JP2009302010A - 燃料電池コージェネレーションシステム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の発電反応を安定化させるとともに、システムの効率的な熱利用を可能とする燃料電池コージェネレーションシステムを提供する。
【解決手段】固体酸化物形燃料電池（２２）の発電反応によって生じる熱を回収して熱利用する燃料電池コージェネレーションシステムである。燃料電池（２２）に導入される液体又は気体からなる複数の原料のそれぞれを加熱し得る加熱手段（４）と、燃料電池（２２）からの排出ガスによる熱を、加熱手段（４）に導入される原料に与えるよう熱交換を行う高温熱交換器（５）を備える。その上で、高温熱交換器（５）からの排出ガスによる熱を、上水に与えるよう熱交換を行う低温熱交換器（６）と、上水を貯留する貯湯槽（７）と、を含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池の発電反応によって生じる熱を回収して熱利用する燃料電池コージェネレーションシステムに関する。

固体酸化物形燃料電池（以下、ＳＯＦＣと称する。）は高温作動型の燃料電池であって、発電反応によって生じる熱を回収して熱利用するシステムが多く提案されている。

例えば、都市ガスや灯油などの燃料を用いるＳＯＦＣでは、燃料を水素や一酸化炭素などのガスに改質してから燃料極に導いて、発電反応を生じせしめている。この改質のための反応（改質反応）は吸熱反応であり、発熱反応である発電反応によって生じた熱を与えられて、熱効率を上げつつ安定した運転を目的としたＳＯＦＣモジュールが知られている。

例えば、特許文献１では、ＳＯＦＣと、改質部及び酸化発熱部からなる改質装置と、を備えるＳＯＦＣモジュールにおいて、改質部における改質反応にＳＯＦＣから発生する排熱だけでなく酸化発熱部で発生する熱を組み合わせて利用する酸化自己熱型改質装置を含むＳＯＦＣモジュールを開示している。

また、発電反応によって生じた熱を他の熱源に用いて、熱効率を上げつつ安定した運転を行うことを目的としたＳＯＦＣモジュールも知られている。

特許文献２では、ＳＯＦＣへ供給される空気が再生器に送給され、この再生器においてＳＯＦＣからの燃焼排出ガスとの間で熱交換を行って、加温された空気をＳＯＦＣの空気極に供給するＳＯＦＣシステムを開示している。

更に、発電反応によって生じた熱ではないが、発電反応に関連した燃料を再利用して、熱効率を上げつつ安定した運転を行うことを目的としたＳＯＦＣモジュールも知られている。

特許文献３では、ＳＯＦＣから排出される排燃料を燃焼器で完全燃焼させ、燃焼器から排出された排ガスによって空気を予熱した後に、加温された空気をＳＯＦＣの空気極に導入するＳＯＦＣシステムを開示している。

更に、例えば、ＳＯＦＣの発電反応によって生じた熱を回収して温水を生成し、この温水を蓄熱手段（貯湯槽）に一旦貯留して、温水の保有する熱エネルギーを種々の用途で利用する燃料電池コージェネレーションシステムも提案されている。

上記した特許文献２では、空気との熱交換後の燃焼排出ガスから貯湯用水（上水）に熱を与えて、加温された貯湯用水が貯湯槽に貯えられ、給湯機器などに利用されることを開示している。

また、特許文献４では、熱需要に応じてＳＯＦＣの発電出力及び／又はＳＯＦＣの排気ガス温度を制御して、燃料電池の熱自立運転状態を維持しつつ熱電比を変更可能な、燃料電池コージェネレーションシステムを開示している。
特開２００７−２２７２３７号公報 特開２００５−３１７４８９号公報 特開２００３−１７１０３号公報 特開２００６−７３３１６号公報

特許文献４における開示の如く、燃料電池コージェネレーションシステムでは、熱需要に応じた燃料電池システムの制御が有効である。一方で、ＳＯＦＣの発電反応は、付随する多くの反応系、例えば、燃料の改質反応や脱硫反応などに影響を受け、また、発電反応自身も多段階反応となり得るために非常に複雑である。故に、これらの反応を安定して制御した上で、システム全体の効率的な熱利用を図る必要がある。

本発明は、以上のような状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、ＳＯＦＣの発電反応によって生じる熱を回収して熱利用する燃料電池コージェネレーションシステムであって、燃料電池の発電反応を安定化させるとともに、システムの効率的な熱利用を可能とする燃料電池コージェネレーションシステムを提供することである。

本発明によるシステムは、固体酸化物形燃料電池の発電反応によって生じる熱を回収して熱利用する燃料電池コージェネレーションシステムであって、前記燃料電池に導入される液体又は気体からなる複数の原料のそれぞれを加熱し得る加熱手段と、前記燃料電池からの排出ガスによる熱を、前記加熱手段に導入される前記原料に与えるよう熱交換を行う高温熱交換器と、前記高温熱交換器からの前記排出ガスによる熱を、上水に与えるよう熱交換を行う低温熱交換器と、前記上水を貯留する貯湯槽と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、固体酸化物形燃料電池の運転状況に応じて導入される複数の原料のそれぞれの温度を加熱手段によって制御し、燃料電池の発電反応を安定化させることができる。更に、高温熱交換器による排熱を低温熱交換器においても利用できて、システムの効率的な熱利用が可能である。

本発明による１つの態様としてのシステムは、固体酸化物形燃料電池の発電反応によって生じる熱を回収して熱利用する燃料電池コージェネレーションシステムであって、前記燃料電池に導入される液体又は気体からなる複数の原料のそれぞれを加熱し得る加熱手段と、前記燃料電池からの排出ガスによる熱を、前記加熱手段に導入される前記原料に与えるよう熱交換を行う高温熱交換器と、前記高温熱交換器からの前記排出ガスによる熱を、上水に与えるよう熱交換を行う低温熱交換器と、前記上水を貯留する貯湯槽と、を含むことを特徴とする。

かかる態様によれば、固体酸化物形燃料電池の始動時から安定運転時までの運転状況に応じて、導入される複数の原料のそれぞれの温度を加熱手段によって制御できる。加熱手段の制御は、燃料電池の出力情報からフィードバック制御しても良いし、燃料電池の周囲に温度センサーを配して温度情報からフィードバック制御しても良い。このように燃料電池に供給すべき原料の温度を制御できるから、燃料電池の発電反応を安定化させることができる。更に、高温熱交換器による排熱を低温熱交換器においても利用でき、システムの効率的な熱利用が可能である。

ここで上記システムにおいて、前記原料は、水、酸化剤ガス、及び、炭化水素系燃料からなることを特徴としてもよい。この炭化水素系燃料を用いたシステムにおいて、前記燃料電池は、前記炭化水素系燃料を改質するための触媒を担持した電極を有することを特徴としてもよい。触媒による炭化水素系燃料の改質反応は吸熱反応であるが、加熱手段によって燃料電池に供給すべき熱を制御できるから、燃料電池の発電反応を安定化させることができる。すなわち、電極近傍で燃料を改質する直接内部改質型の燃料電池であっても、システムの効率的な熱利用が出来る。

更に、上記した直接内部改質型の燃料電池を用いたシステムにおいて、前記炭化水素系燃料は、水素及び一酸化炭素から合成・蒸留されたパラフィン系液体燃料からなることを特徴としてもよい。かかる燃料によれば、直接内部改質型の燃料電池であっても発電反応をより安定化させ得るため、システムの効率的な熱利用が出来る。

ところで、原料に水、酸化剤ガス、及び、炭化水素系燃料を用いたシステムにおいて、前記高温熱交換器は、前記排出ガスの一部で水との熱交換を行うとともに、前記排出ガスの残りを熱交換を行うことなく通過せしめることを特徴としてもよい。顕熱及び潜熱の大である水だけを高温熱交換器及び低温熱交換器で加熱することにより、システムの効率的な熱利用が出来る。

上記システムにおいて、前記低温熱交換器は、前記高温熱交換器の上部に設けられることを特徴としてもよい。高温熱交換器からの熱を低温熱交換器に効率的に導くことが出来て熱損失を減じ、システムの効率的な熱利用が出来る。

また、上記システムにおいて、前記加熱手段は、前記原料のそれぞれを加熱する加熱配管と、加熱を行なうことなく通過せしめる通過配管とを有することを特徴としてもよい。高温熱交換器において十分に加熱された原料は素早く加熱手段を通過させて燃料電池に導入できるから、細かい制御が可能となるとともに熱損失も減じられるから、システムの効率的な熱利用が出来る。

上記システムにおいて、前記燃料電池は、断熱容器に収容され、前記加熱手段は前記断熱容器内若しくはその近傍に設けられることを特徴としてもよい。原料を加熱手段から燃料電池に短い距離で導くことが出来て熱損失を減じられるから、システムの効率的な熱利用が出来る。

上記システムにおいて、前記加熱手段は、前記燃料電池からの前記排出ガスの一部を燃焼させるとともに、燃焼後のガスを前記高温熱交換器へ送出することを特徴としてもよい。排出ガスの余分な化学的エネルギーを熱エネルギーに変換して利用できるので、システムのより効率的な熱利用が出来る。

［実施例１］
次に本発明の１つの実施例である固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を用いた燃料電池コージェネレーションシステムについて、図１乃至図４を参照しつつ詳細に説明する。

図１に示すように、燃料電池コージェネレーションシステム１は、１又は複数のＳＯＦＣ２２を金属製の缶体２１に収容した燃料電池セルアセンブリ２と、これを外部と断熱的に遮断するようにして収容する筒状の断熱容器３と、燃料電池セルアセンブリ２に導入される原料を加熱するための加熱器４と、燃料電池セルアセンブリ２に導入される原料及び燃料電池セルアセンブリ２から排出される排出ガスの間で熱交換を行うための高温熱交換器５と、高温熱交換器５から排出される排出ガス及び上水の間で熱交換を行なう低温熱交換器６と、及び、低温熱交換器６で加熱された上水を貯留する貯湯槽７と、を含む。

断熱容器３は、円筒又は角筒などの筒状の側部断熱壁３３と、この側部断熱壁３３の上下両端部を閉塞する上部断熱壁３４及び下部断熱壁３５とからなる。断熱容器３の内部は、側部断熱壁３３の軸線方向に沿って伸びる仕切り断熱壁３２によって２つの空間に区切られており、一方の空間（燃料電池空間Ｒ１）には燃料電池セルアセンブリ２が収容されている。燃料電池セルアセンブリ２を包囲するこの空間Ｒ１に露出する断熱容器３の内側面には、アセンブリ２から放射される輻射熱を閉じこめるように鏡面仕上げ、若しくは、輻射熱反射膜が貼付け又はコーティングされている。これにより燃料電池セルアセンブリ２からの輻射熱を燃料電池空間Ｒ１の内部に効率よく閉じこめることができて、ＳＯＦＣ２２の運転を安定させることが出来る。また、側部断熱壁３３、上部断熱壁３４及び下部断熱壁３５の過熱を防止出来るので、断熱容器３の寿命を向上させ得る。

仕切り断熱壁３２によって区切られたもう一方の空間（予熱部空間Ｒ２）には、加熱器４及び高温熱交換器５が収容されている。仕切り断熱壁３２の上端部近傍には、断熱容器３内の２つの空間を連結する貫通穴Ｐが設けられており、後述する燃料電池セルアセンブリ２と加熱器４及び高温熱交換器５とを連結する各配管が通っている。貫通穴Ｐは、各配管を通過させるのに十分な程度の大きさであって、なるべく小さく設けられる。

なお、側部断熱壁３３と上部断熱壁３４及び下部断熱壁３５とは、留め金３７によって着脱自在に組み合わされている。操作者が留め金３７を操作することで上部断熱壁３４及び下部断熱壁３５を側部断熱壁３３から取り外すことができる。これにより、断熱容器３の内部に収容されている燃料電池セルアセンブリ２、加熱器４及び高温熱交換器５等のメンテナンスが容易にできる。

図２を併せて参照すると、燃料電池セルアセンブリ２の缶体２１には、加熱された各原料をその内部に導入するための原燃料導入口２４ａ、水導入口２４ｂ及び酸化剤ガス導入口２４ｃが設けられている。各導入口２４ａ、２４ｂ及び２４ｃからは図示しない配管によって、各原料がＳＯＦＣ２２に運ばれる。一方、ＳＯＦＣ２２から排出される排出ガスは、缶体２１に設けられた排出ガス導出口２８から外部に排出される。

図３に示すように、ＳＯＦＣ２２は、発電反応（Ｓ３）に併せて改質反応（Ｓ１）もセル上で行う、いわゆる直接内部改質型の固体酸化物形燃料電池である。イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などからなる固体酸化物電解質２５は、対向する一対の電極である燃料極２６及び空気極２７の間に挟持されている。空気極２７は、ランタンマンガナイト（ＬａＭｎＯ_３）などからなる多孔質体であって、多孔質体内部を気体が通過可能である。また、燃料極２６はニッケル・ジルコニア（Ｎｉ‐ＺｒＯ_２）サーメットなどからなる多孔質体であって、その微細孔の内部には、白金微粒子などの触媒が、例えば含侵法などによって担持されている（図示せず）。この白金触媒は、ＶＩＩＩ族に属する他の元素、例えばイリジウム、オスミウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウムなどの元素からなる微粒子であってもよい。

ここでＳＯＦＣ２２における反応について説明する。

後述するように、燃料電池セルアセンブリ２には、原燃料ｍ１、水ｍ２及び酸化剤ガスｍ３が加熱されてガスとして導かれる。原燃料ｍ１には、メタンガスや灯油など公知の原燃料が適宜用いられる。特に、ＳＯＦＣ２２のセル表面における改質に好適な原燃料が好ましく、例えば、一酸化炭素及び水素をフィッシャー・トロプシュ（ＦＴ）合成して得られるパラフィン系鎖状炭化水素を、適宜、調製した合成灯油などが使用される。このような原燃料（ガス）ｍ１及び水（水蒸気）ｍ２は、混合ガスＭ１として燃料極２６の表面に導かれる。混合ガスＭ１は、燃料極２６内に担持された触媒（図示せず）に接触すると、水蒸気改質反応を生じながら一酸化炭素及び水素からなる燃料ガスＭ２に分解される（Ｓ１）。

一方、空気極２７の表面には酸化剤ガスｍ３が導かれる。空気極２７において電子を受け取った酸化剤ガスｍ３中の酸素は、酸素イオンとなって電解質２５を通って燃料極２６へと移動する（Ｓ２）。

燃料極２６に達した酸素イオンは、水蒸気改質反応（Ｓ１）によって生じた燃料ガスＭ２と反応して、水及び二酸化炭素を生じるとともに燃料極２６に電子を放出する（Ｓ３）。ここで、反応によって生じた水、二酸化炭素、未反応の混合ガスＭ１、及び、水蒸気改質反応によって生成された燃料ガスＭ２は、熱を帯びた排出ガスＭ３としてＳＯＦＣ２２から排出される（Ｓ４）。なお、水蒸気改質反応（Ｓ１）は吸熱反応であり、発電反応（Ｓ３）は発熱反応であるが、発熱量は吸熱量にくらべて遙かに大きい。

再び、図１に図２を併せて参照すると、高温熱交換器５は、多管式やプレート式などの公知の熱交換器であって、断熱容器３の予熱部空間Ｒ２に収容されている。高温熱交換器５は、燃料電池セルアセンブリ２から排出される排出ガスＭ３の熱を、燃料電池セルアセンブリ２に導入される原燃料ｍ１、水ｍ２及び酸化剤ガスｍ３の各原料に与える。高温熱交換器５には、原燃料ｍ１を導入して加熱し、排出するための配管で連結された一対の原燃料導入口５１ａ及び導出口５２ａが設けられている。同様に、水ｍ２を加熱するための配管で連結された一対の水導入口５１ｂ及び導出口５２ｂ、酸化剤ガスｍ３を加熱するための配管で連結された一対の酸化剤ガス導入口５１ｃ及び導出口５２ｃが設けられている。一方、燃料電池セルアセンブリ２から排出される排出ガスＭ３を導入して、原燃料ｍ１、水ｍ２及び酸化剤ガスｍ３と熱交換させて排出する一対の排出ガス導入口５３及び導出口５４が設けられている。排出ガス導入口５３及び燃料電池セルアセンブリ２の排出ガス導出口２８の間は、仕切り断熱壁３２に設けられた貫通穴Ｐを通過する配管１２によって互いに連結されている。

低温熱交換器６は、高温熱交換器５の近傍、好ましくは上部に設けられて、断熱容器３とは熱遮蔽された断熱容器６５内に設置される。低温熱交換器６は、高温熱交換器５と同様に公知の熱交換器であって、高温熱交換器５において熱交換された後の排出ガスＭ３を導入して、貯湯槽７に蓄えられている上水若しくは直接、上水との間で熱交換を行う。つまり、上水の冷熱レベルまでの熱回収が行い得るのである。低温熱交換器６は、高温熱交換器５を通過した排出ガスＭ３を導入するための排出ガス導入口６１と、これを外部に排出するための排出ガス導出口６２とを対に備える。排出ガス導入口６１は、高温熱交換器５の排出ガス導出口５４となるべく短い長さの配管５４ａで連結されて熱損失を減じている。また、貯湯槽７から上水を導くための冷水導入口６３及びこれを加熱したのち貯湯槽７へ戻すための温水導出口６４を備える。これらは、それぞれ貯湯槽７に配管によって接続されている。

貯湯槽７は、低温熱交換器６によって加熱された上水を貯留して、必要に応じて上水を外部に供給する。貯湯槽７は、柱状の容器であって、温水を上部に冷水を下部に温度勾配を与えて貯留する。つまり、水道水などの上水を補給するための給水口７１及び低温熱交換器６に向けて上水を排出する吐水口７２は貯湯槽７の下側に、低温熱交換器６で加熱された温上水を導入するための給湯口７３及び温上水を導出するための返湯口７４などは貯湯槽７の上側に設けられる（図１参照）。なお、貯湯槽７内若しくは返湯口７４の外側には、湯の温度や量などの需要に応じて水を加熱する加熱装置（ヒータ）７８が設けられている。温上水の温度が低くても、加熱装置７８で必要に応じて温上水を加熱して供給可能なのである。

なお、低温熱交換器６及び貯湯槽７の大きさは、供給する水の必要量によって決定される。貯湯槽７は上下に０．５〜２m程度で５０Ｌ〜１ｍ^３程度、典型的には、上下に０．５〜１ｍ程度で５０〜３００Ｌ程度の上水を貯湯できる大きさである。上記したように、水を加熱するための加熱装置７８をその内部に設けていても良い。

最後に、加熱器４は、燃料電池セルアセンブリ２を収容する断熱容器、すなわち仕切り断熱壁３２や側部断熱壁３３によって画定された燃料電池空間Ｒ１の近傍、且つ、高温熱交換器５になるべく近い位置に設けられる。具体的には、断熱容器３の予熱部空間Ｒ２内であって高温熱交換器５の上側であって貫通穴Ｐ近傍に設けられる。加熱器４は、高温熱交換器５から導出された原燃料ｍ１、水ｍ２及び酸化剤ガスｍ３を必要に応じて加熱し得る。加熱器４には、原燃料ｍ１を導入・導出するための配管で連結された一対の原燃料導入口４１ａ及び導出口４２ａが設けられる。同様に、水ｍ２を加熱するための配管で連結された一対の水導入口４１ｂ及び導出口４２ｂ、酸化剤ガスｍ３を加熱するための配管で連結された一対の酸化剤ガス導入口４１ｃ及び導出口４２ｃが設けられている。

原燃料導入口４１ａ、水導入口４１ｂ及び酸化剤ガス導入口４１ｃは、高温熱交換器５の原燃料導出口５２ａ、水導出口５２ｂ及び酸化剤ガス導出口５２ｃにそれぞれ配管で連結されている。また、原燃料導出口４２ａ、水導出口４２ｂ及び酸化剤ガス導出口４２ｃは、燃料電池セルアセンブリ２の原燃料導入口２４ａ、水導入口２４ｂ及び酸化剤ガス導入口２４ｃにそれぞれ接続されている。

図４を併せて参照すると、加熱器４の内部には、各原料を加熱するためのバーナ４４ａ、４４ｂ及び４４ｃを含む加熱部４ａが設けられている。加熱器４には、加熱部４ａの各バーナ４４ａ、４４ｂ及び４４ｃに酸化剤ガスを導くための酸化剤ガス導入口４３ａ及び加熱用燃料を導くための加熱用燃料導入口４３ｂが設けられている。加熱用燃料導入口４３ｂから導入される加熱用燃料は、各バーナ４４ａ、４４ｂ及び４４ｃの手前に設けられた流量調整バルブ４５ａ、４５ｂ、４５ｃの開度を調整することによって、その量を適宜調整されて、各バーナ４４ａ、４４ｂ及び４４ｃに供給されて各火力が制御される。後述するように、流量調整バルブ４５ａ、４５ｂ、４５ｃは、ＳＯＦＣ２２の近傍に設けられた温度センサー４６からの信号に基づいて制御され得る。

なお、加熱器４は、制御方法に合わせて変更可能である。例えば、加熱用燃料導入口４３ｂの下流には図示しない統括バルブを設けても良い。かかる場合、流量調整バルブ４５ａ、４５ｂ及び４５ｃは、あらかじめ所定の流量若しくは所定の分配比で加熱用燃料を流すようにそれぞれの開度を固定される。これにより、温度センサー４６からの信号に基づいて統括バルブの開度だけを調整、若しくは全開全閉動作を繰り返して、各バーナ４４ａ、４４ｂ及び４４ｃの火力を必要に応じて調整できる。これによれば、火力の制御をより簡便にすることができる。

更に、加熱器４には、バーナ４４ａ、４４ｂ及び４４ｃで発生した燃焼ガスなどを排出ガスＭ４として外部に導出するための排出ガス導出口４９を備えている。排出ガス導出口４９は、ＳＯＦＣ２２の排出ガス導出口２８及び高温熱交換器５の排出ガス導入口５３を連結する配管１２に連結されて、排出ガスＭ３及びＭ４は合流している。

更に、加熱器４の内部において、原燃料導入口４１ａに連結された配管は、加熱部４ａを通過する加熱配管１１ａ及び加熱部４ａを通過しないバイパス配管１１ａ’とに分岐して、加熱部４ａの下流で再び合流して原燃料導出口４２ａに連結している。加熱配管１１ａの分岐点下流近傍及び合流点上流には、連動して開閉するバルブＶａが設けられるとともに、バイパス配管１１ａ’の分岐点下流近傍にはバルブＶａと逆の動作をするバルブＶａ’が設けられている。すなわち、バルブＶａが開くとバルブＶａ’は逆に閉じ、原燃料導入口４１ａと原燃料導出口４２ａとが加熱配管１１ａ経由で連結される。一方、バルブＶａが閉じるとバルブＶａ’は逆に開き、原燃料導入口４１ａと原燃料導出口４２ａとがバイパス配管１１ａ’経由で連結される。

同様に、水導入口４１ｂ及び酸化剤ガス導入口４１ｃに連結された配管は、加熱部４ａを通過する加熱配管１１ｂ及び１１ｃと、加熱部４ａを通過しないバイパス配管１１ｂ’及び１１ｃ’とにそれぞれ分岐する。また、加熱部４ａの下流で再び合流して水導出口４２ｂ及び酸化剤ガス導出口４２ｃにそれぞれ連結している。加熱配管１１ｂ及び１１ｃの分岐点下流近傍及び合流点上流には、バルブＶｂ及びＶｃが設けられている。また、バイパス配管１１ｂ’及び１１ｃ’の分岐点下流近傍にはバルブＶｂ’及びＶｃ’が設けられている。

次に、図１乃至図４を参照しつつ、上記した燃料電池コージェネレーションシステム１の動作を説明する。

燃料電池コージェネレーションシステム１の起動時にあっては、ＳＯＦＣ２２を暖めるための所定の暖機運転が行われる。例えば、加熱器４のバルブＶａ、Ｖｂ及びＶｃを開く一方、バルブＶａ’、Ｖｂ’及びＶｃ’を閉じて加熱器４を起動させる。ここで、少なくとも、燃料極２６（図３参照）を保護するため、暖機運転時に原燃料ｍ１の供給は行わない。この状態において、図示しない供給管を介して加熱器４で加熱した所定の暖気ガスを燃料電池セルアセンブリ２内に導入して、ＳＯＦＣ２２を暖機する。なお、かかる暖機運転の詳細については省略する。

十分な暖機運転に続いて、原燃料ｍ１、水ｍ２及び酸化剤ガスｍ３を加熱器４に導くと、加熱器４を通過するまでの間に加熱部４ａのバーナ４４ａ、４４ｂ及び４４ｃ（図４参照）によってこれらが十分に加熱されてガス化（気化）し、燃料電池セルアセンブリ２内のＳＯＦＣ２２に導かれる。

図３において述べたように、ＳＯＦＣ２２の燃料極２６では、導かれた原燃料ｍ１及び水ｍ２が触媒の存在下で燃料ガスＭ２（一酸化炭素及び水素）を生じ（Ｓ１：水蒸気改質反応）、更に燃料ガスＭ２は水を生成しながら発電反応（Ｓ３）を生じる。発電反応（Ｓ３）に伴う発熱量は、水蒸気改質反応（Ｓ１）に伴う吸熱量にくらべて遙かに大きいため、ＳＯＦＣ２２からの排出ガスＭ３は熱を帯びて排出される。

一方、加熱器４から排出される排出ガスＭ４は、Ｍ３に合流して排出ガスＭ５として高温熱交換器５へ導かれる（図６参照）。高温熱交換器５では、排出ガスＭ５からの熱が原燃料ｍ１、水ｍ２及び酸化剤ガスｍ３に熱交換される。これにより、原燃料ｍ１、水ｍ２及び酸化剤ガスｍ３は加熱されて加熱器４に導かれるようになる。つまり、徐々に、加熱器４の出力をそれほど必要としなくとも、ＳＯＦＣ２２の温度を所定の温度に保つことが出来るようになる。更に、排出ガスＭ５からの熱により原燃料ｍ１、水ｍ２及び酸化剤ガスｍ３がさらに加熱されると、加熱器４による加熱出力を全く必要とせずにＳＯＦＣ２２の温度を所定の温度に保つことが出来るようになる。この場合は、加熱器４のバルブＶａ、Ｖｂ及びＶｃを閉じると同時にバルブＶａ’、Ｖｂ’及びＶｃ’を開け、加熱器４ａを一気にバイパスして、原燃料ｍ１、水ｍ２及び酸化剤ガスｍ３を高温熱交換器５から直接ＳＯＦＣ２２へ導いても良い。

なお、燃料電池セルアセンブリ２からの輻射は狭い燃料電池空間Ｒ１内に閉じこめられて、燃料電池セルアセンブリ２の温度低下が防止される。故に、ＳＯＦＣ２２の温度は発電反応（Ｓ３）による自己加熱で７００℃〜１０００℃の高温まで速やかに達するのである。

ところで、ＳＯＦＣ２２の運転を安定させるよう、加熱器４の出力が調整される。例えば、温度センサー４６によってＳＯＦＣ２２の温度をモニターして、これを一定とするように加熱器４の出力を調整し得る。加熱器４の各バーナ４４ａ、４４ｂ及び４４ｃの火力は、それぞれに流す加熱用燃料の量を調整する流量調整バルブ４５ａ、４５ｂ及び４５ｃの開度によって独立して調整可能である。例えば、顕熱及び潜熱の大である水ｍ２に対しては、原燃料ｍ１及び酸化剤ガスｍ３よりも大なる熱量を与えるべく、バーナ４４ｂへの加熱用燃料の供給量だけを大とすることができる。また、水蒸気改質反応を促進又は抑制するよう、バーナ４４ａ及び／又は４４ｂへの加熱用燃料の供給量だけを調整することもできる。

更に、ＳＯＦＣ２２の温度が過昇したときなどは、各バーナ４４ａ、４４ｂ及び／又は４４ｃの火力を流量調整バルブ４５ａ、４５ｂ、４５ｃの開度を絞って調整できる。その一方で、加熱器４のバルブＶａ、Ｖｂ及び／又はＶｃを閉じると同時にバルブＶａ’、Ｖｂ’及び／又はＶｃ’を開けると、原燃料ｍ１、水ｍ２及び／又は酸化剤ガスｍ３は、加熱部４ａを一気にバイパスして、高温熱交換器５から直接、ＳＯＦＣ２２へ導き得るのである。これによりバーナ４４ａ、４４ｂ及び／又は４４ｃの火力を調整するよりも、より迅速に温度調整が可能である。

なお、加熱器４の出力は、ＳＯＦＣ２２の運転を安定させるよう、他のモニター方法によっても制御し得る。例えば、ＳＯＦＣ２２の発電出力をモニターしてフィードバック制御しても良いし、加熱器４の加熱部４ａの下流に温度センサーを設けてこれをモニターしてもよい。

ところで、高温熱交換器５において熱交換に用いられた排出ガスＭ５は、更に低温熱交換器６に導入されて上水と熱交換を行なう。ここで、低温熱交換器６では、排出ガス導入口６１から導入された排出ガスＭ５の温度が排出ガス導出口６２付近で上水の温度レベルとなるまで熱交換を行うこともできる。この回収した熱によって加熱された上水（温上水）は貯湯槽７に貯留される。一方、低温熱交換器６を出た排出ガスＭ５は、回収され、適宜、処理される。貯湯槽７の温度は必要に応じて管理され、これに応じて低温熱交換器６と貯湯槽７との間を循環する上水の量が決定される。なお、貯湯槽７に貯留された温上水は必要に応じて返湯口７４から抜き出されて使用される。また、貯湯槽７内の水量が低下すると水道水などの上水が給水口７１から給水される。貯湯槽７内の水量は、ほぼ一定に維持されるが必要に応じて水面位置も管理され得る。

以上の如く、本実施例では、固体酸化物形燃料電池の始動時から安定運転時までの運転状況に応じて、導入される複数の原料のそれぞれの温度を加熱手段によって制御できる。このように燃料電池に供給すべき原料の温度を制御できるから、燃料電池の発電反応を安定化させることができる。その上で、高温熱交換器による排熱を更に低温熱交換器においても利用できて、システムの効率的な熱利用が可能である。つまり、直接内部改質型の固体酸化物形燃料電池であったとしても、発電反応（Ｓ３）を安定化させることが出来て、その上で、システムの効率的な熱利用が可能である。

［実施例２］
次に本発明の他の１つの実施例である燃料電池コージェネレーションシステムについて、図５を参照しつつ説明する。なお、高温熱交換器５以外は実施例１と同様であるから、その詳細な説明は省略する。

高温熱交換器５は、実施例１と同様に、多管式やプレート式などの公知の熱交換器であって、断熱容器３の予熱部空間Ｒ２に収容されている（図１参照）。高温熱交換器５は、燃料電池セルアセンブリ２から排出される排出ガスＭ３の熱を、燃料電池セルアセンブリ２に導入される水ｍ２だけに与える。顕熱及び潜熱の高い水ｍ２をあらかじめ加熱した上で加熱器４に導入することで、燃料セルアセンブリ２の運転の安定を高め得るのである。そこで、高温熱交換器５には、水ｍ２を導入して加熱し、排出するための配管で連結された一対の水導入口５１ｂ及び導出口５２ｂが設けられている。一方で、原燃料ｍ１及び酸化剤ガスｍ３は、直接、加熱器４の原燃料導入口４１ａ及び酸化剤ガス導入口４１ｃへ導かれる。また、燃料電池セルアセンブリ２の排出ガス導出口２８から配管１２によって排出ガスＭ３を導入して排出する一対の排出ガス導入口５３及び導出口５４が設けられている。更に、排出ガス導出口５４は、低温熱交換器６の排出ガス導入口６１と配管５４ａで連結されている。

ここで、本実施例では、配管１２を流れる排出ガスＭ３の一部を高温熱交換器５を介することなく、配管５４ａにバイパスさせる配管１２’が設けられている。配管１２と配管１２’との連結点には分流器１３が設けられている。分流器１３は、貯湯槽７に設けられた温度センサー７５に対応してその分流比率が調整されるようになっている。

ところで、本実施例の燃料電池コージェネレーションシステム１の動作は実施例１とほぼ同様である。一方で、貯湯槽７内の温上水の需要により、実施例１で述べたように、貯湯槽７内には水道水などの上水が給水口７１から給水される。故に、貯湯槽７内の全体温度が低下すると、温度センサー７５はこれを検知し、貯湯槽７内の温度を高く設定する場合にあっては、分流器１３によって排出ガスＭ３を配管１２’へより多く流すように動作する。このとき、水ｍ２の温度の低下は、加熱器４にて補われ、燃料電池の発電反応を安定化させることができる。

以上の如く、本実施例では、直接内部改質型の固体酸化物形燃料電池であったとしても発電反応を安定化させることが出来て、更に、燃料電池コージェネレーションシステム１における温上水の需要に対応して、効率的な熱利用が可能である。

なお、分流器１３の制御方法は、上記に限定されず、例えば、貯湯槽７に貯留されている温上水の温度に加えて水量や使用量等を検出し、さらにはＳＯＦＣ２２の運転温度情報を加えて、あらかじめ設定したテーブルに従って制御してもよい。

［実施例３］
次に本発明の他の１つの実施例である燃料電池コージェネレーションシステムについて、図６を参照しつつ説明する。なお、加熱器４以外は実施例１及び／又は実施例２と同様であるから、その詳細な説明は省略する。

加熱器４の内部の構造は、実施例１と同様である。ここで、加熱用燃料導入口４３ｂの上流側には、燃料電池セルアセンブリ２の排出ガスＭ３を分岐して導くための配管８１が合流している。すなわち、燃料電池セルアセンブリ２の排出ガス導出口２８と高温熱交換器５の排出ガス導入口５３を連結する配管１２には、分流器８２が設けられており、ここで分岐した配管８１は、加熱用燃料導入口４３ｂの上流側に連結している。分流器８２は、燃料電池セル２２の近傍に設けられたガスセンサー８３に対応してその分流比率が調整されるようになっている。 ところで、本実施例の燃料電池コージェネレーションシステム１の動作は実施例１及び／又は２とほぼ同様である。一方で、燃料電池セル２２の近傍に設けられたガスセンサー８３により特に原燃料ｍ１が未燃焼であることを検知すると、分流器８２は、排出ガスＭ３の一部を加熱器４の加熱用燃料に振り分けるのである。つまり、未燃焼の原燃料ｍ１をバーナ４４ａ、４４ｂ及び４４ｃの燃料に用いるのである。

以上の如く、本実施例では、直接内部改質型の固体酸化物形燃料電池であって内部改質反応に過剰な原燃料ｍ１が導入されたとしても、これを加熱器の加熱用燃料に使用できるのである。故に、効率的な熱利用が可能である。

以上、本発明による代表的実施例及びこれに基づく変形例を述べたが、本発明は必ずしもこれらに限定されるものではなく、例えば、直接内部改質型の燃料電池の実施例について説明したがこれに限定されるものではないし、電極、電解質及び触媒等の材料も適宜、当業者によって変更され得る。すなわち、当業者であれば、添付した特許請求の範囲を逸脱することなく種々の代替実施例及び改変例を見出すことができるであろう。

本発明によるシステムの要部の断面図である。 本発明によるシステムの要部のブロック図である。 本発明によるシステムの要部の断面図である。 本発明によるシステムの要部のブロック図である。 本発明による他のシステムの要部のブロック図である。 本発明による他のシステムの要部のブロック図である。

符号の説明

１ 燃料電池コージェネレーションシステム
２ 燃料電池セルアセンブリ
３ 断熱容器
４ 加熱器
５ 高温熱交換器
６ 低温熱交換器
７ 貯湯槽
２２ ＳＯＦＣ
２５ 固体酸化物電解質
２６ 燃料極
２７ 空気極

Claims (9)

1. 固体酸化物形燃料電池の発電反応によって生じる熱を回収して熱利用する燃料電池コージェネレーションシステムであって、
   前記燃料電池に導入される液体又は気体からなる複数の原料のそれぞれを加熱し得る加熱手段と、
   前記燃料電池からの排出ガスによる熱を、前記加熱手段に導入される前記原料に与えるよう熱交換を行う高温熱交換器と、
   前記高温熱交換器からの前記排出ガスによる熱を、上水に与えるよう熱交換を行う低温熱交換器と、
   前記上水を貯留する貯湯槽と、を含むことを特徴とする燃料電池コージェネレーションシステム。
2. 前記原料は、水、酸化剤ガス、及び、炭化水素系燃料からなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
3. 前記燃料電池は、前記炭化水素系燃料を改質するための触媒を担持した電極を有することを特徴とする請求項２記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
4. 前記炭化水素系燃料は、水素及び一酸化炭素から合成・蒸留されたパラフィン系液体燃料からなることを特徴とする請求項３記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
5. 前記高温熱交換器は、前記排出ガスの一部で水との熱交換を行うとともに、前記排出ガスの残りを熱交換を行うことなく通過せしめることを特徴とする請求項２記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
6. 前記低温熱交換器は、前記高温熱交換器の上部に設けられることを特徴とする請求項１又は５に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
7. 前記加熱手段は、前記原料のそれぞれを加熱する加熱配管と、加熱を行なうことなく通過せしめる通過配管とを有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
8. 前記燃料電池は、断熱容器に収容され、前記加熱手段は前記断熱容器内若しくはその近傍に設けられることを特徴とする請求項１又は７に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
9. 前記加熱手段は、前記燃料電池からの前記排出ガスの一部を燃焼させるとともに、燃焼後のガスを前記高温熱交換器へ送出することを特徴とする請求項１又は７に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。