(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水蒸気を利用して炭化水素系燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する改質部と、
改質原料として少なくとも炭化水素系燃料と水蒸気とを前記改質部へ供給する改質原料供給部と、
前記改質部から供給される燃料ガスと所定の酸化ガス供給源から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、
前記改質原料供給部により前記改質部へ供給される炭化水素系燃料に前記燃料電池から排出されたオフガスの水蒸気及び熱を移す熱交換部と、
前記改質部へ供給される水蒸気を生成する蒸発部と、
前記熱交換部で前記オフガスから前記炭化水素系燃料へ移る水蒸気量に応じて前記蒸発器で生成する水蒸気量を調節する水蒸気量調節部と、
湯水を貯える貯湯槽と、
前記オフガスの熱を前記貯湯槽の湯水へ移し該湯水を昇温させる湯水昇温部と、
前記オフガスを前記熱交換部へ導く第１通路と前記オフガスを前記湯水昇温部へ導く第２通路とを切り替える通路切替部と、
前記貯湯槽の湯温又は湯量に応じて前記通路切替部を切り替える通路切替制御部と、
を備えた燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記通路切替制御部は、前記貯湯槽の湯温が所定の昇温要求範囲内のときには、前記オフガスが前記湯水昇温部へ導かれるよう前記通路切替部を制御し、前記貯湯槽の湯温が所定の昇温要求範囲を超えているときには、前記オフガスが前記熱交換部へ導かれるよう前記通路切替部を制御する、
請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記第１通路を通過した前記オフガスは、前記熱交換部を通過したあと前記湯水昇温部へ導かれる、
請求項１記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
水蒸気を利用して炭化水素系燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する改質部と、改質原料として少なくとも炭化水素系燃料と水蒸気とを前記改質部へ供給する改質原料供給部と、前記改質部から供給される燃料ガスと所定の酸化ガス供給源から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、前記改質原料供給部により前記改質部へ供給される炭化水素系燃料に前記燃料電池から排出されたオフガスの水蒸気及び熱を移す熱交換部と、前記改質部へ供給される水蒸気を生成する蒸発部と、湯水を貯える貯湯槽と、前記オフガスの熱を前記貯湯槽の湯水へ移し該湯水を昇温させる湯水昇温部と、前記オフガスを前記熱交換部へ導く第１通路と前記オフガスを前記湯水昇温部へ導く第２通路とを切り替える通路切替部と、を備えた燃料電池発電システムの運転方法であって、
前記貯湯槽の湯温又は湯量に応じて前記通路切替部を切り替えると共に、前記熱交換部で前記オフガスから前記炭化水素系燃料へ移る水蒸気量に応じて前記蒸発器で生成する水蒸気量を調節する
燃料電池発電システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池発電システム及びその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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、改質部において水蒸気を利用して炭化水素系燃料を改質することにより得られる水素リッチなガスが知られている。
【０００３】
このような燃料電池発電システムにおいて、廃熱を有効に回収することが提案されている。例えば特開２００１−３１３０５３公報には、改質部での廃熱を燃料電池のカソードから排出されたカソードオフガスで回収するシステムが提案されている。また、特開平６−１３２０３８号公報には、燃料電池から排出されたオフガスの熱や水蒸気を燃料電池に供給される燃料ガスで回収するシステムが提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した公報では、改質部での改質反応を考慮して改質部へ供給する炭化水素系燃料を昇温させておく場合、この炭化水素系燃料に外部から熱量を与えなければならなかった。また、改質部へ供給する水蒸気を生成させるのにも外部から熱量を与えなければならなかった。このため、システム効率が必ずしもよくなかった。
【０００５】
本発明は、上述の課題に鑑みなされたものであり、改質部を備えた燃料電池発電システムにおいてシステム効率を向上させることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段及びその作用・効果】
上述した目的を達成するために、本発明の第１の燃料電池発電システムは、
水蒸気を利用して炭化水素系燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する改質部と、
改質原料として少なくとも炭化水素系燃料と水蒸気とを前記改質部へ供給する改質原料供給部と、
前記改質部から供給される燃料ガスと所定の酸化ガス供給源から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、
前記改質原料供給部により前記改質部へ供給される炭化水素系燃料に前記燃料電池から排出されたオフガスの熱を移す熱交換部と
を備えたものである。
【０００７】
この燃料電池発電システムでは、改質原料供給部が改質部へ少なくとも炭化水素系燃料と水蒸気とを供給し、改質部が水蒸気を利用して炭化水素系燃料を燃料ガスに改質しその燃料ガスを燃料電池に供給する。一方、燃料電池から排出されたオフガスの熱を、改質部へ供給される炭化水素系燃料に移す。これにより、改質部へ供給される炭化水素系燃料の温度が上がり、改質部での改質反応が良好に進行する。また、改質部へ供給される炭化水素系燃料に外部から熱量を与える場合には、外部から与える熱量を減らすことができる。したがって、システム効率が向上する。なお、「オフガス」とは、燃料電池のアノード側から排出されるアノードオフガスであってもよいし、燃料電池のカソード側から排出されるカソードオフガスであってもよい。
【０００８】
本発明の第１の燃料電池発電システムにおいて、前記熱交換部は、前記改質原料供給部により前記改質部へ供給される炭化水素系燃料に前記オフガスの水蒸気及び熱を移してもよい。この場合、オフガス中の水蒸気も回収して改質部へ供給するため、改質部で必要とされる水蒸気を別途生成する際にその生成量を減らすことができ、その分だけ熱量が削減でき、システム効率が向上する。
【０００９】
このようにオフガスの熱及び水蒸気を回収する構成において、本発明の第１の燃料電池発電システムは、前記改質部へ供給される水蒸気を生成する蒸発部と、前記蒸発部で生成する水蒸気量を調節する水蒸気量調節部とを備え、前記水蒸気量調節部は、前記熱交換部で前記オフガスから前記炭化水素系燃料へ移る水蒸気量に応じて前記蒸発器で生成する水蒸気量を調節してもよい。こうすれば、蒸発器で生成する水蒸気量を適切に制御できるため、システム効率が一層向上する。
【００１０】
本発明の第１の燃料電池発電システムは、湯水を貯える貯湯槽と、前記オフガスの熱を前記貯湯槽の湯水へ移し該湯水を昇温させる湯水昇温部と、前記オフガスを前記熱交換部へ導く第１通路と前記オフガスを前記湯水昇温部へ導く第２通路とを切り替える通路切替部とを備えていてもよい。こうすれば、例えば貯湯槽の湯水の温度を上げる必要がないときには通路切替部により第１通路に切り替えてオフガスの水蒸気及び熱を炭化水素系燃料に移すことによりシステム効率の向上を図ることができるし、貯湯槽の湯水の温度を上げる必要があるときには通路切替部により第２通路に切り替えてオフガスの水蒸気及び熱を湯水により効率よく回収しその湯水を早期に昇温させることができる。
【００１１】
このように貯湯槽と湯水昇温部と通路切替部とを備えた構成において、本発明の第１の燃料電池発電システムは、前記貯湯槽の湯温又は湯量に応じて前記通路切替部を切り替える通路切替制御部を備えていてもよい。こうすれば、貯湯槽の湯温又は湯量に応じて第１通路に切り替えるか第２通路に切り替えるかを適切に制御することができる。例えば、湯温又は湯量が予め定められた所定範囲（湯水の昇温を要求する範囲）外のときには第１通路に切り替えてシステム効率の向上を図り、湯温又は湯量が前記所定範囲内のときには第２通路に切り替えて湯水により効率よく熱を回収してもよい。
【００１２】
また、このように貯湯槽と湯水昇温部と通路切替部とを備えた構成において、前記第１通路は、前記熱交換部の下流側が前記第２通路における前記湯水昇温部の上流側に接続されていてもよい。こうすれば、通路切替部により第１通路に切り替えられているときであっても、熱交換部でオフガスの水蒸気及び熱が回収されたあと残った熱を湯水昇温部で回収できる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
［第１実施形態（参考例）］
図１は、第１実施形態の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１２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１６と、都市ガスと蒸気とを混合した混合気を改質器１２へ供給する混合器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から排出されたオフガスの水蒸気及び熱を回収する水蒸気・熱交換器３５と、冷却水熱交換器４２にて燃料電池４０の熱を回収したりオフガス凝縮器５５にて燃料電池４０のオフガスの熱を回収したりすることにより加温された水を貯留する貯湯槽４４と、燃料電池４０からの直流電力を交流電力に変換して外部に供給する系統連係パッケージ７０と、システム全体をコントロールする電子制御ユニット６０とを備えている。
【００２４】
改質器１２は、混合器３４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１２には、こうした反応に必要な熱を供給する燃焼部１４が設けられており、燃焼部１４には、ガス配管２２から昇圧ポンプ２８を介して都市ガスが供給されると共に図示しない経路により燃焼に必要な空気が供給され、更にオフガス凝縮器５５を通過した後のアノードオフガスが供給され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１４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。また、燃焼部１４から排出された燃焼排ガスは、その熱量を蒸発器３３に付与したあと外部へ排出されるように配管されている。つまり、燃焼排ガスの熱量を蒸発器３３の水蒸気を生成するために有効利用できるように構成されている。
【００２５】
【数１】
ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ2    （１）
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2      （２）
【００２６】
混合器３４は、ガス配管２２から調節弁２４及び昇圧ポンプ２６を経たあと脱硫器２７で硫黄分の除去され更に水蒸気・熱交換器３５を経たあとの都市ガスと、水タンク３０から水ポンプ３１及び調節弁３２を経たあと蒸発器３３にて気化された水蒸気とを適当な比率で混合し、改質器１２に供給する。水タンク３０には、水道水を浄化・精製する図示しない水精製器から精製水が供給される。
【００２７】
ＣＯ選択酸化部１６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。
【００２８】
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１６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から図示しない加湿器を経て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、系統連係パッケージ７０内の図示しないインバータ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外部に供給される。
【００２９】
水蒸気・熱交換器３５は、水蒸気選択透過性の高い中空糸膜により分けられたオフガス通路３６と都市ガス通路３７とを利用し、燃料電池４０のアノードから排出され水蒸気を含んだ高温のアノードオフガスと脱硫器２７を通過した都市ガスとを向流接触させることにより、アノードオフガスの水蒸気及び熱を都市ガスへ移す。具体的には、水蒸気を含むアノードオフガスと水蒸気を含まない都市ガスとの間に発生する水蒸気分圧の差を利用してアノードオフガスの水蒸気が中空糸膜を透過して都市ガスへ移り、また、高温のアノードオフガスの熱が常温の都市ガスに中空糸膜を介して伝達される。水蒸気・熱交換器３５を通過したアノードオフガスは、オフガス凝縮器５５を通過することにより貯湯槽４４の湯水に凝縮潜熱を奪われて凝縮し、その後燃焼部１４へ供給されて燃焼される。また、水蒸気・熱交換器３５のうち都市ガス通路３７の出口には、都市ガスの湿度つまり水蒸気量を検出する湿度センサ３８が取り付けられている。
【００３０】
冷却水熱交換器４２は、燃料電池４０の冷却水と貯湯槽４４に貯留される水との熱交換を行うものである。システム運転時つまり燃料電池４０の発電時には燃料電池４０の熱を冷却水循環経路４８を循環する冷却水が奪い、その冷却水の熱を貯湯槽４４に貯留される湯水が冷却水熱交換器４２にて回収し貯湯槽４４に貯湯されるようになっている。
【００３１】
貯湯槽４４は、所定容量のタンクであり、下方内部から貯湯ポンプ４６、オフガス凝縮器５５及び冷却水熱交換器４２を経て上方内部に通じる湯水循環経路４５と、絶えずタンク内に水道水が満たされるように補給する図示しない補給路とを備えている。この湯水循環経路４５を循環する湯水は、オフガス凝縮器５５にて水蒸気・熱交換器３５を通過したあとのアノードオフガスの凝縮潜熱を回収して昇温し、更に冷却水熱交換器４２にて燃料電池４０を冷却して熱を帯びた冷却水の熱を回収して昇温する。
【００３２】
電子制御ユニット６０は、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを中心とするマイクロプロセッサとして構成されている。この電子制御ユニット６０には、系統連係パッケージ７０内の図示しないインバータの電流センサからの出力電圧や、同インバータの電圧センサからの出力電流や、湿度センサ３８からの都市ガスの湿度つまり水蒸気量などが入力される。また、電子制御ユニット６０からは、調節弁２４及び調節弁３２の各ソレノイドへの駆動信号や、昇圧ポンプ２６，２８，水ポンプ３１，ブロア４１，冷却水ポンプ４３，貯湯ポンプ４６などへの駆動信号や、系統連係パッケージ７０内の図示しないインバータへのスイッチング制御信号などが出力される。
【００３３】
この電子制御ユニット６０は、ハイ、ミドル、ローのいずれかの運転モードが決まると、その運転モードに応じて定められた電力を目標出力電力として、燃料電池４０からの直流電力を系統連係パッケージ７０内の図示しないインバータで変換した交流電力が目標出力電力となるように、燃料電池４０の発電量を制御する。ここで、燃料電池４０の発電量の制御とは、例えば都市ガスの調節弁２４や昇圧ポンプ２６を制御したり水タンク３０の水ポンプ３１や調節弁３２を制御したりすることにより改質器１２での燃料ガスの生成量つまり燃料電池４０への燃料ガスの供給量を制御したり、ブロア４１を制御することにより燃料電池４０への酸化ガスの供給量を制御したりすることをいう。
【００３４】
次に、こうして構成された燃料電池発電システム１０の動作について説明する。図３は水蒸気量調節処理プログラムの一例を示すフローチャートであり、このプログラムは電子制御ユニット６０の図示しないＲＯＭに記録され、所定タイミング毎に電子制御ユニット６０の図示しないＣＰＵにより読み出され実行される。このプログラムが開始されると、電子制御ユニット６０は、まず目標出力電力に応じた水蒸気供給量Ｈ＊を算出する（ステップＳ１００）。即ち、運転モードに応じて定められた電力を目標出力電力とし、その目標出力電力に応じた燃料ガス及び酸化ガスの供給量を求め、燃料ガスの供給量に応じて改質反応に使用する都市ガス量と水蒸気量とを求め、そのときの水蒸気量を水蒸気供給量Ｈ＊とする。続いて、水蒸気・熱交換器３５を通過したあとの都市ガスに含まれる水蒸気量Ｈｇを湿度センサ３８から読み込む（ステップＳ１１０）。この都市ガスに含まれる水蒸気量Ｈｇは、水蒸気・熱交換器３５にてアノードオフガスから都市ガスに移った水蒸気量に相当する。続いて、蒸発器３３で生成させる水蒸気量Ｈｓを算出する（ステップＳ１２０）。この水蒸気量Ｈｓは、水蒸気供給量Ｈ＊から都市ガスに含まれる水蒸気量Ｈｇを差し引いた値である。その後、蒸発器３３が水蒸気量Ｈｓを生成するよう蒸発器３３に供給する水量を水ポンプ３１及び調節弁３２により制御し（ステップＳ１３０）、このプログラムを終了する。
【００３５】
ここで、本実施形態の構成要素と本発明の構成要素との対応関係を明らかにする。本実施形態の改質器１２及びＣＯ選択酸化部１６が本発明の改質部に相当し、ガス配管２２から混合器３４までの各部及び水タンク３０から混合器３４までの各部が改質原料供給部に相当し、水蒸気・熱交換器３５が熱交換部に相当し、蒸発器３３が蒸発部に相当し、電子制御ユニット６０が水蒸気量調節部に相当する。
【００３６】
以上詳述した本実施形態によれば、燃料電池４０から排出されたアノードオフガスの熱を、改質器１２へ供給される都市ガスに移すため、改質器１２へ供給される都市ガスの温度が上がり、改質器１２での改質反応が良好に進行し、システム効率が向上する。なお、改質器１２へ供給される都市ガスに外部から熱量を与える構成を採用した場合には、外部から与える熱量を減らすことができる。また、アノードオフガス中の水蒸気も回収して改質器１２へ供給するため、改質器１２で必要とされる水蒸気供給量Ｈ＊を蒸発器３３で生成する際にアノードオフガスから回収した水蒸気量Ｈｇだけその生成量を減らすことができ、その分だけ蒸発器３３での熱量が削減でき、システム効率が向上する。
【００３７】
なお、オフガス凝縮器５５で回収した凝縮水を改質器１２へ供給するようにしてもよいが、その場合には、貴金属や触媒劣化粉体等が凝縮水中に溶出しているためイオン交換樹脂やフィルタ等の水精製器を通過させる必要がある。これに対して、上述した実施形態のように水蒸気・熱交換器３５で回収した水蒸気を改質器１２へ供給する場合には、水ではなく水蒸気として回収するため、オフガス凝縮器５５で回収した凝縮水を回収する場合に比べて水精製器が不要となるか又は水精製器を通過させるとしてもその負担が軽減される。
【００３８】
［第２実施形態］
図４は第２実施形態の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。この第２実施形態では、水蒸気・熱交換器３５のアノードオフガスが通過するオフガス通路３６と並列に水蒸気・熱交換器３５の外部にバイパス通路５１が設けられ、両通路３６，５１の上流側に第１三方弁５３、下流側に第２三方弁５４が設けられ、第１三方弁５３に導入されたアノードオフガスはオフガス通路３６又はバイパス通路５１のいずれかを通過したあと第２三方弁５４からオフガス凝縮器５５へと導かれるように配管されている点、貯湯槽４４には内部に貯えられている湯水の温度を検出する温度センサ４４ａが設置されている点、電子制御ユニット６０は温度センサ４４ａから貯湯槽４４の湯水の温度を入力し第１三方弁５３及び第２三方弁５４の各ソレノイドに駆動信号を出力する点以外は、第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と同じ構成要素については同じ符号を付し、その説明を省略する。また、図４では、水蒸気・熱交換器３５の都市ガス通路３７に導入されるまでの都市ガスの経路は省略したが、第１実施形態と同様、ガス配管２２から調節弁２４，昇圧ポンプ２６，脱硫器２７を経て都市ガス通路３７に導入される。
【００３９】
次に、こうして構成された燃料電池発電システムの動作について説明する。図５は通路切替処理プログラムの一例を示すフローチャートであり、このプログラムは電子制御ユニット６０の図示しないＲＯＭに記録され、所定タイミング毎に電子制御ユニット６０の図示しないＣＰＵにより読み出され実行される。このプログラムが開始されると、電子制御ユニット６０は、まず、温度センサ４４ａから貯湯槽４４の湯水の温度を読み込み（ステップＳ２００）、その温度と予め定められた所定の昇温要求範囲（湯水の昇温を要求する温度範囲）とを比較し（ステップＳ２１０）、その温度が昇温要求範囲内のときには、第１及び第２三方弁５３，５４がバイパス通路５１に通じるように第１及び第２三方弁５３，５４のソレノイドを制御し（ステップＳ２２０）、このプログラムを終了する。昇温要求範囲は、例えば６０℃以下というように定められている。これにより、お湯の使用量が多い等によって貯湯槽４４の湯水の温度が低くなって昇温要求範囲内に入ったときには、燃料電池４０から排出されたアノードオフガスは水蒸気・熱交換器３５を経由することなくオフガス凝縮器５５に導入されてアノードオフガスの熱（凝縮潜熱や顕熱など）を貯湯槽４４の湯水により有効に回収するため湯水は早期に昇温する。一方、貯湯槽４４の湯水の温度が昇温要求範囲外のときには、第１及び第２三方弁５３，５４がオフガス通路３６に通じるように第１及び第２三方弁５３，５４のソレノイドを制御し（ステップＳ２３０）、このプログラムを終了する。これにより、お湯の使用量が少ない等によって貯湯槽４４の湯水の温度が高く昇温要求範囲を超えているときには、燃料電池４０から排出されたアノードオフガスは水蒸気・熱交換器３５を経由して都市ガスに水蒸気及び熱を移したあと、残った熱をオフガス凝縮器５５で回収する。
【００４０】
ここで、本実施形態の構成要素と本発明の構成要素との対応関係を明らかにする。本実施形態のオフガス凝縮器５５が本発明の湯水昇温部に相当し、第１及び第２三方弁５３，５４が通路切替部に相当し、電子制御ユニット６０が通路切替制御部に相当する。
【００４１】
以上詳述した本実施形態によれば、貯湯槽４４の湯水の温度を上げる必要がないときにはアノードオフガスが水蒸気・熱交換器３５を経由するように切り替えて都市ガスにアノードオフガスの水蒸気及び熱を移すことによりシステム効率の向上を図ることができ、一方、貯湯槽４４の湯水の温度を上げる必要があるときにはアノードオフガスが水蒸気・熱交換器３５を経由することなくオフガス凝縮器５５に導入されるように切り替えて湯水により効率よく熱を回収しその湯水を昇温させることができる。また、貯湯槽４４の湯水の温度に応じてアノードオフガスの通路を切り替えるため、適切に切替制御をすることができる。更に、水蒸気・熱交換器３５のオフガス通路３６の下流側がオフガス凝縮器５５の上流側に接続されているため、アノードオフガスが水蒸気・熱交換器３５を経由するように切り替えられているときであっても、水蒸気・熱交換器３５でオフガスの熱及び水蒸気が回収されたあと残った熱をオフガス凝縮器５５で回収できる。
【００４２】
［第３実施形態（参考例）］
図６は第３実施形態の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。第１実施形態では燃料電池４０のアノードオフガスを水蒸気・熱交換器３５のオフガス通路３６に導いたが（図１参照）、第３実施形態では改質器１２及びＣＯ選択酸化部１６で生成した水素リッチな燃料ガスを水蒸気・熱交換器３５の燃料ガス通路１３６に導き、燃料ガス通路１３６を通過したあと燃料電池４０のアノードに導入するように構成されている。また、燃料電池４０のアノードオフガスはオフガス凝縮器５５を経て燃焼部１４へ供給される。その他の構成は第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と同じ構成要素については同じ符号を付し、その説明を省略する。なお、図６の丸１と丸１、丸２と丸２はそれぞれ繋がっているものとする。
【００４３】
次に、こうして構成された燃料電池発電システムでは、ＣＯ選択酸化部１６から燃料電池４０のアノードに至る途中の燃料ガスの熱を、脱硫器２７で硫黄分が除去され改質器１２へ供給される都市ガスに移す。これにより、改質器１２へ供給される都市ガスの温度が上がり、改質器１２での改質反応が良好に進行する。したがって、システム効率が向上する。なお、改質器１２へ供給する都市ガスに外部から熱量を与える場合には、外部から与える熱量を減らすことができる。また、ＣＯ選択酸化部１６から燃料電池４０のアノードに至る途中の燃料ガス中の水蒸気も都市ガスにより回収して改質器１２へ供給するため、その分だけ蒸発器３３で生成する水蒸気の生成量を減らすことができ、その分だけ熱量が削減でき、システム効率が向上する。
【００４４】
本実施形態のシステム構成は、ＣＯ選択酸化部１６からの燃料ガス中の水蒸気量が多く燃料電池４０がフラッディングを起こしやすい場合や、ＣＯ選択酸化部１６からの燃料ガスの温度が燃料電池４０の導入希望温度よりも高くなりやすい場合などに採用するのに適している。また、本実施形態において、図７に示すように、ＣＯ選択酸化部１６からの燃料ガスが水蒸気・熱交換器３５を通過する通路６２と並列に水蒸気・熱交換器３５の外部にバイパス通路６１を設け、両通路６１，６２の上流側に第１三方弁６３、下流側に第２三方弁６４を設け、第１三方弁６３に導入された燃料ガスは両通路６１，６２のいずれかを通過したあと第２三方弁６４から燃料電池４０のアノードへと導かれるように配管し、ＣＯ選択酸化部１６の出口付近に燃料ガスの湿度を検出する湿度センサ６５と燃料ガスの温度を検出する温度センサ６６とを設け、電子制御ユニット６０が湿度センサ６５や温度センサ６６の検出値に基づいていずれの通路６１，６２に切り替えるかを決定してもよい。具体的には、電子制御ユニット６０は、図８に示すように、両センサ６５，６６の検出値を読み込み（ステップＳ３００）、燃料ガスの湿度がフラッディング現象を発生するおそれのない所定の湿度範囲内にあるか否かを判定し（ステップＳ３１０）、所定の湿度範囲にあるときには、燃料ガスの温度が所定の希望温度範囲内にあるか否かを判定し（ステップＳ３２０）、燃料ガスの湿度が所定の湿度範囲内で温度も所定の希望温度範囲内のときには、第１及び第２三方弁６３，６４がバイパス通路６１に通じるように第１及び第２三方弁６３，６４のソレノイドを制御し（ステップＳ３３０）、燃料ガスの湿度が所定の湿度範囲内にないときつまりフラッディング現象が発生するおそれのあるときや燃料ガスの温度が所定の希望温度範囲内にないときには、第１及び第２三方弁６３，６４が水蒸気・熱交換器３５内の通路６２に通じるように第１及び第２三方弁６３，６４のソレノイドを制御する（ステップＳ３４０）ようにしてもよい。これにより、燃料電池４０でフラッディング現象が発生するおそれのあるときには燃料電池４０に供給される燃料ガスの水蒸気が水蒸気・熱交換器３５で低減されるため、燃料電池４０のフラッディング現象を防止することができる。また、ＣＯ選択酸化部１６からの燃料ガスの温度が導入温度領域を越えるほど高くなったとしても、その熱を利用して改質器１２へ供給する都市ガスを昇温させるため、システム効率が向上する。
【００４５】
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。
【００４６】
例えば、上述した実施形態では、水蒸気・熱交換器３５において燃料電池４０のアノードオフガスから都市ガスに水蒸気及び熱を移すようにしたが、これに代えて又はこれに加えて、燃料電池４０のカソードオフガスから都市ガスに水蒸気及び熱を移すように構成してもよい。
【００４７】
また、上述した実施形態では、水蒸気・熱交換器３５として中空糸膜を用いるものを例示したが、中空糸膜以外でも同様の機能を果たすものであれば採用することができる。例えば、アノードオフガスが通過する通路と都市ガスが通過する通路との間に吸湿剤が担持されたハニカムロータを回転可能に支持し、アノードオフガスが通過する通路にてアノードオフガスに含まれる水蒸気を吸着し、都市ガスが通過する通路にて吸着した水蒸気を脱着するように構成してもよい。あるいは、水蒸気透過膜を蛇腹状に折り畳んだ状態でセットした気密容器を採用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の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】水蒸気量調節処理のフローチャートである。
【図４】第２実施形態の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５】通路切替処理のフローチャートである。
【図６】第３実施形態の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７】第３実施形態の変形例の部分構成図である。
【図８】フラッディング対応制御及びガス温対応制御のフローチャートである。
【符号の説明】
１０…燃料電池発電システム、１２…改質器、１４…燃焼部、１６…ＣＯ選択酸化部、２２…ガス配管、２４…調節弁、２６…昇圧ポンプ、２７…脱硫器、２８…昇圧ポンプ、３０…水タンク、３１…水ポンプ、３２…調節弁、３３…蒸発器、３４…混合器、３５…水蒸気・熱交換器、３６…オフガス通路、３７…都市ガス通路、３８…湿度センサ、４０…燃料電池、４１…ブロア、４２…冷却水熱交換器、４３…冷却水ポンプ、４４…貯湯槽、４４ａ…温度センサ、４５…湯水循環経路、４６…貯湯ポンプ、４８…冷却水循環経路、５１…バイパス通路、５３…第１三方弁、５４…第２三方弁、５５…オフガス凝縮器、６０…電子制御ユニット、７０…系統連係パッケージ。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】
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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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【図７】
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【図８】
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