル／分以下であるのが好ましい。１KW級の固体酸化物形燃料電池の排ガス熱量は、例えば排熱用熱交換器９０に流入する排ガス温度が２１２℃の場合、６６．１KJ/minと計算される。そこで、排熱用熱交換器９０内の水の流量を０．２リットル／分以下とすることにより熱交換器出口水温を８０℃〜９０℃とすることができ、排ガスと循環水が熱交換器の中で対向流により十分な温度差が確保できるので高温水を得ることができる。
【００５８】
なお、温水パイプ９２には、生活用水として使用する水道水を加熱した湯を貯えておくため、貯湯タンク内の水を排熱用熱交換器９０に供給するための図示しないうず巻きポンプからなる循環ポンプが設けられており、貯湯タンク底部から水を取り出し、排熱用熱交換器９０を通して貯湯タンクの上部に戻すようになっている。
【００５９】
続いて、以上のような構成を有する燃料電池発電システムの作用効果について、図７に示す説明図を用いて詳細に説明する。本実施の形態における燃料電池発電システムが運転を開始すると、一般家庭のガス配管等により外部から供給される都市ガスなどの被改質ガスと、水道水を水処理装置で精製してリザーブタンク２００に貯えた純水とが改質器１０の往路ケース１２に供給される。
【００６０】
往路ケース１２内に供給された純水および被改質ガスは、気化部１２ｂで純水が水蒸気とされ、気化部１２ｂ内の球体の間隙をガスが流通して水蒸気が被改質ガスと混合される。続いて、連結ケース１３内のガス室１３ａを通り、復路ケース１４へと流入し、復路ケース１４内において水素リッチな燃料ガスへと改質される。そして、復路ケース１４から送出された燃料ガスは、燃料ガス移送管１５、燃料ガス導入ケース１６、燃料ガス室６２ａと６２ｂを介して、発電・燃焼室８内へと流入し、発電・燃焼室８内部で燃料ガスを燃焼させ、その燃焼熱で発電・燃焼室８内部を発電可能な温度まで加熱する。所定の温度になると発電が始まり、発電により発生する熱により発電・燃焼室８内部の温度を維持する。さらに、発電により発生する熱が余り、外部に排ガスとして放出されるようになる。また、発電・燃焼室８内部の排ガスを用いて、流入用筒体５４から取り込んだ酸素含有ガスとしての空気が熱交換器７０ａと７０ｂ内において熱交換されて予熱されこの際に排熱される。
【００６１】
流出用筒体５２から外部に放出された排ガスは、ガスパイプ９１内を通って排熱用熱交換器９０内部に供給され、その筐体内部の供給経路を流れて、貯湯タンクから循環された温水パイプ９２内の水、および、水供給管１９に接続される純水パイプ９３内の純水と熱交換され、温水パイプ９２および純水パイプ９３内の水又は純水に熱を移動させる。排ガスは排熱用熱交換器９０の筐体内部の供給経路を下方に向かって流れ、水または純水は温水パイプ９２および純水パイプ９３内を下から上方に向かって対向流で流れ、温水パイプ９２および純水パイプ９３に付設されたフィン９６で熱を吸収してこれらの内部へ伝達する。この時、フィン９６が排ガスの流れ方向に対して分割されているため、温水パイプ９２および純水パイプ９３内の循環流量が０．２リットル/分以下でもフィン９６を通して排熱用熱交換器９０低温側への熱伝導がなくなり、熱交換器全体で均等に熱交換が行われるようになり、排ガスを有効に利用できるようになる。
【００６２】
純水パイプ９３内で熱交換され、加熱された純水は、改質器１０の往路ケース１２に供給され、水蒸気となって被改質ガスと混合される。そして、被改質ガスの燃料ガスへの改質に用いられる。また、温水パイプ９２内で熱交換され、加熱された水は、循環ポンプにより循環されて貯湯タンクの上部に戻される。この温水パイプ９２の循環による熱交換は、繰り返し実行され貯湯タンク内の水温が上昇して湯が貯えられる。
【００６３】
排熱用熱交換器９０の筐体内部で排ガス中の水蒸気が熱交換後に液化した凝縮水は、回収水利用手段により有効利用される。回収水利用手段は、筐体内部の内壁を流れ落ちる凝縮水が流れ込む回収水パイプ９４と、回収水パイプ９４に接続され凝縮水を回収水として貯める回収水タンク９５と、回収水をリザーブタンク２００またはその前段の水処理装置へ供給可能な適宜のポンプとを少なくとも備える。このようにして回収水は、リザーブタンク２００に貯えられる純水の一部として利用することができる。
【００６４】
また、回収水利用手段が、リザーブタンクへの回収水の追加の可否を判断する水量判断手段を具備することにより、回収水タンク９５内の回収水を必要に応じてリザーブタンク内に加えるようにし、必要でない場合には回収水を廃棄するようにしてもよい。リザーブタンクにおいて、図８に示すように、リザーブタンク２００内の水量を検出する水量センサ等のリザーブ水量検出部２０１と、リザーブ水量検出部２０１が検出した水量に基づいて、リザーブタンク２００内の水量が改質器１０に純水を供給する際に十分な所定量の水量に達しているか否かを判断するリザーブ水量判断部２０２と、回収水タンク９５内からリザーブタンク２００内に接続されたパイプを純水が通過可能に開放して回収水タンク９５内の水をリザーブタンク２００内に供給するようにするリザーブ弁２０３とを備える。
【００６５】
そして、リザーブ水量判断部２０２が純水の量が所定量に達しておらず必要であると判断した場合には、リザーブ弁２０３が開放され回収水タンク９５内の水がリザーブタンク２００内に供給される。また、純水の量が所定量に達しており必要でないと判断した場合には、リザーブ弁２０３が閉じられてリザーブタンク２００への回収水タンク９５内の水の供給を停止すると共に、回収水タンク９５内に水が貯水されていき、回収水タンク９５内が貯水可能な限界量まで貯水され、水道水や貯湯タンク内の水が使用できない等の非常時における非常用供給水として使用される。また、回収水タンク９５内が貯水可能な限界量まで満たされた際に水が外部に廃棄される。
【００６６】
以上説明したように、本実施の形態における燃料電池発電システムでは、改質器１０により改質された燃料ガスが発電・燃焼室８内へと流入し、発電・燃焼室８内部で燃料ガスを燃焼させて発電が始まり、発電により発生する熱が余って排ガスとして流入用筒体５４から取り込んだ空気と熱交換されて排熱される。また流出用筒体５２から外部に放出された排ガスは、排熱用熱交換器９０内部に供給され、その筐体内部の供給経路を流れて、貯湯タンクから循環された温水パイプ９２内の水、および、純水パイプ９３内の純水と熱交換を行い、温水パイプ９２および純水パイプ９３内の水又は純水に熱を移動させ、排ガスを有効に利用できるようになる。純水パイプ９３内で熱交換され、加熱された純水は、改質器１０の往路ケース１２に供給される。温水パイプ９２内で熱交換され、加熱された水は、貯湯タンクに循環され貯湯タンク内に湯が貯えられる。
【００６７】
また、排熱用熱交換器９０の筐体内部で排ガス中の水蒸気が熱交換後に液化した凝縮水は、回収水タンク９５に回収される。回収された水は、不純物を含まない高純度の純水と同様にしてリザーブタンクに貯えられ、改質器１０の往路ケース１２に供給される。
【００６８】
このため、この燃料電池からの排ガスの排気中に含まれる水蒸気を、廃棄せずに効率的に回収し純水として有効に利用することができると共に、排ガスの排熱を貯湯タンクに貯水するための水およびリザーブタンクの純水の加熱に用いて有効に利用して高い総合効率と安全性を両立させた燃料電池発電システムを実現できる。
【００６９】
また、流出用筒体５２の排気温度は１５０〜２８０℃程度であり排熱としては非常に温度が高いため、排熱の有効利用が重要であるが、改質反応を行うための水蒸気生成に必要となる熱量は非常に大きく、この必要熱量をどのように得るかは構造設計、システム設計上重要なポイントであり、この高温の排熱を利用して純水を事前に予熱し改質器１０へ供給することで、スムーズな純水の加湿／気化を実現することができ、熱利用効率を向上させることが可能である。
【００７０】
本実施の形態における燃料電池発電システムでは、一般的な従来のコジェネレーションシステムにおいて、高温排気と貯湯タンク内の水を循環させながら熱交換して生成したお湯を貯湯することで給湯を行うが、出湯要求量が少ない夏場などにおいては貯湯温度の上昇に伴い熱交換効率が低下してしまい、排ガスの排気温度が上昇して、水蒸気の液化が行われなくなり排ガスからの回収水量が減少するという課題が発生していたが、改質器１０へ供給する予熱すべき純水も熱交換での排熱回収に利用することで熱効率の向上を図るとともに回収水量の増加を同時に実現することができる。
【００７１】
さらに、回収水量の増加に伴い排ガスの排気中の水蒸気量が減少するため、排熱用熱交換器９０の外装部への結露水付着を防止できるため、外装の錆など腐食を防ぐことができると共に、結露水がシステム内部に侵入することによって発生する補機類の破損、漏電などを防ぐことができる。
【００７２】
貯湯タンクから供給される水は常温〜９０℃であり常温以上であることに加え、水量が多いため高温部での効率的な熱交換が必要となる。これに対して純水パイプ９３を流れる高純度水は常時常温であることから、第１段階目としての温水パイプ９２の水の熱交換後での排ガスの４０〜８０℃程度の排気温度をさらに低減させるために、第２段階目として純水パイプ９３の純水で熱交換し、水蒸気の液化が更に行われて水回収量増加が図られる。
【００７３】
また、単一の排熱用熱交換器９０に２つの温水パイプ９２と純水パイプ９３を一体化することにより設備の小型化を図ると共に、各パイプを個別化することにより排ガスの振り分け等の際の放熱を減少させ熱効率を高めることが可能となる。
【００７４】
回収水は電池反応で生成された純水が主体であるため、純度が高い高品位の供給水となりえることから、回収水を改質器１０での供給水として再利用することで、水処理装置の負荷を低減すると共に、水道使用量を削減することができ経済性が向上する。
【００７５】
排ガスの排気中に含まれる水蒸気量は、改質器１０で必要とされる水蒸気量よりも多いことが知られており、高い熱効率によって回収された回収水は改質器１０用の供給水必要量よりも多くなり余剰となる場合があることから、この余剰な回収水を貯湯タンクへの供給水に混合使用することで、水の廃棄といった無駄を省き経済性を高めることができる。
【００７６】
回収水を利用するには一旦回収水タンク９５に収容して一定量貯めた後で、ポンプなどを使用してごく短時間で所望するリザーブタンク等の供給場所に供給することが補機損失増加による発電効率低下の対策として効果的である。
【００７７】
（他の実施の形態）
上述の実施の形態において、水回収タンク９５で回収した回収水は、リザーブタンクに供給されることとなっていたが、これに限られず、改質器１０に供給する純水を精製する水処理装置に供給することとしてもよい。回収水は不純物を溶かし込んでいる可能性があるため理想的には再度水処理を施したほうが高純度確保のためには確実であり、また、通常の水道水を水処理装置で精製するより回収水を精製する方が水処理装置への負荷が低いことから、回収水を水処理装置で処理することで装置の寿命を延長しメンテナンスなどに必要となる費用や手間が削減できる。この際に、図８と同様の構成により、水量判断手段が、水処理装置内の純水の量が所定量に達しておらず必要であると判断した場合には、回収水が水処理装置に供給されるようにすることも可能である。
【００７８】
上述の実施の形態において、排熱用熱交換器９０の筐体内部の上部側に温水パイプ９２が設けられ、下部側に純水パイプ９３が設けられていたが、これに限られず、上部側に純水パイプ９３が設けられ、下部側に温水パイプ９２が設けられていてもよい。
【００７９】
また、フィン９６は、円盤状に限られず、排熱用熱交換器９０の筐体内部の縦方向または厚さ方向の大きさに応じて長方形状や長円形状等であってもよい。
【００８０】
上述の実施の形態において、排熱用熱交換器９０の筐体内部の空間の形状は、排ガスの水蒸気が液化した凝縮水を効率的に回収可能なように、筐体内部の下部が漏斗状または回収水パイプ９４へ底面が収束するように斜面により構成されていてもよい。
【００８１】
上述の実施の形態において、ガスパイプ９１が排熱用熱交換器９０の筐体内部に対して、筐体の上部に接続されていてもよい。このような構成により、ガスパイプ９１から筐体内部に供給された排ガスが、そのまま上部から下部に向かって形成された供給経路に効率的に流れていき、熱交換を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本実施の形態における燃料電池発電システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】本実施の形態における燃料電池発電システムの発電・燃焼室内を概略的に示す斜視図である。
【図３】本実施の形態における燃料電池発電システムの改質器の横断面を示す説明図である。
【図４】本実施の形態における燃料電池発電システムの排熱用熱交換器の構成を示す斜視図である。
【図５】本実施の形態における燃料電池発電システムの排熱用熱交換器の内部構成を示す縦断面図である。
【図６】本実施の形態における燃料電池発電システムの温水パイプおよび純水パイプの断面を示す説明図である。
【図７】本実施の形態における燃料電池発電システムの動作を示す説明図である。
【図８】本実施の形態における燃料電池発電システムのリザーブタンクの構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【００８３】
１  燃料電池
２  ハウジング
８  発電・燃焼室
１０  改質器
１１  被改質ガス供給管
１２  往路ケース
１４  復路ケース
１９  水供給管
９０  排熱用熱交換器
９１  ガスパイプ
９２  温水パイプ
９３  純水パイプ
９４  回収水パイプ
９５  回収水タンク
９６  フィン
２００  リザーブタンク
【図１】
0005129452.tif 000002
【図２】
0005129452.tif 000003
【図３】
0005129452.tif 000004
【図４】
0005129452.tif 000005
【図５】
0005129452.tif 000006
【図６】
0005129452.tif 000007
【図７】
0005129452.tif 000008
【図８】
0005129452.tif 000009