(57)【要約】【課題】水分を充分に回収でき且つ再利用できる燃料電池発電システムを提供する。【解決手段】燃料電池発電システムＳが、バーナー１３から排出されるバーナー排ガスを冷媒によって冷却するバーナー排ガス水冷装置６０と、バーナー排ガスを空気によって冷却するバーナー排ガス空冷装置３１、３２と、バーナー排ガスをバーナー排ガス水冷装置６０及びバーナー排ガス空冷装置３１、３２によって冷却することにより得られる凝縮水を回収するとともに、回収した凝縮水の少なくとも一部を改質器１２での水蒸気改質に用いられる水として提供する凝縮水回収装置Ｄとを備える。【選択図】図１
2012104321.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスが供給されるアノードと酸素が供給されるカソードとを有する燃料電池発電装置、及び、原燃料を改質して水素を主成分とする水素含有ガスを生成する改質器と、前記燃料電池発電装置での発電反応に用いられた後に前記アノードから排出されるアノード排ガスを燃焼して前記改質器を加熱するバーナーと、前記改質器で生成された水素含有ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変成する一酸化炭素変成器とを有して、前記燃料電池発電装置に供給する前記燃料ガスとしての水素含有ガスを生成する燃料ガス生成装置を備える燃料電池発電システムであって、
前記バーナーから排出されるバーナー排ガスを冷媒によって冷却するバーナー排ガス水冷装置と、
前記バーナー排ガスを空気によって冷却するバーナー排ガス空冷装置と、
前記バーナー排ガスを前記バーナー排ガス水冷装置及び前記バーナー排ガス空冷装置によって冷却することにより得られる凝縮水を回収するとともに、回収した凝縮水の少なくとも一部を前記改質器での水蒸気改質に用いられる水として提供する凝縮水回収装置とを備える燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記バーナー排ガスは、前記バーナー排ガス水冷装置によって冷却された後、前記バーナー排ガス空冷装置によって更に冷却される請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記燃料電池発電装置での発電反応に用いられた後に前記カソードから排出されるカソード排ガスを冷媒によって冷却するカソード排ガス水冷装置と、
前記カソード排ガスを空気によって冷却するカソード排ガス空冷装置とを備え、
前記凝縮水回収装置は、前記カソード排ガスを前記カソード排ガス水冷装置及び前記カソード排ガス空冷装置によって冷却することにより得られる凝縮水を回収する請求項１又は２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記カソード排ガスは、前記カソード排ガス水冷装置によって冷却された後、前記カソード排ガス空冷装置によって更に冷却される請求項３に記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記各装置を一体で囲う筐体と、前記筐体の内部から空気を排出するための換気ファンとを備え、
前記換気ファンは、発生する空気流によって前記バーナー排ガス及び前記カソード排ガスを冷却することで、前記バーナー排ガス空冷装置及び前記カソード排ガス空冷装置として機能する請求項３又は４に記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
前記換気ファンにより発生される前記空気流が流入するとともに、前記バーナー排ガス及び前記カソード排ガスが流入される排気ダクトを備え、
前記排気ダクトにおいて、前記換気ファンによって流入される前記空気流によって前記バーナー排ガス及び前記カソード排ガスが冷却される請求項５に記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
前記燃料電池発電装置は固体高分子形燃料電池発電装置であり、
前記燃料ガス生成装置は、前記一酸化炭素変成器によって一酸化炭素が変成された後の水素含有ガスに含まれる微量の一酸化炭素を酸化又はメタン化して除去する一酸化炭素除去器を有し、
前記一酸化炭素除去器に導入される前の、前記一酸化炭素変成器によって一酸化炭素が変成された後の水素含有ガスを冷媒によって冷却する水素含有ガス水冷装置を備え、
前記凝縮水回収装置は、水素含有ガスを前記水素含有ガス水冷装置によって冷却することにより得られる凝縮水を回収する請求項３〜６の何れか一項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項８】
前記バーナー排ガス水冷装置へ供給され及び前記カソード排ガス水冷装置へ供給され及び前記水素含有ガス水冷装置へ供給される前記冷媒を貯留する熱回収タンクから出た前記冷媒が前記熱回収タンクに戻る間に流れる冷媒循環路を備え、
前記冷媒は、前記水素含有ガス水冷装置に供給された後で、前記バーナー排ガス水冷装置及び前記カソード排ガス水冷装置へと更に供給される経路で前記冷媒循環路を流れる請求項７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、燃料電池発電装置と燃料ガス生成装置とを備える燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガスが供給されるアノードと酸素が供給されるカソードとを有する燃料電池発電装置、及び、その燃料電池発電装置に供給する燃料ガスを改質器にて生成する燃料ガス生成装置を備える燃料電池発電システムがある。燃料電池発電装置において、アノードから排出されるアノード排ガス及びカソードから排出されるカソード排ガスには水分が含まれている。また、燃料ガス生成装置が、アノード排ガスを燃焼して改質器を加熱するバーナーを備えている場合、そのバーナー排ガス中にも水分は含まれている。
アノード排ガス及びそれを燃焼したときに発生するバーナー排ガスに含まれている水分の起源としては、例えば、燃料ガス生成装置において水蒸気改質を行う際に添加されることで、生成された燃料ガスに残存している水分、或いは、燃料ガス生成装置からアノードへ供給される際に新たに燃料ガスに添加される水分などがある。或いは、例えば、燃料電池発電装置が固体酸化物形燃料電池である場合には、発電反応が行われる際にアノードで生成される水分がアノード排ガスに含まれる。
カソード排ガスに含まれている水分の起源としては、カソードに供給される空気に対する加湿が行われている場合にはその水分、例えば燃料電池発電装置が固体高分子形燃料電池である場合には、発電反応が行われる際にカソードで生成される水分などがある。
【０００３】
このような燃料電池発電システムにおいて、アノード排ガス又はバーナー排ガス中に残存している水分と、カソード排ガス中に残存している水分とを回収して再利用することが好ましい。特に、一旦、燃料電池発電システムに水を供給すれば、その後から水を補充しなくても、水の利用及び回収が永続的に繰り返されること、即ち、水自立を達成できることが好ましい。
【０００４】
特許文献１に記載の燃料電池発電システムでは、水を回収して再利用することが記載されている。例えば、アノード排ガスの排出路の途中に空冷装置を設けて水を回収し、カソード排ガスの排出路の途中に水冷装置及び空冷装置を設けて水を回収することが記載されている。アノード排ガス及びカソード排ガスから回収された水は蓄水タンクに貯えられ、その後、アノードへ供給される燃料ガスを加湿するために再利用される。
尚、原燃料の水蒸気改質を行う燃料処理装置には、回収した水の供給は行われておらず、水蒸気改質に用いる水は新たに供給され続ける。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−４２８４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示されている内容は、水を回収して再利用するという内容に留まり、燃料電池発電システムにおいて水自立を達成することまでは想定されていない。例えば、アノード排ガス及びカソード排ガスから回収された水は、アノードに供給される燃料ガスの加湿やカソードに供給される空気の加湿のために再利用されてはいるが、燃料ガス生成装置には新たな水が逐次供給されている。
【０００７】
加えて、特許文献１に記載の燃料電池発電システムでは、空冷装置のみを用いてアノード排ガスに含まれる水を凝縮させている。しかし、空冷装置のみでは、アノード排ガスに含まれる水分を冷却する能力が足りず、水分を充分に凝縮させることができない、即ち、水の回収量が少なくなると考えられる。そのため、特許文献１に記載の技術では、実質的に水自立を達成できない。尚、空冷装置を大型化することで、水分を冷却する能力を高めることも可能ではあるが、装置の大型化と装置コストの増大という問題が新たに発生してしまう。
【０００８】
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、水分を充分に回収でき且つ再利用できる燃料電池発電システムを提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するための本発明に係る燃料電池発電システムの特徴構成は、燃料ガスが供給されるアノードと酸素が供給されるカソードとを有する燃料電池発電装置、及び、原燃料を改質して水素を主成分とする水素含有ガスを生成する改質器と、前記燃料電池発電装置での発電反応に用いられた後に前記アノードから排出されるアノード排ガスを燃焼して前記改質器を加熱するバーナーと、前記改質器で生成された水素含有ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変成する一酸化炭素変成器とを有して、前記燃料電池発電装置に供給する前記燃料ガスとしての水素含有ガスを生成する燃料ガス生成装置を備える燃料電池発電システムであって、
前記バーナーから排出されるバーナー排ガスを冷媒によって冷却するバーナー排ガス水冷装置と、
前記バーナー排ガスを空気によって冷却するバーナー排ガス空冷装置と、
前記バーナー排ガスを前記バーナー排ガス水冷装置及び前記バーナー排ガス空冷装置によって冷却することにより得られる凝縮水を回収するとともに、回収した凝縮水の少なくとも一部を前記改質器での水蒸気改質に用いられる水として提供する凝縮水回収装置とを備える点にある。
【００１０】
上記特徴構成によれば、燃料電池発電システムは、バーナー排ガスの冷却のためにバーナー排ガス水冷装置とバーナー排ガス空冷装置とを有する。つまり、燃料電池発電システムには、バーナー排ガス水冷装置による冷却能力及びバーナー排ガス空冷装置による冷却能力という充分な冷却能力が備わっている。その結果、バーナー排ガスに含まれている水分は、バーナー排ガス水冷装置及びバーナー排ガス空冷装置によって冷却されて充分に凝縮される。そして、凝縮水回収装置は、バーナー排ガスに含まれていた水分を凝縮水として確実に回収して、回収した凝縮水の少なくとも一部を改質器での水蒸気改質に用いられる水として提供できる。
従って、水分を充分に回収でき且つ再利用できる燃料電池発電システムを提供できる。
【００１１】
本発明に係る燃料電池発電システムの別の特徴構成は、前記バーナー排ガスは、前記バーナー排ガス水冷装置によって冷却された後、前記バーナー排ガス空冷装置によって更に冷却される点にある。
【００１２】
上記特徴構成によれば、バーナー排ガス水冷装置によってバーナー排ガス中の水分を凝縮させた後、バーナー排ガス水冷装置による冷却温度よりも低い温度でバーナー排ガス空冷装置によってバーナー排ガス中の水分を凝縮させることができる。その結果、バーナー排ガス中の水分を充分に回収できる。
【００１３】
本発明に係る燃料電池発電システムの別の特徴構成は、
前記燃料電池発電装置での発電反応に用いられた後に前記カソードから排出されるカソード排ガスを冷媒によって冷却するカソード排ガス水冷装置と、
前記カソード排ガスを空気によって冷却するカソード排ガス空冷装置とを備え、
前記凝縮水回収装置は、前記カソード排ガスを前記カソード排ガス水冷装置及び前記カソード排ガス空冷装置によって冷却することにより得られる凝縮水を回収する点にある。
【００１４】
上記特徴構成によれば、燃料電池発電システムは、カソード排ガスの冷却のためにカソード排ガス水冷装置とカソード排ガス空冷装置とを有する。つまり、燃料電池発電システムには、カソード排ガス水冷装置による冷却能力及びカソード排ガス空冷装置による冷却能力という充分な冷却能力が備わっている。その結果、カソード排ガスに含まれている水分は、カソード排ガス水冷装置及びカソード排ガス空冷装置によって冷却されて充分に凝縮される。そして、凝縮水回収装置は、カソード排ガスに含まれていた水分を凝縮水として確実に回収して、回収した凝縮水の少なくとも一部を改質器での水蒸気改質に用いられる水として提供できる。
【００１５】
本発明に係る燃料電池発電システムの別の特徴構成は、前記カソード排ガスは、前記カソード排ガス水冷装置によって冷却された後、前記カソード排ガス空冷装置によって更に冷却される点にある。
【００１６】
上記特徴構成によれば、カソード排ガス水冷装置によってカソード排ガス中の水分を凝縮させた後、カソード排ガス水冷装置による冷却温度よりも低い温度でカソード排ガス空冷装置によってカソード排ガス中の水分を凝縮させることができる。その結果、カソード排ガス中の水分を充分に回収できる。
【００１７】
本発明に係る燃料電池発電システムの更に別の特徴構成は、
前記各装置を一体で囲う筐体と、前記筐体の内部から空気を排出するための換気ファンとを備え、
前記換気ファンは、発生する空気流によって前記バーナー排ガス及び前記カソード排ガスを冷却することで、前記バーナー排ガス空冷装置及び前記カソード排ガス空冷装置として機能する点にある。
【００１８】
上記特徴構成によれば、バーナー排ガス空冷装置及びカソード排ガス空冷装置として、既存の換気ファンを利用できる。その結果、バーナー排ガス空冷装置及びカソード排ガス空冷装置のために新たな装置を設置しなくてもよいため、燃料電池発電システムが大型化すること抑制できる。
【００１９】
本発明に係る燃料電池発電システムの更に別の特徴構成は、
前記換気ファンにより発生される前記空気流が流入するとともに、前記バーナー排ガス及び前記カソード排ガスが流入される排気ダクトを備え、
前記排気ダクトにおいて、前記換気ファンによって流入される前記空気流によって前記バーナー排ガス及び前記カソード排ガスが冷却される点にある。
【００２０】
上記特徴構成によれば、排気ダクトには、筐体の内部から換気ファンにより発生される空気流が流入するとともに、バーナー排ガス及びカソード排ガスが流入されて混合される。つまり、排気ダクト内では、バーナー排ガス及びカソード排ガスが、換気ファンによって流入される空気流によって確実に冷却される。
【００２１】
本発明に係る燃料電池発電システムの更に別の特徴構成は、前記燃料電池発電装置は固体高分子形燃料電池発電装置であり、
前記燃料ガス生成装置は、前記一酸化炭素変成器によって一酸化炭素が変成された後の水素含有ガスに含まれる微量の一酸化炭素を酸化又はメタン化して除去する一酸化炭素除去器を更に有し、
前記一酸化炭素除去器に導入される前の、前記一酸化炭素変成器によって一酸化炭素が変成された後の水素含有ガスを冷媒によって冷却する水素含有ガス水冷装置を備え、
前記凝縮水回収装置は、水素含有ガスを前記水素含有ガス水冷装置によって冷却することにより得られる凝縮水を回収する点にある。
【００２２】
上記特徴構成によれば、水素含有ガス水冷装置が、一酸化炭素除去器に導入される前の、一酸化炭素変成器によって一酸化炭素が変成された後の水素含有ガスを冷媒によって冷却する。つまり、一酸化炭素除去器に導入される水素含有ガスの露点を低くして、一酸化炭素除去器の内部での結露（水分の凝縮）を抑制できる。その結果、一酸化炭素除去器に収容されている一酸化炭素除去触媒の表面に水分が付着することを回避できるので、一酸化炭素除去触媒の一酸化炭素除去性能の低下を防止できる。
【００２３】
本発明に係る燃料電池発電システムの更に別の特徴構成は、前記バーナー排ガス水冷装置へ供給され及び前記カソード排ガス水冷装置へ供給され及び前記水素含有ガス水冷装置へ供給される冷媒を貯留する熱回収タンクから出た当該冷媒が当該熱回収タンクに戻る間に流れる冷媒循環路を備え、
前記冷媒は、前記水素含有ガス水冷装置に供給された後で、前記バーナー排ガス水冷装置及び前記カソード排ガス水冷装置へと更に供給される経路で前記冷媒循環路を流れる点にある。
【００２４】
上記特徴構成によれば、熱回収タンクから出た冷媒は、先ず水素含有ガス水冷装置において、一酸化炭素除去器に導入される前の水素含有ガスを冷却した後で、バーナー排ガスの水冷及びカソード排ガスの水冷に用いられる。つまり、最も温度の低い状態の冷媒が水素含有ガスを冷却するので、一酸化炭素除去器に導入される前の水素含有ガスに含まれる水分を良好に除去できる。その結果、一酸化炭素除去器に収容されている一酸化炭素除去触媒の性能の低下を良好に防止できる。
【００２５】
尚、上記バーナー排ガス水冷装置及び上記カソード排ガス水冷装置へと更に供給される冷媒は水素含有ガス水冷装置において温度が上昇した後のものであるため、上記バーナー排ガス水冷装置におけるバーナー排ガスの冷却効果及び上記カソード排ガス水冷装置におけるカソード排ガスの冷却効果は充分とは言えない可能性がある。つまり、バーナー排ガス水冷装置においてバーナー排ガスに含まれる水分を充分に凝縮させることができず、及び、カソード排ガス水冷装置においてカソード排ガスに含まれる水分を充分に凝縮させることができない可能性がある。
ところが、本特徴構成における燃料電池発電システムでは、バーナー排ガス空冷装置によってバーナー排ガスを別途空冷することができ、及び、カソード排ガス空冷装置によってカソード排ガスを別途空冷することができる。その結果、バーナー排ガスに含まれる水分及びカソード排ガスに含まれる水分を凝縮水として充分に回収できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】第１実施形態の燃料電池発電システムの構成を示す図である。
【図２】第２実施形態の燃料電池発電システムの構成を示す図である。
【図３】第３実施形態の燃料電池発電システムの構成を示す図である。
【図４】第４実施形態の燃料電池発電システムの構成を示す図である。
【図５】第５実施形態の燃料電池発電システムの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
＜第１実施形態＞
以下に図面を参照して第１実施形態の燃料電池発電システムについて説明する。図１は、第１実施形態の燃料電池発電システムＳ１（Ｓ）の構成を示す図である。
図１に示すように、燃料電池発電システムＳ１は、燃料ガスが供給されるアノード２１と酸素が供給されるカソード２２とを有する燃料電池発電装置ＦＣと、燃料電池発電装置ＦＣに供給する燃料ガスとしての水素含有ガスを生成する燃料ガス生成装置Ｒとを備える。
以下、先ず燃料ガス生成装置Ｒの構成について説明し、それに引き続いて、燃料電池発電システムＳ１の構成について説明する。
【００２８】
〔燃料ガス生成装置Ｒの構成〕
燃料ガス生成装置Ｒは、炭化水素系の原燃料を改質器１２において改質することで、水素を主成分とする水素含有ガス（燃料ガス）を生成する。改質器１２へは、原燃料供給路１６を通って原燃料が供給され、改質器１２で生成された水素含有ガスは水素含有ガス供給路１７を通って燃料電池発電装置ＦＣへと供給される。更に、燃料ガス生成装置Ｒは、脱硫器１１と一酸化炭素変成器１４と一酸化炭素除去器１５とバーナー１３とを有する。
【００２９】
脱硫器１１は、原燃料として供給される、例えばメタンなどの炭化水素を主成分とする都市ガスに含まれる硫黄化合物を除去する脱硫処理を行う。よって、改質器１２に含まれる改質触媒が硫黄化合物によって劣化しないようにできる。
【００３０】
バーナー１３は、燃料電池発電装置ＦＣのアノード２１から排出されたアノード排ガス（即ち、発電反応に用いられなかった水素を含むガス）を燃焼して、改質器１２を加熱する。
【００３１】
改質器１２は、バーナー１３で発生された燃焼熱を利用して原燃料を水蒸気改質して水素を主成分とする水素含有ガスを生成する。改質器１２に供給される脱硫処理後の原燃料には、水回収タンク４０から回収水供給路４２を通って供給される水が水蒸気発生器（図示せず）によって水蒸気にされた上で添加され、その結果、改質器１２において原燃料の水蒸気改質が行われる。具体的には、改質器１２には、ルテニウム、ニッケル、白金などの改質触媒が設けられる。原燃料ガスが、メタンを主成分とする天然ガスである場合、改質器１２では、バーナー１３による例えば６５０℃〜７５０℃程度の加熱下でメタンと水蒸気とが反応して、水素と一酸化炭素と二酸化炭素を含むガスに改質処理される。
【００３２】
一酸化炭素変成器１４は、改質器１２にて生成された水素含有ガスに含まれる一酸化炭素を低減するように処理する。具体的には、一酸化炭素変成器１４においては、水素含有ガス中の一酸化炭素と水蒸気とが変成反応して、一酸化炭素が二酸化炭素に変成処理される。
【００３３】
一酸化炭素除去器１５は、一酸化炭素変成器１４によって一酸化炭素が変成された後の水素含有ガスに含まれる微量の一酸化炭素を酸化して除去する。具体的には、一酸化炭素除去器１５においては、ルテニウムや白金、パラジウム、ロジウム等の触媒作用によって、変成処理後の水素含有ガス中に残っている一酸化炭素が、添加された空気中の酸素によって酸化される。その結果、一酸化炭素濃度の低い（例えば１０ｐｐｍ以下）、水素リッチな水素含有ガス（燃料ガス）が生成される。
【００３４】
生成された燃料ガスとしての水素含有ガスは、水素含有ガス供給路１７を通じて燃料電池発電装置ＦＣのアノード２１に供給される。本実施形態の燃料電池発電システムＳ１は、燃料電池発電装置ＦＣが、固体高分子形燃料電池である場合を想定したシステムである。固体高分子形燃料電池の場合、動作温度が低いためアノード２１が一酸化炭素により被毒される可能性がある。しかし、上述のように一酸化炭素除去器１５を設けて燃料ガス中の一酸化炭素濃度を非常に低いレベルにまで低減しているため、アノード２１が被毒されるという問題を回避できる。尚、図１には記載していないが、燃料ガス生成装置Ｒで生成された後、燃料電池発電装置ＦＣへと供給される水素含有ガスを加湿する必要があれば、水回収タンク４０に貯えられている水を利用できる。
【００３５】
一酸化炭素変成器１４と一酸化炭素除去器１５とを接続する水素含有ガス供給路１７には、冷媒循環路としての湯水循環路５１を流れる冷媒としての湯水と、水素含有ガスとの熱交換を行わせる熱交換器６５と、変成処理後の水素含有ガスから凝縮水を除去するドレントラップ６６とが順に設けられている。
【００３６】
〔燃料電池発電システムＳ１の構成〕
本実施形態において、燃料電池発電システムＳ１は、燃料電池発電システムＳ１内から回収した水を貯留する水回収タンク４０を備える。水回収タンク４０に貯留されている水は、回収水循環路４１を通って循環する。回収水循環路４１の途中には、アノード２１及びカソード２２で構成されるセルを、回収水との熱交換によって冷却する冷却部２３が設けられている。
つまり、冷却部２３と回収水循環路４１と水回収タンク４０とは、燃料電池発電装置ＦＣからの排熱を回収する燃料電池冷却装置Ｃとして機能する。尚、図１には示していないが、水回収タンク４０に貯えられている回収水を純水とするためのイオン交換樹脂装置を設けることが好ましい。
【００３７】
燃料電池発電システムＳ１から排出される排熱は、冷媒としての湯水を貯留する熱回収タンク５０に回収される。熱回収タンク５０に貯留されている湯水は、湯水循環路５１を循環して流されている。つまり、冷媒循環路としての湯水循環路５１は、湯水を貯留する熱回収タンク５０から出た湯水がその熱回収タンク５０に戻る間に流れる経路である。そして、湯水循環路５１の途中には複数の熱交換器６０、６２、６３、６５、６７が設けられて、それら各熱交換器において、湯水循環路５１を流れる湯水による、燃料電池発電システムＳ１から排出される排熱の回収が行われる。具体的には、熱回収タンク５０の下部に貯留されている低温側の湯水は、熱交換器６５と熱交換器６３と熱交換器６２と熱交換器６０と熱交換器６７とを順に通った後、熱回収タンク５０の上部の高温側へ流入して、熱回収タンク５０において熱が蓄えられる。
【００３８】
熱交換器６５は、水素含有ガス供給路１７を流れる、一酸化炭素変成器１４によって変成処理された後の水素含有ガスと、湯水循環路５１を流れる湯水との間の熱交換を行わせる。加えて、熱交換器６５における熱交換により、水素含有ガスに含まれていた水分が凝縮する。本実施形態では、水素含有ガス供給路１７における熱交換器６５の下流側と一酸化炭素除去器１５との間に設けられるドレントラップ６６によって、熱交換器６５での冷却によって生じた凝縮水は除去される。そして、その凝縮水は水回収タンク４０へと回収される。
【００３９】
熱交換器６３は、アノード排ガス路２１ａを流れる、アノード２１から排出されるアノード排ガスと、湯水循環路５１を流れる湯水との間の熱交換を行わせる。加えて、熱交換器６３における熱交換により、アノード排ガスに含まれていた水分が凝縮する。本実施形態では、アノード排ガス路２１ａにおける熱交換器６３の下流側に設けられるドレントラップ６４によって、熱交換器６３での冷却によって生じた凝縮水は除去される。そして、その凝縮水は水回収タンク４０へと回収される。
【００４０】
熱交換器６２は、カソード２２から排出されるカソード排ガスと、湯水循環路５１を流れる湯水との間の熱交換を行わせる。熱交換器６２において熱交換した後のカソード排ガスは、バーナー排ガス路１３ａにおけるドレントラップ６１の下流側で、バーナー排ガス路１３ａを流れるバーナー排ガスと混合される。
【００４１】
熱交換器６０は、バーナー排ガス路１３ａを流れる、バーナー１３から排出されるバーナー排ガスと、湯水循環路５１を流れる湯水との間の熱交換を行わせる。加えて、熱交換器６０による熱交換により、バーナー排ガスに含まれていた水分が凝縮する。本実施形態では、バーナー排ガス路１３ａにおける熱交換器６０の下流側に設けられるドレントラップ６１によって、熱交換器６０での冷却によって生じた凝縮水は除去される。そして、その凝縮水は水回収タンク４０へと回収される。
【００４２】
熱交換器６７は、回収水循環路４１を流れる、燃料電池発電装置ＦＣを冷却する冷却部２３から排出される回収水と、湯水循環路５１を流れる湯水との間の熱交換を行わせる。上述したように、回収水循環路４１を流れる回収水は、冷却部２３において燃料電池発電装置ＦＣからの排熱を回収しているので、熱交換器６７では、その燃料電池発電装置ＦＣからの排熱が、回収水を経由して湯水循環路５１を流れる湯水へと渡されることになる。
【００４３】
燃料電池発電システムＳ１は、上述した各装置を一体で囲う筐体１と、その筐体１の外部から筐体１の内部に空気を取り入れ、且つ、筐体１の内部から空気を筐体１の外部に排出するための換気ファン３１とを備える。この換気ファン３１は、後述するように、発生する空気流によってバーナー排ガス及びカソード排ガスを冷却することができる。
更に、燃料電池発電システムＳ１は、換気ファン３１により発生される空気流が流入するとともに、バーナー排ガス及びカソード排ガスが流入される排気ダクト３２を備える。換気ファン３１は、筐体１の内部から空気を排気ダクト３２を介して筐体１の外部に排出する。具体的には、バーナー排ガス路１３ａは、ドレントラップ６１の下流側で排気ダクト３２へ接続され、排気ダクト３２によって燃料電池発電システムＳ１の外部に開放される。バーナー排ガス路１３ａには、バーナー排ガスとカソード排ガスとが流れているので、結果として、排気ダクト３２へはバーナー排ガス及びカソード排ガスが流入される。
【００４４】
本実施形態では、排気ダクト３２の内部は仕切板３３によって２つの空間に仕切られている。仕切板３３よりも上流側の第１空間３２ａには、換気ファン３１により排出される排気が流入するとともに、バーナー排ガス路１３ａが接続されてバーナー排ガス及びカソード排ガスが流入される。仕切板３３よりも下流側の第２空間３２ｂには、筐体１の外部に向けて開放した排気口３５が設けられている。仕切板３３には孔３４が設けられているので、その孔３４を通って第１空間３２ａと第２空間３２ｂとの間で気体は流通できる。
【００４５】
排気ダクト３２の第１空間３２ａには、換気ファン３１により発生される空気流（冷気）が流入するとともに、水分を含むバーナー排ガス及びカソード排ガスが流入される。その結果、第１空間３２ａにおいて、バーナー排ガス及びカソード排ガスは、換気ファン３１により排出される排気（冷気）によって冷却され、そこに含まれていた水分が凝縮する。そして、第１空間３２ａの底部に凝縮水が貯まる。仕切板３３に設けられる孔３４は、凝縮水の水位よりも高い位置に形成されているので、凝縮水が第２空間３２ｂへ流出することはない。また、排気ダクト３２の内部では、第１空間３２ａから第２空間３２ｂに向けて空気が流れ、更に、第２空間３２ｂから筐体１の外部へと空気が流れるので、筐体１の外部の空気が第１空間３２ａに流入することもない。よって、第１空間３２ａの底部に貯まる凝縮水への外部の不純物の混入が防止されている。
【００４６】
以上のように、バーナー排ガスについて着目すると、本実施形態の燃料電池発電システムＳ１では、バーナー排ガスは、熱交換器６０において冷却（水冷）され、換気ファン３１が発生する空気流によって排気ダクト３２において更に冷却（空冷）される。つまり、熱交換器６０によってバーナー排ガス中の水分を凝縮させた後、その熱交換器６０による冷却温度よりも低い温度で換気ファン３１が発生する空気流によってバーナー排ガス中の水分を凝縮させることができる。加えて、燃料電池発電システムＳ１では、バーナー排ガスを熱交換器６０によって冷却することにより得られる凝縮水をドレントラップ６１で水回収タンク４０へ回収し、及び、バーナー排ガスを換気ファン３１が発生する空気流によって冷却することにより得られる凝縮水を排気ダクト３２の第１空間３２ａから水回収タンク４０へ回収する。
【００４７】
つまり、熱交換器６０は、バーナー１３から排出されるバーナー排ガスを冷媒（湯水循環路５１を流れる湯水）によって冷却するバーナー排ガス水冷装置として機能する。換気ファン３１及び排気ダクト３２は、バーナー排ガスを空気によって冷却するバーナー排ガス空冷装置及びとして機能する。ドレントラップ６１及び排気ダクト３２、並びに、水回収タンク４０及び回収水供給路４２は、バーナー排ガスをバーナー排ガス水冷装置及びバーナー排ガス空冷装置によって冷却することにより得られる凝縮水を回収するとともに、回収した凝縮水の少なくとも一部を改質器１２での水蒸気改質に用いられる水として提供する凝縮水回収装置Ｄとして機能する。
【００４８】
更に、カソード排ガスについて着目すると、本実施形態の燃料電池発電システムＳ１では、カソード排ガスは、熱交換器６２によって冷却（水冷）され、及び、換気ファン３１が発生する空気流によって排気ダクト３２において更に冷却（空冷）される。つまり、熱交換器６２によってカソード排ガス中の水分を凝縮させた後、その熱交換器６２による冷却温度よりも低い温度で換気ファン３１が発生する空気流によってカソード排ガス中の水分を凝縮させることができる。加えて、燃料電池発電システムＳ１では、カソード排ガスを水冷及び空冷することにより得られる凝縮水を排気ダクト３２の第１空間３２ａから水回収タンク４０へ回収する。
【００４９】
つまり、熱交換器６２は、燃料電池発電装置での発電反応に用いられた後にカソード２２から排出されるカソード排ガスを冷媒（湯水循環路５１を流れる湯水）によって冷却するカソード排ガス水冷装置として機能する。換気ファン３１及び排気ダクト３２は、カソード排ガスを空気によって冷却するカソード排ガス空冷装置として機能する。排気ダクト３２、並びに、水回収タンク４０及び回収水供給路４２は、カソード排ガスをカソード排ガス水冷装置及びカソード排ガス空冷装置によって冷却することにより得られる凝縮水を回収するとともに、回収した凝縮水の少なくとも一部を改質器１２での水蒸気改質に用いられる水として提供する凝縮水回収装置Ｄとして機能する。
【００５０】
また更に、水素含有ガスについて着目すると、本実施形態の燃料電池発電システムＳ１では、一酸化炭素除去器１５に導入される前の、一酸化炭素変成器１４によって一酸化炭素が変成された後の水素含有ガスは、熱交換器６５によって冷却（水冷）される。加えて、燃料電池発電システムＳ１では、水素含有ガスを水冷することにより得られる凝縮水を、水素含有ガス供給路１７における熱交換器６５の下流側と一酸化炭素除去器１５との間に設けられるドレントラップ６６で水回収タンク４０へ回収する。
【００５１】
つまり、熱交換器６５は、一酸化炭素除去器１５に導入される前の、一酸化炭素変成器１４によって一酸化炭素が変成された後の水素含有ガスを冷媒（湯水循環路５１を流れる湯水）によって冷却する水素含有ガス水冷装置として機能する。ドレントラップ６６、並びに、水回収タンク４０及び回収水供給路４２は、水素含有ガスを水素含有ガス水冷装置によって冷却することにより得られる凝縮水を回収する凝縮水回収装置Ｄとして機能する。
【００５２】
以上のように、燃料電池発電システムＳ１では、バーナー排ガスを水冷及び空冷することで、バーナー排ガスに含まれている水分は充分に凝縮される。そして、凝縮水回収装置Ｄは、バーナー排ガスに含まれていた水分を凝縮水として確実に回収して、回収した凝縮水の少なくとも一部を改質器１２での水蒸気改質に用いられる水として提供できる。加えて、燃料電池発電システムＳ１では、カソード排ガスを水冷及び空冷することで、カソード排ガスに含まれている水分は充分に凝縮される。そして、凝縮水回収装置Ｄは、カソード排ガスに含まれていた水分を凝縮水として確実に回収して、回収した凝縮水の少なくとも一部を改質器１２での水蒸気改質に用いられる水として提供できる。つまり、燃料電池発電システムＳ１は、水分を充分に回収でき且つ再利用できるシステムである。
【００５３】
尚、上述したように、冷媒（湯水循環路５１を流れる湯水）は、水素含有ガス水冷装置（熱交換器６５）に供給された後で、バーナー排ガス水冷装置（熱交換器６０）及びカソード排ガス水冷装置（熱交換器６２）へと更に供給される経路で冷媒循環路（湯水循環路５１）を流れる。そのため、バーナー排ガス及びカソード排ガスを冷却するために用いられる冷媒は熱交換器６５において温度が上昇した後のものであるため、熱交換器６０におけるバーナー排ガスの冷却効果及び熱交換器６２におけるカソード排ガスの冷却効果は充分とは言えない可能性がある。
ところが、本実施形態における燃料電池発電システムＳ１では、バーナー排ガス空冷装置としての換気ファン３１及び排気ダクト３２によってバーナー排ガスを別途空冷することができ、及び、カソード排ガス空冷装置としての換気ファン３１及び排気ダクト３２によってカソード排ガスを別途空冷することができる。その結果、バーナー排ガス水冷装置としての熱交換器６０やカソード排ガス水冷装置としての熱交換器６２を大型化しなくても、バーナー排ガスに含まれる水分及びカソード排ガスに含まれる水分を凝縮水として充分に回収できる。
【００５４】
＜第２実施形態＞
第２実施形態の燃料電池発電システムは、カソード２２への空気の供給形態が第１実施形態と異なっている。以下に第２実施形態の燃料電池発電システムについて説明するが、第１実施形態と同様の構成については説明を省略する。
【００５５】
図２は、第２実施形態の燃料電池発電システムＳ２（Ｓ）の構成を示す図である。
図２に示すように、燃料電池発電システムＳ２において、カソード排ガス路２２ａにおける熱交換器６２の上流側には、全熱交換器６８が設けられている。カソード２２へ空気を供給する空気供給路２４は、全熱交換器６８を通った後でカソード２２へと接続される。その結果、空気供給路２４を通ってカソード２２へ供給される空気は、全熱交換器６８において、カソード排ガス路２２ａを流れるカソード排ガスとの間で温度と湿度とを交換する。つまり、カソード排ガス路２２ａを流れるカソード排ガスが有する熱及び水分は、空気供給路２４を流れる空気によって回収されるので、全熱交換器６８は、カソード排ガスを空気によって冷却するカソード排ガス空冷装置として機能する。
【００５６】
＜第３実施形態＞
第３実施形態の燃料電池発電システムは、カソードからの空気の排出形態が第１実施形態と異なっている。以下に第３実施形態の燃料電池発電システムについて説明するが、第１実施形態と同様の構成については説明を省略する。
【００５７】
図３は、第３実施形態の燃料電池発電システムＳ３（Ｓ）の構成を示す図である。
図３に示すように、燃料電池発電システムＳ３において、カソード排ガス路２２ａは、バーナー排ガス路１３ａにおける熱交換器６０の上流側に接続される。つまり、カソード排ガス路２２ａを通して排出されるカソード排ガスは、バーナー排ガス路１３ａにおける熱交換器６０の上流側において、バーナー排ガスと混合される。
【００５８】
その結果、熱交換器６０は、カソード２２から排出されるカソード排ガスを冷媒によって冷却するカソード排ガス水冷装置としても機能する。ドレントラップ６１及び排気ダクト３２、並びに、水回収タンク４０及び回収水供給路４２は、カソード排ガスをカソード排ガス水冷装置及びカソード排ガス空冷装置によって冷却することにより得られる凝縮水を回収するとともに、回収した凝縮水の少なくとも一部を改質器１２での水蒸気改質に用いられる水として提供する凝縮水回収装置Ｄとしても機能する。
【００５９】
＜第４実施形態＞
図４には、第４実施形態の燃料電池発電システムの構成を示す。
第４実施形態の燃料電池発電システムＳ４（Ｓ）は、第３実施形態の燃料電池発電システムＳ３の改変例である。具体的には、図４に示す燃料電池発電システムＳ４は、図３に例示した燃料電池発電システムＳ３から、バーナー排ガス路１３ａにおける熱交換器６０の下流側に設けられていたドレントラップ６１を取り除いた構成である。上記実施形態では、ドレントラップ６１において凝縮水を回収する例を説明した。しかし、バーナー排ガス路１３ａにおける熱交換器６０の下流側には排気ダクト３２が設けられ、その排気ダクト３２において凝縮水が回収されるため、ドレントラップ６１を取り除いても、ドレントラップ６１で回収されていた凝縮水を排気ダクト３２において回収できる。
【００６０】
＜第５実施形態＞
図５には、第５実施形態の燃料電池発電システムの構成を示す。
第５実施形態の燃料電池発電システムＳ５（Ｓ）は、第１実施形態の燃料電池発電システムＳ１の改変例である。具体的には、図５に示す燃料電池発電システムＳ５は、図１に例示した燃料電池発電システムＳ１から、一酸化炭素除去器１５を取り除いた構成である。第１実施形態は、燃料電池発電装置ＦＣが固体高分子形燃料電池である場合を想定したシステムであったが、第５実施形態は、燃料電池発電装置ＦＣが固体酸化物形燃料電池である場合を想定したシステムである。
【００６１】
一般的に、固体酸化物形燃料電池は高温で動作するので反応が速やかに進行し、一酸化炭素によるアノード電極被毒がない。そのため、燃料ガス生成装置Ｒから、一酸化炭素除去器１５を取り除くことができる。尚、図示しないが、図２〜図４に例示した燃料電池発電システムＳ２〜Ｓ４において燃料電池発電装置ＦＣとして固体酸化物形燃料電池を用いる場合にも、同様に、一酸化炭素除去器１５を取り除く改変を行うことができる。
【００６２】
＜別実施形態＞
＜１＞
上記実施形態では、バーナー排ガス及びカソード排ガスが、換気ファン３１により発生される空気流と排気ダクト３２において混合されることで冷却される例を説明したが、バーナー排ガス及びカソード排ガスが冷却されるのであれば、換気ファン３１により発生される空気流と混合されなくてもよい。例えば、図１〜図５に例示した燃料電池発電システムＳにおいて、バーナー排ガス路１３ａを排気ダクト３２に接続させず、バーナー排ガス路１３ａを流れるバーナー排ガス及びカソード排ガスが排気ダクト３２を経由せずに筐体１の外部に排出されるように改変してもよい。加えて、換気ファン３１により発生される空気流がバーナー排ガス路１３ａを構成する配管に当たることで、バーナー排ガス路１３ａを流れるバーナー排ガス及びカソード排ガスが冷却される、且つ、その冷却により得られる凝縮水をバーナー排ガス路１３ａからドレントラップで水回収タンク４０へと回収できるように構成すればよい。
【００６３】
＜２＞
第２実施形態において、カソード排ガス路２２ａを流れるカソード排ガスが有する水分が、空気供給路２４を流れる空気によって全熱交換器６８で充分に回収されるのであれば、カソード排ガス路２２ａを流れるカソード排ガスに対して更なる水分回収を試みなくてもよい。例えば、カソード排ガス路２２ａをバーナー排ガス路１３ａに接続せず、カソード排ガスが、排気ダクト３２を経由せずに筐体１の外部に排出されるようにカソード排ガス路２２ａの取り回しを変更してもよい。
【００６４】
＜３＞
上記実施形態では、燃料電池発電装置ＦＣが固体高分子形燃料電池又は固体酸化物形燃料電池である場合を想定した例を説明したが、燃料電池発電装置ＦＣとしてリン酸形燃料電池や溶融炭酸塩形燃料電池などの他のタイプの燃料電池を用いるように改変してもよい。
【００６５】
＜４＞
上記実施形態では、一酸化炭素除去器１５が一酸化炭素を酸化して除去する例を説明したが、一酸化炭素をメタン化して除去してもよい。例えば、変成処理後の水素含有ガスに酸素を添加せず、一酸化炭素を水素と反応させてメタン化することにより除去できる。このメタン化反応の場合も、上述したルテニウムや白金、パラジウム、ロジウム等の触媒を利用できる。また、一酸化炭素除去器１５に対して温度調節手段（図示せず）を設けておき、一酸化炭素のメタン化反応に適した温度に触媒の温度を調節してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、水分を充分に回収でき且つ再利用できる燃料電池発電システムに利用できる。
【符号の説明】
【００６７】
１  筐体
１２  改質器
１３  バーナー
１４  一酸化炭素変成器
１５  一酸化炭素除去器
２１  アノード
２２  カソード
３１  換気ファン（バーナー排ガス空冷装置、カソード排ガス空冷装置）
３２  排気ダクト（バーナー排ガス空冷装置、カソード排ガス空冷装置、凝縮水回収装置）
４０  水回収タンク（凝縮水回収装置）
４２  回収水供給路（凝縮水回収装置）
５０  熱回収タンク
５１  湯水循環路（冷媒循環路）
６０  熱交換器（バーナー排ガス水冷装置）
６１  ドレントラップ（凝縮水回収装置）
６２  熱交換器（カソード排ガス水冷装置）
６４  ドレントラップ
６５  熱交換器（水素含有ガス水冷装置）
６６  ドレントラップ（凝縮水回収装置）
Ｄ  凝縮水回収装置
ＦＣ  燃料電池発電装置
Ｒ  燃料ガス生成装置
Ｓ  燃料電池発電システム
【図１】
2012104321.tif 000003
【図２】
2012104321.tif 000004
【図３】
2012104321.tif 000005
【図４】
2012104321.tif 000006
【図５】
2012104321.tif 000007