JP2003045444A

JP2003045444A - 燃料電池の排気活用装置

Info

Publication number: JP2003045444A
Application number: JP2001231623A
Authority: JP
Inventors: Shinji Watanabe; 伸二渡辺; Hiroshi Hamamoto; 浩濱本; Hiroaki Taniguchi; 博昭谷口; Shunji Miyauchi; 俊二宮内
Original assignee: Mazda Motor Corp; Japan Climate Systems Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp; Japan Climate Systems Corp
Priority date: 2001-07-31
Filing date: 2001-07-31
Publication date: 2003-02-14

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料電池を中心とする動力システムにおい
て、該燃料電池からの排気を活用して、動力回収や暖
房、給湯だけでなく、冷房や冷凍装置としても利用でき
るようにしながら、システムの総合的なエネルギ効率も
良好なものとする。【解決手段】ＳＯＦＣ１から排出される高温高圧の排
気を蒸気プラント５のボイラ６に供給して熱エネルギを
回収するとともに、ボイラ６を通過した排気をガスター
ビン７に供給してこれを回転駆動し、かつ排気を略断熱
的に膨張させて常温よりも低い温度として、冷房や冷凍
の冷熱源として利用する。前記ボイラ６よりも排気上流
側に別のガスタービン１２（第１ガスタービン）を配設
して、動力回収効率を向上させるようにしてもよい。さ
らに、ＳＯＦＣ１からの排気を前記第１ガスタービン１
２かボイラ６かに切り替えて供給できるようにしてもよ
い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池からの排
気の熱及び圧力を有効利用して、動力回収や暖房、給湯
等に活用する排気活用装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、内燃機関に代わる次世代の動力源
として、水素と酸素とを反応させて直接的に電気エネル
ギを取り出すことのできる燃料電池が注目を集めてお
り、このうちでも、リン酸形や固体高分子形等のいわゆ
る低温作動形のものが小規模の分散型電源として実用化
されるとともに、溶融炭酸塩形や固体酸化物形等のいわ
ゆる高温作動形のものも、中規模の発電設備等を目的と
して開発や試験が進められている。

【０００３】このような燃料電池の中でも、前記溶融炭
酸塩形や固体酸化物形のものは、通常、約６００〜１０
００°Ｃという高温の雰囲気で運転されるものなので、
従来よりその廃熱を利用するコージェネレーションシス
テムとすることで、約６０％を超える非常に高いエネル
ギ効率を実現することが期待されている。

【０００４】また、前記各種の燃料電池は、いずれもガ
ス圧の高いときほど電池の特性が向上するので、通常は
大気圧よりも高い圧力雰囲気で運転されており、このた
め、燃料電池からの排気も大気圧よりも高い状態にな
る。そこで、この高圧の排気のエネルギをガスタービン
等により回収することで、エネルギ効率をさらに高める
ことが提案されている（例えば、特開２０００−５２７
４９号公報を参照）。このものでは、燃料電池からの排
気をガスタービンにより略断熱的に膨張させることで、
自動車の冷房等に利用可能な低温の排気を得るようにし
ている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記の如く
燃料電池からの排気の熱及び圧力を有効に活用しようと
する場合、図６に一例を示すように、まず、燃料電池ａ
から排出される高温高圧の排気（図にの矢印で示す。
例えば約２ＭＰａ、約８００°Ｃの排気）をガスタービ
ンｂに供給して、このガスタービンｂの駆動により略断
熱的に大気圧付近まで減圧することにより、最大限の動
力回収を行うことが考えられる。さらに、そのようにし
て減圧した排気の温度状態が高ければ（図にの矢印で
示す例えば約０．１ＭＰａ、約２００°Ｃの排気）、こ
の排気を蒸気タービンｃのボイラｄ（熱交換器）に供給
し、余剰の熱エネルギを蒸気サイクルの熱源として回収
することができる。

【０００６】また、そのシステムによれば、図にの矢
印で示すように、ボイラｄを通過した排気の温度が例え
ば１００°Ｃくらいになるので、これを暖房等に利用す
ることができ、さらに、蒸気サイクルの復水器ｅで得ら
れる温水を給湯に利用することができるものである。

【０００７】しかしながら、前記図６に示すシステムの
場合、常温よりも低い冷熱源は得られないので、冷房や
冷凍装置としての利用に供することが難しく、利便性と
いう点で改良の余地が残されている。

【０００８】本発明は、斯かる点に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、燃料電池を中心とす
る動力システムにおいて、該燃料電池からの排気の利用
方法にさらなる工夫を凝らし、動力回収や暖房、給湯だ
けでなく、冷房や冷凍装置としても利用できるようにし
ながら、システムの総合的なエネルギ効率も良好なもの
とすることにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明の第１の解決手段では、燃料電池からの排気
をまず蒸気サイクルの熱源として利用し、そのことによ
って温度の低下した高圧の排気をガス機関に供給して減
圧することにより、排気温度を常温よりも低下させて、
冷熱源を得るようにした。

【００１０】具体的に、請求項１の発明では、燃料電池
からの排気を蒸気機関の作動流体と熱交換させて該作動
流体を加熱する熱交換器と、この熱交換器を通過した排
気により駆動されるガス機関とを備える構成とする。
尚、前記蒸気機関やガス機関というときの、機関という
用語は、作動流体である蒸気やガスのエネルギを連続的
に機械的動力に変換する装置を意味し、容積形であるか
非容積形であるかを問わず、例えば往復動ピストン機関
やタービン等を含むものである（以下、同様とする）。

【００１１】前記の構成により、燃料電池から排出され
た高温高圧の排気が熱交換器において蒸気機関の作動流
体と熱交換され、ある程度、温度が低下しかつ圧力が略
維持された状態でガス機関に供給される。そして、該ガ
ス機関を駆動することにより、排気は内部エネルギを失
って略大気圧付近まで減圧され、このことで、常温より
も温度の低い状態になる。

【００１２】つまり、高温高圧の排気の熱及び圧力をガ
ス機関や蒸気機関により動力回収し、さらに廃熱を給湯
や暖房に利用しながら、ガス機関から排出される低温の
排気を冷房や冷凍のための冷熱源として利用することが
できる。

【００１３】また、本発明の第２の解決手段では、燃料
電池からの排気をまず、第１のガス機関に供給して動力
回収し、これにより所定の温度及び圧力状態まで減圧し
た後に、蒸気サイクルの熱源として利用し、さらに、温
度の低下した高圧の排気を第２のガス機関に供給して内
部エネルギを奪うことにより、排気温度を低下させるよ
うにした。

【００１４】具体的に、請求項２の発明では、燃料電池
からの排気により駆動される第１のガス機関と、この第
１ガス機関を通過した排気を蒸気機関の作動流体と熱交
換させて該作動流体を加熱する熱交換器と、この熱交換
器を通過した排気により駆動される第２のガス機関とを
備える構成とする。

【００１５】前記の構成により、燃料電池から排出され
た高温高圧の排気は、まず第１ガス機関に供給され、こ
のガス機関を駆動することにより内部エネルギを失っ
て、温度及び圧力が低下する。その後、排気は熱交換器
において蒸気機関の作動流体と熱交換され、さらに温度
が低下する一方、圧力は略維持された状態で第２ガス機
関に供給される。そして、該第２ガス機関を駆動するこ
とにより、排気は略大気圧付近まで減圧されて、常温よ
りも温度の低い排気となる。つまり、請求項１の発明と
同様に、高温高圧の排気の熱及び圧力をガス機関や蒸気
機関により動力回収し、かつ給湯や暖房だけでなく、冷
房や冷凍の利用にも提供できる。

【００１６】その際、前記第１ガス機関として相対的に
動力回収量の多いものを用いるようにすれば、システム
全体としてのエネルギ効率を向上できる一方で、第２ガ
ス機関からの排気の温度はあまり低くはならない。反対
に、前記第１ガス機関として相対的に動力回収量の少な
いものを用いれば、エネルギ効率は低下するものの、冷
熱源となる排気の温度を十分に低くすることができる。
つまり、第１及び第２ガス機関の選定によって、システ
ム全体としての総合効率の向上と、冷房や冷凍に関する
性能の要求とを適度に満足させることができる。

【００１７】請求項３の発明では、請求項２の発明に係
る排気活用装置において、さらに、燃料電池からの排気
を、第１ガス機関をバイパスさせて熱交換器に供給する
第１のバイパス通路と、前記燃料電池からの排気の流れ
を前記第１ガス機関及び第１バイパス通路に分配すると
ともに、その分配割合を変更可能な可変分配手段とを備
える構成とする。尚、ここで、可変分配手段は、燃料電
池からの排気の流れを第１ガス機関か第１バイパス通路
かのいずれか一方のみに切替えることもできるものとす
る。

【００１８】この構成では、可変分配手段により排気の
流れが全て第１バイパス通路に向かうように切り替えら
れると、第１ガス機関による排気の動力回収量が零にな
って、請求項１の発明と同じ作用効果が得られる。一
方、前記可変分配手段により排気の流れが全て第１ガス
機関に向かうように切り替えられることで、前記した請
求項２の発明の作用効果が得られることになる。つま
り、可変分配手段により排気の流れを切替えることで、
前記請求項１又は請求項２のいずれか一方の発明の作用
効果を選択的に得ることができる。

【００１９】さらに、前記燃料電池からの排気の流れを
前記可変分配手段により第１ガス機関及び第１バイパス
通路に適宜、分配するようにすれば、冷房や冷凍に関す
る性能の要求とシステムのエネルギ効率とをきめ細かく
調和させて、高い次元で両立することができる。

【００２０】請求項４の発明では、請求項３の発明に係
る排気活用装置において、さらに、熱交換器を通過した
排気を、第２ガス機関をバイパスするように流通させる
第２のバイパス通路と、前記熱交換器を通過した排気の
流れを前記第２ガス機関又は第２バイパス通路のいずれ
か一方に選択的に切替える切替弁とを備える構成とす
る。

【００２１】この構成では、熱交換器からの排気の流れ
を切替弁により第２ガス機関に向かうように切り替えた
ときには、燃料電池からの排気の流れを可変分配手段に
より切換えることで、前記請求項３の発明の作用効果が
得られる。

【００２２】また、特に、第１ガス機関として、燃料電
池からの高温高圧の排気から最大限に動力回収し得るも
のを用い、かつ、燃料電池からの排気の流れを前記可変
分配手段により第１ガス機関に向かうように切り替えた
ときには、この第１ガス機関から排出される排気は大気
圧付近まで減圧されることになるので、このときには、
さらに熱交換器を通過した排気を前記切替弁により第２
バイパス通路に向かうように切り替えて、暖房用の熱源
として利用することができる。

【００２３】つまり、この発明では、前記請求項３の発
明の作用効果に加えて、第１ガス機関として特に動力回
収効率の高いものを用いた場合に、その能力を最大限に
発揮させて、システムのエネルギ効率を可及的に向上す
ることが可能となる。

【００２４】請求項５の発明では、蒸気機関は蒸気ター
ビン式発電機とし、また、第１及び第２のガス機関はガ
スタービン式発電機とする。

【００２５】こうすることで、排気から回収した動力に
より電力が生成されるので、システム全体として出力が
共通になり、利便性がさらに向上する。また、ガス機関
としてガスタービンを用いることで、そこに供給した高
圧の排気を略断熱的に膨張させることができ、これによ
り、排気の温度状態を冷房や冷凍の冷熱源として十分に
低下させることができる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。

【００２７】（実施形態１）図１は、本発明に係る燃料
電池の排気活用装置Ａの実施形態１を示すもので、ここ
では比較的小規模のコージェネレーションシステム等に
適用した例を示す。この実施形態の燃料電池１として
は、例えば、安定化ジルコニアを電解質とする固体酸化
物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：以下、ＳＯＦ
Ｃともいう）を用いており、ＳＯＦＣ１は、いわゆる高
温作動形の燃料電池であって、図外の燃料供給系におい
て石炭ガスや天然ガス等を原燃料とする水素リッチな燃
料ガスを生成し、この燃料ガスを各燃料電池セルの燃料
極（陰極）に供給するとともに、エアコンプレッサ２に
より圧縮した高温高圧の空気を空気極（陽極）に供給し
て、水素及び酸素から水を合成するという電気化学反応
によって電力を発生させるものである。

【００２８】すなわち、ＳＯＦＣスタックの個々のセル
においては両極間の酸素の濃度差を緩和するように中間
の電解質内を陽極から陰極に向かって酸化物イオンが移
動し、陰極側において燃料ガス中の水素と酸化物イオン
とが反応して、水が生成されるとともに、陽極から陰極
へ外部回路を通って電流が流れることになる。このよう
な電気化学反応の反応速度は気体の圧力状態に大きく依
存する傾向があるので、所要の出力密度を得るためにＳ
ＯＦＣ１の空気導入管３には前記エアコンプレッサ２に
より空気を所定圧まで加圧して供給するようにしてい
る。この際、略断熱的に圧縮される空気の温度は約６０
０〜１０００°Ｃくらいまで上昇し、高温高圧下で作動
するＳＯＦＣ１からの排気は、例えば約２ＭＰａ、約８
００°Ｃくらいになる。

【００２９】本発明の特徴は、前記のようにしてＳＯＦ
Ｃ１から排出される高温高圧の排気の熱及び圧力を有効
に利用して、全体としてのエネルギ効率の向上を図りつ
つ、廃熱による暖房や給湯だけでなく、冷房や冷凍装置
としても容易に利用できるようなシステム構成としたこ
とにある。具体的には、ＳＯＦＣ１の排気管４には、蒸
気プラント５のボイラ６とガスタービン７（ガス機関）
とが上流側から順に配設されており、ＳＯＦＣ１からの
排気は、まず蒸気プラント５のボイラ６を通過して、あ
る程度、温度が低下した後にガスタービン７に供給され
る。

【００３０】前記蒸気プラント５は、ＳＯＦＣ１からの
高温高圧の排気を作動流体である水と熱交換させて、高
圧の蒸気を生成するボイラ６（熱交換器）と、このボイ
ラ６で生成された高圧の蒸気を受けて回転駆動される蒸
気タービン８（蒸気機関）と、該蒸気タービン８を通過
した低圧の蒸気を冷却して水に戻す復水器９と、この復
水器９から排出される低圧の水をボイラ６に圧送する吸
水ポンプ１０とを備えている。

【００３１】また、前記ガスタービン７及び蒸気タービ
ン８の軸は、それぞれ、図示しない発電機の入力軸に連
結されており、それらの各タービン７，８が回転駆動さ
れることによって発電機が運転されて、排気のエネルギ
が電力として回生されるようになっている。

【００３２】（排気活用装置の動作）次に、前記の如き
構成の排気活用装置Ａの動作を説明する。

【００３３】まず、ＳＯＦＣ１に対して図外の燃料供給
系から燃料ガスが供給されるとともに、図にの矢印で
示すように、エアコンプレッサ２により圧縮された例え
ば約２ＭＰａかつ約１０００°Ｃの空気が供給される。
そして、水素と水との電気化学反応により発生した電力
が外部回路に供給されるとともに、空気中の酸素が消費
されることで、窒素リッチの排気が生成される。この排
気は、ＳＯＦＣ１の運転状態にもよるが通常、供給され
る空気と略同圧でやや温度の低い状態（例えば約２ＭＰ
ａかつ約８００°Ｃ）であり、この状態で、図にの矢
印で示すようにＳＯＦＣ１から排出されて、蒸気プラン
ト５のボイラ６に供給される。

【００３４】そして、前記ボイラ６において前記高温高
圧の排気と蒸気サイクルの蒸気とが熱交換し、熱を奪わ
れた排気は例えば約２ＭＰａかつ約１００°Ｃの状態で
ボイラ６から排出されて（図にの矢印で示す）、排気
管４を流通してガスタービン７に供給される。このガス
タービン７を回転駆動する際に排気は略断熱的に膨張し
て大気圧付近まで減圧され、図にの矢印で示すよう
に、排気は例えば約０．１ＭＰａかつ約マイナス１００
°Ｃと極めて温度の低い状態になる。これにより、低温
の排気を冷房や冷凍装置の冷熱源として容易にかつ有効
に利用することができる。

【００３５】一方、前記蒸気プラント５における蒸気の
流れは、図に破線の矢印で示すようになり、前記の如く
ボイラ６により加熱された高圧の蒸気が蒸気タービン８
に供給されて、該蒸気タービン８を回転駆動することに
よって低圧の蒸気になり、その後、復水器９にて凝集し
て低圧の水になって、吸水ポンプ１０に流入する。この
とき、前記復水器９において蒸気と冷却水とが熱交換
し、この冷却水は例えば約６０°Ｃくらいの温水になっ
て、給湯や暖房の熱源として利用される。

【００３６】したがって、この実施形態１に係る燃料電
池の排気活用装置Ａによると、ＳＯＦＣ１から排出され
る高温高圧の排気から熱エネルギを蒸気プラント５によ
り回収し、かつ排気の熱及び圧力エネルギをガスタービ
ン７により回収できるので、コージェネレーションシス
テムの総合的なエネルギ効率を良好なものとすることが
できる。

【００３７】また、蒸気プラント５の復水器９からの廃
熱を給湯や暖房に容易に利用することができる上に、そ
の蒸気プラント８において適度な温度状態とした高圧の
排気を最終的にガスタービン７に供給して、略断熱的に
膨張させることにより、略大気圧で極めて低温の排気が
得られるから、冷房や冷凍装置にも容易にかつ有効に利
用することができる。

【００３８】（実施形態２）図２は、本願発明の実施形
態２に係る燃料電池の排気活用装置Ａを示す。この実施
形態２のものは、前記実施形態１の排気活用装置Ａにお
いて、ボイラ６よりも排気上流側の排気管４に別のガス
タービン１２（第１ガスタービン）を追加したものであ
り、それ以外の構成は前記実施形態１のものと同じなの
で、同一部材には同一の符号を付してその説明は省略す
る。尚、排気下流側のガスタービン７は、以下、第２ガ
スタービン７と呼ぶものとする。

【００３９】そして、この実施形態２の排気活用装置Ａ
によれば、図にの矢印で示すようにＳＯＦＣ１から排
出された高温高圧の排気（例えば約２ＭＰａかつ約８０
０°Ｃ）が、まず第１ガスタービン１２に供給され、こ
の第１ガスタービン７の回転駆動により動力回収が行わ
れるとともに、排気が略断熱的に膨張して所定の温度及
び圧力状態になる（図にの矢印で示す例えば約０．４
ＭＰａかつ約４００°Ｃの状態）。そして、その排気が
前記実施形態１と同様に蒸気プラント５のボイラ６に供
給されて、ここで蒸気と熱交換してさらに温度が低下し
（図にの矢印で示す例えば約０．４ＭＰａかつ約１０
０°Ｃ）、その後、第２ガスタービン７に供給されて、
さらに動力回収されるとともに、略断熱的に膨張して外
気よりも低温の排気（図にの矢印で示す例えば約０．
１ＭＰａかつ約マイナス２０°Ｃの排気）となる。

【００４０】したがって、この実施形態２に係る燃料電
池の排気活用装置Ａによると、前記実施形態１のものと
同様に、ＳＯＦＣ１からの高温高圧の排気の熱及び圧力
をガスタービン７，１２や蒸気プラント５により動力回
収しながら、給湯や暖房だけでなく、冷房や冷凍装置と
しても効果的に利用できる。

【００４１】しかも、前記実施形態１とは異なり、蒸気
プラント５の前段にもガスタービン１２を配設して動力
回収するようにしているので、システム全体としての動
力回収効率を相対的に高くすることができる。その際、
第１ガスタービン１２による動力回収量を多くすれば、
その分、動力回収効率を高くできるが、一方で、第２ガ
スタービン７から排出される排気の温度が相対的に高く
なり、冷熱源としての用途が制約される可能性がある。
また、反対に、前記第１ガスタービン１２による動力回
収量を少なくすれば、動力回収効率は相対的に低くなる
ものの、極めて低温の排気を得ることができる。

【００４２】つまり、この実施形態２のものでは、第１
及び第２ガスタービン１２，７による動力回収能力の設
定によって、システム全体としての総合的なエネルギ効
率の向上と、冷房や冷凍に関する性能の要求とを適度に
満足させることができる。

【００４３】（実施形態３）図３〜６は、本願発明の実
施形態３に係る燃料電池の排気活用装置Ａを示し、この
実施形態３についても、前記実施形態１、２と同じ部材
については同一の符号を付して、その説明は省略する。
そして、この実施形態３のものは、前記実施形態２の排
気活用装置Ａにおいて、ＳＯＦＣ１からの排気を蒸気プ
ラント５のボイラ６又は第１ガスタービン１２のいずれ
かに対して切替えて供給できるようにしたものである。

【００４４】具体的に、この実施形態の排気活用装置Ａ
では、ＳＯＦＣ１からの排気を、第１ガスタービン１２
をバイパスさせてボイラ６に供給する第１バイパス通路
１３と、その排気の流れを前記第１ガスタービン１２か
又は第１バイパス通路１３かのいずれか一方に選択的に
切替える第１切替弁１４（可変分配手段）とを備えてい
る。

【００４５】また、前記ボイラ６を通過した排気を、第
２ガスタービン７をバイパスするように流通させる第２
バイパス通路１５と、その排気の流れを前記第２ガスタ
ービン７又は第２バイパス通路１５のいずれか一方に選
択的に切替える第２切替弁１６（切替弁）とを備えてい
る。

【００４６】次に、前記排気活用装置Ａの動作を説明す
る。

【００４７】まず、前記図３に示すように、ＳＯＦＣ１
からの高温高圧の排気の流れ（図にの矢印で示す）が
第１切替弁１４により第１ガスタービン１２に向かうよ
うに切替えられているときには、排気の流れは前記実施
形態２と同じになる。すなわち、排気は、まず第１ガス
タービン１２に供給されて、ここで動力回収されるとと
もに、略断熱的に膨張して所定の温度及び圧力状態にな
り（図にの矢印で示す例えば約０．４ＭＰａかつ約４
００°Ｃの状態）、続いてボイラ６に供給されてさらに
温度が低下し（図にの矢印で示す例えば約０．４ＭＰ
ａかつ約１００°Ｃ）、その後、第２ガスタービン７に
供給されて、さらに動力回収されるとともに、外気より
も低温の状態（図にの矢印で示す例えば約０．１ＭＰ
ａかつ約マイナス２０°Ｃ）になる。

【００４８】一方、図４に示すように、ＳＯＦＣ１から
の排気の流れが第１切替弁１４により第１バイパス通路
１３に向かうように切替えられると、この排気の流れ
は、前記実施形態１と同じになる。すなわち、図にの
矢印で示すように、ＳＯＦＣ１から排出された例えば約
２ＭＰａかつ約８００°Ｃの排気は、第１バイパス通路
１３を流通してボイラ６に供給され、ここで蒸気と熱交
換して、温度の低下した状態（図にの矢印で示す例え
ば約２ＭＰａかつ約１００°Ｃの状態）でボイラ６から
排出される。そして、排気管４を流通してガスタービン
７に供給された排気は、ここで略断熱的に膨張して大気
圧付近まで減圧され、図にの矢印で示すように、例え
ば約０．１ＭＰａかつ約マイナス１００°Ｃの極めて温
度の低い状態で排出される。

【００４９】このように、この実施形態３の排気活用装
置Ａによれば、前記実施形態１のように極めて低い温度
の排気を得ることも、また、実施形態２のようにシステ
ムの効率を向上しながら、所要の冷熱源を得ることも可
能であり、第１切替弁１４の切替え作動によって、いず
れか一方の作用効果を選択的に得ることができる。

【００５０】次に、前記第１ガスタービン１２による動
力回収能力をさらに高くして、ＳＯＦＣ１からの排気を
単独で大気圧付近まで減圧できるようにした場合につい
て、説明する。尚、このようにするには、前記図３，４
に示す排気活用装置Ａの第１ガスタービン１２を、より
タービン効率の高いものや大型のものに交換するように
してもよいが、そうではなくて、この第１ガスタービン
１２として、効率の可変なものを用いて、その動力回収
量を変更するようにしてもよい。

【００５１】そして、この場合には、図５に示すよう
に、ＳＯＦＣ１からの排気の流れ（図にの矢印で示
す）を第１切替弁１４により第１ガスタービン１２に向
かうように切替えるとともに、その下流側においてボイ
ラ６を通過した排気の流れ（図にの矢印で示す）を第
２切替弁１６により第２バイパス通路１５に向かうよう
に切り替える。こうすることで、前記ＳＯＦＣ１から排
出された高温高圧の排気（約２ＭＰａかつ約８００°
Ｃ）は第１ガスタービン１２において最大限に動力回収
され、かつ略断熱的に膨張して大気圧付近まで減圧され
て、図にの矢印で示すように、例えば約０．１ＭＰａ
かつ約２００°Ｃになる。その後、ボイラ６に供給され
た排気は蒸気との熱交換によって熱を奪われてさらに温
度が低下し、図にの矢印で示すように、例えば約０．
１ＭＰａかつ約１００°Ｃとなって、第２バイパス通路
１５に流通する。この排気は、例えば暖房の熱源として
利用することができる。

【００５２】尚、ＳＯＦＣ１からの排気の流れ（図に
の矢印で示す）を第１切替弁１４により第１バイパス通
路１３に向かうように切替えたときには、ボイラ６から
の排気の流れ（図にの矢印で示す）を第２切替弁１６
により第２ガスタービン７に向かうように切り替える
が、このときには、排気の流れは前記図４に示すものと
同じになり、排気の熱エネルギが蒸気プラント５により
動力として回収されるとともに、その熱及び圧力エネル
ギが第２ガスタービン７により動力回収されて、さら
に、例えば約０．１ＭＰａかつ約マイナス１００°Ｃの
極めて温度の低い状態の排気が得られる。

【００５３】すなわち、この実施形態３の排気活用装置
Ａにおいて、第１ガスタービン１２を動力回収量の大き
いものとした場合には、前記実施形態１と同じく極めて
低温の冷熱源を得ることもできるし、システムの効率を
最大限に向上することもでき、それらの何れかの効果
を、第１及び第２切替弁１４，１６の切替え作動によっ
て選択的に得ることができる。

【００５４】したがって、この実施形態３に係る燃料電
池の排気活用装置Ａによると、冷房や冷凍装置の冷熱源
としての要求が相対的に強いときには、例えばマイナス
１００°くらいの低温の排気を得ることができ、一方、
冷房や冷凍の要求が相対的に弱いときには、冷熱源とな
る排気の温度はやや高くなるものの、その分、システム
のエネルギ効率を高めることができる。特に、第１ガス
タービン１２として動力回収能力の大きいものを用いれ
ば、システムのエネルギ効率を可及的に向上することが
できる。

【００５５】さらに、第１切替弁１４として、ＳＯＦＣ
１からの排気の流れを第１ガスタービン１２及び第１バ
イパス通路１３に同時に分配供給可能な比例弁等を用い
て、この比例弁のスプールの位置の変更により排気の分
配割合を無段階に調整できるようにすれば、前記した冷
房や冷凍の要求とシステムのエネルギ効率とをさらにき
め細かく調和させて、より高い次元で両立することがで
きる。

【００５６】（他の実施形態）尚、本願発明の構成は前
記実施形態のものに限定されず、それ以外の種々の構成
をも包含するものである。すなわち、前記実施形態１〜
３のものでは、いずれも、蒸気機関やガス機関としてそ
れぞれ蒸気タービン８やガスタービン７，１２を用いて
いるが、これに限るものではなく、蒸気ないしガスを作
動流体とする種々の流体機関を用いることができる。

【００５７】また、前記各実施形態では、燃料電池とし
てＳＯＦＣを用いているが、これに限らず、同じく高温
作動形の燃料電池である溶融炭酸塩形燃料電池を用いて
もよいし、それ以外にも、排気の温度及び圧力が所定以
上に高くなる種々の燃料電池を使用するものについて適
用可能である。

【００５８】

【発明の効果】以上、説明したように、請求項１の発明
に係る燃料電池の排気活用装置によると、燃料電池から
の高温高圧の排気をまず蒸気サイクルの熱源として利用
し、そのことによって温度の低下した高圧の排気をガス
機関に供給して減圧することにより、排気温度を常温よ
りも低下させるようにしたので、排気の熱及び圧力をガ
ス機関や蒸気機関により動力回収し、さらに廃熱を給湯
や暖房に利用しながら、低温の排気を冷房や冷凍のため
の冷熱源として利用することができ、システムの利便性
を向上できる。

【００５９】また、請求項２の発明に係る燃料電池の排
気活用装置によると、燃料電池からの高温高圧の排気を
まず第１のガス機関に供給して動力回収し、これにより
所定の温度及び圧力状態まで減圧した後に蒸気サイクル
の熱源として利用し、さらに温度の低下した高圧の排気
を第２のガス機関に供給して、排気温度を低下させるよ
うにしたので、請求項１の発明と同様に、高温高圧の排
気の熱及び圧力をガス機関や蒸気機関により動力回収
し、かつ給湯や暖房だけでなく、冷房や冷凍の利用にも
提供できるとともに、前記第１及び第２ガス機関の選定
によって、システム全体としての総合効率の向上と、冷
房や冷凍に関する性能の要求とを適度に満足させること
ができる。

【００６０】請求項３の発明によると、燃料電池からの
排気を第１ガス機関及び第１バイパス通路に分配供給で
きるようにしたので、請求項１の発明の効果と請求項２
の発明の効果とを選択的に得ることができ、また、それ
らを高次元で両立できる。

【００６１】請求項４の発明によると、熱交換器を通過
した排気を第２ガス機関か第２バイパス通路かに切り替
えて供給できるようにしたので、前記請求項３の発明の
効果に加えて、第１ガス機関として特に動力回収効率の
高いものを用いれば、システムのエネルギ効率を可及的
に向上することができる。

【００６２】請求項５の発明によると、蒸気機関を蒸気
タービン式発電機とし、また、第１及び第２のガス機関
はガスタービン式発電機とすることで、排気エネルギを
電力として回生できるから、利便性がさらに向上する。
また、ガスタービンにおいて排気を略断熱膨張させて、
その温度状態を十分に低下させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１に係る燃料電池の排気活用
装置の構成を示す模式図である。

【図２】実施形態２に係る排気活用装置についての図１
相当図である。

【図３】実施形態３に係る排気活用装置において、第１
切替弁により排気を第１ガスタービンに向けたときの図
１相当図である。

【図４】第１切替弁により排気を第１バイパス通路に向
けたときの図３相当図である。

【図５】第２切替弁により排気を第２バイパス通路に向
けたときの図３相当図である。

【図６】従来の排気活用装置についての図１相当図であ
る。

【符号の説明】

Ａ１ＳＯＦＣ（燃料電池）５蒸気プラント６ボイラ（熱交換器）７，１２ガスタービン８蒸気タービン１３第１バイパス通路１４第１切替弁（可変分配手段）１５第２バイパス通路１６第２切替弁（切替弁）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ０２Ｃ 6/18 Ｆ０２Ｃ 6/18 ＡＦ２４Ｈ 1/00 ６３１Ｆ２４Ｈ 1/00 ６３１ＡＦ２５Ｂ 27/00 Ｆ２５Ｂ 27/00 ＺＨ０１Ｍ 8/04 Ｈ０１Ｍ 8/04 Ｎ (72)発明者濱本浩広島県東広島市吉川工業団地３番11号株式会社日本クライメイトシステムズ内 (72)発明者谷口博昭広島県安芸郡府中町新地３番１号マツダ株式会社内 (72)発明者宮内俊二広島県安芸郡府中町新地３番１号マツダ株式会社内Ｆターム(参考） 3G081 BA02 BA11 BA20 BB00 BC07 DA06 DA14 DA21 DA26 5H027 AA02 BA08 DD02 MM16

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料電池からの排気を蒸気機関の作動流
体と熱交換させて該作動流体を加熱する熱交換器と、前記熱交換器を通過した排気により駆動されるガス機関
とを備えることを特徴とする燃料電池の排気活用装置。
【請求項２】燃料電池からの排気により駆動される第
１のガス機関と、前記第１ガス機関を通過した排気を蒸気機関の作動流体
と熱交換させて該作動流体を加熱する熱交換器と、前記熱交換器を通過した排気により駆動される第２のガ
ス機関とを備えることを特徴とする燃料電池の排気活用
装置。
【請求項３】請求項２において、燃料電池からの排気を、第１ガス機関をバイパスさせて
熱交換器に供給する第１のバイパス通路と、前記燃料電池からの排気の流れを前記第１ガス機関及び
第１バイパス通路に分配するとともに、その分配割合を
変更可能な可変分配手段とを備えることを特徴とする燃
料電池の排気活用装置。
【請求項４】請求項３において、熱交換器を通過した排気を、第２ガス機関をバイパスす
るように流通させる第２のバイパス通路と、前記熱交換器を通過した排気の流れを前記第２ガス機関
又は第２バイパス通路のいずれか一方に選択的に切替え
る切替弁とを備えることを特徴とする燃料電池の排気活
用装置。
【請求項５】請求項１〜４のいずれか１つにおいて、蒸気機関は、蒸気タービン式発電機であり、第１及び第２ガス機関は、ガスタービン式発電機である
ことを特徴とする燃料電池の排気活用装置。