(57)【要約】【課題】起動時などＳＯＦＣ１０の燃料ガス利用率が低下し、ＳＯＦＣから排気される燃焼排ガスの温度が非常に高くなった場合でも、プレ改質器１３の温度を最適温度範囲内に維持し、安定した固体酸化物形燃料電池システムを提供する。【解決手段】固体酸化物形燃料電池１０の排ガスを燃焼室１１で燃焼させ、その燃焼排ガス（ライン３７）を、固体酸化物形燃料電池１０の燃料を水蒸気改質するプレ改質器１３の改質用熱エネルギーとして用いるシステムにおいて、前記燃焼室１１とプレ改質器１３との間に流入空気量を調節することでプレ改質器１３への燃焼排ガスの温度を制御可能な空気予熱器１２を配置し、プレ改質器１３への燃焼排ガスの温度を最適に制御する制御器４２を設けた。【選択図】図１
2009140695.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空気が供給されるカソードとを有する燃料電池と、前記燃料電池のアノード出口とカソード出口から排出される燃料排ガスと空気排ガスを混合して燃焼する燃焼室と、前記空気を前記カソードに供給する前に加熱する空気予熱器と、混合燃料を改質して前記燃料ガスを生成するプレ改質器と、前記空気予熱器に導入される前記空気の流量を調整する流量調整機構と、前記燃焼室から排出される燃焼排ガスを前記空気予熱器を予熱するための熱源として供給する機構と、前記空気予熱器から排出される前記燃焼排ガスを前記プレ改質器を加熱するための熱源として供給する機構とを備えた燃料電池の排熱回収システムにおいて、前記燃料電池のカソードへの空気供給ラインへ前記空気を供給する空気供給手段と、この空気供給手段から前記空気予熱器を通して前記空気供給ラインへ導く空気予熱器用空気供給ラインと、前記空気供給手段から前記空気供給ラインへ導く空気予熱器バイパスラインとを備えたことを特徴とする燃料電池の排熱回収システム。
【請求項２】
請求項１において、前記空気供給手段から前記空気供給ラインへ導く空気予熱器バイパスラインに空気加熱用ヒータを備えていることを特徴とする燃料電池の排熱回収システム。
【請求項３】
請求項１または２において、前記プレ改質器から前記燃料電池のアノードに供給される改質燃料の温度を検出する温度センサと、この検出温度を所定範囲内に保つように、前記空気予熱器に導入される前記空気の流量を、前記流量調整機構を用いて制御する制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池の排熱回収システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、前記空気予熱器から前記プレ改質器に向かって排出される前記燃焼排ガスの温度を検出する温度センサと、この検出温度を所定範囲内に保つように、前記空気予熱器に導入される前記空気の流量を、前記流量調整機構を用いて制御する制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池の排熱回収システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかにおいて、前記燃料電池内のセル温度を検出する温度センサと、この検出温度を所定範囲内に保つように、前記空気予熱器に導入される前記空気の流量を、前記流量調整機構を用いて制御する制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池の排熱回収システム。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかにおいて、前記プレ改質器を通った前記燃焼排ガスの残存熱エネルギーを用いて、原燃料と水蒸気との混合燃料を加熱するとともに、加熱した前記混合燃料を前記プレ改質器に供給する燃料予熱器を備えたことを特徴とする燃料電池の排熱回収システム。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかにおいて、前記プレ改質器を通った前記燃焼排ガスの残存熱エネルギーを用いて、原燃料と混合して混合燃料となる水蒸気を発生させる蒸気発生器を備えたことを特徴とする燃料電池の排熱回収システム。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかにおいて、前記プレ改質器を通った前記燃焼排ガスの残存熱エネルギーを用いて、水との熱交換により温水を出力する熱交換器を備えたことを特徴とする燃料電池の排熱回収システム。
【請求項９】
請求項８において、前記熱交換器から排出される燃焼ガスの残存熱エネルギーを用いて、原燃料との間で熱及び水分を交換する加湿器を備えたことを特徴とする燃料電池の排熱回収システム。
【請求項１０】
燃料ガスが供給されるアノードと空気が供給されるカソードとを有する燃料電池と、前記燃料電池のアノード出口とカソード出口から排出される燃料排ガスと空気排ガスを混合して燃焼する燃焼室と、前記空気を前記カソードに供給する前に加熱する空気予熱器と、混合燃料を改質して前記燃料ガスを生成するプレ改質器を備える燃料電池の排熱回収システムにおいて、前記燃焼室から排出される燃焼排ガスを前記空気予熱器を予熱するための熱源として供給する機構と、前記空気予熱器に導入される前記空気の流量を調整する流量調整機構と、前記空気予熱器から排出される前記燃焼排ガスを前記プレ改質器を加熱するための熱源として供給する機構と、前記プレ改質器から前記燃料電池のアノードへ供給される改質燃料の温度を検出する改質燃料温度センサ，前記空気予熱器から前記プレ改質器へ排出する燃焼排ガスの温度を検出する燃焼排ガス温度センサ，および／または前記燃料電池のセル温度を検出するセル温度センサによって検出した温度を所定範囲内に保つように、前記空気予熱器に導入される前記空気の流量を、前記流量調整機構を用いて制御する制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池の排熱回収システム。
【請求項１１】
燃料ガスが供給されるアノードと空気が供給されるカソードとを有する燃料電池と、前記燃料電池のアノード出口とカソード出口から排出される燃料排ガスと空気排ガスを混合して燃焼する燃焼室と、前記空気を前記カソードに供給する前に加熱する空気予熱器と、混合燃料を改質して前記燃料ガスを生成するプレ改質器を備えた燃料電池の排熱回収方法において、前記燃焼室から排出される燃焼排ガスを前記空気予熱器を予熱するための熱源として供給するステップと、前記空気予熱器に導入される前記空気の流量を調整する流量調整ステップと、前記空気予熱器から排出される前記燃焼排ガスを前記プレ改質器を加熱するための熱源として供給するステップとを備えたことを特徴とする燃料電池の排熱回収方法。
【請求項１２】
請求項１１において、前記プレ改質器から前記燃料電池のアノードに供給される改質燃料の温度を検出するステップと、この検出温度を所定範囲内に保つように、前記空気予熱器に導入される前記空気の流量を、前記流量調整ステップを用いて制御する制御ステップを備えたことを特徴とする燃料電池の排熱回収方法。
【請求項１３】
請求項１１または１２において、前記空気予熱器から前記プレ改質器に向かって排出される前記燃焼排ガスの温度を検出するステップと、この検出温度を所定範囲内に保つように、前記空気予熱器に導入される前記空気の流量を、前記流量調整ステップを用いて制御する制御ステップを備えたことを特徴とする燃料電池の排熱回収方法。
【請求項１４】
請求項１１〜１３のいずれかにおいて、前記燃料電池内のセル温度を検出するステップと、この検出温度を所定範囲内に保つように、前記空気予熱器に導入される前記空気の流量を、前記流量調整ステップを用いて制御する制御ステップを備えたことを特徴とする燃料電池の排熱回収方法。
【請求項１５】
請求項１０〜１４のいずれかにおいて、空気供給源から、前記燃料電池のカソードへの空気供給ラインへ前記空気を供給するステップと、前記空気供給源から前記空気予熱器を通して前記空気供給ラインへ導く空気予熱器用空気供給ステップと、前記空気供給源から空気加熱用ヒータを通して前記空気供給ラインへ導く空気予熱器バイパスステップとを備えたことを特徴とする燃料電池の排熱回収方法。
【請求項１６】
請求項１０〜１５のいずれかにおいて、前記プレ改質器を通った前記燃焼排ガスの残存熱エネルギーを用いて、原燃料と水蒸気との混合燃料を加熱するとともに、加熱した前記混合燃料を前記プレ改質器に供給する燃料予熱ステップを備えたことを特徴とする燃料電池の排熱回収方法。
【請求項１７】
請求項１０〜１６のいずれかにおいて、前記プレ改質器を通った前記燃焼排ガスの残存熱エネルギーを用いて、原燃料と混合して混合燃料となる水蒸気を発生させる蒸気発生ステップを備えたことを特徴とする燃料電池の排熱回収方法。
【請求項１８】
請求項１０〜１７のいずれかにおいて、前記プレ改質器を通った前記燃焼排ガスの残存熱エネルギーを用いて、水との熱交換により温水を出力する熱交換ステップを備えたことを特徴とする燃料電池の排熱回収方法。
【請求項１９】
請求項１８において、前記熱交換ステップによって排出される燃焼ガスの残存熱エネルギーを用いて、原燃料との間で熱及び水分を交換する加湿ステップを備えたことを特徴とする燃料電池の排熱回収方法。
【請求項２０】
請求項１１において、前記燃料電池のセル温度を検出するセル温度検出ステップと、検出したセル温度を所定範囲内に保つように、前記空気予熱器に導入される前記空気の流量を、前記流量調整ステップを用いて制御する第１の制御ステップと、前記空気予熱器から前記プレ改質器へ排出する燃焼排ガスの温度または前記プレ改質器から前記燃料電池のアノードへ供給する改質燃料の温度を検出する改質燃料温度検出ステップと、この温度検出ステップによって検出した温度を所定範囲内に保つように、前記空気予熱器に導入される前記空気の流量を、前記流量調整ステップを用いて制御する第２の制御ステップを備えたことを特徴とする燃料電池の排熱回収方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は固体酸化物形燃料電池から排出される燃焼排ガスの熱量を回収する燃料電池の排熱回収システムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、電解質に酸化物イオン導電体、例えば安定化ジルコニアを用いており、この電解質の両側にアノード及びカソードを配置している。また、セル形状によっては、積層時にアノードまたはカソードと電気的接続の役割をするインターコネクタを備えている。この燃料電池は通常、単セルとセパレータとは、所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
ＳＯＦＣから排出される燃焼排ガスの温度は、ＳＯＦＣの反応温度、及び未反応燃料を燃焼させることにより、６００℃以上と非常に高温となっている。このため、この排熱を利用してＳＯＦＣに供給する燃料ガス及び空気（酸化剤ガス）の加熱、メタン、ＬＮＧ等の炭化水素系の原燃料に水蒸気改質、部分酸化改質等を施すための加熱、及び排熱を温水として回収する高効率発電システムに用いられている。
【０００４】
このような排熱回収システムでは、プレ改質器での改質率を制御するため、反応温度を適切に制御する必要がある。例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムでは燃焼排ガスをプレ改質器に供給するラインとは別に、熱交換器に供給するラインとを設け、この別ラインに設けた熱交換器による間接加熱との協働により、プレ改質器の反応温度を制御している。
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３３１６８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記の特許文献１では、例えば、起動時などＳＯＦＣの燃料ガス利用率が低下し、ＳＯＦＣから排気される燃焼排ガスの温度が非常に高くなった場合、プレ改質器の温度を最適温度範囲内に維持することが困難である。その結果、改質触媒の耐熱温度を超えてしまい、触媒のシンタリング等に伴う劣化などが発生する可能性がある。また、例えば８００℃以上の燃焼排ガス雰囲気下では金属などの構成材料の劣化などが早く進行する可能性がある。
【０００７】
このため、燃料電池システムで燃焼排ガスの異常温度を検知した場合、改質温度が高くなり、改質率を最適に維持することができず、運転を停止する必要がある。
【０００８】
本発明は、燃料電池の燃焼排ガスで、燃料を改質するプレ改質器を備えた燃料電池システムにおいて、前記プレ改質器の改質率を所定値に維持し、安定した燃料電池の排熱回収を実現した燃料電池の排熱回収システムまたは方法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】
【０００９】
本発明はその一面において、燃料ガスが供給されるアノードと空気が供給されるカソードとを有する燃料電池と、前記燃料電池のアノード出口とカソード出口から排出される燃料排ガスと空気排ガスを混合して燃焼する燃焼室と、前記空気を前記カソードに供給する前に加熱する空気予熱器と、混合燃料を改質して前記燃料ガスを生成するプレ改質器と、前記空気予熱器に導入される前記空気の流量を調整する流量調整機構と、前記燃焼室から排出される燃焼排ガスを前記空気予熱器を予熱するための熱源として供給する機構と、前記空気予熱器から排出される前記燃焼排ガスを前記プレ改質器を加熱するための熱源として供給する機構とを備えた燃料電池の排熱回収システムにおいて、前記燃料電池のカソードへの空気供給ラインへ前記空気を供給する空気供給手段と、この空気供給手段から前記空気予熱器を通して前記空気供給ラインへ導く空気予熱器用空気供給ラインと、前記空気供給手段から前記空気供給ラインへ導く空気予熱器バイパスラインとを備えたことを特徴とする。
【００１０】
本発明に望ましい実施態様においては、前記空気供給手段から前記空気供給ラインへ導く空気予熱器バイパスラインに空気加熱用ヒータを備える。
【００１１】
より具体的な実施形態においては、前記プレ改質器から前記燃料電池のアノードへ供給される改質燃料の温度を検出する改質燃料温度センサ，前記空気予熱器から前記プレ改質器へ排出する燃焼排ガスの温度を検出する燃焼排ガス温度センサ，および／または前記燃料電池のセル温度を検出するセル温度センサによって検出した温度を所定範囲内に保つように、前記空気予熱器に導入される前記空気の流量を、前記流量調整機構を用いて制御する制御手段を備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明は、その望ましい実施形態においては、固体酸化物形電解質を燃料ガスを供給するアノード及び空気を供給するカソードとで挟んで構成される単セルと電気的接続の役割を有するインターコネクタとを備えた固体酸化物形燃料電池を設け、複数の前記固体酸化物形燃料電池が積層される燃料電池スタックと、空気を加熱する空気予熱器と、炭化水素系を主体とする原燃料と水蒸気との混合燃料を水蒸気改質により燃料ガスを生成するプレ改質器と、前記原燃料を加熱する原料予熱器と、前記アノードから未反応で排出された燃料ガスと前記カソードから未反応で排出された空気を混合して燃焼させる燃焼室とを備える燃料電池排熱回収システムである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の望ましい実施態様によれば、前記燃焼室から排出される燃焼排ガスは、空気を加熱するための空気予熱器に供給される。そこで、前記燃料電池スタックに供給する前に前記空気の加熱を行う。ここで、空気の流量に制御することで、前記空気予熱器から排出される燃焼排ガスの温度を制御することができる。
【００１４】
次いで、前記空気予熱器から排出された燃焼排ガスは前記原燃料を改質するためのプレ改質器に供給される。そこで、前記プレ改質器に供給される燃焼排ガスの温度を最適に保つことで、前記原燃料を予め設定された改質率が維持される。
【００１５】
また、前記プレ改質器から排出された燃焼排ガスは、燃料予熱器に供給する。そこで、プレ改質器に供給する前に原燃料を加熱することで、プレ改質器内の温度分布を均一に維持することができる。したがって、改質反応を均一にすることができる。更に、前記燃料予熱器から排出された燃焼排ガスは水蒸気改質に必要な蒸気を発生させる蒸気発生器に熱源として供給される。
【００１６】
前記蒸気発生器を通ってきた燃焼排ガスは、温水などの熱源として使用した後、大気へ排出される。
【００１７】
また、本発明の具体的な実施形態においては、燃焼排ガスの温度及び燃料電池のカソードに供給する空気及びアノードに供給する改質ガスなどの温度を測定する手段を設け、例えば、前記プレ改質器に供給される前に燃焼排ガスの温度を測定しておく。これにより、前段の前記空気予熱器に送り込む空気の流量を制御する。これにより、前記プレ改質器に供給される燃焼排ガスの温度を適切に制御でき、改質率を最適に保つことができる。
【００１８】
また、本発明の具体的実施例によれば、燃焼排ガスに含まれる水蒸気を改質前の燃料ガスの加湿に使用することができる。このため、蒸気発生器から送り込む水蒸気の量を低減でき、蒸気発生器で失う熱量が少なくなり、高効率発電システムを提供できる。
【００１９】
本発明のその他の目的と特徴は、如何に述べる実施形態の中で明らかにする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、具体的な実施の形態について図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００２１】
図１は、本発明の第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。
【００２２】
図１に示すように本発明では燃料電池１０を有している。
【００２３】
燃料電池１０は、固体酸化物形燃料電池である。
【００２４】
図２は、本発明に採用できる円筒型の燃料電池の構造を示す一部断面斜視図である。本発明は、例えば図２に示すような円筒型や、積層型など、燃料電池の構造・形状を特に限定されるものではない。図２に示す円筒型の固体酸化物形燃料電池は、電解質５３の両面にカソード５１、アノード５４及びインターコネクタ５２が設けられた電解質電極接合体を備えている。電解質５３は、安定化ジルコニア等の酸化物イオン伝導体で構成されている。インターコネクタ５２は、積層時に、アノードまたはカソードと電気的接続の役割を担う。
【００２５】
燃料電池１０は、水素を含む燃料ガスが供給されるアノードと酸素を含む空気が供給されるカソードと、それぞれ供給口、排出口が存在する
燃料電池１０は、作動温度が７００℃以上と高温であり、アノード５４上で燃料ガス中のメタンが蒸気発生器１５で生成された蒸気によって直接水蒸気改質されて水素燃料が得られる。
【００２６】
燃焼室１１は、燃料電池１０のアノード及びカソードから排出された未反応燃料を燃焼し、燃焼排ガスの熱量を高める。燃焼排ガスは、６００℃〜１０００℃と非常に高温であり、この高温な燃焼排ガスを利用して、空気や燃料の予熱、燃料の改質、蒸気発生及び温水用の熱源として利用する。
【００２７】
空気予熱器１２は、空気供給手段（源）１から燃料電池１０に供給する空気を、燃焼室１１から排ガスライン３７を通ってきた燃焼排ガスによって加熱する。供給する空気を加熱することで、均一な温度で燃料電池１０のカソードに供給することができる。
【００２８】
空気供給手段１は、空気予熱器制御用空気供給ライン３８を通り、空気予熱器１２に空気を供給するラインと、空気予熱器バイパスライン３９を通り直接、燃料電池１０のカソードに空気を供給するラインとを備えている。
【００２９】
空気予熱器バイパスライン３９には、空気加熱用ヒータ４１を備えており、起動時など空気予熱器１２に送る空気の流量が減少する場合、空気加熱用ヒータ４１を用いて燃料電池１０のカソードに送る空気を加熱することができる。これにより、燃料電池に送り込む空気の温度を所定値以上に保つことで、燃焼電池１０のカソードに空気を供給する際に発生する温度分布を均一にすることができるので、安定に発電することができる。
【００３０】
空気予熱器制御用空気供給ライン３８を通過してきた空気と、空気予熱器バイパスライン３９を通過してきた空気は、燃料電池１０のカソードに供給する前に混合され、空気供給ライン３６を通り、燃料電池１０のカソードに供給される。
【００３１】
制御部４２では、まず、空気予熱器１２の燃焼排ガス出口温度センサ４３、プレ改質器１３の改質ガス出口温度センサ４４、燃料電池１０のカソード入口温度センサ４５、及び燃料電池１０のセル温度センサ４６の出力を計測する。次に、その計測結果から、空気供給手段１から送り込む空気流量を、空気予熱器制御用空気供給ライン３８と空気予熱器バイパスライン３９の両ラインへの分配空気流量により制御し、また、空気加熱用ヒータ４１を制御する。
【００３２】
プレ改質器１３は、都市ガスに含まれるエタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ６）及びブタン（Ｃ４Ｈ１０）等の高炭素炭化水素を、主としてメタン（ＣＨ４）を含む原燃料ガスに水蒸気改質するための予備改質器である。その作動温度としては、４００℃〜７００℃、より好ましくは、５００℃〜６００℃に設定される。プレ改質器１３のＳ／Ｃ（スチーム／カーボン）比は２．０〜３．０、より好ましくは２．５に設定される。
【００３３】
プレ改質器１３から予備改質された燃料ガスは、改質燃料供給ライン３５を通り、燃料電池１０のアノードに供給される。改質燃料供給ライン３５は放熱を防ぐ為に断熱材などで表面を覆い、より好ましくは燃料電池１０の近接した箇所に配管を設置し、燃料電池１０からの放熱により予熱する構造が好ましい。
【００３４】
燃料予熱器１４には、都市ガスなどの原燃料と蒸気発生器１５で発生させた水蒸気を混合した混合燃料が供給される。混合する前に、水蒸気の温度は、常温の原燃料と混ざることで低下し凝縮してしまう可能性があるので、水蒸気の温度は、１７０℃以上、好ましくは、約２００℃に設定される。
【００３５】
原燃料供給手段２は、都市ガス、灯油などの炭化水素系燃料を供給する。燃料によっては、硫黄などが含まれており、硫黄は改質触媒を劣化させてしまうので、燃料の種類に応じて燃料に含まれる硫黄分を取り除く、脱硫機能（図示せず）を備えている。
【００３６】
燃焼排ガスの流向と熱交換プレートを対にして空気予熱器１２を流れる空気、プレ改質器１３を流れる改質燃料及び燃料予熱器１４を流れる原燃料の流向は、特に限定するものではないが、効果的に予熱が可能な対向流であることが好ましい。
【００３７】
蒸気発生器１５は、水供給手段３から水供給ライン３１を通って供給される純水と燃料予熱器１４を通ってきた燃焼排ガスとで熱交換を行い、純水を昇温、蒸発させる。この時、燃焼排ガスの流向と熱交換プレートを対にした純水の流向は特に限定するものではないが、蒸気発生が容易な平行流であることが好ましい。
【００３８】
熱交換器１６は、市水供給手段４から市水供給ラインを通って供給される市水と蒸気発生器１５を通ってきた燃焼排ガスとで熱交換を行い、燃焼排ガスの熱量を温水として回収する。回収された温水は約８０℃となり、排出される燃焼排ガスは約４０℃以下で大気へ排出される。
【００３９】
温水ライン４０と水供給ライン３１とは、図示していないが、水熱交換を行い、蒸気発生器１５に供給する前に予熱することが可能な構造を有する。このような構造にすることにより、熱需要が少ない場合でも、タンク満水による捨水、定格発電から部分負荷発電に負荷を落とすなど運転モードを切り替えることなく、高効率な運転が可能である。
【００４０】
図３及び図４は本発明の一実施例の動作を説明するための空気予熱器１２とプレ改質器１３の長さ方向の温度分布特性図である。
【００４１】
図３のように、空気予熱器１２への空気流量が少ない状態であると、燃焼室１１から改質触媒の使用温度範囲より高い燃焼排ガスが改質器１１に供給され、改質触媒の使用温度範囲を超えてしまう。
【００４２】
一方、図４は、空気予熱器１２への空気流量を最適な状態に制御した場合を示している。まず、空気予熱器１２の出口から、プレ改質器１３へ供給する燃焼排ガスの温度が上昇する。これを、空気予熱器１２の出口に備え付けられている温度センサ４３で感知し、空気予熱器１２に送り込む空気流量を制御し、燃焼排ガスの温度を調節する。したがって、プレ改質器１３に対して、最適な温度で燃焼排ガスを送り込むことができるので、プレ改質器１３の温度を最適に保つことができ、温度によって変化する改質ガスの改質率も常に最適に保つことができる。
【００４３】
この第１実施形態によれば、起動時や、燃料利用率が低下し、燃焼排ガスの温度が高くなった場合でも、空気予熱器１２への空気流量の制御により、プレ改質器１３に供給される燃焼排ガスの温度を適切に維持でき、改質率を最適に保つことができる。
【実施例２】
【００４４】
図５は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。
【００４５】
第１実施形態との違いについて以下に述べる。
【００４６】
図示するように、本燃料電池の排熱回収システムでは、原燃料供給ライン３２に、加湿器１７を備えている。
【００４７】
加湿器１７は、熱交換器１６を通ってきた燃焼排ガスに含まれる水分と原燃料供給手段２から供給される都市ガスなどの原燃料との間で水交換を行う。このため、加湿器１７は水透過膜を用いている。水透過膜とは、ガスバリア性及び水透過性の良い固体高分子膜を用いており、特に、燃料電池電解質膜に使われているフッ素系高分子膜を用いることが好ましい。尚、ガスバリア性とは、気液分離装置の内部において燃料ガスである水素ガスとドライガスとが、気液分離膜を介して混合されない性質、つまり、ガスを透過させない性質のことをいう。また、水透過性とは、水を透過させる性質のことをいう。
【００４８】
燃焼排ガスの流向と水透過膜を対に加湿器を流れる原燃料の流向は、特に限定するものではないが、効果的に加湿を行うことが可能な対向流であることが好ましい。
【００４９】
このように、第２実施形態によれば、原燃料に水分を含ませておくことで、蒸気発生器１５から送り込む水蒸気の量を低減することができる。したがって、蒸気発生器１５で奪われる燃焼排ガスの熱量を低減でき、熱交換器により熱量の高い燃焼排ガスを送り込むことができる。
【実施例３】
【００５０】
図６は、本発明の第３実施形態における制御処理フロー図である。この実施形態は、図１または図４の全体システム構成において、制御部４２における処理フローによって、これまでの実施形態とは異なる制御処理を示すものである。
【００５１】
まず、スタートステップＳ０１から定格発電Ｓ０２においては、燃料電池システムを起動後から燃料電池スタック１０の発電状態が定格負荷状態に移行する。
【００５２】
定格発電Ｓ０２に移行した後、図１や図４に示す制御部４２は、燃料電池スタック１０の発電状態、燃料電池スタックのセル温度をセル温度センサ４６で監視する。また、プレ改質器１３から燃料電池１０のアノードへ供給する改質燃料の温度を温度センサ４４にて監視する。
【００５３】
Ｓ０３ステップにおいて、制御部４２で燃料電池スタック１０のセル温度Ｔｃを検出する。Ｓ０４ステップにおいて、燃料電池スタック１０のセル温度Ｔｃが、セル温度下限許容値Ｔａからセル温度上限許容値Ｔｂの範囲内であれば、ＹＥＳの方向に進み、Ｓ０２ステップへ移行する。
【００５４】
Ｓ０３ステップにおいて、燃料電池スタック１０のセル温度Ｔｃが、セル温度上限許容値Ｔｂを超えたと判断した場合、Ｓ０５及びＳ０７ステップへ移行する。Ｓ０７ステップでは、空気予熱器１２に供給する空気量を増加させ、燃焼排ガスを更に冷却するように制御を行う。
【００５５】
Ｓ０３ステップにおいて、燃料電池スタック１０のセル温度Ｔｃが、セル温度下限値Ｔａ未満であると判断した場合、Ｓ０６及びＳ０８ステップへ移行する。Ｓ０８ステップでは、空気予熱器１２に供給する空気量を減少させ、燃焼排ガスの冷却を抑えるように制御を行う。
【００５６】
Ｓ０９ステップにおいて、プレ改質器１３の触媒出口温度Ｔｃａを計測して、Ｔｃａが触媒下限温度Ｔａａから触媒上限温度Ｔｂｂの範囲内であれば、ＹＥＳの方向に進みＳ０３ステップへ移行する。
【００５７】
Ｓ０９ステップにおいて、プレ改質器１３の触媒出口温度Ｔｃａが触媒上限温度Ｔｂｂを超えたと判断した場合、Ｓ１０、Ｓ０７ステップへ移行する。
【００５８】
また、Ｓ０９ステップにおいて、プレ改質器１３の触媒出口温度Ｔｃａが触媒下限温度Ｔａａ未満であると判断した場合、Ｓ１１、Ｓ０８ステップへと移行する。
【００５９】
以上、説明したように、制御部４２において、燃料電池スタックのセル温度Ｔｃ及びプレ改質器１３の触媒出口温度Ｔｃａを検出、監視し、その検出値に応じて空気予熱器１２に送り込む空気量を制御する。これによって、燃料電池スタックの温度を最適に保持することができるため、より安定な燃料電池発電システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池の排熱回収システムの概略構成図である。
【図２】本発明に採用できる円筒型燃料電池セルの一部断面斜視図である。
【図３】本発明の一実施例による空気予熱器とプレ改質器の長さ方向の温度分布を調整する前の特性説明図である。
【図４】本発明の一実施例による空気予熱器とプレ改質器の長さ方向の温度分布を調整した特性説明図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る燃料電池の排熱回収システムの概略構成図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る燃料電池の排熱回収制御処理フロー図である。
【符号の説明】
【００６１】
１…空気供給手段、２…原燃料供給手段、３…水供給手段、４…市水供給手段、１０…燃料電池（スタック）、１１…燃焼室、１２…空気予熱器、１３…プレ改質器、１４…燃料予熱器、１５…蒸気発生器、１６…熱交換器、１７…加湿器、３１…水供給ライン、３２…原燃料供給ライン、３３…水蒸気を含んだ原燃料供給ライン、３４…改質前原燃料供給ライン、３５…改質燃料供給ライン、３６…空気供給ライン、３７…燃焼排ガス供給ライン、３８…空気予熱器制御用空気供給ライン、３９…空気予熱器バイパスライン、４０…温水ライン、４１…空気加熱用ヒータ、４２…制御部、４３〜４６…温度センサ、５１…カソード、５２…インターコネクタ、５３…固体酸化物形電解質、５４…アノード。
【図１】
2009140695.tif 000003
【図２】
2009140695.tif 000004
【図３】
2009140695.tif 000005
【図４】
2009140695.tif 000006
【図５】
2009140695.tif 000007
【図６】
2009140695.tif 000008