(57)【要約】【課題】燃料電池システムにおける発電効率を向上させつつ、外部へ安全な温度でガスを排出する燃料電池システムを提供する。【解決手段】気化器１２では、燃焼排ガスＧ１０と、常温の水及びメタンとの間で熱交換が行われる。気化器１２の燃焼排ガスＧ１０の出口には第１温度センサＳ１が設けられている。第１温度センサＳ１により温度Ｔ１が検知される。温度Ｔ１が設定温度Ｔ０よりも大きい場合には、ポンプＰへ水量調整指示を出し、ポンプＰでの水吐出量を増加させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと空気とを反応させて発電する燃料電池セルスタックと、
前記燃料電池セルスタックから排出されたアノードオフガスを燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器から排出される燃焼排ガスと前記燃料電池セルスタックへ供給される供給流体との間で熱交換する熱交換部と、
前記熱交換部における熱交換後の前記燃焼排ガスの温度が設定温度を超える場合に、前記熱交換部へ供給する前記供給流体の量を増加させる供給量調整部と、
を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
原料を改質して前記燃料ガスを生成する改質器をさらに備え、
前記熱交換部は、前記改質器へ水蒸気を供給する気化器を含んで構成され、
前記供給量調整部は、前記供給流体として前記気化器で気化される水を供給する、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池セルスタックは、第１燃料電池セルスタックと、前記第１燃料電池セルスタックの燃料極から排出されたアノードオフガスが供給される第２燃料電池セルスタックと、を有し、
前記第１燃料電池セルスタックと前記第２燃料電池セルスタックの間には、前記アノードオフガスから少なくとも水を除去する燃料再生器が配設されている、請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
空気を加熱する空気予熱器をさらに備え、
前記供給量調整部は、前記供給流体として前記空気予熱器で加熱される空気を供給する、ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記熱交換部は、前記燃料電池システムの外部に排出される直前の前記燃焼排ガスと前記供給流体との間で熱交換を行う、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記設定温度は、２０℃〜２００℃の範囲に設定されている、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムの中でも、燃料電池セルスタックが高温で稼働するものについては、燃料電池システム内で発生した熱を、水蒸気改質反応の熱、供給ガス、水などで回収し、排出されるガスなどの熱を、ある程度の温度まで低下させ、燃料電池システムの系外へ排出する必要がある。
【０００３】
例えば、特許文献１では、コジェネレーションシステムにおいて、燃料電池装置で発生した熱を給湯用の水と熱交換することにより回収し、熱交換後の湯を貯湯槽に貯留し、需要に応じて湯を供給する技術が開示されている。また、特許文献１では、貯湯槽の水が高温の場合に、系外の上水を用いて貯湯槽を介さずに高温ガスとの間で熱交換を行う技術も開示されている。
【０００４】
特許文献１の燃料電池システムにおいては、湯として燃料電池システムの系外に回収後の熱が排出されている。しかしながら、燃料電池システムの用途や種類によっては、発電効率を高めることが求められている。湯などに利用され系外に排出される熱エネルギーを系外へ排出せず、燃料電池システムの発電に使うための熱として優先的に利用し、投入燃料に対する発電出力の割合（以下、発電効率）を向上させつつ、外部へ安全な温度でガスを排出することが求められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１２１７３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記事実を考慮して成されたもので、燃料電池システムにおける発電効率を向上させつつ、外部へ安全な温度でガスを排出する燃料電池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】
【０００７】
請求項１記載の発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと空気とを反応させて発電する燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルスタックから排出されたアノードオフガスを燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器から排出される燃焼排ガスと前記燃料電池セルスタックへ供給される供給流体との間で熱交換する熱交換部と、前記熱交換部における熱交換後の前記燃焼排ガスの温度が設定温度を超える場合に、前記熱交換部へ供給する前記供給流体の量を増加させる、供給量調整部と、を備えている。
【０００８】
請求項１に係る燃料電池システムは、燃料電池セルスタック、及び燃焼器を備えている。燃焼器は、燃料電池セルスタックから排出されたアノードオフガスを燃焼させて、熱を発生させる。燃焼器から排出される燃焼排ガスは、熱交換部において、燃料電池セルスタックへ供給される供給流体との間で熱交換される。熱交換後の燃焼排ガスの温度が設定温度を超える場合には、供給量調整部が、熱交換部へ供給する供給流体の量を増加させて燃焼排ガスの温度を低下させる。これにより、燃焼排ガスの外部への排出温度を低下させることができると共に、燃焼排ガスの熱を回収して、水蒸気反応熱や供給ガス加熱用に用いることにより、余分な燃料投入を抑え、燃料電池システムにおける発電効率を向上させることができる。
【０００９】
なお、燃料電池セルスタックへ供給される供給流体は、熱交換後に直接燃料電池セルスタックへ供給されるものであってもよいし、他の処理部、例えば、気化器や改質器を経た後のものであってもよい。
【００１０】
請求項２記載の発明に係る燃料電池システムは、原料を改質して前記燃料ガスを生成する改質器をさらに備え、前記熱交換部は、前記改質器へ水蒸気を供給する気化器を含んで構成され、前記供給流体は前記気化器で気化される水を供給する、ことを特徴とする。
【００１１】
請求項２に係る燃料電池システムによれば、気化器へ供給する水と燃焼排ガスとで熱交換を行うので、水の供給量を増加させることにより、熱交換による燃焼排ガスの温度を容易に調整することができる。また、気化器が高温になるときに水の供給量が増加するので、水の突沸が抑制され、燃料電池セルスタックの燃料極にかかる圧力の急変を抑制することができる。
【００１２】
請求項３記載の発明に係る燃料電池システムは、前記燃料電池セルスタックは、第１燃料電池セルスタックと、前記第１燃料電池セルスタックの燃料極から排出されたアノードオフガスが供給される第２燃料電池セルスタックと、を有し、前記第１燃料電池セルスタックと前記第２燃料電池セルスタックの間には、前記アノードオフガスから少なくとも水を除去する燃料再生器が配設されている。
【００１３】
請求項３に係る燃料電池システムでは、燃料再生器によってアノードオフガスから水が除去されるので、第２燃料電池セルスタックにおける発電効率を向上させることができる。また、供給流体として水を用いた場合に、気化器へ供給される水の量が増加しても、第２燃料電池セルスタックでの発電効率の低下を抑制することができ、高い発電効率を得ることができる。
【００１４】
請求項４記載の発明に係る燃料電池システムは、前記供給流体が、前記燃料電池セルスタックの空気極へ供給される空気を含んでいる、ことを特徴とする。
【００１５】
請求項４に係る燃料電池システムによれば、空気極へ供給する空気と燃焼排ガスとで熱交換を行うので、空気の供給量を調整することにより、熱交換による燃焼排ガスの温度を容易に調整することができる。
【００１６】
請求項５記載の発明に係る燃料電池システムは、前記熱交換部は、前記燃料電池システムの外部に排出される直前の前記燃焼排ガスと前記燃料電池システムの外部から導入された直後の前記供給流体との間で熱交換を行う、ことを特徴とする。
【００１７】
請求項５に係る燃料電池システムでは、燃料電池システムの外部に排出される直前の燃焼排ガスと前記供給流体との間で熱交換が行われる。したがって、供給流体による温度調整が行われた結果が、外部への排出温度に直接反映され、温度調整を行いやすい。
【００１８】
請求項６記載の発明に係る燃料電池システムは、前記設定温度が、２０℃〜２００℃の範囲に設定されている。
【００１９】
請求項６記載の発明に係る燃料電池システムによれば、設定温度が２０℃〜２００℃の範囲に設定されているので、燃料電池システムの外部に排出されるガスの温度を比較的安全な温度にすることができる。なお、前述の設定温度は、２０℃〜１５０℃の範囲に設定することが好ましく、４０℃〜１００℃の範囲に設定されることがより好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池システムにおける発電効率を向上させつつ、外部へ安全な温度でガスを排出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】第１実施形態における燃焼排ガスの出口温度と気化器へ供給する水の量の関係を示す調整用テーブルである。
【図３】第１実施形態の排出ガス温度調整処理のフローチャートである。
【図４】第２実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図５】第２実施形態における燃焼排ガスの出口温度と気化器へ供給する水の量の関係を示す調整用テーブルである。
【図６】第２実施形態の排出ガス温度調整処理のフローチャートである。
【図７】第２実施形態の変形例に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図８】第３実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
［第１実施形態］
以下、図面を参照して本発明の第１実施形態を詳細に説明する。
【００２３】
図１には、本実施形態に係る燃料電池システム１０Ａの概略構成が示されている。本実施形態に係る燃料電池システム１０Ａは、モノジェネレーションシステムであり、コジェネレーションシステム（熱併給発電）と区別される。燃料電池システム１０Ａは、主要な構成として、気化器１２、改質器１４、燃料電池セルスタック１６、空気予熱器３０、燃焼器４０、及び供給量調整部５０を備えている。
【００２４】
気化器１２には、原料ガス管Ｐ１の一端が接続されており、原料ガス管Ｐ１の他端は図示しないガス源に接続されている。ガス源からは、ブロアＢ１によりメタンが気化器１２へ送出される。また、気化器１２には、水供給管Ｐ２が接続されている。水供給管Ｐ２からは、ポンプＰにより、水（液相）が気化器１２へ送出される。ポンプＰは、後述する供給量調整部５０と接続されている。気化器１２では、水が気化される。気化には、後述する燃焼器４０から排出された燃焼排ガスＧ１０の熱が用いられる。なお、本実施形態では、原料ガスとしてメタンを用いるが、改質が可能なガスであれば特に限定されず、炭化水素燃料を用いることができる。炭化水素燃料としては、天然ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）、石炭改質ガス、低級炭化水素ガスなどが例示される。低級炭化水素ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭素数４以下の低級炭化水素が挙げられ、本実施形態で用いるメタンが好ましい。なお、炭化水素燃料としては、上述した低級炭化水素ガスを混合したものであってもよい。
【００２５】
メタン及び水蒸気は、気化器１２から配管Ｐ３を介して改質器１４へ送出される。改質器１４では、メタンを改質し、水素を含む６００℃程度の温度の燃料ガスＧ１を生成する。改質器１４には、燃料ガス管Ｐ４の一端が接続されている。燃料ガス管Ｐ４の他端は、燃料電池セルスタック１６のアノード（燃料極）１６Ａと接続されている。改質器１４で生成された燃料ガスＧ１は、燃料ガス管Ｐ４を介してアノード１６Ａに供給される。
【００２６】
燃料電池セルスタック１６は、固体酸化物形の燃料電池セルスタックであり(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)、積層された複数の燃料電池セルを有している。燃料電池セルスタック１６は、作動温度が６５０℃程度に設定されている。
【００２７】
燃料電池セルスタック１６の個々の燃料電池セルは、電解質膜と、当該電解質膜の表裏面にそれぞれ積層されたアノード（燃料極）１６Ａ、及びカソード（空気極）１６Ｂと、を有している。
【００２８】
燃料電池セルスタック１６のカソード１６Ｂには、空気管Ｐ５の一端が接続され、空気管Ｐ５の他端には、ブロアＢ２が接続されている。ブロアＢ２から送出された空気Ｇ５は、空気管Ｐ５によって、空気予熱器３０を経由し、カソード１６Ｂへ供給される。
【００２９】
カソード１６Ｂでは、下記（１）式に示すように、空気中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。生成された酸素イオンは電解質膜を通って燃料電池セルスタック１６のアノード１６Ａに到達する。
【００３０】
（空気極反応）
１／２Ｏ２＋２ｅ− →Ｏ２−  …（１）
【００３１】
カソード１６Ｂからは、カソードオフガスが排出される。
【００３２】
一方、燃料電池セルスタック１６のアノード１６Ａでは、下記（２）式及び（３）式に示すように、電解質膜を通ってきた酸素イオンが燃料ガス中の水素及び一酸化炭素と反応し、水(水蒸気)及び二酸化炭素と電子が生成される。アノード１６Ａで生成された電子がアノード１６Ａから外部回路を通ってカソード１６Ｂに移動することで、各燃料電池セルスタックにおいて発電される。また、各燃料電池セルスタックは、発電時に発熱する。
【００３３】
（燃料極反応）
Ｈ２ ＋Ｏ２− →Ｈ２Ｏ＋２ｅ−  …(２)
ＣＯ＋Ｏ２− →ＣＯ２＋２ｅ−  …(３)
【００３４】
アノード１６Ａには、アノードオフガス管Ｐ７の一端が接続されている。アノード１６Ａからアノードオフガス管Ｐ７へ、アノードオフガスＧ３が排出される。アノードオフガスＧ３には、未反応の水素、未反応の一酸化炭素、二酸化炭素及び水蒸気等が含まれている。
【００３５】
アノードオフガス管Ｐ７の他端は、燃焼器４０と接続されており、アノードオフガスＧ３は燃焼器４０へ送出される。
【００３６】
カソード１６Ｂには、カソードオフガス管Ｐ９の一端が接続されている。カソードオフガス管Ｐ９の他端は、燃焼器４０と接続されており、カソードオフガスＧ９は燃焼器４０へ送出される。
【００３７】
燃焼器４０では、燃料電池セルスタック１６のアノード１６Ａから排出されたアノードオフガスＧ３が燃焼される。燃焼器４０の出口側には、燃焼排ガス管Ｐ１０の一端が接続されている。燃焼排ガスＧ１０は、空気予熱器３０を経由して熱交換部としても機能する気化器１２に導入され、熱交換後に外部に排出されている。
【００３８】
燃焼排ガスＧ１０は、空気予熱器３０において、常温の空気Ｇ５と熱交換が行われる。その後、気化器１２へ送出され、気化器１２において、常温の水及びメタンと熱交換が行われる。熱交換が行われた後の燃焼排ガスＧ１０の温度をＴ１とする。気化器１２の燃焼排ガスＧ１０の出口には第１温度センサＳ１が設けられている。第１温度センサＳ１により温度Ｔ１が検知される。燃焼排ガスＧ１０は、気化器１２において熱交換が行われた後、外部に排出される。
【００３９】
供給量調整部５０は、第１温度センサＳ１、及びポンプＰと接続されている。第１温度センサＳ１は、検知した温度Ｔ１を供給量調整部５０へ出力する。供給量調整部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、メモリ等を含んで構成されており、メモリには設定温度Ｔ０と、図２に示す調整用テーブル５２が記憶されている。設定温度Ｔ０は、燃料電池システム１０Ａの外に排出されるガスの高温限界値であり、燃料電池システムの設置場所等を考慮して設定される。燃料電池システム１０Ａでは、特に、起動時、低負荷時、停止時等で、燃焼排ガスＧ１０の温度が上昇しやすい。設定温度Ｔ０としては、安全性と発電効率を考慮して、４０℃〜１００℃の範囲内で設定される。調整用テーブル５２には、設定温度Ｔ０を超えた後の温度Ｔ１とポンプＰで気化器１２へ供給する水の吐出量との関係グラフデータが記憶されている。供給量調整部５０は、設定温度Ｔ０を超えた場合に、調整用テーブル５２に基づいて、後述する排出ガス温度調整処理により、ポンプＰの水吐出量を制御する。
【００４０】
次に、本実施形態の燃料電池システム１０Ａの動作について説明する。
【００４１】
ブロアＢ２により所定の空気吐出量で送出された空気Ｇ５は、空気予熱器３０を経てカソード１６Ｂへ供給され、発電に供された後、カソードオフガス管Ｐ９を経て燃焼器４０へ送出される。一方、ブロアＢ１により所定の吐出量で送出されたメタンは、気化器１２へ供給される。また、気化器１２には、ポンプＰにより所定の水吐出量で水（液相）が供給され、燃焼排ガスにより加熱される。これにより水は気化され、加熱されたメタンと水蒸気は改質器１４へ送出される。そして、改質器１４で燃料ガスＧ１へ改質され、アノード１６Ａへ供給されて、発電に供される。アノード１６Ａからは、未反応の水素等の燃料を含むアノードオフガスＧ３が排出され、アノードオフガス管Ｐ７を経て燃焼器４０へ送出される。
【００４２】
燃焼器４０では、アノードオフガスＧ３が燃焼に供され、燃焼による熱で改質器１４が加熱される。燃焼器４０からは、燃焼排ガスＧ１０が燃焼排ガス管Ｐ１０へ送出され、空気予熱器３０において、空気Ｇ５との間で熱交換が行われる。燃焼排ガスＧ１０は、さらに、気化器１２へ送出され、メタン及び水との間で熱交換が行われる。
【００４３】
第１温度センサＳ１で検知された温度Ｔ１は、供給量調整部５０へ出力されている。供給量調整部５０では、燃料電池システム１０Ａの動作中、図３に示す、排出ガス温度調整処理が行われる。ステップＳ１０で、温度Ｔ１が設定温度Ｔ０よりも大きいかどうかを判断する。温度Ｔ１が設定温度Ｔ０よりも大きい場合には、ステップＳ１２で調整用テーブル５２を参照し、温度Ｔ１に対応する水吐出量データを取得する。そして、取得した水吐出量データに基づいて、ステップＳ１４でポンプＰへ水量調整指示を出力する。これにより、ポンプＰでの水吐出量が、温度Ｔ１に応じて増加し、気化器１２へ供給される水の量が増加するので、外部へ排出される燃焼排ガスＧ１０の温度が低下する。その後、ステップＳ１０へ戻り、温度Ｔ１が設定温度Ｔ０よりも大きい場合には、上記の処理を繰り返す。温度Ｔ１が設定温度Ｔ０よりも大きくない場合には、ステップＳ１０を繰り返し、待機する。
【００４４】
本実施形態では、上記のように、気化器１２で熱交換が行われた後の燃焼排ガスＧ１０の温度Ｔ１が、設定温度Ｔ０よりも高い場合に、気化器１２へ供給する水の量を増加させるので、燃料電池システム１０Ａから外部へ排出されるガスの温度を低下させる。これにより、外部への排出口などにおける安全性を向上させることができる。また、気化器１２において、燃焼排ガスＧ１０の熱により、改質前のメタン及び水を加熱するので、メタンの昇温と水の気化、昇温に必要な熱を外部から別途供給する必要がなくなる。また、燃料電池セルスタックの発電に伴う発熱は、燃料電池セルスタックの温度上昇に供することができるので、燃料電池セルスタックの高温化により発電性能が向上する。その結果、燃料電池システム１０Ａにおける発電効率を向上させることができる。
【００４５】
また、本実施形態では、温度Ｔ１が高くなる場合に、気化器１２へ供給する水の量を増加させて温度Ｔ１を下げているので、気化器１２における水の突沸を抑制することができる。これにより、アノード１６Ａへ供給する燃料ガスＧ１のガス圧の急変が抑制され、燃料電池セルスタック１６において、安定した発電をすることができる。
【００４６】
また、気化器１２は、燃料電池システム１０Ａにおいて、燃焼排ガスＧ１０が外部へ排出される直前に配置されているので、温度調整の結果が外部へ排出される燃焼排ガスＧ１０の温度へ直接反映され、外部へ排出されるガスの温度調整を行いやすい。
【００４７】
なお、本実施形態では、気化器１２に供給する水を増加させることで、温度Ｔ１を低下させたが、空気予熱器３０へ供給する空気Ｇ５の量を増加させることにより、燃焼排ガスＧ１０の温度を低下させてもよいし、気化器１２に供給する水の量及び空気予熱器３０へ供給する空気Ｇ５の量の両方を増加させて、燃焼排ガスＧ１０の温度を低下させてもよい。
【００４８】
また、本実施形態では、調整用テーブル５２を記憶し、温度Ｔ１に応じて増加させる水の量を調整したが、温度Ｔ１が設定温度Ｔ０を超えた場合に、気化器１２へ供給する水の量を一定量増加させるフィードバック制御を行ってもよい。
【００４９】
また、本実施形態では、温度Ｔ１が設定温度Ｔ０を超えた場合に、常に排出ガス温度調整処理を行ったが、燃焼排ガスＧ１０の温度が上昇しやすい時、例えば、燃料電池システム１０Ａの起動時、低負荷時、停止時に限定して、排出ガス温度調整処理を行うようにしてもよい。
【００５０】
［第２実施形態］
次に、本実施形態の第２実施形態について説明する。本実施形態では、第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
【００５１】
図４に示されるように、本実施形態の燃料電池システム１０Ｂは、空気予熱器３２を備えている。空気予熱器３２は、空気管Ｐ５の空気予熱器３０よりも上流側に配置され、燃焼排ガス管Ｐ１０の気化器１２よりも下流側に配置されている。空気予熱器３２へは、ブロアＢ２から吐出された、燃料電池システム１０Ｂへ導入された直後の常温の空気Ｇ５が送出されると共に、気化器１２から燃焼排ガスＧ１０が送出されている。空気予熱器３２では、気化器１２で熱交換された後の燃焼排ガスＧ１０と常温の空気Ｇ５との間で熱交換が行われる。空気予熱器３２において空気Ｇ５と熱交換した後の燃焼排ガスＧ１０の温度をＴ２とする。空気予熱器３０へは、空気予熱器３２で加熱された後の空気Ｇ５が送出される。
【００５２】
空気予熱器３２の燃焼排ガスＧ１０の出口には第２温度センサＳ２が設けられている。第２温度センサＳ２により温度Ｔ２が検知される。燃焼排ガスＧ１０は、空気予熱器３２で熱交換が行われた後、外部に排出される。
【００５３】
供給量調整部５０は、第２温度センサＳ２、及びブロアＢ２と接続されている。第２温度センサＳ２は、検知した温度Ｔ２を供給量調整部５０へ出力する。供給量調整部５０のメモリには設定温度Ｔ０と、図５に示す調整用テーブル５４が記憶されている。調整用テーブル５４には、設定温度Ｔ０を超えた後の温度Ｔ２とブロアＢ２で空気予熱器３２へ供給する空気の吐出量との関係データが記憶されている。供給量調整部５０は、設定温度Ｔ０を超えた場合に、調整用テーブル５４に基づいて、後述する排出ガス温度調整処理により、ブロアＢ２の空気吐出量を制御する。
【００５４】
次に、本実施形態の燃料電池システム１０Ｂの動作について説明する。
【００５５】
ブロアＢ２により所定の空気吐出量で送出された空気Ｇ５は、空気予熱器３２、３０を経てカソード１６Ｂへ供給され、発電に供された後、カソードオフガス管Ｐ９を経て燃焼器４０へ送出される。一方、アノード１６Ａへは、第１実施形態と同様に、燃料ガスＧ１が供給される。
【００５６】
燃焼器４０では、第１実施形態と同様にアノードオフガスＧ３が燃焼に供され、燃焼器４０から、燃焼排ガスＧ１０が送出され、空気予熱器３０において、空気Ｇ５との間で熱交換が行われる。燃焼排ガスＧ１０は、次に、気化器１２へ送出され、メタン及び水との間で熱交換が行われ、空気予熱器３２へ送出されて更に熱交換が行われる。
【００５７】
第２温度センサＳ２で検知された温度Ｔ２は、供給量調整部５０へ出力されている。供給量調整部５０では、燃料電池システム１０Ｂの動作中、図６に示す、排出ガス温度調整処理が行われる。ステップＳ２０で、温度Ｔ２が設定温度Ｔ０よりも大きいかどうかを判断する。温度Ｔ２が設定温度Ｔ０よりも大きい場合には、ステップＳ２２で調整用テーブル５４を参照し、温度Ｔ２に対応する空気吐出量データを取得する。そして、取得した水吐出量データに基づいて、ステップＳ２４でブロアＢ２へ空気量調整指示を出力する。
【００５８】
これにより、ブロアＢ２での空気吐出量が、温度Ｔ２に応じて増加し、空気予熱器３２へ供給される空気の量が増加するので、外部へ排出される燃焼排ガスＧ１０の温度が低下する。その後、ステップＳ２０へ戻り、温度Ｔ２が設定温度Ｔ０よりも大きい場合には、上記の処理を繰り返す。温度Ｔ２が設定温度Ｔ０よりも大きくない場合には、ステップＳ２０を繰り返し、待機する。
【００５９】
本実施形態では、空気予熱器３２で熱交換が行われた後の燃焼排ガスＧ１０の温度Ｔ２が、設定温度Ｔ０よりも高い場合に、空気予熱器３２へ供給する空気の量を増加させるので、燃料電池システム１０Ｂから外部へ排出されるガスの温度を低下させることができる。また、空気予熱器３２において、燃焼排ガスＧ１０の熱により、カソード１６Ｂへ供給する空気を加熱するので、空気の昇温に必要な熱を外部から別途供給する必要がなくなる。また、燃料電池セルスタックの発電に伴う発熱は、燃料電池セルスタックの温度上昇に供することができるので、燃料電池セルスタックの高温化により発電性能が向上する。その結果、燃料電池システム１０Ｂにおける発電効率を向上させることができる。
【００６０】
また、空気予熱器３２は、燃料電池システム１０Ｂにおいて、燃焼排ガスＧ１０が外部へ排出される直前に配置されているので、温度調整の結果が外部へ排出される燃焼排ガスＧ１０の温度へ直接反映され、外部へ排出されるガスの温度調整を行いやすい。また、空気予熱器３２へ導入される空気Ｇ５は、外部から導入された直後の常温であるので、燃焼排ガスＧ１０との温度差が大きくなり、熱交換効率を高めることができる。
【００６１】
なお、本実施形態では、空気予熱器３２に供給する空気を増加させることで、温度Ｔ２を低下させたが、空気予熱器３０へ供給する空気Ｇ５の量を増加させることにより、燃焼排ガスＧ１０の温度を低下させてもよいし、気化器１２に供給する水の量を増加させることにより、燃焼排ガスＧ１０の温度を低下させてもよいし、空気予熱器３２、３０へ供給する空気量、及び気化器１２へ供給する水量のすべて又は一部を増加させて、燃焼排ガスＧ１０の温度を低下させてもよい。
【００６２】
また、本実施形態では、調整用テーブル５４を記憶し、温度Ｔ２に応じて増加させる空気の量を調整したが、温度Ｔ２が設定温度Ｔ０を超えた場合に、空気予熱器３２へ供給する空気量を一定量増加させてフィードバック制御を行ってもよい。
【００６３】
また、本実施形態では、メタンを原料ガスとし、改質器１４で水素や一酸化炭素へ改質したが、気化器や改質器を設置することなく、水素を直接アノード１６Ａへ供給して発電を行ってもよい。この場合には、図７に示されるように、ブロアＢ１とアノード１６Ａの間に水素予熱器３４を設け、空気予熱器３０で空気と熱交換を行った後の燃焼排ガスＧ１０で水素を加熱することができる。
【００６４】
また、本実施形態では、カソードオフガスＧ９を燃焼器４０へ供給したが、カソード１６Ｂを経由させずに別ルートの空気供給管で空気を燃焼器４０へ供給してもよい。この場合には、当該別ルートの空気供給管に空気予熱器を設け、当該空気予熱器において燃焼排ガスＧ１０と空気の間で熱交換を行う。そして、熱交換後の燃焼排ガスＧ１０の温度を温度センサで検出し、当該温度が設定温度Ｔ０を超えた場合に、上記と同様に供給する空気量を制御すればよい。
【００６５】
［第３実施形態］
次に、本実施形態の第３実施形態について説明する。本実施形態では、第１、２実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
【００６６】
図８に示されるように、本実施形態の燃料電池システム１０Ｃは、燃料電池セルスタック１６に加えて、燃料電池セルスタック１８を有する、多段式の燃料電池システムで構成されている。本実施形態では、燃料電池セルスタック１６を第１燃料電池セルスタック１６と称し、燃料電池セルスタック１８を第２燃料電池セルスタック１８と称する。第２燃料電池セルスタック１８は、第１燃料電池セルスタック１６と同様の構成とされ、アノード１８Ａ及びカソード１８Ｂを有している。
【００６７】
アノード１６Ａから排出されたアノードオフガスＧ３は、アノードオフガス管Ｐ７−１を通って燃料再生器４４へ送出される。燃料再生器４４では、アノードオフガスＧ３から、二酸化炭素及び水の少なくとも一方が除去される。燃料再生器４４では、例えば、分離膜、吸着剤、凝縮器などを用いて二酸化炭素及び水の少なくとも一方を除去することができる。燃料再生器４４で二酸化炭素及び水の少なくとも一方が除去されたアノードオフガスＧ３−２は、アノードオフガス管Ｐ７−２を通って第２燃料電池セルスタック１８のアノード１８Ａへ送出され、発電に供される。
【００６８】
一方、カソード１６Ｂから排出されたカソードオフガスＧ９−１は、カソードオフガス管Ｐ９−１を通って第２燃料電池セルスタック１８のカソード１８Ｂへ送出され、発電に供される。
【００６９】
アノード１８Ａからは、アノードオフガスＧ３−３がアノードオフガス管Ｐ７−３を通って燃焼器４０へ送出される。カソード１８Ｂからは、カソードオフガスＧ９−２がカソードオフガス管Ｐ９−２を通って燃焼器４０へ送出される。
【００７０】
燃焼器４０では、アノードオフガスＧ３−３が燃焼され、燃焼排ガスＧ１０が、第１実施形態と同様に、空気予熱器３０を経由して気化器１２に導入され、熱交換の後に外部に排出されている。
【００７１】
本実施形態では、第２燃料電池セルスタック１８で、アノードオフガスＧ３内の未反応水素や一酸化炭素を再利用して発電を行うので、燃焼器４０で燃焼させる燃料ガスの量が減少する。したがって、燃焼器４０から排出される燃焼排ガスＧ１０自体の温度を低下させることができる。
【００７２】
また、本実施形態でも、供給量調整部５０は、第１実施形態と同様の構成を有し、同様の排出ガス温度調整処理（図３参照）が行われており、気化器１２で熱交換が行われた後の燃焼排ガスＧ１０の温度Ｔ１が、設定温度Ｔ０よりも高い場合に、気化器１２へ供給する水の量を増加させている。これにより、燃料電池システム１０Ｃから外部へ排出されるガスの温度を低下させることができる。
【００７３】
また、気化器１２において、燃焼排ガスＧ１０の熱により、改質前のメタン及び水を加熱するので、メタンの昇温と水の気化、昇温に必要な熱を外部から別途供給する必要がなくなる。また、燃料電池セルスタックの発電に伴う発熱は、燃料電池セルスタックの温度上昇に供することができるので、燃料電池セルスタックの高温化により発電性能が向上する。その結果、燃料電池システム１０Ｃにおける発電効率を向上させることができる。
【００７４】
さらに、本実施形態では、燃焼排ガスＧ１０の温度を下げるために気化器１２へ供給する水の量を増加させても、燃料再生器４４でアノードオフガスＧ３−１から水を除去することにより、第２燃料電池セルスタック１８のアノード１８Ａへ供給するアノードオフガスＧ３−３に含まれる水（水蒸気）は減少している。したがって、燃料電池システム１０Ｃの発電効率を高く維持することができる。
【００７５】
さらに、本実施形態で示されるような多段式の燃料電池システムは、可能な限り供給燃料を発電に回すことを想定したシステムであり、燃料電池セルスタックの発電に伴う発熱や燃焼排ガスの熱を余すことなく系内に留める必要がある。本発明は、高い発電温度を保ちつつ、外部からの熱の供給を減らすことができるので、本実施形態のような多段式の燃料電池システムに好適に用いることができる。
【００７６】
なお、本発明の燃料電池としては、固体酸化物形の燃料電池(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)に限られるものではなく、他の燃料電池、例えば、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)であってもよい。
【００７７】
また、本発明は、燃料電池セルスタック１６からのアノードオフガスを再利用する、循環式の燃料電池システムに適用することもできる。
【００７８】
また、本実施形態では、本発明をモノジェネレーションシステムの燃料電池システムに適用した例で説明したが、コジェネレーションシステムであっても、排熱を熱需要に利用しない運転時において、本発明を適用することができる。
【００７９】
さらに、本発明は、前述の第１、２実施形態に限定されず、本発明の技術的思想内で、当業者によって、既知の装置を組み合わせて実施することができる。例えば、熱交換器の設置、組み合わせなどを、種々に設定することができる。
【符号の説明】
【００８０】
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ  燃料電池システム
１２   気化器、    １４  改質器、    １６  燃料電池セルスタック
１６Ａ、１８Ａ  アノード    １６Ｂ、１８Ｂ  カソード
１８   第２燃料電池セルスタック
３０、３２    空気予熱器
４０   燃焼器      ４４  燃料再生器      ５０  供給量調整部
Ｇ１   燃料ガス      Ｇ３  アノードオフガス      Ｇ５   空気
Ｇ９   カソードオフガス      Ｇ１０  燃焼排ガス
Ｓ１、Ｓ２    温度センサ（供給量調整部）
Ｔ０   設定温度
【図１】
2017183034.tif 000003
【図２】
2017183034.tif 000004
【図３】
2017183034.tif 000005
【図４】
2017183034.tif 000006
【図５】
2017183034.tif 000007
【図６】
2017183034.tif 000008
【図７】
2017183034.tif 000009
【図８】
2017183034.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成28年10月20日(2016.10.20)
【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】
燃料ガスと空気とを反応させて発電する燃料電池セルスタックと、
前記燃料電池セルスタックから排出されたアノードオフガスを燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器から排出される燃焼排ガスと前記燃料電池セルスタックへ供給される供給流体との間で熱交換する熱交換部と、
前記熱交換部における前記供給流体との間での熱交換後の前記燃焼排ガスの温度が設定温度を超える場合に、前記熱交換部へ供給している前記供給流体の量を増加させる供給量調整部と、
を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
原料を改質して前記燃料ガスを生成する改質器をさらに備え、
前記熱交換部は、前記改質器へ水蒸気を供給する気化器を含んで構成され、
前記供給量調整部は、前記供給流体として前記気化器で気化される水を供給する、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池セルスタックは、第１燃料電池セルスタックと、前記第１燃料電池セルスタックの燃料極から排出されたアノードオフガスが供給される第２燃料電池セルスタックと、を有し、
前記第１燃料電池セルスタックと前記第２燃料電池セルスタックの間には、前記アノードオフガスから少なくとも水を除去する燃料再生器が配設されている、請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
空気を加熱する空気予熱器をさらに備え、
前記供給量調整部は、前記供給流体として前記空気予熱器で加熱される空気を供給する、ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記熱交換部は、前記燃料電池システムの外部に排出される直前の前記燃焼排ガスと前記供給流体との間で熱交換を行う、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記設定温度は、２０℃〜２００℃の範囲に設定されている、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
請求項１記載の発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと空気とを反応させて発電する燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルスタックから排出されたアノードオフガスを燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器から排出される燃焼排ガスと前記燃料電池セルスタックへ供給される供給流体との間で熱交換する熱交換部と、前記熱交換部における前記供給流体との熱交換後の前記燃焼排ガスの温度が設定温度を超える場合に、前記熱交換部へ供給している前記供給流体の量を増加させる、供給量調整部と、を備えている。
【手続補正書】
【提出日】平成29年1月13日(2017.1.13)
【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】
原料を改質して燃料ガスを生成する改質器と、
前記燃料ガスと空気とを反応させて発電する燃料電池セルスタックと、
前記燃料電池セルスタックから排出されたアノードオフガスを燃焼させ燃焼熱で前記改質器を加熱する燃焼器と、
前記改質器を加熱後に前記燃焼器から排出される燃焼排ガスと前記燃料電池セルスタックへ供給される供給流体との間で熱交換する熱交換部と、
前記熱交換部における前記供給流体との間での熱交換後の前記燃焼排ガスの温度が設定温度を超える場合に、前記熱交換部へ供給している前記供給流体の量を増加させる供給量調整部と、
を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
前記熱交換部は、前記改質器へ水蒸気を供給する気化器を含んで構成され、
前記供給量調整部は、前記供給流体として前記気化器で気化される水を供給する、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
空気を加熱する空気予熱器をさらに備え、
前記供給量調整部は、前記供給流体として前記空気予熱器で加熱される空気を供給する、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池セルスタックは、第１燃料電池セルスタックと、前記第１燃料電池セルスタックの燃料極から排出されたアノードオフガスが供給される第２燃料電池セルスタックと、を有し、
前記第１燃料電池セルスタックと前記第２燃料電池セルスタックの間には、前記アノードオフガスから少なくとも水を除去する燃料再生器が配設されている、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記熱交換部は、前記燃料電池システムの外部に排出される直前の前記燃焼排ガスと前記供給流体との間で熱交換を行う、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記設定温度は、２０℃〜２００℃の範囲に設定されている、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
燃料ガスと空気とを反応させて発電する燃料電池セルスタックと、
前記燃料電池セルスタックから排出されたアノードオフガスを燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器から排出される燃焼排ガスと前記燃料電池セルスタックへ供給される供給流体との間で熱交換する熱交換部と、
前記熱交換部における前記供給流体との間での熱交換後の前記燃焼排ガスの温度が設定温度を超える場合に、前記熱交換部へ供給している前記供給流体の量を増加させる供給量調整部と、
を備え、
前記熱交換部は、燃料電池システムの外部に排出される直前の前記燃焼排ガスと前記供給流体との間で熱交換を行う、燃料電池システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
請求項１記載の発明に係る燃料電池システムは、原料を改質して燃料ガスを生成する改質器と、前記燃料ガスと空気とを反応させて発電する燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルスタックから排出されたアノードオフガスを燃焼させ燃焼熱で前記改質器を加熱する燃焼器と、前記改質器を加熱後に前記燃焼器から排出される、前記改質器との熱交換後の燃焼排ガスと前記燃料電池セルスタックへ供給される供給流体との間で熱交換する熱交換部と、前記熱交換部における前記供給流体との間での熱交換後の前記燃焼排ガスの温度が設定温度を超える場合に、前記熱交換部へ供給している前記供給流体の量を増加させる供給量調整部と、を備えている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
請求項４記載の発明に係る燃料電池システムは、前記燃料電池セルスタックは、第１燃料電池セルスタックと、前記第１燃料電池セルスタックの燃料極から排出されたアノードオフガスが供給される第２燃料電池セルスタックと、を有し、前記第１燃料電池セルスタックと前記第２燃料電池セルスタックの間には、前記アノードオフガスから少なくとも水を除去する燃料再生器が配設されている。
【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】
請求項４に係る燃料電池システムでは、燃料再生器によってアノードオフガスから水が除去されるので、第２燃料電池セルスタックにおける発電効率を向上させることができる。また、供給流体として水を用いた場合に、気化器へ供給される水の量が増加しても、第２燃料電池セルスタックでの発電効率の低下を抑制することができ、高い発電効率を得ることができる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
請求項３記載の発明に係る燃料電池システムは、空気を加熱する空気予熱器をさらに備え、前記供給量調整部は、前記供給流体として前記空気予熱器で加熱される空気を供給する、ことを特徴とする。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
請求項３に係る燃料電池システムによれば、空気極へ供給する空気と燃焼排ガスとで熱交換を行うので、空気の供給量を調整することにより、熱交換による燃焼排ガスの温度を容易に調整することができる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
請求項６記載の発明に係る燃料電池システムによれば、設定温度が２０℃〜２００℃の範囲に設定されているので、燃料電池システムの外部に排出されるガスの温度を比較的安全な温度にすることができる。なお、前述の設定温度は、２０℃〜１５０℃の範囲に設定することが好ましく、４０℃〜１００℃の範囲に設定されることがより好ましい。
請求項７記載の発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと空気とを反応させて発電する燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルスタックから排出されたアノードオフガスを燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器から排出される燃焼排ガスと前記燃料電池セルスタックへ供給される供給流体との間で熱交換する熱交換部と、前記熱交換部における前記供給流体との間での熱交換後の前記燃焼排ガスの温度が設定温度を超える場合に、前記熱交換部へ供給している前記供給流体の量を増加させる供給量調整部と、を備え、前記熱交換部は、燃料電池システムの外部に排出される直前の前記燃焼排ガスと前記供給流体との間で熱交換を行う。