(57)【要約】【課題】  本発明は、固体酸化物を電解質として用いた固体酸化物形燃料電池により発電を行うと共に、同時に得られる排熱を利用する固体酸化物形燃料電池システムに関し、その目的は、高温排熱による熱損傷等を抑制しながら、固体酸化物形燃料電池の排熱を合理的に有効利用して、優れたエネルギ効率を実現する点にある。【解決手段】  固体酸化物形燃料電池１から排気通路５に排出された排気Ｅに燃料Ｇを混合して燃焼可能なバーナ部６と、排気通路５に配置された蒸発管１１内に液体Ｗを供給して蒸気消費部Ｘに供給される蒸気Ｓを発生する蒸気発生部１０と、蒸発管１１の外表面に熱電変換材料２１を設け排気Ｅと蒸発管１１との温度差を利用して発電を行う熱発電部２０とを備える。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物を電解質として用いた固体酸化物形燃料電池により発電を行うと共に、同時に得られる排熱を利用する固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記固体酸化物形燃料電池から排気通路に排出された排気に燃料を混合して燃焼可能なバーナ部と、前記排気通路に配置された蒸発管内に液体を供給して蒸気消費部に供給される蒸気を発生する蒸気発生部と、前記蒸発管の外表面に熱電変換材料を設け前記排気と前記蒸発管との温度差を利用して発電を行う熱発電部とを備えた固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項２】
前記固体酸化物形燃料電池に供給される空気を前記排気通路において前記蒸発管よりも下流側の排気との熱交換により加熱する空気予熱部を備えた請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項３】
前記蒸気発生部の発生蒸気を消費する蒸気消費部として、前記発生蒸気により蒸気タービンを回転駆動して発電可能な蒸気タービン発電部を備え、更に、
前記固体酸化物形燃料電池及び前記蒸気タービン発電部の発電電力が供給される電力消費部における電力負荷を検出する電力負荷検出手段と、
前記蒸気タービン発電部への蒸気供給量を調整して、前記蒸気タービン発電部の発電出力を調整可能な蒸気発電出力調整手段と、
前記電力負荷検出手段の検出結果に基づいて前記蒸気発電出力調整手段を制御する蒸気発電出力制御手段とを備えた請求項１又は２に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項４】
湯水を前記排気通路において前記蒸発管よりも下流側の排気との熱交換により加熱する第１熱交換部と、
前記第１熱交換部で加熱された湯水を前記蒸気タービン発電部から排出された蒸気との熱交換により加熱する第２熱交換部とを備えた請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項５】
前記蒸気発生部が、前記蒸発管の側方に配置され該蒸発管の下端部と上端部とが接続され内部に液体が供給される気液分離器を有し、該気液分離器内の上方から蒸気を取り出すように構成され、更に、
前記気液分離器内に、前記液体の沸点よりも高い融点を有する潜熱蓄熱材が、前記気液分離器内の液体との間で熱交換可能な状態で、設けられている請求項１〜４の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項６】
前記蒸気発生部の発生蒸気が流通する蒸気流路に、前記熱発電部の発電電力により作動し前記発生蒸気を過熱する蒸気ヒータ部を備え、更に、
前記蒸気流路に、前記液体の沸点よりも高温の融点を有する潜熱蓄熱材が、前記蒸気流路の蒸気との間で熱交換可能な状態で、設けられている請求項１〜５の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項７】
水道水を精製して純水を生成する純水生成部と、前記純水を加熱して生成された水蒸気により燃料を水蒸気改質して前記固体酸化物形燃料電池に供給される水素を生成する改質部とを備え、
前記蒸気発生部が、前記純水生成部から供給された純水を前記液体として前記蒸発管に供給して水蒸気を発生するように構成されている請求項１〜６の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物を電解質として用いた固体酸化物形燃料電池により発電を行うと共に、同時に得られる排熱を利用する固体酸化物形燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
上記のような固体酸化物形燃料電池は、固体酸化物の電解質を挟んで一方側の燃料極に供給された水素と他方側の空気極に供給された酸素との電気化学反応により発電を行うように構成されている。
即ち、上記空気極では、酸素が電子と反応して酸素イオンになり、上記固体酸化物からなる電解質では、その酸素イオンを空気極側から燃料極側へ運び、上記燃料極では、水素が酸素イオンと反応して水蒸気と電子とを生成することにより、空気極と燃料極との間に起電力を発生させて発電を行うように構成されている。
【０００３】
このような固体酸化物形燃料電池は、その作動温度が非常に高温（例えば８００℃〜１０００℃程度）であることから、発電と同時に高温の熱が排出され、例えば空気極からは高温（例えば３８０℃程度）の排気が排出される。
そして、固体酸化物形燃料電池を備えた従来の固体酸化物形燃料電池システムにおいては、このような高温の排熱を有効利用してエネルギ効率を向上することが重要である。
【０００４】
排熱を有効利用するための従来方法としては、排熱により生成された水蒸気により蒸気タービンを駆動して発電を行う方法（例えば、特許文献１及び特許文献２を参照。）や、排熱と大気との温度差を利用して熱電変換材料のゼーベック効果により発電を行う方法（例えば、特許文献３を参照。）等が知られており、このような発電電力を、例えば固体酸化物形燃料電池の発電電力に加えて電力消費部に供給して利用することができる。
【０００５】
尚、上記特許文献２に記載されている蒸気タービンは、薄型の固定ディスク及び回転ディスクの組み合わせを同軸上に多数稠密に重ね合わせるという特徴を有するディスク型半径流タービンであり、高効率と小型化とを同時に実現可能とされている。
【０００６】
一方、上記特許文献３に記載されている熱電変換材料は、例えばＢｉ，Ｓｒ，Ｔｅ，Ｃｏ及びＯを構成元素として含む特性組成の複合酸化物であり、耐熱性に優れ高い熱電変換効率を実現することができるとされている。
【０００７】
更に、燃料電池の排熱は、上記のような発電用に利用する以外に、給湯用や暖房用の温水を生成するための熱源や、燃料電池に供給される空気を予熱するための熱源として利用される場合がある。
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−５０３８７号公報（［請求項６］、段落［００２１］等）
【特許文献２】特開２００５−４２５６７号公報（［請求項１］、段落［００２１］等）
【特許文献３】特開２００３−１５２２３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
例えば、固体酸化物形燃料電池の高温排熱を有効利用するために、固体酸化物形燃料電池の空気極から排出される排気との熱交換により水を加熱して蒸気タービン駆動用等に利用される水蒸気を生成するように構成された固体酸化物形燃料電池システムにおいて、上記排気温度が低下することにより、有効に利用できる程度の十分な量の水蒸気を生成することができない場合がある。
また、十分な量の水蒸気を生成するために、固体酸化物形燃料電池の排気に燃料を供給して燃焼させ、排気温度を上昇させることが考えられるが、このような排気温度の上昇により、内部に水が供給され水蒸気を生成するための蒸発管の外表面温度が過剰に昇温して熱損傷することが懸念される。
【００１０】
一方、固体酸化物形燃料電池の高温排熱を有効利用するために、その高温排熱と大気との温度差を利用した熱電変換材料による発電を行うように構成された固体酸化物形燃料電池システムでは、熱電変換材料のヒートシンクの熱を大気に放熱することで放熱ロスが発生し、エネルギ効率を十分に向上することができないという問題がある。
【００１１】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、固体酸化物形燃料電池システムにおいて、高温排熱による熱損傷等を抑制しながら、固体酸化物形燃料電池の排熱を合理的に有効利用して、優れたエネルギ効率を実現する技術を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するための本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムは、固体酸化物を電解質として用いた固体酸化物形燃料電池により発電を行うと共に、同時に得られる排熱を利用する固体酸化物形燃料電池システムであって、その第１特徴構成は、前記固体酸化物形燃料電池から排気通路に排出された排気に燃料を混合して燃焼可能なバーナ部と、前記排気通路に配置された蒸発管内に液体を供給して蒸気消費部に供給される蒸気を発生する蒸気発生部と、前記蒸発管の外表面に熱電変換材料を設け前記排気と前記蒸発管との温度差を利用して発電を行う熱発電部とを備えた点にある。
【００１３】
上記第１特徴構成によれば、固体酸化物形燃料電池から排出される高温の排気が有する熱を、上記蒸気発生部による蒸気発生用及び上記熱発電部による発電用のエネルギ源として有効利用することができ、エネルギ効率の優れた固体酸化物形燃料電池システムを実現することができる。
即ち、上記蒸気発生部により、固体酸化物形燃料電池から排出された比較的高温の排気を利用して液体を加熱し蒸気を発生することができ、その蒸気を熱等として利用可能となる。同時に、上記熱発電部により、固体酸化物形燃料電池から排出された比較的高温の排気と蒸気発生部に供給される比較的低温の液体との温度差を利用して熱電変換材料のゼーベック効果により発電を行うことができ、この発電電力を、例えば固体酸化物形燃料電池の発電電力に加えて電力消費部に供給して利用する、又は、別の用途に利用することができる。
更に、上記熱発電部は、蒸気発生部の蒸発管の外表面に耐熱性に優れた熱電変換材料を設けて構成されているので、比較的高温の排気が蒸気管に直接接触して蒸気管が熱損傷することを抑制することができる。
【００１４】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの第２特徴構成は、前記固体酸化物形燃料電池に供給される空気を前記排気通路において前記蒸発管よりも下流側の排気との熱交換により加熱する空気予熱部を備えた点にある。
【００１５】
上記第２特徴構成によれば、固体酸化物形燃料電池の空気を、排気通路において蒸発管よりも下流側の排気、即ち上記蒸気発生部による蒸気発生用及び上記熱発電部による発電用に熱回収された後の比較的低温の排気との熱交換により加熱することにより、その排気が有する熱を、固体酸化物形燃料電池に供給される空気の予熱用に利用して、エネルギ効率の一層の向上を実現することができる。
【００１６】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの第３特徴構成は、前記蒸気発生部の発生蒸気を消費する蒸気消費部として、前記発生蒸気により蒸気タービンを回転駆動して発電可能な蒸気タービン発電部を備え、更に、
前記固体酸化物形燃料電池及び前記蒸気タービン発電部の発電電力が供給される電力消費部における電力負荷を検出する電力負荷検出手段と、
前記蒸気タービン発電部への蒸気供給量を調整して、前記蒸気タービン発電部の発電出力を調整可能な蒸気発電出力調整手段と、
前記電力負荷検出手段の検出結果に基づいて前記蒸気発電出力調整手段を制御する蒸気発電出力制御手段とを備えた点にある。
【００１７】
上記第３特徴構成によれば、上記蒸気発生部で発生した蒸気を蒸気消費部としての上記蒸気タービン発電部に供給して発電を行い、その発電電力を、固体酸化物形燃料電池の発電電力と合わせて又は個別に、電力消費部に供給して有効利用することができる。
更に、上記電力負荷検出手段で検出した電力消費部における電力負荷に基づいて、上記蒸気発電出力調整手段により調整される蒸気タービン発電部への蒸気供給量を制御して、蒸気タービン発電部の発電出力を電力消費部における電力負荷に合った適切なものとすることができる。よって、固体酸化物形燃料電池が電力消費部に供給するべき発電電力を安定させて、固体酸化物形燃料電池の発電出力の変動を抑制することができる。
【００１８】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの第４特徴構成は、湯水を前記排気通路において前記蒸発管よりも下流側の排気との熱交換により加熱する第１熱交換部と、
前記第１熱交換部で加熱された湯水を前記蒸気タービン発電部から排出された蒸気との熱交換により加熱する第２熱交換部とを備えた点にある。
【００１９】
上記第４特徴構成によれば、上記第１熱交換部において、給湯用や暖房用等の湯水を、排気通路において蒸発管よりも下流側の排気、即ち上記蒸気発生部による蒸気発生用及び上記熱発電部による発電用に熱回収された後の比較的低温の排気との熱交換により加熱することにより、その排気が有する熱を、給湯用や暖房用等に利用して、エネルギ効率の一層の向上を実現することができる。更に、上記第２熱交換部において、上記第１熱交換部において加熱された湯水を、蒸気タービン発電部から排出された蒸気、即ち蒸気タービン発電部による発電用に熱回収された後の上記第１熱交換部に供給される排気よりも高温の蒸気との熱交換により、更に高温に加熱することができ、その高温の湯水を給湯用や暖房用等に有効利用することができる。
【００２０】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの第５特徴構成は、前記蒸気発生部が、前記蒸発管の側方に配置され該蒸発管の下端部と上端部とが接続され内部に液体が供給される気液分離器を有し、該気液分離器内の上方から蒸気を取り出すように構成され、更に、
前記気液分離器内に、前記液体の沸点よりも高い融点を有する潜熱蓄熱材が、前記気液分離器内の液体との間で熱交換可能な状態で、設けられている点にある。
【００２１】
上記第５特徴構成によれば、蒸発管内の液体が排気通路を流通する排気との熱交換により加熱されて蒸発するのに伴って、蒸気発生部が有する気液分離器に貯留されている液体を、その気液分離器の側方に配置された蒸発管の下端部からその内部に供給することができる。また、蒸発管内で液体が蒸発して生成された蒸気は、その上端部を介して気液分離器内の上方に排出されるので、その蒸気に含まれる凝縮水を再び気液分離器に貯える形態で分離して、その適切な状態の蒸気を気液分離器内の上方から取り出すことができる。
更に、蒸発管内から気液分離器内に供給される蒸気の温度や量が変動する場合でも、気液分離器内に液体との間で熱交換可能な状態で設けられた潜熱蓄熱材が蒸発管内で蒸発する液体の沸点よりも高い融点付近の温度において潜熱を蓄放熱することにより、気液分離器の上方から取り出される蒸気の温度や量を安定させることができる。
【００２２】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの第６特徴構成は、前記蒸気発生部の発生蒸気が流通する蒸気流路に、前記熱発電部の発電電力により作動し前記発生蒸気を過熱する蒸気ヒータ部を備え、更に、
前記蒸気流路に、前記液体の沸点よりも高温の融点を有する潜熱蓄熱材が、前記蒸気流路の蒸気との間で熱交換可能な状態で、設けられている点にある。
【００２３】
上記第６特徴構成によれば、上記熱発電部の発電電力を上記蒸気ヒータ部の作動電力として供給し、その蒸気ヒータ部により蒸気発生部の発生蒸気を有効利用が可能な高温の過熱蒸気に加熱することができる。
更に、蒸気発生部の発生蒸気の温度や量が変動する場合でも、蒸気流路に蒸気との間で熱交換可能な状態で設けられた潜熱蓄熱材が蒸発管内で蒸発する液体の沸点よりも高い融点付近の温度において潜熱を蓄放熱することにより、蒸気流路を通じて供給される蒸気の温度や量を安定させることができる。
【００２４】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの第７特徴構成は、水道水を精製して純水を生成する純水生成部と、前記純水を加熱して生成された水蒸気により燃料を水蒸気改質して前記固体酸化物形燃料電池に供給される水素を生成する改質部とを備え、
前記蒸気発生部が、前記純水生成部から供給された純水を前記液体として前記蒸発管に供給して水蒸気を発生するように構成されている点にある。
【００２５】
上記第７特徴構成によれば、蒸気発生部が水蒸気を発生するので、その発生水蒸気を、例えば、調理対象物が収容される庫内に水蒸気を供給して該調理対象物の調理を行う調理機器、水蒸気を噴射して掃除を行う可搬式の掃除機器、室内に水蒸気を供給して該室内の加湿を行う加湿機器、食器が収容される食器収容部に水蒸気を噴射して該食器の洗浄を行う食器洗浄機器、水に水蒸気を混合して温水を生成する温水生成器、及び、調理物に水蒸気を吹きかけて該調理物を温める調理物加熱器等の蒸気消費部に供給して有効利用することができる。
更に、蒸気発生部の蒸発管には、新たに純水生成用の装置を設置することなく、改質部における燃料の水蒸気改質用に純水生成部で生成された純水を供給して、蒸発管内にスケール等の不純物が蓄積することによる液体の流通不良や伝熱不良等の問題を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの実施の形態について、図１に基づいて説明する。
固体酸化物形燃料電池システム（以下、「本発明システム」と呼ぶ。）１００は、固体酸化物を電解質として用いた固体酸化物形燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」と呼ぶ。）１により発電を行うと共に、同時に得られる排熱を利用するものである。
そして、本発明システム１００は、詳細構成については後述するが、ＳＯＦＣ１から排気通路５に排出された排気Ｅに燃料Ｇを混合して燃焼可能なバーナ部６と、排気通路５に配置された蒸発管１１内に水Ｗ（液体の一例）を供給して蒸気消費部Ｘに供給される水蒸気Ｓ（蒸気の一例）を発生する蒸気発生部１０と、蒸発管１１の外表面に熱電変換材料２１を設け排気Ｅと蒸発管１１との温度差を利用して発電を行う熱発電部２０とを備えることで、高温排熱による蒸発管１１の熱損傷等を抑制しながら、同時に得られる排熱を、合理的に有効利用して、優れたエネルギ効率を実現するように構成されている。
【００２７】
ＳＯＦＣ１は、公知のものと同様の構成のものが利用できるため図示は省略するが、イオン導電性を有するイットリア安定化ジルコニア、スカンジア安定化ジルコニア、セリア系酸化物等の固体酸化物を電解質として用いた燃料電池であり、その電解質の両側には、多孔質の空気極と燃料極とが設けられている。
【００２８】
そして、このようなＳＯＦＣ１では、下記の［化１］に示すように、空気極において供給された酸素が電子と反応して酸素イオンになり、その酸素イオンが電解質を通じて燃料極に運ばれ、燃料極において供給された水素が電解質を通じて運ばれた酸素イオンと反応して水蒸気と電子とを生成することにより、空気極と燃料極との間に起電力を発生させて発電を行うように構成されている。尚、このＳＯＦＣ１で発電された直流電力は、例えば、ＤＣ／ＡＣインバータ８１により交流電力に変換された後に、電気機器などの電力消費部８０に供給され消費される。
【００２９】
［化１］
（空気極）  Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２−
（燃料極）  ２Ｈ２＋４０２−→２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−
【００３０】
また、上記空気極には、ファン３２により酸素を含有する空気Ａが供給され、一方、上記燃料極には、改質部２において都市ガス等の燃料Ｇを水蒸気改質して得られた水素を含有する水素富化ガスが供給される。
また、上記改質部２で利用される水蒸気は、純水生成部３において水道から供給された水Ｗを精製して純水を生成し、その純水を改質部２内で加熱されて得られる。
【００３１】
また、ＳＯＦＣ１は、その作動温度が非常に高温（例えば８００℃〜１０００℃程度）であることから、燃料極からは高温の水蒸気が排出され、一方、空気極からは酸素が消費された後の高温の空気である排気Ｅが排出されるというように、発電と同時に高温の熱が排出される。
このようにしてＳＯＦＣ１から排気通路５に排出される排気Ｅは、３８０℃程度と比較的高温であり、更に、未反応酸素が例えば１０ｖｏｌ％程度残存する状態となっている。
【００３２】
バーナ部６は、ＳＯＦＣ１から排気通路５に排出された排気Ｅに燃料Ｇを混合して燃焼可能に構成されている。即ち、このバーナ部６は、排気通路５の入り口部において、ＳＯＦＣ１から排出された排気Ｅに、調整弁７による流量調整を伴って燃料Ｇを噴出させる形態で混合して、燃料Ｇをその排気Ｅに残存する酸素を利用して燃焼させるように構成されている。
【００３３】
また、このようなＳＯＦＣ１から排出される排気Ｅの酸素濃度は、燃料Ｇを燃焼させるには十分であるが、大気の酸素濃度が約２１ｖｏｌ％程度であるのに対して、約１０ｖｏｌ％程度と若干低くなっている。よって、バーナ部６では、低酸素の排気を利用して燃料Ｇを燃焼させることから、緩慢燃焼による低ＮＯｘ化が実現されている。
また、バーナ部６において、このようなＳＯＦＣ１から排出された高温の排気Ｅを利用して燃料Ｇを燃焼させると、排気通路５を流通する排気Ｅは８００℃以上と非常に高温になる。
【００３４】
蒸気発生部１０は、排気通路５に配置された蒸発管１１内に水Ｗを供給して加熱し水蒸気Ｓを発生するように構成されている。即ち、この蒸気発生部１０は、排気Ｅが流通する排気通路５において下方側から上方側に渡って蛇行配置された高熱伝導性の銅管等からなる蒸発管１１と、その蒸発管１１の側方に配置され蒸発管１１の下端部と上端部とが接続され内部に水が供給される気液分離器１２とを備える。
そして、気液分離器１２内の下方から蒸発管１１の下端部を通じて蒸発管１１内に水Ｗが供給され、その水Ｗが排気通路５において蒸発管１１を介して排気Ｅにより加熱されることで蒸発し、蒸発管１１内で生成された水蒸気Ｓが蒸発管１１の上端部から気液分離器１２内の上方に流出し、その気液分離器１２内の上方から水蒸気Ｓが蒸気流路１５を通じて後述する蒸気消費部Ｘに供給されるように構成されている。
この気液分離器１２では、蒸発管１１の上端部から気液分離器１２の上方に流出した水蒸気Ｓが凝縮した場合でも、その凝縮水が再度気液分離器１２内に貯留され蒸発管１１の下端部から蒸発管１１内に供給されることになる。
【００３５】
更に、この気液分離器１２内には、水Ｗの沸点よりも高い融点を有する潜熱蓄熱材１３が、内壁面に沿って設けられた収容部に充填され気液分離器１２内の水Ｗとの間で熱交換可能な状態で、設けられている。よって、蒸発管１１内から気液分離器１２内に供給される水蒸気Ｓの温度や量が変動する場合でも、気液分離器１２内に設けられた潜熱蓄熱材１３が蒸発管内で蒸発する水Ｗの沸点よりも高い融点付近の温度において潜熱を蓄放熱することにより、気液分離器１２内の上方から取り出される水蒸気Ｓの温度や量を安定させることができる。
また、潜熱蓄熱材１３としては、１２０℃〜１９０℃程度の融点を有するＭｇＣｌ２や糖類等の公知の潜熱蓄熱材を適宜利用することができる。
【００３６】
更に、蒸気発生部１０では、蒸発管１１内におけるスケールの生成等を防止するために、上述した純水生成部３で生成された純水が供給ポンプ４６により気液分離器１２内に水Ｗとして供給されるように構成されている。
また、気液分離器１２内には、水位を検出する水位センサ１４が設けられており、コンピュータ等からなる制御装置７０は、その水位センサ１４で検出された水位に基づいて、供給ポンプ４６による気液分離器１２内への水Ｗの供給量を制御することにより、気液分離器１２内の水位を適切な範囲内に維持するように構成されている。
【００３７】
気液分離器１２内の上方には、その気液分離器１２内の水蒸気Ｓの圧力を検出する圧力センサ８が設けられている。そして、制御装置７０は、圧力センサ８で検出された水蒸気Ｓの圧力に基づいて、調整弁７によりバーナ部６への燃料Ｇの供給量、即ちバーナ部６における燃料Ｇの燃焼量を制御して、水蒸気Ｓの圧力を適切な範囲内に維持するように構成されており、よって、蒸気発生部１０からは安定して水蒸気Ｓが発生されることになる。
【００３８】
熱発電部２０は、ゼーベック効果を利用したものであって、上記蒸気発生部１０の蒸発管１１の外表面に熱電変換材料２１を設け、排気通路５を流通する高温の排気Ｅと水Ｗにより冷却されている低温の蒸発管１１との温度差を利用して発電を行うように構成されている。かかる熱電変換材料２１としては、耐熱性に優れ高い熱電変換効率を有する公知の複合酸化物が利用でき、例えばＢｉ，Ｓｒ，Ｔｅ，Ｃｏ及びＯを構成元素として含む特性組成の複合酸化物を利用することができる。特に、本発システム１００では、バーナ部６で燃料Ｇを燃焼させたときに排気通路５を流通する排気Ｅが８００℃以上と非常に高温であるため、このような温度でも作動可能な耐熱性を有するような特定組成及び特定構造を有する複合酸化物からなる熱電変換材料２１を用いることが望ましい。
また、この蒸発管１１の外表面に、このような耐熱性を有する熱電変換材料２１が被覆されているので、排気通路５を流通する排気Ｅの温度が非常に高温となった場合でも、この蒸発管１１の熱損傷が防止される。
【００３９】
上記排気通路５において蒸発管１１の下流側には、ファン３２から供給された空気Ａが内部を流通する伝熱管３１を、排気通路５において蛇行配置して構成され、ＳＯＦＣ１に供給される空気Ａを排気Ｅとの熱交換により加熱する空気予熱部３０が設けられている。
そして、この空気予熱部３０により、ＳＯＦＣ１に供給される空気Ａが、蒸気発生部１０による蒸気発生用及び熱発電部２１による発電用に熱回収された後の１６０℃程度の排気Ｅとの熱交換により加熱されるので、その排気Ｅが有する熱がＳＯＦＣ１に供給される空気Ａの予熱用に利用され、エネルギ効率の一層の向上が実現されている。
【００４０】
蒸気発生部１０が発生した水蒸気Ｓが流通する蒸気流路１５には、熱発電部２０の発電電力により作動し水蒸気Ｓを過熱する蒸気ヒータ部４０が設けられている。具体的に、この蒸気ヒータ部４０は、蒸気流路１５を構成する配管に巻きつけられたリボンヒータで構成されている。
よって、熱発電部２０の発電電力が、蒸気ヒータ部４０の作動電力として供給され、その蒸気ヒータ部４０により水蒸気Ｓが加熱されて、有効利用が可能な高温の過熱水蒸気Ｓが蒸気消費部Ｘに供給されることになる。
また、この蒸気ヒータ部４０には、熱発電部２０の発電電力に加えて、ＳＯＦＣ１の発電電力のうち電力消費部８０で消費されなかった余剰電力を、作動電力として供給して、過熱水蒸気Ｓの一層高温に過熱するように構成しても構わない。
【００４１】
更に、蒸気流路１５には、水Ｗの沸点よりも高温の融点を有する潜熱蓄熱材１６が、例えば蒸気流路１５を構成する配管の外部を覆い蒸気流路１５を流通する水蒸気Ｓとの間で熱交換可能な状態で、設けられている。よって、気液分離器１２から蒸気流路１５に流出した水蒸気Ｓの温度や量が変動する場合でも、蒸気流路１５に設けられた潜熱蓄熱材１６が水Ｗの沸点よりも高い融点付近の温度において潜熱を蓄放熱することにより、蒸気流路１５を通じて蒸気消費部Ｘに供給される水蒸気Ｓの温度や量を安定させることができる。
また、潜熱蓄熱材１６としては、１２０℃〜１９０℃程度の融点を有するＭｇＣｌ２や糖類等の公知の潜熱蓄熱材を適宜利用することができる。
【００４２】
次に、上述した蒸気発生部１０で発生した水蒸気Ｓを消費する蒸気消費部Ｘについて説明を加える。
上記蒸気消費部Ｘとしては、水蒸気Ｓにより発電機５２に連結された蒸気タービン５１を回転駆動して発電可能な蒸気タービン発電部５０が設けられている。
即ち、蒸気発生部１０で発生した水蒸気Ｓを蒸気消費部Ｘとしての蒸気タービン発電部５０に供給して発電を行うように構成さている。そして、この蒸気タービン発電部５０の発電電力は、電力消費部８０とは別の電力消費部に供給しても構わないが、本発明システム１００では、ＳＯＦＣ１の発電電力と合わせて電力消費部８０に供給されている。
よって、電力消費部８０における電力負荷が大きい時間帯でも、ＳＯＦＣ１の発電出力の変動が抑制される。
【００４３】
更に、電力消費部８０における電力負荷を検出する電力負荷計８２（電力負荷検出手段の一例）と、蒸気タービン発電部５０への蒸気供給量を調整して、蒸気タービン発電部５０の発電出力を調整可能な調整弁５３（蒸気発電出力調整手段の一例）とが設けられており、制御装置７０が、電力負荷計８２の検出結果に基づいて調整弁５３を制御する蒸気発電出力制御手段として機能するように構成されている。
よって、蒸気タービン発電部５０の発電出力が電力消費部８０における電力負荷に合った適切なものとなる。即ち、例えば電力消費部８０の電力負荷が変動した場合でも、その変動にあわせて蒸気タービン発電部５０の発電出力を変動させることで、ＳＯＦＣ１が電力消費部８０に供給するべき発電電力が安定し、結果、ＳＯＦＣ１の発電出力の変動が抑制される。
【００４４】
一般的な家庭においては、１８：００〜２４：００の時間帯に比較的大きな熱及び電力需要が発生する。そこで、この時間帯にバーナ部６により燃料Ｇを燃焼させて、熱発電部２０及び蒸気タービン発電部５０において約０．３ｋＷの電力を発電し、水蒸気Ｓ及び温水ＨＷを生成して約２．８ｋＷの熱回収を行い、大きな熱及び電力需要を賄うことができ、例えば、大きな熱需要に備えて温水ＨＷを貯留しておく貯湯タンク７０の容量を小さくし、貯湯タンク７０における放熱ロスを低減することができる。
【００４５】
蒸気タービン発電部５０以外の蒸気消費部Ｘとしては、詳細については説明を省略するが、例えば、調理対象物が収容される庫内に水蒸気Ｓを供給して該調理対象物の調理を行う調理機器、水蒸気Ｓを噴射して掃除を行う可搬式の掃除機器、室内に水蒸気Ｓを供給して該室内の加湿を行う加湿機器、食器が収容される食器収容部に水蒸気Ｓを噴射して該食器の洗浄を行う食器洗浄機器、水に水蒸気Ｓを混合して温水を生成する温水生成器、及び、調理物に水蒸気Ｓを吹きかけて該調理物を温める調理物加熱器等のあらゆる形態の蒸気利用機器６６を採用することができる。
【００４６】
例えば、上記蒸気利用機器６６の加湿機器の例としては、浴室に水蒸気Ｓを噴射して浴室を水蒸気サウナとする水蒸気サウナノズル６７などを挙げることができる。
また、この水蒸気サウナノズル６７には、水蒸気Ｓを調整弁６８による流量調整を伴って供給すると共に、後述する貯湯タンク７０に貯留されている温水ＨＷを調整弁６９による流量調整を伴って供給して、水蒸気Ｓと温水ＨＷとが混合されて適切な温度となったミストを噴霧するように構成することができる。
【００４７】
次に、本発明システム１００において、浴槽６４や給湯部６５への給湯用や暖房機器やデシカント式除湿機器などの空調機器６２など熱源である熱媒水の加熱用に利用される温水ＨＷの生成方法について説明を加える。
【００４８】
上記排気通路５において蒸発管１１の下流側、更には空気予熱部３０よりも下流側には、水Ｗが内部を流通する伝熱管３６を、排気通路５において蛇行配置して構成され、その水Ｗを排気Ｅとの熱交換により加熱する第１熱交換部３５が設けられている。そして、この第１熱交換部３５により水Ｗを加熱することにより、４０℃程度の温水を得ることができる。
【００４９】
更に、第１熱交換部３５で加熱された水Ｗを蒸気タービン発電部５０から排出された水蒸気Ｓとの熱交換により加熱する第２熱交換部５５が設けられている。
かかる第２熱交換部５５は、蒸気タービン発電部５０から排出された水蒸気Ｓを、復水器５７内において、上記第１熱交換部３５から供給された水Ｗが内部を流通する伝熱管５６により冷却して凝縮させることで、水蒸気Ｓの顕熱及び潜熱により水Ｗを例えば９０℃程度の高温に加熱するように構成されている。
【００５０】
また、上記復水器５７内には、上記第２熱交換部５５の伝熱管５３に沿って別の伝熱管５８が配置されており、この伝熱管５８内には、循環ポンプ６１により空調機器６２との間で循環回路６０を循環する熱媒水が流通する。
即ち、上記伝熱管５８内を流通して加熱された熱媒水が空調機器６２に供給され、一方、空調機器６２で放熱した後の熱媒水が再度伝熱管５８に戻されることにより、空調機器６２に熱源を供給して、暖房や除湿などの運転を行わせることができる。
【００５１】
また、空調機器６２を、デシカント式除湿機器として構成し、熱媒水により供給される熱を利用して除湿を行うことで、電力を利用して除湿を行う場合と比較して、電力需要を低減すると共に熱需要を増加させて、電力と熱との消費割合の均等化を図ることができる。
【００５２】
また、復水器５７において水蒸気Ｓは凝縮して水Ｗとなり、その水Ｗは、純水生成部３から気液分離器１２に供給される水Ｗに加えられ再利用される。
【００５３】
上記第２熱交換部５５で９０℃程度に加熱された温水ＨＷは、一端貯湯タンク７０に貯留可能な形態で、浴槽６４や給湯部６５に供給可能に構成されている。
【００５４】
また、この貯湯タンク７０は、上下方向において略等温の湯水を貯留する完全混合型や、上下方向において上部に高温の湯水を貯留し下部に低温の湯水を貯留するというように、湯水を、温度成層を形成する形態で貯留する温度成層型に構成されている。
また、貯湯タンク７０を温度成層型に構成する場合には、図示は省略するが、貯湯タンク７０の最下部に水道から低温の水Ｗが供給することで、貯湯タンク７０に常に水道圧を付加し、更に、その貯湯タンク７０の最下部にある低温の水をＳＯＦＣ１の冷却水との熱交換により適切な温度以上に加熱した後に、貯湯タンク７０の最上部に戻すことで、貯湯タンク７０は、湯水を、温度成層を形成する形態で貯留することができる。
【００５５】
〔実施例〕
次に、本発明システム１００の実施例について説明する。
例えば、ＳＯＦＣ１の定格発電出力を１ｋＷとした場合においては、ＳＯＦＣ１から排出される排気Ｅの温度は３８０℃程度となり、更に、ＳＯＦＣ１に供給される燃料Ｇとほぼ同量の燃料Ｇをバーナ部６で燃焼させれば、蒸気発生部１０において、流量が約４ｋｇ／ｈ、圧力が約０．７ＭＰａ、温度が焼く１８０℃の水蒸気Ｓを発生できる。また、同時に、熱発電部２０においては、約２．６７ｋＷの投入熱に対して約０．０３ｋＷの電力回収が見込める。更に、蒸気タービン発電部５０においては、断熱効率を８０％復水温度を８５℃とすれば、約０．３ｋＷの電力回収が見込める。
そして、ＳＯＦＣ１及びバーナ部６への燃料Ｇとしての都市ガスの供給量が夫々０．１９７Ｎｍ３／ｈと０．２Ｎｍ３／ｈである場合、バーナ部６の投入熱量は高位発熱量で２．５ｋＷであり、一方、水蒸気Ｓや温水ＨＷの生成による回収熱量の増加分は２．０９ｋＷであるので、本発明システム１００において、排気Ｅをバーナ部６により再加熱（リパワリング）することによるエネルギ効率は、（０．３＋０．０３）／（２．５０−２．０９）×１００＝８０．５％となる。
また、空気予熱部３０による回収熱量は、バーナ部６における燃料Ｇの燃焼の有無に拘わらず、約０．２ｋＷ程度となる。
【００５６】
〔別実施形態〕
（１）上記実施の形態では、１つの家庭等の箇所に電力及び熱を供給する形態として構成した本発明システム１００について説明したが、図２に示すように、本発明システムを、集合住宅等に設けられた複数の住居９０の夫々に電力及び熱を分配供給する形態とすることもできる。
具体的には、図２に示す本発明システム２００では、ＳＯＦＣ１、熱発電部２０及び蒸気タービン発電部５０で発電された電力、第２熱交換部５５で生成された温水ＨＷ、及び、蒸気発生部１０で発生した水蒸気Ｓが、各住居９０に個別に設置された電力消費部８０、貯湯タンク７０、及び、蒸気消費部Ｘに分配供給される。
【００５７】
また、第２熱交換部５５で９０℃程度に加熱された温水ＨＷは、循環ポンプ８３を動力源として、第２熱交換部５５の下流側から各住居９０側を廻って第１熱交換部５５の上流側に至る温水循環路８４を常時循環するように構成されている。そして、各住居９０において消費した分の温水ＨＷが、その温水循環路８４から貯湯タンク７０に供給されことになる。
【００５８】
（２）上記実施の形態では、蒸気発生部１０において蒸気としての水蒸気Ｓを生成するために液体としての水Ｗを加熱するように構成したが、別に、蒸気発生部１０において、水Ｗ以外の液体を加熱して、その液体の蒸気を例えば蒸気タービン発電部５０の駆動源等として発生するように構成しても構わない。
【００５９】
（３）上記実施の形態では、蒸気発生部１０を、気液分離器１２内の上方から水蒸気Ｓを取り出すように構成したが、別に、このような気液分離器１２を省略し、蒸気管１１から直接水蒸気Ｓを取り出すように構成しても構わない。
更に、上記実施の形態では、蒸気発生部１０を気液分離器１２内の上方から水蒸気Ｓを取り出すように構成した場合において、その気液分離器１２内に潜熱蓄熱材１３を設けたが、別に、このような潜熱蓄熱材１３を別の蓄熱材に変更したり省略しても構わない。
【００６０】
（４）上記実施の形態では、排気通路５において蒸発管１１の下流側に、ＳＯＦＣ１に供給される空気Ａを排気Ｅとの熱交換により加熱する空気予熱部３０を設けたが、別に、このような空気予熱部３０を省略し、例えば別の形態で、蒸気管１１の下流側に排出される排気Ｅの熱を回収するように構成しても構わない。
【００６１】
（５）上記実施の形態では、蒸気発生部１０の発生水蒸気Ｓを消費する蒸気消費部Ｘとして、蒸気タービン発電部５０を設けたが、別に、このような蒸気タービン発電部５０を省略しても構わない。
更に、上記実施の形態では、蒸気タービン発電部５０を備える場合において、上記のような電力負荷計８２の検出結果に基づいて調整弁５３を制御して蒸気タービン発電部５０の発電出力が電力消費部８０における電力負荷に合った適切なものとするための構成を採用したが、別に、このような構成を省略し、例えば蒸気発電部５０の発電出力を電力負荷に関係なく一定に維持したり、蒸気発生部１０からの水蒸気Ｓの供給量に追従して任意に変動させても構わない。
【００６２】
（６）上記実施の形態では、蒸気流路１５に熱発電部２０の発電電力により作動し発生水蒸気Ｓを過熱する蒸気ヒータ部４０を備えたが、別に、このような蒸気ヒータ部４０を省略しても構わない。
また、上記実施の形態では、蒸気流路１５に蒸気ヒータ部４０を備えた場合において、更に、その蒸気流路１５に潜熱蓄熱材１６を設け、蒸気流路１５を通じて蒸気消費部Ｘに供給される水蒸気Ｓの温度や量を安定させるように構成したが、別に、この潜熱蓄熱材１６を、別の蓄熱材に変更したり省略しても構わない。
【００６３】
（７）上記実施の形態では、第１熱交換部３５において、上記排気通路５の蒸発管１１の下流側に排出された排気Ｅとの熱交換により水Ｗを加熱し、第２熱交換部５５において、蒸気タービン発電部５０から排出された水蒸気Ｓとの熱交換により第１熱交換部３５で加熱された水Ｗを加熱して、高温の温水ＨＷを生成するように構成したが、別に、これら上記第１熱交換部３５及び第２熱交換部５５の一方を省略して他方のみで水Ｗを加熱するように構成したり、水Ｗを加熱する必要がない場合などにおいてこれら第１熱交換部３５及び第２熱交換部５５の両方を省略しても構わない。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムは、固体酸化物を電解質として用いた固体酸化物形燃料電池により発電を行うと共に、同時に得られる排熱を利用する固体酸化物形燃料電池システムであって、高温排熱による熱損傷等を抑制しながら、固体酸化物形燃料電池の排熱を合理的に有効利用して、優れたエネルギ効率を実現することができる固体酸化物形燃料電池システムとして有効に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明に係る固体酸化物型燃料電池システムの概略構成図
【図２】別実施形態の固体酸化物型燃料電池システムの概略構成図
【符号の説明】
【００６６】
１：ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）
２：改質部
３：純水生成部
５：排気通路
６：バーナ部
１０：蒸気発生部
１２：気液分離器
１５：蒸気流路
１３，１６：潜熱蓄熱材
２０：熱発電部
２１：熱電変換材料
３０：空気予熱部
３５：第１熱交換部
４０：蒸気ヒータ部
５０：蒸気タービン発電部
５５：第２熱交換部
６２：空調機器
７０：制御装置（蒸気発電出力制御手段）
８０：電力消費部
１００，２００：本発明システム（固体酸化物形燃料電池システム）
ＨＷ：温水
Ｘ：蒸気消費部
Ｗ：水（液体）
Ｓ：水蒸気（蒸気）
Ｇ：燃料
Ｅ：排気
【図１】
2007042437.tif 000003
【図２】
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