(57)【要約】  【課題】  熱交換媒体の経路を複雑化することなく効率的に熱回収を行う。  【解決手段】  燃料電池発電システム１０では、燃料電池４０における燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応が発熱反応であることから、アノードオフガスとカソードオフガスとは共に熱を持っている。循環ポンプ５１は、熱交換媒体５４である水又は湯を、貯湯槽５２から直列に並んだアノードオフガス熱交換器４２及びカソードオフガス熱交換器４４を経て貯湯槽５２へ戻るという熱交換媒体循環経路５０に循環させる。このため、出所の同じ熱交換媒体５４がアノードオフガス及びカソードオフガスから熱を回収することになり、効率的に熱回収を行うことができる。また、両熱交換器４２，４４が直列に並んだ熱交換媒体循環経路５０に熱交換媒体５４を循環させるため、熱交換媒体５４の経路が複雑化しない。  【選択図】図１
2007115715.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記アノードから排出されたアノードオフガスの熱を熱交換媒体により回収するアノードオフガス熱交換部と、
前記カソードから排出されたカソードオフガスの熱を前記熱交換媒体により回収するカソードオフガス熱交換部と、
前記熱交換媒体を貯留する熱交換媒体貯留部と、
前記熱交換媒体貯留部から直列に順不同で並んだ前記アノードオフガス熱交換部及び前記カソードオフガス熱交換部を経て前記熱交換媒体貯留部へ戻るという循環経路に前記熱交換媒体を循環させる熱交換媒体循環部と
を備えた燃料電池発電システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池発電システムであって、
炭化水素系燃料と水との反応により得られる水素リッチなガスを前記燃料ガスとして前記アノードへ供給する燃料ガス生成部と、
燃焼用ガスを燃焼することにより前記燃料ガス生成部を加熱する燃焼部と
を備え、
前記アノードオフガス熱交換部は、凝縮器の機能も有し、前記熱交換媒体により熱及び凝縮水を回収したあとのアノードオフガスを前記燃焼用ガスとして前記燃焼部に供給する
燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記循環経路は、前記アノードオフガス熱交換部が前記カソードオフガス熱交換部の上流に配置されている
請求項２記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記循環経路は、最上流に前記アノードオフガス熱交換部が配置されている
請求項３記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池発電システムであって、
炭化水素系燃料と水との反応により得られる水素リッチなガスを前記燃料ガスとして前記アノードへ供給する燃料ガス生成部に、凝縮器の機能も有する前記カソードオフガス熱交換部でカソードオフガス中の水分が凝縮して得られた高純度水を前記炭化水素系燃料と反応させるために供給する凝縮水供給部
を備えた燃料電池発電システム。
【請求項６】
前記凝縮水供給部は、前記アノードオフガス熱交換部でアノードオフガス中の水分が凝縮して得られた高純度水を前記炭化水素系燃料と反応させるために前記燃料ガス生成部へ供給する
請求項５記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
請求項５又は６記載の燃料電池発電システムであって、
水道水を浄化する水精製部を備え、
前記水精製部は、前記燃料ガス生成部へ供給する前記高純度水の不足分を前記凝縮水供給部へ補給する
燃料電池発電システム。
【請求項８】
請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池発電システムであって、
凝縮器の機能も有する前記カソードオフガス熱交換部でカソードオフガス中の水分が凝縮して得られた水を精製する凝縮水精製部と、
炭化水素系燃料と水との反応により得られる水素リッチなガスを前記燃料ガスとして前記アノードへ供給する燃料ガス生成部に、前記凝縮水精製部で精製された精製水を前記炭化水素系燃料と反応させるために供給する精製水供給部と
を備えた燃料電池発電システム。
【請求項９】
請求項８記載の燃料電池発電システムであって、
前記凝縮水精製部は、前記アノードオフガス熱交換部でアノードオフガス中の水分が凝縮して得られた水も精製する
を備えた燃料電池発電システム。
【請求項１０】
前記熱交換媒体は水又は湯であり、前記熱交換媒体貯留部は貯湯槽である
請求項１〜９のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【請求項１１】
前記循環経路は、前記アノードオフガス熱交換部及び前記カソードオフガス熱交換部の下流に、炭化水素系燃料と水との反応により得られる水素リッチなガスを前記燃料ガスとして前記アノードへ供給する燃料ガス生成部を燃焼用ガスを燃焼することにより加熱する燃焼部から排出された燃焼排ガスの熱を前記熱交換媒体により回収する燃焼排ガス熱交換部が配置されている
請求項１〜１０のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【請求項１２】
前記循環経路は、前記アノードオフガス熱交換部及び前記カソードオフガス熱交換部の下流に、前記燃料電池を冷却する冷却媒体の熱を前記熱交換媒体により回収する冷却媒体熱交換部が配置されている
請求項１〜１１のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【請求項１３】
前記循環経路は、最下流に前記冷却媒体熱交換部が配置されている
請求項１２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、燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、コージェネレーションシステムとして、環境問題を考慮して燃料電池を組み入れた発電システムが提案されている。この燃料電池としては、単セルを複数積層して構成されたものが知られており、単セルとしては、電解質膜と、この電解質膜を狭持するアノード及びカソードと、アノードに燃料ガスを供給しカソードに酸化ガスを供給すると共に隣り合う単セルとの隔壁をなすセパレータとを備えたものが知られている。また、燃料ガスとしては、バーナー等により加熱された燃料ガス生成器において炭化水素系燃料と水との反応により得られた水素リッチなガスを利用するものが知られている。
【０００３】
ところで、燃料電池発電システムにおいて、燃料電池のアノードから排出されたアノードオフガスとカソードから排出されたカソードオフガスとを有効に活用するために、アノードオフガスとカソードオフガスとを燃料ガス生成器を加熱するバーナーに供給するものが知られている。例えば、特開平６−１８８０１６号公報には、アノードオフガスについてはアノードオフガス凝縮器でアノードオフガス中の水分を凝縮させたあと燃料ガス生成器を加熱するバーナーに供給し、カソードオフガスについてはカソードオフガス凝縮器でアノードオフガス中の水分を凝縮させたあと燃料ガス生成器を加熱するバーナーに供給している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した公報では、アノードオフガス凝縮器においてアノードオフガスと熱交換を行う熱交換媒体と、カソードオフガス凝縮器においてカソードオフガスと熱交換を行う熱交換媒体とを、どのような経路によって供給するかを考慮していない。このため、熱交換媒体の経路が複雑化しやすいし、燃料電池発電システムに適した熱回収を行うことができない。
【０００５】
本発明は、上述の課題に鑑みなされたものであり、熱交換媒体の経路を複雑化することなく効率的に熱回収を行うことのできる燃料電池発電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】
【０００６】
上述した目的を達成するために、本発明の燃料電池発電システムは、
アノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記アノードから排出されたアノードオフガスの熱を熱交換媒体により回収するアノードオフガス熱交換部と、
前記カソードから排出されたカソードオフガスの熱を前記熱交換媒体により回収するカソードオフガス熱交換部と、
前記熱交換媒体を貯留する熱交換媒体貯留部と、
前記熱交換媒体貯留部から直列に順不同で並んだ前記アノードオフガス熱交換部及び前記カソードオフガス熱交換部を経て前記熱交換媒体貯留部へ戻るという循環経路に前記熱交換媒体を循環させる熱交換媒体循環部と
を備えたものである。
【０００７】
本発明の燃料電池発電システムでは、燃料電池における燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応が発熱反応であることから、アノードオフガスとカソードオフガスとは共に熱を持っている。熱交換媒体循環部は、熱交換媒体を熱交換媒体貯留部から直列に順不同で並んだアノードオフガス熱交換部及びカソードオフガス熱交換部を経て熱交換媒体貯留部へ戻るという循環経路に循環させるため、出所の同じ熱交換媒体がアノードオフガス熱交換部にてアノードオフガスから熱を回収すると共にカソードオフガス熱交換部にてカソードオフガスから熱を回収する。このように、アノードオフガス熱交換部及びカソードオフガス熱交換部が直列に順不同で並んだ循環経路に熱交換媒体を循環させるため、熱交換媒体の経路は複雑化しない。また、出所の同じ熱交換媒体がアノードオフガスの熱及びカソードオフガスの熱を回収するため、効率的に熱回収を行うことができる。
【０００８】
本発明の燃料電池発電システムは、炭化水素系燃料と水との反応により得られる水素リッチなガスを前記燃料ガスとして前記アノードへ供給する燃料ガス生成部と、燃焼用ガスを燃焼することにより前記燃料ガス生成部を加熱する燃焼部とを備え、前記アノードオフガス熱交換部は、凝縮器の機能も有し、前記熱交換媒体により熱及び凝縮水を回収したあとのアノードオフガスを前記燃焼用ガスとして前記燃焼部に供給してもよい。ここでは、燃料ガス生成部での炭化水素系燃料と水との反応を促進させるために、燃焼部で燃焼用ガスを燃焼することにより燃料ガス生成部を加熱しているが、その燃焼用ガスとして、アノードオフガス熱交換部で熱交換媒体により熱及び凝縮水を回収したあとのアノードオフガスを有効利用している。また、このアノードオフガスは、凝縮水が回収されて低湿度化しているため、燃焼部に失火や傷み等の不具合が生じにくい。
【０００９】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記燃料ガス生成部と前記燃焼部とを備え、前記アノードオフガス熱交換部が前記熱交換媒体により熱及び凝縮水を回収したあとのアノードオフガスを前記燃焼用ガスとして前記燃焼部に供給する場合、前記循環経路は、前記アノードオフガス熱交換部が前記カソードオフガス熱交換部の上流に配置されていてもよい。こうすれば、燃焼部へ供給されるアノードオフガスを低湿度化して燃焼部の不具合を生じにくくさせるという効果を優先して得ることができる。また、前記循環経路には、前記アノードオフガス熱交換部が最上流に配置されていてもよく、こうすれば、燃焼部の不具合を生じにくくさせるという効果を最優先させることができる。
【００１０】
本発明の燃料電池発電システムは、炭化水素系燃料と水との反応により得られる水素リッチなガスを前記燃料ガスとして前記アノードへ供給する燃料ガス生成部に、凝縮器の機能も有する前記カソードオフガス熱交換部でカソードオフガス中の水分が凝縮して得られた高純度水を前記炭化水素系燃料と反応させるために供給する凝縮水供給部を備えていてもよい。こうすれば、カソードオフガスから得られた高純度水を有効に利用することができる。また、この凝縮水供給部は、前記アノードオフガス熱交換部でアノードオフガス中の水分が凝縮して得られた高純度水を前記炭化水素系燃料と反応させるために前記燃料ガス生成部へ供給してもよく、こうすれば、アノードオフガスから得られた高純度水も有効に利用することができる。なお、燃料電池の電気化学反応によってカソード側に水が生成するため、アノードオフガスよりもカソードオフガスから多くの高純度水が得られる。
【００１１】
本発明の燃料電池発電システムは、前記凝縮水供給部を備えている場合、更に水道水を浄化する水精製部を備え、前記水精製部は、前記燃料ガス生成部へ供給する前記高純度水の不足分を前記凝縮水供給部へ補給してもよい。こうすれば、凝縮水供給部による高純度水の燃料ガス生成部への供給が不足したときに消耗品である水精製部を稼働するため、水精製部のみで浄化水を燃料ガス生成部へ供給する場合に比べて、水精製部の使用頻度が少なくて済み、水精製部の寿命が長くなる。
【００１２】
本発明の燃料電池発電システムは、凝縮器の機能も有する前記カソードオフガス熱交換部でカソードオフガス中の水分が凝縮して得られた水を精製する凝縮水精製部と、炭化水素系燃料と水との反応により得られる水素リッチなガスを前記燃料ガスとして前記アノードへ供給する燃料ガス生成部に、前記凝縮水精製部で精製された精製水を前記炭化水素系燃料と反応させるために供給する精製水供給部とを備えていてもよい。こうすれば、カソードオフガスから得られた水を精製したあと有効に利用することができる。また、この凝縮水精製部は、前記アノードオフガス熱交換部でアノードオフガス中の水分が凝縮して得られた水も精製してもよい。こうすれば、アノードオフガスから得られた水も精製したあと有効に利用することができる。なお、凝縮水精製部では、通常、水道水を精製するよりも、カソードオフガス又はアノードオフガスから得られた水を精製する方が負担は軽い。
【００１３】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記熱交換媒体は水又は湯であり、前記熱交換媒体貯留部は貯湯槽であってもよい。こうすれば、このシステムで発生した熱をお湯として回収することができるので有用性が高い。
【００１４】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記循環経路は、前記アノードオフガス熱交換部及び前記カソードオフガス熱交換部の下流に、前記燃焼部から排出された燃焼部排ガスの熱を前記熱交換媒体により回収する燃焼部排ガス熱交換部が配置されていてもよい。こうすれば、出所の同じ熱交換媒体がアノードオフガスの熱、カソードオフガスの熱のほかに燃焼部排ガスの熱も回収するため、システム全体として効率的に熱回収を行うことができる。
【００１５】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記循環経路は、前記アノードオフガス熱交換部及び前記カソードオフガス熱交換部の下流に、前記燃料電池を冷却する冷却媒体の熱を前記熱交換媒体により回収する冷却媒体熱交換部が配置されていてもよい。こうすれば、出所の同じ熱交換媒体がアノードオフガスの熱、カソードオフガスの熱のほかに燃料電池を冷却することにより加熱された冷却媒体の熱も回収するため、システム全体として効率的に熱回収を行うことができる。このとき、前記循環経路は、最下流に前記冷却媒体熱交換部が配置されていてもよい。通常、燃料電池を冷却する冷却媒体の温度はアノードオフガスやカソードオフガスよりも高いため、これらのオフガスから熱を回収して高温化したあとの熱交換媒体であっても冷却媒体から熱を回収することができ、システム全体として効率的に熱回収を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に、本発明の好適な一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、燃料電池発電システム１０の構成の概略を示す構成図である。この燃料電池発電システム１０は、主として、都市ガスを水素リッチな改質ガスに改質する改質器３０と、改質ガス中の一酸化炭素を低減して燃料ガスとするＣＯ選択酸化部３４と、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池４０と、燃料電池４０から排出されたアノードオフガスの熱を回収するアノードオフガス熱交換器４２と、燃料電池から排出されたカソードオフガスの熱を回収するカソードオフガス熱交換器４４と、貯湯槽５２に貯留された熱交換媒体５４としての水又は湯を貯湯槽５２から直列に並んだ熱交換器４２，４４，４５，４６を経て貯湯槽５２へ戻るという熱交換媒体循環経路５０に熱交換媒体５４を循環させる循環ポンプ５１とを備えている。なお、図１における白抜き矢印は、循環経路５０を流通する熱交換媒体５４の流れを表し、[１]と[１]、[２]と[２]、[３]と[３]はそれぞれ繋がっているものとする。
【００１７】
改質器３０は、混合器２８から導入される都市ガスと蒸気との混合気を次式（１）及び次式（２）の水蒸気改質反応及びシフト反応に供することにより、水素リッチな改質ガスを生成する。改質器３０には、こうした反応に必要な熱を供給する燃焼部３２が設けられており、燃焼部３２には、ガス配管２２から都市ガスが供給されると共に燃焼に必要な空気が供給され、更にアノードオフガス熱交換器４２を通過した後のアノードオフガスが供給されるように配管されている。つまり、アノードオフガスを有効利用するために、アノードオフガス中の未反応の水素を燃焼部３２の燃料として用いることができるように構成されている。
【００１８】
[数１]
ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ2    （１）
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2      （２）
【００１９】
混合器２８は、ガス配管２２から脱硫器２４で硫黄分の除去された都市ガスと、水タンク２６からの水が蒸発器２７にて蒸発された蒸気とを適当な比率で混合し、改質器３０に供給する。水タンク２６には、水道水を浄化・精製する水精製器２５から精製水が供給されるほか、アノードオフガス熱交換器４２及びカソードオフガス熱交換器４４から凝縮水が供給されるように配管されている。
【００２０】
ＣＯ選択酸化部３４は、図示しない配管による空気の供給を受けて水素の存在下で一酸化炭素を選択して酸化する一酸化炭素選択酸化触媒（例えば白金とルテニウムの合金による触媒）により、改質ガス中の一酸化炭素を選択酸化して一酸化炭素濃度が極めて低い（本実施形態では数ｐｐｍ程度）水素リッチな燃料ガスとする。なお、本実施形態の改質器３０及びＣＯ選択酸化部３４が本発明の燃料ガス生成部に相当する。
【００２１】
燃料電池４０は、単セル４１０（図２参照）を複数積層してなる固体高分子型の燃料電池として構成されており、単セル４１０は、図２に示すように、電解質膜４１２と、この電解質膜４１２を狭持するアノード４１４及びカソード４１６と、このアノード４１４に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路４１５を有するセパレータ４１８及びカソード４１６に酸化ガスを供給する酸化ガス供給路４１７を有するとセパレータ４２０とから構成され、セパレータ４１８，４２０は隣り合う単セル４１０との隔壁をなす。また、アノード４１４は触媒電極４１４ａとガス拡散電極４１４ｂとからなり、カソード４１６は触媒電極４１６ａとガス拡散電極４１６ｂとからなる。そして、各単セル４１０のアノード４１４にはＣＯ選択酸化部３４から燃料ガスが供給され、各単セル４１０のカソード４１６にはブロア４１から酸化ガスとしての空気が供給されることにより、燃料ガス中の水素と酸化ガス中の酸素との電気化学反応によって発電する。燃料電池４０の図示しない出力端子は、インバータ４９を介して外部に接続されており、燃料電池４０からの直流電力が交流電力に変換されて図示しない負荷に供給される。
【００２２】
熱交換媒体循環経路５０は、貯湯槽５２に貯留された熱交換媒体５４がこの貯湯槽５２からアノードオフガス熱交換器４２、カソードオフガス熱交換器４４、燃焼排ガス熱交換器４５、冷却水熱交換器４６をこの順に経たのち再び貯湯槽５２に戻るという循環経路である。循環ポンプ５１は、本発明の熱交換媒体循環部に相当するものであり、熱交換媒体循環経路５０の途中に設けられ、貯湯槽５２から熱交換媒体循環経路５０に熱交換媒体５４を循環させる。また、貯湯槽５２に貯留された熱交換媒体５４としてのお湯は、図示しない給湯経路を通じて所定箇所に供給され、お湯が供給されたあと貯湯槽５２には満水になるように水道水が補給される。
【００２３】
アノードオフガス熱交換器４２は、起動時（運転開始直後）には、図示しない制御装置によってバルブ６１及びバルブ６３が開放されバルブ６２及びバルブ６４が閉鎖されるため、ＣＯ選択酸化部３４から送り込まれた初期の燃料ガスと熱交換媒体循環経路５０を通過する熱交換媒体５４との間で熱交換を行う。このアノードオフガス熱交換器４２において、熱交換媒体５４は初期の燃料ガスの凝縮潜熱を奪うことにより熱を回収し、燃料ガスは凝縮潜熱が奪われることにより水分が凝縮し低湿度化する。また、アノードオフガス熱交換器４２は、熱交換後の燃料ガスを初期オフガス燃焼器５７に供給する。初期オフガス燃焼器５７に送り込まれた燃料ガスは、この初期オフガス燃焼器５７にて触媒燃焼したあと初期オフガス熱交換器５８を経て外部へ放出される。このように初期オフガス燃焼器５７には低湿度化した燃料ガスが送られるため、触媒燃焼する初期オフガス燃焼器５７の機能を保ち、傷み等の不具合が生じにくい。なお、初期オフガス熱交換器５８及び初期オフガス燃焼器５７は冷却水循環経路４３に組み込まれており、燃料電池４０を通過したあとの冷却水が初期オフガス熱交換器５８及び初期オフガス燃焼器５７をこの順で通過する。
【００２４】
一方、アノードオフガス熱交換器４２は、定常運転時には、図示しない制御装置によってバルブ６１及びバルブ６３が閉鎖されバルブ６２及びバルブ６４が開放されるため、ＣＯ選択酸化部３４から燃料電池４０のアノード４１４を経て排出されたアノードオフガスと熱交換媒体循環経路５０を通過する熱交換媒体５４との間で熱交換を行う。このアノードオフガス熱交換器４２において、熱交換媒体５４はアノードオフガスの凝縮潜熱を奪うことにより熱を回収し、アノードオフガスは凝縮潜熱が奪われることにより水分が凝縮し低湿度化する。また、アノードオフガス熱交換器４２は、熱交換後のアノードオフガスを燃焼部３２に供給すると共に、アノードオフガス中の水分が凝縮して得られた凝縮水を水タンク２６へ供給する。
【００２５】
カソードオフガス熱交換器４４は、燃料電池４０のカソード４１６から排出されたカソードオフガスと熱交換媒体循環経路５０を通過する熱交換媒体５４との間で熱交換を行う。このカソードオフガス熱交換器４４において、熱交換媒体５４はカソードオフガスの凝縮潜熱を奪うことにより熱を回収し、カソードオフガスは凝縮潜熱が奪われることにより水分が凝縮する。また、カソードオフガス熱交換器４４は、熱交換後のカソードオフガスを大気中に放出すると共に、カソードオフガス中の水分が凝縮して得られた凝縮水を水タンク２６へ供給する。
【００２６】
燃焼排ガス熱交換器４５は、燃焼部３２で発生する燃焼排ガスと熱交換媒体循環経路５０を通過する熱交換媒体５４との間で熱交換を行う。この燃焼排ガス熱交換器４５において、熱交換媒体５４は燃焼排ガスから熱を奪って回収する。なお、燃焼排ガスとは、都市ガス又はアノードオフガス熱交換器４２を経た後のアノードオフガスと空気中の酸素とが燃焼し、改質器３０を囲うように設けられた図示しないジャケットを通過したあと排出されるガスである。
【００２７】
冷却水熱交換器４６は、冷却水循環経路４３の途中に設けられている。ここで、冷却水循環経路４３は、循環ポンプ４８によってリザーバタンク４７に貯留された冷却水がこのリザーバタンク４７から燃料電池４０の図示しない冷却水通路を経たのち初期オフガス熱交換器５８、初期オフガス燃焼器５７の図示しない冷却水通路、冷却水熱交換器４６をこの順に通過して再びリザーバタンク４７に戻るという循環経路である。但し、冷却水循環経路４３のうち冷却水熱交換器４６とリザーバタンク４７との間には、ファンによる強制冷却を行う冷却器５５を備えたバイパス経路が設けられており、冷却水が予め設定した温度を越えないときにはバイパス経路の分岐点に設けられたサーモスタット５６が作動せず、冷却水を冷却水熱交換器４６から直ちにリザーバタンク４７へ導き、一方、冷却水が所定温度を越えたときにはサーモスタット５６が作動し、冷却水をバイパス経路へ導いて冷却器５５にて強制的に冷やしたあとリザーバタンク４７へ導く。冷却水熱交換器４６は、燃料電池４０、初期オフガス熱交換器５８及び初期オフガス燃焼器５７を通過したあとの冷却水と熱交換媒体循環経路５０を通過する熱交換媒体５４との間で熱交換を行う。燃料電池４０における電気化学反応は発熱反応であるが、このように冷却水を循環させることにより、燃料電池４０は適温（本実施形態では８０〜９０℃）に保持される。
【００２８】
次に、こうして構成された燃料電池発電システム１０における定常運転時の熱の回収や高純度水の回収について説明する。燃料電池発電システム１０では、循環ポンプ５１が駆動することにより、貯湯槽５２の熱交換媒体５４が熱交換媒体循環経路５０を循環する。
【００２９】
まず、熱交換媒体５４は、貯湯槽５２の下方からアノードオフガス熱交換器４２へ送り込まれ、このアノードオフガス熱交換器４２にてアノードオフガスの凝縮潜熱を回収する。一方、アノードオフガスは、凝縮潜熱を奪われることによりアノードオフガス中の水分が凝縮し低湿度化したあと、改質器３０を加熱するための燃焼部３２にて燃焼されるが、低湿度のため燃焼部３２に失火や傷み等の不具合を生じさせることはない。また、ここで得られた凝縮水は、比較的高純度の水であるため、水タンク２６へ送られ、改質器３０において都市ガスと反応させる水として有効利用される。
【００３０】
次いで、アノードオフガス熱交換器４２を通過した熱交換媒体５４は、カソードオフガス熱交換器４４へ送り込まれ、このカソードオフガス熱交換器４４にてカソードオフガスの凝縮潜熱を回収する。一方、カソードオフガスは、凝縮潜熱を奪われることによりカソードオフガス中の水分が凝縮する。また、燃料電池４０における電気化学反応によってカソード側には大量の水が生成するため、カソードから排出されたカソードオフガスは大量の水分が含まれている。このため、カソードオフガス熱交換器４４からは大量の凝縮水が発生する。そして、ここで得られた凝縮水は高純度の水であるため、水タンク２６へ送られ、改質器３０において都市ガスと反応させる水として有効利用される。水タンク２６には、アノードオフガス熱交換器４２で発生した凝縮水と、カソードオフガス熱交換器４４で発生した多量の凝縮水が供給されるが、不足分についてはバルブ２９を開いて水精製器２５からの精製水で補う。なお、バルブ２９の開閉制御は図示しない制御装置によって行う。
【００３１】
続いて、カソードオフガス熱交換器４４を通過した熱交換媒体５４は、燃焼排ガス熱交換器４５へ送り込まれ、この燃焼排ガス熱交換器４５にて燃焼排ガスの熱を回収する。この燃焼排ガス熱交換器４５においても凝縮水が発生するが、この燃焼排ガス熱交換器４５には脱硫していない都市ガスが燃焼したあとの排ガスも通過することから、ここでの凝縮水は硫黄分が含まれるため水タンク２６に供することなく放出される。
【００３２】
そして最後に、燃焼排ガス熱交換器４５を通過した熱交換媒体５４は、冷却水熱交換器４６へ送り込まれ、この冷却水熱交換器４６にて冷却水の熱を回収したあと、再び貯湯槽５２の上方に戻される。冷却水熱交換器４６に供給される冷却水の温度は、本実施形態では７０〜８０℃であり、アノードオフガス熱交換器４２に導入されるアノードオフガスや、カソードオフガス熱交換器４４に導入されるカソードオフガスや、燃焼排ガス熱交換器４５に導入される燃焼排ガスに比べて高温である。このため、各熱交換器４２，４４，４５で熱を回収したあとの熱交換媒体５４であっても、冷却水熱交換器４６において冷却水から熱を回収することができる。
【００３３】
以上詳述した本実施形態の燃料電池発電システム１０によれば、熱交換媒体循環経路５０は、各熱交換器４２，４４，４５，４６を直列に繋ぐため複雑化せず、また、一つの貯湯槽５２からの熱交換媒体５４がアノードオフガスの熱及びカソードオフガスの熱を回収するため効率的に熱回収を行うことができる。特に本実施形態では回収した熱をお湯として貯めるため、有用性が高い。また、アノードオフガス中の水蒸気顕熱分の排気（熱）損失が減るため、燃焼部３２に供給する都市ガスを減らすことができ、高効率化している。
【００３４】
また、アノードオフガス熱交換器４２を通過した後のアノードオフガスは燃焼部３２に供給されるが、このガスは低湿度化されているため、燃焼部３２において失火や傷み等の不具合が生じにくい。
【００３５】
更に、アノードオフガス熱交換器４２から得られる凝縮水とカソードオフガス熱交換器４４から得られる凝縮水はいずれも高純度水であるため、改質器３０での水蒸気改質反応に有効利用することができる。また、水タンク２６による高純度水が不足したときに消耗品である水精製器２５を稼働すればよいため、水精製器２５のみで浄化水を改質器３０での水蒸気改質反応に供する場合に比べて、水精製器２５の使用頻度が少なくて済み、水精製器２５の寿命が長くなる。
【００３６】
更にまた、熱交換媒体循環経路５０には、アノードオフガス熱交換器４２がカソードオフガス熱交換器４４の上流に配置されているため、燃焼部３２へ供給されるアノードオフガスの湿度を低下させて燃焼部３２の不具合発生を防止することを、カソードオフガスから得られた高純度水を有効に利用することよりも優先させることができる。なお、ここではアノードオフガス熱交換器４２が最上流のため、燃焼部３２の不具合発生を防止することが最優先となっている。
【００３７】
そしてまた、熱交換媒体循環経路５０には、アノードオフガス熱交換器４２及びカソードオフガス熱交換器４４の下流に、燃焼排ガス熱交換器４５が配置され、更に最下流に冷却水熱交換器４６が配置されているため、一つの貯湯槽５２からの熱交換媒体５４がアノードオフガスの熱、カソードオフガスの熱のほかに燃焼部排ガスの熱や燃料電池４０の冷却水の熱も回収するため、システム全体として効率的に熱回収を行うことができる。
【００３８】
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【００３９】
例えば、上述した実施形態において、燃料電池４０のカソード４１６から排出されたカソードオフガスの熱でもってブロア４１から燃料電池４０のカソード４１６に供給される空気を予熱するように構成し、カソードオフガスは空気の予熱を行った後にカソードオフガス熱交換器４４を通過するようにしてもよい。
【００４０】
また、上述した実施形態では、熱交換媒体循環経路５０においてアノードオフガス熱交換器４２をカソードオフガス熱交換器４４の上流に設けたが、逆に、カソードオフガス熱交換器４４をアノードオフガス熱交換器４２の上流に設けてもよい。こうすれば、カソードオフガスに含まれる凝縮水をより効率よく回収することができ、水精製器２５の負担をより軽くすることができる。
【００４１】
更に、上述した実施形態では、アノードオフガス熱交換器４２にてアノードオフガスから得た凝縮水やカソードオフガス熱交換器４４にてカソードオフガスから得た凝縮水を水タンク２６に貯め込み精製することなく改質器３０へ供給する構成を採用したが、図３に示す構成を採用してもよい。図３では、改質器３０に供給される水の経路以外は図１と同様の構成である。即ち、調整弁２０を介して適宜補給される水道水や、アノードオフガス熱交換器４２にてアノードオフガスから得た凝縮水や、カソードオフガス熱交換器４４にてカソードオフガスから得た凝縮水を水タンク２６に貯め込み、この水タンク２６内の水をポンプ２１によりイオン交換樹脂が充填された水精製器２５へ送り込んで精製し、精製したあとの水を蒸発器２７等を介して改質器３０へ供給する構成を採用してもよい。この構成は、各オフガスから回収した凝縮水中に不純物が溶出している場合に有効である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一実施形態である燃料電池発電システムの構成の概略を示す構成図である。
【図２】燃料電池を構成する単セルの断面図である。
【図３】本発明の他の実施形態である燃料電池発電システムの構成の概略を示す構成図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０…燃料電池発電システム、２２…ガス配管、２４…脱硫器、２５…水精製器、２６…水タンク、２７…蒸発器、２８…混合器、３０…改質器、３２…燃焼部、３４…ＣＯ選択酸化部、４０…燃料電池、４１…ブロア、４２…アノードオフガス熱交換器、４３…冷却水循環経路、４４…カソードオフガス熱交換器、４５…燃焼排ガス熱交換器、４６…冷却水熱交換器、４７…リザーバタンク、４８…循環ポンプ、４９…インバータ、５０…熱交換媒体循環経路、５１…循環ポンプ、５２…貯湯槽、５４…熱交換媒体、４１０…単セル、４１２…電解質膜、４１４…アノード、４１５…燃料ガス供給路、４１６…カソード、４１７…酸化ガス供給路、４１８，４２０…セパレータ。
【図１】
2007115715.tif 000003
【図２】
2007115715.tif 000004
【図３】
2007115715.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成19年2月16日(2007.2.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記アノードから排出されたアノードオフガスの熱を熱交換媒体により回収するアノードオフガス熱交換部と、
前記カソードから排出されたカソードオフガスの熱を前記熱交換媒体により回収するカソードオフガス熱交換部と、
前記熱交換媒体を貯留する熱交換媒体貯留部と、
前記熱交換媒体貯留部から直列に前記アノードオフガス熱交換部及び前記カソードオフガス熱交換部をこの順に通過して前記熱交換媒体貯留部へ戻るという循環経路に前記熱交換媒体を循環させる熱交換媒体循環部と
を備えた燃料電池発電システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池発電システムであって、
炭化水素系燃料と水との反応により得られる水素リッチなガスを前記燃料ガスとして前記アノードへ供給する燃料ガス生成部と、
燃焼用ガスを燃焼することにより前記燃料ガス生成部を加熱する燃焼部と
を備え、
前記アノードオフガス熱交換部は、凝縮器の機能も有し、前記熱交換媒体により熱及び凝縮水を回収したあとのアノードオフガスを前記燃焼用ガスとして前記燃焼部に供給する
燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記循環経路は、最上流に前記アノードオフガス熱交換部が配置されている
請求項１又は２記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池発電システムであって、
炭化水素系燃料と水との反応により得られる水素リッチなガスを前記燃料ガスとして前記アノードへ供給する燃料ガス生成部に、凝縮器の機能も有する前記カソードオフガス熱交換部でカソードオフガス中の水分が凝縮して得られた高純度水を前記炭化水素系燃料と反応させるために供給する凝縮水供給部
を備えた燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記凝縮水供給部は、前記アノードオフガス熱交換部でアノードオフガス中の水分が凝縮して得られた高純度水を前記炭化水素系燃料と反応させるために前記燃料ガス生成部へ供給する
請求項４記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
請求項４又は５記載の燃料電池発電システムであって、
水道水を浄化する水精製部を備え、
前記水精製部は、前記燃料ガス生成部へ供給する前記高純度水の不足分を前記凝縮水供給部へ補給する
燃料電池発電システム。
【請求項７】
請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池発電システムであって、
凝縮器の機能も有する前記カソードオフガス熱交換部でカソードオフガス中の水分が凝
縮して得られた水を精製する凝縮水精製部と、
炭化水素系燃料と水との反応により得られる水素リッチなガスを前記燃料ガスとして前記アノードへ供給する燃料ガス生成部に、前記凝縮水精製部で精製された精製水を前記炭化水素系燃料と反応させるために供給する精製水供給部と
を備えた燃料電池発電システム。
【請求項８】
請求項７記載の燃料電池発電システムであって、
前記凝縮水精製部は、前記アノードオフガス熱交換部でアノードオフガス中の水分が凝縮して得られた水も精製する
を備えた燃料電池発電システム。
【請求項９】
前記熱交換媒体は水又は湯であり、前記熱交換媒体貯留部は貯湯槽である
請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【請求項１０】
前記循環経路は、前記貯湯槽のすぐ下流に循環ポンプを備え、該循環ポンプのすぐ下流に前記アノードオフガス熱交換部を備える、
請求項９に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１１】
前記循環経路は、前記アノードオフガス熱交換部及び前記カソードオフガス熱交換部の下流に、炭化水素系燃料と水との反応により得られる水素リッチなガスを前記燃料ガスとして前記アノードへ供給する燃料ガス生成部を燃焼用ガスを燃焼することにより加熱する燃焼部から排出された燃焼排ガスの熱を前記熱交換媒体により回収する燃焼排ガス熱交換部が配置されている
請求項１〜１０のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【請求項１２】
前記循環経路は、前記アノードオフガス熱交換部及び前記カソードオフガス熱交換部の下流に、前記燃料電池を冷却する冷却媒体の熱を前記熱交換媒体により回収する冷却媒体熱交換部が配置されている
請求項１〜１１のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【請求項１３】
前記循環経路は、最下流に前記冷却媒体熱交換部が配置されている
請求項１２記載の燃料電池発電システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
上述した目的を達成するために、本発明の燃料電池発電システムは、
アノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記アノードから排出されたアノードオフガスの熱を熱交換媒体により回収するアノードオフガス熱交換部と、
前記カソードから排出されたカソードオフガスの熱を前記熱交換媒体により回収するカソードオフガス熱交換部と、
前記熱交換媒体を貯留する熱交換媒体貯留部と、
前記熱交換媒体貯留部から直列に前記アノードオフガス熱交換部及び前記カソードオフガス熱交換部をこの順に通過して前記熱交換媒体貯留部へ戻るという循環経路に前記熱交換媒体を循環させる熱交換媒体循環部と
を備えたものである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
本発明の燃料電池発電システムでは、燃料電池における燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応が発熱反応であることから、アノードオフガスとカソードオフガスとは共に熱を持っている。熱交換媒体循環部は、熱交換媒体を熱交換媒体貯留部から直列にアノードオフガス熱交換部及びカソードオフガス熱交換部をこの順に通過して熱交換媒体貯留部へ戻るという循環経路に循環させるため、出所の同じ熱交換媒体がアノードオフガス熱交換部にてアノードオフガスから熱を回収すると共にカソードオフガス熱交換部にてカソードオフガスから熱を回収する。このように、アノードオフガス熱交換部及びカソードオフガス熱交換部が直列にこの順で並んだ循環経路に熱交換媒体を循環させるため、熱交換媒体の経路は複雑化しない。また、出所の同じ熱交換媒体がアノードオフガスの熱及びカソードオフガスの熱を回収するため、効率的に熱回収を行うことができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記熱交換媒体は水又は湯であり、前記熱交換媒体貯留部は貯湯槽であってもよい。こうすれば、このシステムで発生した熱をお湯として回収することができるので有用性が高い。このとき、前記循環経路は、前記貯湯槽のすぐ下流に循環ポンプを備え、該循環ポンプのすぐ下流に前記アノードオフガス熱交換部を備えていてもよい。