(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質型燃料電池から排出された排ガスから熱回収を行うシステムにおいて、
燃料電池から排出された排燃料と排空気とを混合して燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器からの排ガスの熱を利用して水蒸気または温水を製造する第１の熱回収器と、
前記熱回収器から排出された排ガスにより燃料電池への供給空気を予熱する第１の空気予熱器と、
前記燃焼器と前記熱回収器との間に接続され且つ前記燃焼器からの排ガスにより前記第１の空気予熱器で予熱された供給空気をさらに予熱して燃料電池に供給する第２の空気予熱器と、
前記燃料電池の内部に配置され且つ前記第１の空気予熱器で予熱された供給空気を前記燃料電池内で加熱した後に前記第２の空気予熱器に導入する供給空気用熱交換器と
を備えたことを特徴とする固体電解質型燃料電池システム。
【請求項２】
前記第１の空気予熱器から排出された排ガスをドライブガスとして燃料電池から排出された排燃料の一部を燃料電池に再循環させるためのエゼクタをさらに備えた請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
燃料電池と前記燃焼器との間に接続され且つ燃料電池から排出された排燃料または排空気の熱を利用して水蒸気または温水を製造する第２の熱回収器をさらに備えた請求項１または２に記載のシステム。
【請求項４】
前記燃焼器内の温度を下げるために前記第１の空気予熱器から排出された排ガスが前記燃焼器に導入される請求項１〜３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項５】
燃料電池に供給される燃料と前記第２の空気予熱器から燃料電池に供給される空気との間で熱交換させる燃料／空気熱交換器をさらに備えた請求項１〜４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項６】
前記第１の空気予熱器から排出された排ガスに供給燃料が投入され、前記エゼクタにより再循環される排燃料の熱を利用して供給燃料を予熱する燃料予熱器をさらに備えた請求項２に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、固体電解質型燃料電池システムに係り、特に燃料電池本体から排出された燃料排ガスの一部を再循環させるシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）を用いたコジェネレーションシステムの構成を図６に示す。ＳＯＦＣ１は、例えば脱硫装置２で脱硫された天然ガスを燃料とし、空気を酸化剤として１０００℃程度の高温下での反応により発電を行うものである。ＳＯＦＣ１から排出された高温の排ガスを排熱回収ボイラ３に導入することにより、ここで温水あるいは蒸気が製造され、各種用途に利用される。なお、ＳＯＦＣ１での反応に供される空気は排熱回収ボイラ３で予熱された後にＳＯＦＣ１に供給される。
このようなコジェネレーションシステムにより発電と共に熱利用を図ることが可能となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＳＯＦＣ１からの高温の排ガスを排熱回収ボイラ３に一度通すだけでは十分な熱回収を行うことができなかった。システムとしての効率が満足し得るものではなかった。特に、高圧の蒸発器にＳＯＦＣ１からの排ガスを導入して、例えば１０ｋｇｆ／ｃｍ2、１７５℃程度の吸収冷凍機用蒸気を製造しようとしても、熱回収は満足し得るものではなく、コジェネレーションシステムとしての効率は低いものであった。
この発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、効率を向上させることができる固体電解質型燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項１に係る固体電解質型燃料電池システムは、燃料電池から排出された排燃料と排空気とを混合して燃焼させる燃焼器と、燃焼器からの排ガスの熱を利用して水蒸気または温水を製造する第１の熱回収器と、熱回収器から排出された排ガスにより燃料電池への供給空気を予熱する第１の空気予熱器と、燃焼器と熱回収器との間に接続され且つ燃焼器からの排ガスにより第１の空気予熱器で予熱された供給空気をさらに予熱して燃料電池に供給する第２の空気予熱器と、燃料電池の内部に配置され且つ第１の空気予熱器で予熱された供給空気を燃料電池内で加熱した後に第２の空気予熱器に導入する供給空気用熱交換器とを備えたものである。
【０００５】
請求項２に係る固体電解質型燃料電池システムは、請求項１のシステムにおいて、第１の空気予熱器から排出された排ガスをドライブガスとして燃料電池から排出された排燃料の一部を燃料電池に再循環させるためのエゼクタをさらに備えたものである。
請求項３に係る固体電解質型燃料電池システムは、請求項１または２のシステムにおいて、燃料電池と燃焼器との間に接続され且つ燃料電池から排出された排燃料または排空気の熱を利用して水蒸気または温水を製造する第２の熱回収器をさらに備えたものである。
【０００６】
請求項４に係る固体電解質型燃料電池システムは、請求項１〜３のいずれか一項のシステムにおいて、燃焼器内の温度を下げるために第１の空気予熱器から排出された排ガスが燃焼器に導入されるものである。
請求項５に係る固体電解質型燃料電池システムは、請求項１〜４のいずれか一項のシステムにおいて、燃料電池に供給される燃料と第２の空気予熱器から燃料電池に供給される空気との間で熱交換させる燃料／空気熱交換器をさらに備えたものである。
請求項６に係る固体電解質型燃料電池システムは、請求項２のシステムにおいて、第１の空気予熱器から排出された排ガスに供給燃料が投入され、エゼクタにより再循環される排燃料の熱を利用して供給燃料を予熱する燃料予熱器をさらに備えたものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１にこの発明の実施の形態１に係る固体電解質型燃料電池システムの構成を示す。ＳＯＦＣ（固体電解質型燃料電池）１１の排燃料及び排空気の排出口に燃焼器１２が接続され、燃焼器１２の下流側に第２の空気予熱器１３、蒸発器１４及び第１の空気予熱器１５が順次接続されている。第１の空気予熱器１５の下流側にはコンプレッサ１６が配設され、コンプレッサ１６の出口がエゼクタ１７を介してＳＯＦＣ１１の燃料投入口に接続されている。エゼクタ１７にはＳＯＦＣ１１の排燃料ラインが接続されている。
また、第１の空気予熱器１５には、空気を供給するための空気ファン１８が接続され、第１の空気予熱器１５を出た空気ラインはＳＯＦＣ１１及びシステム全体からのヒートロス回収のためＳＯＦＣ１１内に設けられたインテーク空気熱交換器１９及び第２の空気予熱器１３を介してＳＯＦＣ１１の空気投入口に接続されている。
なお、蒸発器１４はこの発明の第１の熱回収器を形成し、インテーク空気熱交換器１９はこの発明の供給空気用熱交換器を形成している。
【０００９】
次に、この実施の形態１の動作について説明する。ＳＯＦＣ１１に燃料と空気とが供給され、１０００℃程度の高温下で反応が進んで発電が行われる。ＳＯＦＣ１１から排出された高温の排燃料と排空気は燃焼器１２に送られ、ここで未反応の水素が完全燃焼する。燃焼器１２から排出された高温の排ガスは第２の空気予熱器１３、蒸発器１４及び第１の空気予熱器１５でそれぞれ熱交換することにより降温された後、この排ガスの一部がコンプレッサ１６により圧縮され、外部から投入された燃料と共にドライブガスとしてエゼクタ１７に所定の圧力で供給される。これにより、ＳＯＦＣ１１から排出された排燃料の一部がエゼクタ１７へ吸引され、第１の空気予熱器１５を通った排ガス及び外部から投入された燃料と共にＳＯＦＣ１１に投入される。
【００１０】
一方、空気ファン１８によって外部から送り込まれた空気は第１の空気予熱器１５で予熱されてから、ＳＯＦＣ１１内のインテーク空気熱交換器１９で再度予熱され、さらに第２の空気予熱器１３で予熱された後にＳＯＦＣ１１に投入される。
また、蒸発器１４には水あるいは温水が供給され、ここで第２の空気予熱器１３から排出された高温の排ガスにより加熱されて水蒸気が製造される。この水蒸気は蒸気機関等で各種の用途に使用される。
【００１１】
このように、ＳＯＦＣ１１から排出された排燃料と排空気を燃焼器１２で燃焼させるので、未反応の水素がシステム外に排出されることがなく、システムの安全性が確保される。また、燃焼器１２から排出された高温の排ガスを第２の空気予熱器１３、蒸発器１４及び第１の空気予熱器１５でそれぞれ熱交換するように構成したので、排ガスの熱回収を十分に行うことができ、システムの効率が向上する。さらに、ＳＯＦＣ１１内のインテーク空気熱交換器１９で供給空気を予熱するので、熱損失が低減される。
また、排ガスを利用してエゼクタ１７により排燃料の一部を再循環させるので、排燃料中の未反応の水素を再利用して発電効率を向上させることができると共にＳＯＦＣ１１の燃料量が増えることによりＳＯＦＣ１１の出口の燃料温度が高くなることが抑制され、ＳＯＦＣ１１及び配管等の耐久性及び信頼性が向上する。
【００１２】
実施の形態２．
実施の形態２に係る固体電解質型燃料電池システムの構成を図２に示す。このシステムは、図１に示した実施の形態１のシステムにおいて、ＳＯＦＣ１１と燃焼器１２との間に第２の熱回収器となるもう一つの蒸発器２０を介在させたものである。
この蒸発器２０によりＳＯＦＣ１１から排出された高温の排燃料の熱を利用して水蒸気を製造することができると同時に、蒸発器２０で熱交換がなされるので燃焼器１２に導入される排燃料の温度が低減され、燃焼器１２内における燃焼温度が低減される。その結果、燃焼器１２や第２の空気予熱器１３及び第２の空気予熱器１５にＳＵＳ等の汎用材料を使用することができ、コストダウンを図ることが可能となる。
【００１３】
なお、蒸発器２０をＳＯＦＣ１１からの排燃料のラインではなく、排空気のラインに介在させることもできる。また、第２の熱回収器として蒸発器２０の代わりに温水加熱器や空気予熱器を用いてもよい。
図２においては、二つの蒸発器１４及び２０を直列に接続したが、これに限るものではなく、蒸発器１４及び２０をそれぞれ独立して使用することもできる。
【００１４】
実施の形態３．
実施の形態３に係る固体電解質型燃料電池システムの構成を図３に示す。このシステムは、図１に示した実施の形態１のシステムにおいて、第１の空気予熱器１５の下流側の低温の排ガスを燃焼器１２内に導入して燃焼器１２内における燃焼温度を低減しようとするものである。これにより、燃焼器１２や第２の空気予熱器１３及び第２の空気予熱器１５にＳＵＳ等の汎用材料を使用することができ、コストダウンを図ることが可能となる。
なお、第１の空気予熱器１５の下流側の排ガス量が不足する場合には、図２に示されるように、コンプレッサ１６の出口側と燃焼器１２との間にエゼクタ２１を配置し、エゼクタ２１に第１の空気予熱器１５の下流側を接続することが好ましい。コンプレッサ１６により圧縮された排ガスにより、第１の空気予熱器１５の下流側の排ガスがエゼクタ２１へ吸引され、燃焼器１２に投入される。
なお、実施の形態２のシステムにおいて、第１の空気予熱器１５の下流側の排ガスを燃焼器１２内に導入するように構成してもよい。
【００１５】
実施の形態４．
実施の形態４に係る固体電解質型燃料電池システムの構成を図４に示す。このシステムは、図３に示した実施の形態３のシステムにおいて、ＳＯＦＣ１１に投入される燃料と空気との間で熱交換させる空気／燃料熱交換器２２を設けたものである。このようにすることにより、ＳＯＦＣ１１に投入される燃料と空気の温度差が低減され、ＳＯＦＣ１１内に使用されているセラミック等の材料の耐久性が向上する。
空気／燃料熱交換器２２は、実施の形態１または２のシステムに組み込むこともできる。
【００１６】
実施の形態５．
実施の形態５に係る固体電解質型燃料電池システムの構成を図５に示す。このシステムは、図４に示した実施の形態４のシステムにおいて、エゼクタ１７の上流側に燃料予熱器２３を配設し、エゼクタ１７により再循環される排燃料をこの燃料予熱器２３に導入するようにしたものである。これにより、システムの外部から投入された燃料は再循環される排燃料の熱によって予熱され、自己着火温度に達した時点で燃焼する。このため、エゼクタ１７での燃料の燃焼を防止することができ、システム運転の安全性が確保される。
この燃料予熱器２３は実施の形態４のシステムに限らず、実施の形態１〜３の各システムに適用することもできる。
なお、上記の実施の形態１〜５において、第１の熱回収器として蒸発器１４の代わりに温水加熱器を用いることもできる。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、ＳＯＦＣから排出された高温の排燃料が燃焼器で完全燃焼され、燃焼器から排出された排ガスが第１の熱回収器と第１及び第２の空気予熱器でそれぞれ熱回収されると共に第１の空気予熱器で予熱された供給空気を燃料電池内の供給空気用熱交換器で加熱した後に第２の空気予熱器に導入するので、システムの効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１に係る固体電解質型燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】  実施の形態２に係る固体電解質型燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図３】  実施の形態３に係る固体電解質型燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図４】  実施の形態４に係る固体電解質型燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図５】  実施の形態５に係る固体電解質型燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図６】  固体電解質型燃料電池を用いたコジェネレーションシステムの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１１  ＳＯＦＣ、１２  燃焼器、１３  第２の空気予熱器、１４，２０  蒸発器、１５  第１の空気予熱器、１６  コンプレッサ、１７，２１  エゼクタ、１８  空気ファン、１９  インテーク空気熱交換器、２２  空気／燃料熱交換器、２３  燃料予熱器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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