JP2003059519A

JP2003059519A - 燃料電池システム及びコジェネレーションシステム

Info

Publication number: JP2003059519A
Application number: JP2001243007A
Authority: JP
Inventors: Kimioki Ono; 仁意小野; Yuichi Otani; 雄一大谷; Masaharu Watabe; 正治渡部; Hidetoshi Aiki; 英鋭相木; Koichi Takenobu; 弘一武信; Hiroshi Kishizawa; 浩岸沢
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-08-09
Filing date: 2001-08-09
Publication date: 2003-02-28

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料電池システムの付帯設備の削減を行なうこ
とが出来、設備全体としてのコンパクト化及び低コスト
化が可能となる。【解決手段】制御部と、燃料ガスと第１酸化剤ガスの供
給により、前記燃料ガスを燃焼する起動燃焼部７と、前
記燃料ガスと第２酸化剤ガスの供給により、発電を行な
う燃料電池１と、起動燃焼部７と燃料電池１とを含み、
前記燃料ガスが循環可能な循環管路３６−３７−３８−
３９−５８−３５とを具備する。そして、前記制御部
は、循環管路３６−３７−３８−３９−５８−３５を経
由して、起動燃焼部７で燃焼された前記燃料ガスを燃料
電池１へ供給し、燃料電池１で使用された前記燃料ガス
を起動燃焼部７へ戻す燃料電池システムを実施する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池を用いた
発電システム及びコジェネレーションシステムに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池システムは、単独で運転する場
合でも高効率運転が可能である。しかし、通常は、発生
する熱や排ガスを利用するコジェネレーションシステム
を組むことにより、より高効率なシステムとしての利用
が考えられている。動作温度の低い固体高分子型やリン
酸型の燃料電池では、発生する熱を利用する空調システ
ムや給湯システムを一緒に組む例が、一般的である。一
方、動作温度の高い溶融炭酸塩型や固体電解質型の燃料
電池では、発生する高温（高圧）の排ガスを用いたガス
タービンや蒸気タービンと組み合わせたシステムが提案
されており研究が進んでいる。

【０００３】一方、燃料電池を用いた発電システムは、
電池保護を最優先したシステム構成をしている。そのた
め、過剰な付帯設備を有している場合が多い。従って、
燃料電池をコジェネレーションシステムへ適用するため
には、電池保護の運転制約を遵守しつつ、付帯設備を極
力削減し、低コスト化、コンパクト化したシステム構成
が必要である。加えて、その改良したシステムに対応す
る運転方法の確立も必要である。

【０００４】従来のシステムについて図２を参照して説
明する。図２は、燃料電池を利用したコジェネレーショ
ンシステムの構成図である。燃料電池部１０１に供給さ
れる燃料ガス（メタンなど）は、まず、燃料供給部１０
５から送出される。そして、燃料供給ラインＡ１２２−
燃料供給切換弁１０６−燃料供給ラインＢ１２３を経由
して、凝縮器１０７に入る。その時、燃料供給ラインＢ
１２３の途中で燃料循環ライン１３０が接続し、燃料電
池部１０１の燃料排ガスが混合され、再循環される。凝
縮器１０７では、燃料ガスと燃料排ガスとが、水ライン
Ｂ１４７で降温され、燃料排ガス中の水蒸気が凝縮され
る。凝縮水は、充分に溜まった場合には、凝縮水ライン
１４８から排出される。

【０００５】燃料ガスと燃料排ガスとが混合した燃料用
ガスは、燃料供給ラインＣ１２４経由で燃料再循環ファ
ン１０８により吸い出され、燃料供給ラインＤ１２５経
由で電気ヒータである燃料加熱部１０９に送りこまれ
る。そして、そこで然るべき温度に予熱（昇温）され
る。その後、燃料供給ラインＥ１２６経由で再生熱交換
部１１０に達する。再生熱交換部１１０では、燃料電池
部１０１に入る燃料用ガスと酸化剤ガスとを熱交換させ
ることにより、燃料ガスと酸化剤ガスとの温度差を無く
す。そして、燃料供給ラインＦ１２７経由で、圧力緩衝
部１１１に入る。圧力緩衝部１１１では、燃料用ガスと
酸化剤ガスとの間の圧力差を無くす。そして、最終的に
燃料供給ラインＧ１２８経由で、燃料用ガスは、燃料電
池部１０１へ供給される。

【０００６】一方、燃料電池部１０１に供給される酸化
剤ガス（空気など）については、まず、外部の空気供給
部（図示せず）から、しかるべき流量の空気が、空気供
給ラインＡ１３４経由で空気供給ファン１１５により吸
い出される。そして、空気供給ラインＢ１３５−空気供
給弁１１６−空気供給ラインＣ１３６経由で、空気は、
インテーク空気冷却部１１７の低温側に供給される。イ
ンテーク空気冷却部１１７では、導入した空気が高温の
空気と熱交換し、昇温される。次に、空気供給ラインＤ
１３７経由で、空気予熱部１１３の低温側に達する。そ
こで、空気は、排ガス燃焼部１１２で生成した高温排ガ
スと熱交換を行ない、昇温される。その後、空気供給ラ
インＥ１３８を経由して、インテーク空気冷却部１１７
の高温側に入る。そこで、導入した空気が低温の空気と
熱交換する。

【０００７】しかる後、空気は、空気供給ラインＦ１３
９経由でスタック冷却部１１８に達する。そこで、空気
は、燃料電池部１０１の周辺部の温度を低下させ、且
つ、自身は高温化される。続いて、空気供給ラインＧ１
４０経由で再生熱交換部１１０に達する。再生熱交換部
１１０では、燃料電池部１０１に入る燃料用ガスと空気
（酸化剤ガス）とを熱交換させることにより、燃料ガス
と空気との温度差を無くす。そして、空気供給ラインＨ
１４１経由で、圧力緩衝部１１１に入る。圧力緩衝部１
１１では、燃料用ガスと空気との間の圧力差を無くす。
そして、最終的に空気供給ラインＩ１４２経由で、空気
は、燃料電池部１０１へ供給される。

【０００８】燃料電池部１０１に含まれる燃料電池本体
１０２において、既述のようにして導入された燃料用ガ
ス及び空気（酸化剤ガス）により、発電が行なわれる。
なお、燃料ガスは、電池燃料極にて水蒸気改質が行なわ
れて、水素及び一酸化炭素を含むガスとなり、発電に寄
与する。使用済みの燃料用ガスは、燃料供給ラインＨ１
２９経由で、排ガス燃料部１１２へ供給される。また、
空気は、空気供給ラインＪ１４３経由で、排ガス燃料部
１１２へ供給される。

【０００９】排ガス燃焼部１１２に供給された燃料用ガ
ス及び空気は、そこで混合され燃焼する。生成された高
温の燃焼排ガスは、排ガスラインＡ１３１経由で空気予
熱部１１３の高温側に入り、空気を予熱する。その後、
排ガスラインＢ１３２経由で温水熱交換部１１４の高温
に入り、水ラインＡ１４６を流れる水と熱交換を行な
う。この水は、コジェネレーション用の排熱利用の設備
に利用される。そして、燃焼排ガスは、最終的に排ガス
ラインＣ１３３経由で外部に排出される。

【００１０】なお、排ガス燃焼部１１２の燃料ガスが不
足の場合には、補助燃料供給部１１９より補助燃料供給
ラインＡ１４４−補助燃料供給弁１２０−補助燃料供給
ラインＢ１４５経由で供給する。また、置換用の不活性
ガスは、置換ガス供給部１０４から置換ライン１２１を
経由して燃料供給切換弁１０６より、燃料系ガスライン
へ導入される。

【００１１】図２のシステムにおいては、燃料系のガス
ラインを置換するために、置換ガス供給部１０４や置換
ライン１２１、燃料供給切換弁１０６などの付帯設備が
必要である。また、燃料ガスの水蒸気改質で使用する水
蒸気量や燃料電池で発生する水蒸気の管理及び制御のた
めに、凝縮器１０７が必要となる。そして、燃料極側と
空気極側の圧力を概ね等しい状態にするために、圧力緩
衝部１１１を設けている。更に、燃料ガスの予熱用に電
気ヒータを使用するため、燃料電池本体１０２で発電し
た電力の一部を使用している。

【００１２】この様に、図２のシステムは、電池保護を
最優先しているために、過剰な付帯設備を有している。
上記システムをコジェネレーションシステムへ適用する
ためには、電池保護の運転制約は守りつつ、付帯設備を
極力削減し、低コスト化、コンパクト化したシステム構
成、並びに運転方法を確立する必要がある。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、燃料電池の置換用又はパージ用に排ガスを用いるこ
とが可能な燃料電池システム及びコジェネレーションシ
ステムを提供することである。

【００１４】また、本発明の別の目的は、燃料電池の置
換用又はパージ用の不活性ガスに関わる付帯設備を用い
る必要が無い燃料電池システム及びコジェネレーション
システムを提供することである。

【００１５】また、本発明の別の目的は、燃料電池に供
給する燃料ガス及び酸化剤ガスのそれぞれについて、圧
力及び温度を独立して制御することが可能な燃料電池シ
ステム及びコジェネレーションシステムを提供すること
である。

【００１６】また、本発明の別の目的は、燃料電池に供
給する水分管理について、ガス流量に基づいて制御が可
能である燃料電池システム及びコジェネレーションシス
テムを提供することである。

【００１７】更に、本発明の他の目的は、設備をコンパ
クト化することが可能な燃料電池システム及びコジェネ
レーションシステムを提供することである。

【００１８】更に、本発明の他の目的は、設備コストを
低減することが可能な燃料電池システム及びコジェネレ
ーションシステムを提供することである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】以下に、［発明の実施の
形態]で使用される番号・符号を用いて、課題を解決す
るための手段を説明する。これらの番号・符号は、［特
許請求の範囲］の記載と［発明の実施の形態］との対応
関係を明らかにするために付加されたものである。ただ
し、それらの番号・符号を、［特許請求の範囲］に記載
されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならな
い。

【００２０】従って、上記課題を解決するための本発明
の燃料電池システムは、制御部（図示せず）と、燃料ガ
スと酸化剤ガスの供給により、前記燃料ガスを燃焼する
起動燃焼部（７）と、燃料ガスと酸化剤ガスの供給によ
り、発電を行なう燃料電池（１）と、前記起動燃焼部
（７）と前記燃料電池（１）とを含み、前記燃料ガスが
循環可能な循環管路（３６−３７−３８−３９−５８−
３５）とを具備する。そして、前記制御部（図示せず）
は、前記起動燃焼部（７）で燃焼された前記燃料ガス
で、前記循環管路（３６−３７−３８−３９−５８−３
５）内のガスを置換する。

【００２１】また、本発明の燃料電池システムは、前記
起動燃焼部（７）は、小容量の燃焼が可能なパイロット
燃焼部（２９）とを具備する。そして、前記循環管路
（３６−３７−３８−３９−５８−３５）内のガスを置
換する前記燃料ガスは、前記パイロット燃焼部（２９）
が前記燃料ガスを燃焼して生成するガスである。

【００２２】また、本発明の燃料電池システムは、制御
部（図示せず）と、燃料ガスと第１酸化剤ガスの供給に
より、前記燃料ガスを燃焼する起動燃焼部（７）と、前
記燃料ガスと第２酸化剤ガスの供給により、発電を行な
う燃料電池（１）と、前記起動燃焼部（７）と前記燃料
電池（１）とを含み、前記燃料ガスが循環可能な循環管
路（３６−３７−３８−３９−５８−３５）とを具備す
る。そして、前記制御部（図示せず）は、前記循環管路
（３６−３７−３８−３９−５８−３５）を経由して、
前記起動燃焼部（７）で燃焼された前記燃料ガスを前記
燃料電池（１）へ供給し、前記燃料電池（１）で使用さ
れた前記燃料ガスを前記起動燃焼部（７）へ戻す。

【００２３】更に、本発明の燃料電池システムは、前記
燃料電池（１）の燃料極側へ供給される前記燃料ガスの
酸素濃度を測定する濃度計（９）とを更に具備する。そ
して、前記制御部（図示せず）は、前記燃料電池（１）
の運転条件と、前記濃度計（９）の測定結果である酸素
値に基づいて、前記起動燃焼部（７）での前記燃焼を制
御する。

【００２４】更に、本発明の燃料電池システムは、前記
燃料電池（１）の燃料極側へ供給される前記燃料ガスの
温度を計測する燃料温度計（１１−１）とを更に具備す
る。そして、前記制御部（図示せず）は、前記燃料温度
計（１１−１）の計測結果である燃料温度値に基づい
て、前記燃料温度値が予め設定した値の範囲に収まるよ
うに、前記起動燃焼部（７）での燃焼を制御する。

【００２５】更に、本発明の燃料電池システムは、前記
燃料電池（１）の空気極側へ供給される前記第２酸化剤
ガスの温度を計測する空気温度計（１１−２）と、前記
燃料電池（１）で使用された前記燃料ガスと前記第２酸
化剤ガスとを燃焼し、排出する燃焼排ガスで第２酸化剤
ガスを加熱する排ガス燃焼部（１２）とを更に具備す
る。そして、前記制御部（図示せず）は、前記空気温度
計（１１−２）の計測結果である空気温度値に基づい
て、前記空気温度値が予め設定した値の範囲に収まるよ
うに、前記排ガス燃焼部（１２）での燃焼を制御する。

【００２６】更に、本発明の燃料電池システムは、前記
燃料電池（１）の燃料極側へ供給される前記燃料ガスの
温度を計測する燃料温度計（１１−１）と、前記燃料電
池（１）の空気極側へ供給される前記第２酸化剤ガスの
温度を計測する空気温度計（１１−２）と、前記燃料電
池（１）で使用された前記燃料ガスと前記第２酸化剤ガ
スとを燃焼し、排出する燃焼排ガスで第２酸化剤ガスを
加熱する排ガス燃焼部（１２）とを更に具備する。そし
て、前記制御部（図示せず）は、前記燃料温度計（１１
−１）の計測結果である燃料温度値と前記空気温度計
（１１−２）の計測結果である空気温度値とに基づい
て、前記燃料温度値と前記空気温度値との差が、予め設
定した値以下となるように、前記起動燃焼部（７）での
燃焼と前記排ガス燃焼部（１２）での燃焼とを制御す
る。

【００２７】更に、本発明の燃料電池システムは、前記
燃料電池（１）の燃料極側へ供給される前記燃料ガスの
圧力を計測する燃料圧力計（８−１）とを更に具備す
る。そして、前記制御部（図示せず）は、前記燃料圧力
計（８−１）の計測結果である燃料圧力値に基づいて、
前記燃料圧力値が予め設定した値の範囲に収まるよう
に、前記燃料ガスの流量を制御する。

【００２８】更に、本発明の燃料電池システムは、前記
燃料電池（１）の空気極側へ供給される前記第２酸化剤
ガスの圧力を計測する空気圧力計（８−２）とを更に具
備する。そして、前記制御部（図示せず）は、前記空気
圧力計（８−１）の計測結果である空気圧力値に基づい
て、前記空気圧力値が予め設定した値の範囲に収まるよ
うに、前記第２酸化剤ガスの流量を制御する。

【００２９】更に、本発明の燃料電池システムは、前記
燃料電池（１）の燃料極側へ供給される前記燃料ガスの
圧力を計測する燃料圧力計（８−１）と、前記燃料電池
（１）の空気極側へ供給される前記第２酸化剤ガスの圧
力を計測する空気圧力計（８−２）とを更に具備する。
そして、前記制御部（図示せず）は、前記燃料圧力計
（８−１）の計測結果である燃料圧力値と、前記空気圧
力計（８−２）の計測結果である空気圧力値とに基づい
て、前記燃料圧力値と前記空気圧力値との差が予め設定
した値以下となるように、前記燃料ガス及び前記第２酸
化剤ガスの流量を制御する。

【００３０】更に、本発明の燃料電池システムは、前記
燃料電池（１）は、燃料ガスを水蒸気改質する内部改質
部（図示せず）を更に具備する。そして、前記制御部
（図示せず）は、前記起動燃焼部（７）に供給する前記
燃料ガスと前記第１酸化剤ガスの流量に基づいて、前記
水蒸気改質反応を制御する。

【００３１】更に、本発明の燃料電池システムは、前記
内部改質部（図示せず）は、前記燃料電池（１）の燃料
極である。

【００３２】上記課題を解決するための本発明のコジェ
ネレーションシステムは、上記各項のいずれか一項に記
載の燃料電池システム（図１）と、前記燃料電池システ
ムの排熱を利用する設備（図示せず）とを具備する。

【００３３】

【発明の実施の形態】本発明である燃料電池システム及
びコジェネレーションシステムについて、添付の図面を
用いて説明する。本実施例において、温水による排熱利
用を行なうコジェネレーションシステムに使用される燃
料電池システムを例に示して説明するが、ガスタービン
のような他のコジェネレーション関連のシステムに使用
される燃料電池システムにおいても適用可能である。

【００３４】本発明である燃料電池システム及びコジェ
ネレーションシステムの実施の形態における構成につい
て、図１を参照して説明する。

【００３５】図1は、燃料電池を利用したコジェネレー
ションシステムの構成図である。燃料電池部１は、燃料
電池本体２、燃料温度計１１−１及び空気温度計１１−
２を具備する。燃料ガス関連の燃料系ガスラインは、燃
料供給部３、燃料供給弁４、排ガス昇温熱交換部５、燃
料エジェクタ６、パイロット燃焼部２９及びメイン燃焼
部３０を有する起動燃焼器７、再生熱交換部１０、燃料
圧力計８−１、濃度計９を具備する。そして、配管とし
て、燃料供給ラインＡ３１、燃料供給ラインＢ３２、燃
料供給ラインＣ３３、燃料供給ラインＤ３４、燃料供給
ラインＥ３５、燃料供給ラインＦ３６、燃料供給ライン
Ｇ３７、燃料供給ラインＨ３８、燃料供給ラインＩ３
９、燃料循環ライン５８を具備する。

【００３６】また、起動燃焼器７の起動ガスラインは、
パイロット燃料供給弁２５、起動空気供給ファン２６、
起動空気供給弁２７、パイロット空気供給弁２８、パイ
ロット燃焼部２９、メイン燃焼部３０を具備する。そし
て、配管として、起動燃料供給ラインＡ５１、起動燃料
供給ラインＢ５２、起動空気供給ラインＡ５３、起動空
気供給ラインＢ５４、起動空気供給ラインＣ５５、起動
空気供給ラインＤ５６、起動空気供給ラインＥ５７を具
備する。

【００３７】一方、酸化剤ガス関連の酸化剤ガスライン
は、空気供給ファン１５、空気供給弁１６、インテーク
空気冷却部１７、空気予熱部１３、スタック冷却部１
８、再生熱交換部１０（燃料ガス側と共通）、空気圧力
計８−２を具備する。そして、配管として、空気供給ラ
インＡ５９、空気供給ラインＢ６０、空気供給ラインＣ
６１、空気供給ラインＤ６２、空気供給ラインＥ６３、
空気供給ラインＦ６４、空気供給ラインＧ６５、空気供
給ラインＨ６６、空気供給ラインＩ６７を具備する。

【００３８】また、排ガス処理関連のガスラインは、排
ガス燃焼部１２、空気予熱部１３（酸化剤ガス側と共
通）、温水熱交換部１４、排ガス再循環ファン２１、排
ガスエジェクタ流調弁２３、排ガスエジェクタ２４、燃
料ガスエジェクタ流調弁２２、補助燃料供給部１９、補
助燃料供給弁２０を具備する。そして、配管として、排
ガスラインＡ４０、排ガスラインＢ４１、排ガスライン
Ｃ４２、排ガス再循環ラインＡ４４、排ガス再循環ライ
ンＢ４５、排ガス再循環ラインＣ４６、排ガス再循環ラ
インＤ４７、排ガス再循環ラインＥ４８、排ガス再循環
ラインＦ４９、排ガス再循環ラインＧ５０、補助燃料供
給ラインＡ６８、補助燃料供給ラインＢ６９、水ライン
Ａ７０を具備する。

【００３９】次に、燃料電池について詳細に説明する。
燃料電池部１は、発電を行なう燃料電池本体２、使用す
る燃料ガス及び酸化剤ガス（本実施例では、空気）の温
度を測定する燃料温度計１１−１及び空気温度計１１−
２を含む。そして、燃料電池本体２から電気を取り出す
集電部材、燃料電池運転の制御に必要な測定を行なう上
記温度計のような測定機器、各種ガスを供給、排出する
配管など（以上、一部図示せず）が付属している。燃料
電池部１は、図示しない制御部により制御される。

【００４０】燃料電池本体２は、燃料電池部１に含ま
れ、燃料供給ラインＨ３８、燃料供給ラインＩ３９、空
気供給ラインＨ６６、空気供給ラインＩ６７のそれぞれ
一端部が接続している。そして、外部から燃料供給ライ
ンＨ３８経由で燃料ガスを、空気供給ラインＨ６６経由
で酸化剤ガス（本実施例では、空気）の供給を受け、そ
れらを用いて発電を行なう燃料電池の本体である。本実
施例では、直接内部改質型の固体電解質型の燃料電池で
ある。

【００４１】すなわち、燃料極は、メタンやメタノー
ル、プロパンなどの炭化水素系ガスのような燃料ガスを
改質して、発電に利用する水素と一酸化炭素とを含むガ
スを得るための触媒機能を有する。本実施例では、燃料
ガスとしてメタンを用い、メタンと水蒸気を用いて水蒸
気改質を行ない、水素と一酸化炭素とを含むガスを得
る。燃料極はニッケル／安定化ジルコニア（Ｎｉ／ＹＳ
Ｚ）、空気極はランタンマンガネート（Ｌａ_０．９Ｓｒ
_０．１ＭｎＯ_３）、電解質は安定化ジルコニア（ＹＳ
Ｚ）である。燃料極及び空気極における他の電極反応
は、通常の場合と同様である。

【００４２】なお、水蒸気がない場合、燃料極側におい
て、燃料極を触媒として部分酸化反応を行なわせること
も可能である。すなわち、燃料極上に、メタンと酸素を
導入すれば、水素及び一酸化炭素を有するガスを得るこ
とが出来る。

【００４３】使用済みの燃料ガス（生成された水蒸気、
未使用の改質ガス）は燃料供給ラインＩ３９経由で、及
び酸化剤ガス（未使用の空気）は空気供給ラインＩ６７
経由で、それぞれ排ガス処理部１２へ排出される。燃料
電池本体２は、図示しない制御部により制御される。

【００４４】燃料温度計１１−１は、燃料供給ラインＨ
３８に接続されている。そして、燃料電池本体２へ入る
燃料ガス（本実施例ではメタン）の温度を継続的に計測
する温度計である。熱電対や抵抗温度計等である。測定
結果は、図示しない制御部へ出力される。空気温度計１
１−２は、空気供給ラインＨ６６に接続されている。そ
して、燃料電池本体２へ入る酸化剤ガス（本実施例では
空気）の温度を継続的に計測する温度計である。熱電対
や抵抗温度計等である。測定結果は、図示しない制御部
へ出力される。

【００４５】次に、燃料ガス関連の燃料系ガスライン
（燃料を燃料電池へ供給するライン）について説明す
る。燃料供給部３は、燃料供給ラインＡ３１の一端部に
接続している。燃料電池運転に必要な燃料ガスを供給す
る。一つ又は複数のボンベである場合や、ガスタンクや
ガス生成装置に接続されたガスラインである。本実施例
では、カードルタイプのメタンガスボンベである。

【００４６】燃料供給弁４は、一方を燃料供給ラインＡ
３１の他端部に、他方を燃料供給ラインＢ３２の一端部
に接続している。燃料供給部３から起動燃焼部７のメイ
ン燃焼部３０（後述）及び燃料電池部１への燃料ガスの
供給を制御する弁である。また、燃料供給部３での高圧
の燃料ガスを、降圧する機能も有する。燃料供給弁４
は、図示しない制御部により制御される。

【００４７】排ガス昇温熱交換部５は、熱交換器であ
る。低温側は、一方を燃料ガス供給ラインＣ３３（一端
部を燃料ガス供給ラインＢ３２の他端部と排ガス再循環
ラインＧ５０とに接続）の他端部に接続し、他方を燃料
ガス供給ラインＤ３４の一端部に接続している。高温側
は、一方を燃料ガス供給ラインＦ３６（一端部を起動燃
焼部７に接続）の他端部に接続し、他方を燃料ガス供給
ラインＧ３７の一端部に接続している。燃料供給部３と
排ガス燃焼部１２（後述）とから供給される低温の燃料
用ガスＡ（＝燃料ガス＋再循環排ガス）を、起動燃焼部
７（後述）から送出される高温の燃料用ガスＣ（燃料用
ガスＢ（＝燃料用ガスＡ＋燃料電池本体２の燃料側の排
出ガスである燃料排ガス）を起動燃焼部７で処理したも
の）との熱交換により昇温する。

【００４８】燃料エジェクタ６は、一方を燃料ガス供給
ラインＤ３４の他端部に接続し、他方を燃料ガス供給ラ
インの燃料ガス供給ラインＥ３５の一端部に接続してい
る。また、引き込まれるガスの配管として、燃料循環ラ
イン５８（一端部を燃料電池本体２の燃料排ガス側に接
続）の他端部が接続している。排ガス昇温熱交換部５か
ら起動燃焼部７（後述）に向かう燃料ガスの流れを用い
て、燃料電池部１から排出された使用済みの燃料ガスで
ある燃料排ガスの一部を、起動燃焼部７に向かう燃料ガ
スの流れへ引き込む。引き込む流量は、起動燃焼部７に
向かう燃料ガスの流れの流量により制御される。例え
ば、燃料ガスエジェクタ流調弁２２（後述）により制御
される。

【００４９】起動燃焼部７は、パイロット燃焼部２９及
びメイン燃焼部３０を具備する。燃料ガス及び酸化剤ガ
スの供給により、供給されたガスの全部又は一部の燃焼
を行う。燃焼後のガスは、燃焼により加熱され高温とな
り、燃料電池部１へ供給される。

【００５０】パイロット燃焼部２９は、小容量バーナー
（パイロットバーナー）を有する。パイロット空気供給
弁２８に一端部を接続された起動空気供給ラインＥ５７
の他端部と接続し、空気（酸化剤ガス）の供給を受け
る。また、パイロット燃料供給弁２５に一端部を接続さ
れた起動燃料供給ラインＢ５２の他端部と接続し、燃料
ガスの供給を受ける。そして、必要に応じて、燃料ガス
及び空気の供給によりパイロットバーナーを燃焼する。
その時の燃焼排ガスを燃料電池部１及び燃料系ガスライ
ン中へ供給することにより、運転初期に残存する可能性
の有る空気をパージする。また、メイン燃焼部３０（大
容量バーナー、後述）の着火前にパイロットバーナーを
着火し、メイン燃焼部３０の火種となる。

【００５１】メイン燃焼部３０は、大容量バーナー（メ
インバーナー）を有する。燃料エジェクタ６に一端部を
接続された燃料供給ラインＥ３５の他端部に接続してい
る。そして、燃料用ガスＢ（＝燃料ガス＋再循環排ガス
＋燃料排ガス）の供給を受ける。燃料用ガスＢには、燃
料として使用可能なガス（燃料ガス、再循環排ガス、燃
料排ガスに含まれる）と、酸素ガス（再循環排ガスに含
まれる）と、水蒸気（燃料排ガスに含まれる）が含まれ
る。そして、燃料用ガスＢの供給を受けて、必要に応じ
てメインバーナーを燃焼し、燃料用ガスＢのガスの一部
を燃焼し、ガス全体を加熱処理する。また、起動空気供
給弁２７に一端部を接続された起動空気供給ラインＣの
他端部に接続している。そして、上記燃焼の際に、必要
に応じて、空気の供給を受ける。処理された燃料用ガス
Ｂは、燃料用ガスＣとして、燃料電池部１へ向けて、燃
料供給ラインＦ３６を経由して排ガス昇温熱交換部５へ
送出される。

【００５２】ここで、起動燃焼部７に供給される空気及
び燃料用ガス（再循環ガスを含む）は、燃料供給弁４、
燃料ガスエジェクタ流調弁２２、排ガス再循環ファン２
１、起動空気供給弁２７、起動空気供給ファン２６、パ
イロット空気供給弁２８、パイロット燃料供給弁２５、
を図示しない制御部で制御することにより行なう。その
際、燃料電池部１に入る直前の濃度計９の測定値に基づ
いて、所望の燃料用ガスＣの組成に成るようにフィード
バック制御法やＰＩＤ制御法により制御を行なう。

【００５３】例えば、燃料用ガスに一定量の酸素を混入
したい場合には、以下のようにする。すなわち、濃度計
９により酸素濃度を監視し、酸素不足の場合には、空気
の供給を増やすように、起動空気供給弁２７、起動空気
供給ファン２６、パイロット空気供給弁２８を適切に制
御する。又は、燃料供給弁４、燃料ガスエジェクタ流調
弁２２、排ガス再循環ファン２１、パイロット燃料供給
弁２５を制御し、燃料ガスの成分を減少させ、燃焼によ
り消費する酸素を減少させるようにする。以上のように
して、燃料用ガス中の酸素濃度を増加させることが可能
である。また、燃料用ガスに酸素を混入したくない場合
には、例えば、上記の逆を行なえば、酸素をなくすこと
が出来る。

【００５４】再生熱交換部１０は、燃料用ガスと酸化剤
ガスとを熱交換する。すなわち、燃料用のガスのライン
について、一方を燃料供給ラインＧ３７の他端部に接続
され、他方を燃料供給ラインＨ３８に接続されている。
また、酸化剤用のガス（空気）のラインについて、一方
を空気供給ラインＧ６５の他端部に接続され、他方を空
気供給ラインＨ６６に接続されている。そして、燃料電
池部１に入る直前の燃料供給ラインＧ３７経由の燃料用
ガスＣと、燃料電池部１に入る直前の空気供給ラインＧ
６５経由の空気との間の熱交換を行なう。燃料ガスと空
気の温度差を出来るだけ小さくするための熱交換器であ
る。そして、燃料電池の燃料極及び空気極間の温度差を
無し、燃料電池の熱応力を抑制する。

【００５５】燃料圧力計８−１は、燃料供給ラインＨ３
８の途中の燃料電池部１の近傍にある。燃料電池部１に
入る直前の燃料用ガスＣの圧力を計測するための圧力計
である。電気式圧力計（抵抗線、圧電気、半導体な
ど）、ブルドン管圧力計、隔膜式圧力計等である。測定
結果は、図示しない制御部へ出力される。

【００５６】濃度計９は、燃料供給ラインＨ３８の途中
の燃料電池部１の近傍にある。燃料電池部１に入る直前
の燃料ガスの濃度を計測するためのガス濃度計測器であ
る。簡易ガスクロマトメータ、半導体式や接触燃焼式、
固体熱伝導式などの可燃性ガスセンサ等である。測定結
果は、図示しない制御部へ出力される。

【００５７】次に、起動燃焼器７の起動系ガスライン
（主に起動燃焼部７のパイロット燃焼部２９に関わるラ
イン）について説明する。起動空気供給ファン２６は、
一端部を図示しない外部の空気供給部に接続された起動
空気供給ラインＡ５３に一方を接続し、他方を起動空気
供給ラインＢ５４の一端部に接続している。外部の空気
供給部から空気を引き出すファンである。ファンの回転
数などにより、引き出す空気の流量を制御することが可
能である。起動空気供給ファン２６は、図示しない制御
部により制御される。

【００５８】パイロット空気供給弁２８は、一端部を起
動空気供給ラインＢ５４の途中に接続された起動空気供
給ラインＤ５６に一方を接続し、他方を起動空気供給ラ
インＥ５７の一端部に接続している。起動空気供給ファ
ン２６より導入される空気の起動燃焼部７のパイロット
燃焼部２９への供給を制御する弁である。図示しない制
御部により制御される。

【００５９】パイロット燃料供給弁２５は、一端部を燃
料供給ラインＡ３の途中に接続された起動燃料供給ライ
ンＡ５１に一方を接続し、他方を起動燃料供給ラインＢ
５２の一端部に接続している。燃料供給部３から起動燃
焼部７のパイロット燃焼部２９への燃料ガスの供給を制
御する弁である。また、燃料供給部３での高圧の燃料ガ
スを、降圧する機能も有する。パイロット燃料供給弁４
は、図示しない制御部により制御される。

【００６０】起動空気供給弁２７は、一端部を起動空気
供給ファン２６に接続された起動空気供給ラインＢ５４
に一方を接続し、他方を起動空気供給ラインＣ５５の一
端部に接続している。起動空気供給ファン２６より導入
される空気の起動燃焼部７のメイン燃焼部３０への供給
を制御する弁である。図示しない制御部により制御され
る。

【００６１】次に、酸化剤ガス関連の酸化剤系ガスライ
ン（酸化剤である空気を燃料電池へ供給するライン）に
ついて説明する。空気供給ファン１５は、一端部を図示
しない外部の空気供給部に接続された空気供給ラインＡ
５９に一方を接続し、他方を空気供給ラインＢ６０の一
端部に接続している。外部の空気供給部から空気を引き
出すファンである。ファンの回転数などにより、引き出
す空気の流量を制御することが可能である。空気供給フ
ァン１５は、図示しない制御部により制御される。

【００６２】空気供給弁１６は、他端部を空気供給ファ
ン１５に接続された空気供給ラインＢ６０に一方を接続
し、他方を空気供給ラインＣ６１の一端部に接続してい
る。空気供給ファン１５より導入される空気の燃料電池
部１への供給を制御する弁である。図示しない制御部に
より制御される。

【００６３】インテーク空気冷却部１７は、熱交換器で
ある。低温側は、一方を空気供給ラインＣ６１の他端部
に接続し、他方を空気供給ラインＤ６２の一端部に接続
している。高温側は、一方を空気供給ラインＥ６３の他
端部に接続し、他方を空気供給ラインＦ６４の一端部に
接続している。空気供給弁１６からの空気を、空気予熱
部１３（後述）を経由した高温の空気と熱交換し、昇温
する熱交換器である。

【００６４】空気予熱部１３は、熱交換器である。低温
側は、一方を空気供給ラインＤ６２の他端部に接続し、
他方を空気供給ラインＥ６３の一端部に接続している。
高温側は、一方を排ガスラインＡ４０の他端部（一端部
は排ガス燃焼部１２に接続）に接続し、他方を排ガスラ
インＢ４１の一端部に接続している。インテーク空気冷
却部１７の低温側の空気を、排ガス燃焼部７（後述）か
ら排出された高温の燃焼排ガスと熱交換し、昇温する熱
交換器である。

【００６５】スタック冷却部１８は、一方を空気供給ラ
インＦ６４の他端部に、他方を空気供給ラインＧ６５の
一端部に接続している。そして、インテーク空気冷却部
１７の高温側の空気を、燃料電池部１に導入し、燃料電
池部１の辺縁部で発生する熱と熱交換し、その空気を昇
温する。

【００６６】再生熱交換部１０（燃料ガス側と共通）
は、既述の通りなので説明を省略する。空気圧力計８−
２は、空気供給ラインＨ６６の途中の燃料電池部１の近
傍にある。燃料電池部１に入る直前の空気の圧力を計測
するための圧力計である。電気式圧力計（抵抗線、圧電
気、半導体など）、ブルドン管圧力計、隔膜式圧力計等
である。測定結果は、図示しない制御部へ出力される。

【００６７】次に、排ガス処理関連の排ガス系ガスライ
ン（主に、燃料電池部１後の排ガスに関わるライン）に
ついて説明する。排ガス燃焼部１２へは、燃料電池部１
側から燃料排ガス及び空気排ガスを供給する、燃料ガス
供給ラインＩ３９の他端部、及び空気供給ラインＩ６７
の他端部が接続している。また、補助燃料の供給用に補
助燃料供給ラインＢ６９の他端部が接続している。更
に、排ガス燃焼部１２で形成される燃焼排ガスを循環さ
せるために、排ガスラインＡ４０の一端部及び排ガスラ
インＦ４９の他端部が接続している。燃料電池本体２で
使用された燃料ガス及び空気を混合し、燃焼する燃焼器
である。燃焼は、燃焼による熱エネルギーを後段の空気
予熱部やガスタービン（図示せず）等で利用するため
と、排ガス中の有害物質を除去する（一酸化炭素を二酸
化炭素にする）ために行なう。燃焼ガスは、排ガスライ
ンＡ４０を経由して空気予熱部１３へ排出される。

【００６８】空気予熱部１３（酸化剤ガス側と共通）
は、既述の通りであるのでその説明を省略する。温水熱
交換部１４は、高温側は、一方を排ガスラインＢ４１の
他端部に、他方を排ガスラインＣ４２の一端部に接続し
ている。低温側は、水ライン７０に接続している。空気
予熱部１３を経由した排ガスの熱を、低温側に流れる水
により回収する熱交換器である。温水になった水は、他
の用途（給湯設備、温水冷却器など）で使用される。な
お、燃焼排ガスの一部は、排ガスライン４２Ｃの他端部
から外部へ排出される。

【００６９】排ガス再循環ファン２１は、一端部を排ガ
スラインＣ４２の途中に接続した排ガス再循環ラインＡ
４４の他端部と一方を接続し、他方を排ガス再循環ライ
ンＢ４５に接続している。外部に排出される燃焼排ガス
の内、一部を再循環させるために引き出すファンであ
る。引き出された燃焼排ガスは、一部は燃料ガスの供給
ライン（燃料供給ラインＣ３３）へ向かい、残りは排ガ
ス燃焼部１２へリサイクルされる。燃料ガスの供給ライ
ンへ向かう燃焼排ガスは、燃焼排ガス中に含まれる微量
の酸素を用いる、メイン燃焼部３０にて燃料用ガスＢを
加熱するための燃焼に使用される。残りの排ガス燃焼部
１２へ向かう燃焼排ガスは、排ガスリサイクルにより、
排ガス燃焼部１２の保護のための冷却、ならびに、排ガ
ス燃焼部１２での燃焼における酸素濃度を低下させ、火
炎温度を低くしＮＯｘを低減させるために使用される。

【００７０】排ガスエジェクタ流調弁２３は、一端部を
排ガス再循環ラインＢ４５の途中に接続した排ガス再循
環ラインＣ４６の他端部と一方を接続し、他方を排ガス
再循環ラインＤ４７に接続している。排ガスエジェクタ
２４（後述）が吸い出す排ガスの量を、自身を流れる燃
焼排ガスの流量により調整する弁である。排ガスエジェ
クタ流調弁２３は、図示しない制御部により制御され
る。

【００７１】排ガスエジェクタ２４は、一方を排ガス再
循環ラインＤ４７の他端部に接続し、他方を排ガス再循
環ラインＦ４９の一端部に接続している。また、引き込
まれるガスの配管として、排ガス再循環ラインＤ４７
（一端部を排ガスラインＣ４２の途中に接続）の他端部
が接続している。排ガス再循環ファン２１から排ガス燃
焼部１２へ向かうガスの流れを用いて、温水熱交換部１
４から排出された燃焼排ガスの一部を、排ガス燃焼部１
２へ向かうガスの流れへ引き込む。引き込む流量は、排
ガス燃焼部１２へ向かうガスの流れの流量により制御さ
れる。例えば、排ガスエジェクタ流調弁２３により制御
される。この排ガスは、排ガスリサイクルにより、排ガ
ス燃焼部１２の保護のための冷却、ならびに、排ガス燃
焼部１２での燃焼における酸素濃度を低下させ、火炎温
度を低くしＮＯｘを低減させるために使用される。

【００７２】燃料ガスエジェクタ流調弁２２は、一方を
排ガス再循環ラインＢ４５の他端部に、他方を排ガス再
循環ラインＧ５０の一端部に接続している。そして、燃
料エジェクタ６が、燃料電池本体２からの燃料排ガス
を、燃料系ガスラインへ吸い出す排ガス量を調整するた
めの弁である。図示しない制御部により制御される。

【００７３】補助燃料供給部１９は、補助燃料供給ライ
ンＡ６８の一端部に接続している。排ガス燃焼部１２で
の排ガス燃焼の際、燃料ガスが不足する場合の補助燃料
を供給する供給部である。一つ又は複数のボンベである
場合や、ガスタンクやガス生成装置に接続されたガスラ
インである。本実施例では、メタンガスボンベである。

【００７４】補助燃料供給弁２０は、一方を補助燃料供
給ラインＡ６８の他端部に、他方を補助燃料供給ライン
Ｂ６９の一端部に接続している。補助燃料供給部１９か
ら排ガス燃焼部１２への燃料ガスの供給を制御する弁で
ある。また、補助燃料供給部１９での高圧の燃料ガス
を、降圧する機能も有する。補助燃料供給弁２０は、図
示しない制御部により制御される。

【００７５】次に、本発明である燃料電池システム及び
コジェネレーションシステムの実施の形態における動作
について、図１を参照して説明する。

【００７６】燃料電池の立上げ時の動作について説明す
る。燃料電池システムの立上げ前の状態は、燃料電池部
１の温度は常温であり、各弁は基本的に閉止され、燃料
系ガスライン及び排ガス系ガスラインは、通常、不活性
なガスで置換され封止されている。空気系ガスライン
は、空気が残っている。

【００７７】燃料電池の立上げの初期では、まず、燃料
電池部１の燃料極側及び燃料系ガスライン、排ガス系ラ
インを不活性なガス（あるいは、酸素を含まないガス）
で置換し直す。少しでも酸素成分が残っていると燃料電
池本体２の燃料極に悪影響を及ぼすからである。置換用
のガスとして、起動燃焼部７のパイロット燃焼部２９で
の燃焼により生成する排ガスを用いる。

【００７８】まず、パイロット燃料供給弁２５を、適当
な開度にし、しかるべき流量のメタン（燃料ガス）が流
れるように制御する。一方、起動空気供給ファン２６を
動作させ、パイロット空気供給弁２８を、適当な開度に
し、しかるべき流量の空気（酸化剤ガス）が流れるよう
に制御する。メタンと空気とがパイロット燃焼部２９に
供給され、図示しない着火源により燃焼が開始される。
空気とメタンとの比は、理論空燃比と等しいか小さく
し、空気が余らないように（メタンが過剰気味になるよ
うに）する。燃焼により発生するガスは、主に二酸化炭
素と水蒸気であり、他に窒素及び未燃のメタンなどが有
る。

【００７９】これらの燃焼による排ガスは、起動燃焼部
７に接続した燃料供給ラインＦ３６から出て、燃料系ガ
スライン内に残るガスを置換しながら、燃料電池部１に
到達する。そして、燃料電池本体２の燃料極側を通りな
がら、その中に残るガスを置換する。その後、排ガス燃
焼部１２に達し、空気予熱部１３などを通り、更に排ガ
ス系ラインを通ることにより、各部を不活性なガス（あ
るいは、酸素を含まないガス）で置換し直す。

【００８０】すなわち、燃料系ガスライン（燃料供給系
統）の起動燃焼部７に小容量のパイロット燃焼部２９を
設けることにより、その燃焼排ガスで、燃料電池本体２
の電池室内に残留する酸素成分をパージすることが出
来、窒素等のパージガス供給用の付帯設備が不要にな
る。

【００８１】続いて、燃料電池本体２を加熱する。加熱
するために、起動燃焼部７の動作により、燃料系ガス
ラインを加熱し、それと同時に、排ガス燃焼部１２の
動作により、酸化剤系ガスラインを加熱する。そして、
及びにより、燃料電池本体２の温度を高め、作動温
度にする。発電が始まると、燃料電池本体２の発する熱
と、排ガス燃焼部１２の発熱とにより、運転が自立す
る。

【００８２】ここで、上記起動燃焼部７の動作によ
り、燃料系ガスラインを加熱について説明する。ま
ず、燃料供給弁４を、適当な開度にし、しかるべき流量
のメタン（燃料ガス）が流れるように制御する。一方、
起動空気供給ファン２６を動作させ、起動空気供給弁２
７を、適当な開度にし、しかるべき流量の空気（酸化剤
ガス）が流れるように制御する。メタンと空気とがメイ
ン燃焼部３０に供給される。そこで、上述のパイロット
燃焼部２９の燃焼の火炎を火種として、燃焼を開始す
る。空気とメタンの流量は、メタンと空気中の酸素との
比が、１：２よりも大きくになるようにする。すなわ
ち、下記（１）式に示す完全燃焼が確実に起こり、且つ
酸素が余る条件にする。発熱反応によりガスを加熱し
て、燃料系ガスライン及び燃料電池本体２の燃料極へ送
り込む。そうすることにより、燃料用ガス、燃料系ガス
ライン及び燃料極が加熱される。ＣＨ_４＋２Ｏ_２→２Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ_２（１）

【００８３】酸素が余る条件にするのは、最初の立上げ
時に、燃料極の焼成処理を同時に行なうためである。す
なわち、最初の立上げ時では、燃料極は、ペースト（燃
料極成分の原料を有機材料に混合したもの）を乾燥した
状態である。そして、燃料電池の最初の立上げの昇温過
程において、酸化雰囲気中で焼成処理を行なう必要があ
るからである。燃料極へ導入する燃料用ガスの酸素濃度
は、濃度計９で測定し、制御部へフィードバックする。
制御部は、ペースト焼成に必要な酸素濃度に成るように
起動燃焼部７の燃焼に関わる各弁やファンを制御する。

【００８４】次に、上記排ガス燃焼部１２の動作によ
り、酸化剤系ガスラインを加熱について説明する。空
気供給ファン１５を動作させ、空気供給弁１６を、適当
な開度にする。そして、しかるべき流量の空気（酸化剤
ガス）が、燃料電池部１の空気極へ向かって流れるよう
に制御する。そこで、（１）式により生成した燃料系ガ
スラインの高温の水蒸気及び二酸化炭素（及び窒素）
と、酸化剤系ガスラインの空気とが再生熱交換部１０に
供給される。そこで、熱交換が行なわれ、水蒸気及び二
酸化炭素（及び窒素）と空気とがほぼ同一の温度とな
り、燃料電池本体２に入る。燃料電池本体２を加熱した
後、上記ガスはそのまま排ガス燃焼部１２に入る。そし
て、その排ガスは、空気予熱部１３にて、燃料電池本体
２に入る前の酸化剤系ガスラインの空気と熱交換して、
その空気を昇温する。排ガスは、排ガス再循環ファン２
１により、一部が燃料系ガスラインの燃料ガスエジェク
タ流調弁２２を通り、燃料ガスと燃料供給ガスラインＣ
３３で合流する。そして、燃料エジェクタ６を動作させ
る。この動作により、燃料電池本体２を出た直後の排ガ
スの一部が、燃料エジェクタ６へ吸い出される。

【００８５】燃料電池本体２の温度が上昇し、燃料極の
焼成処理が終了した段階で、起動燃焼部７に供給する酸
素量の割合を徐々に減少させる。そして、逆に、メタン
が過剰な状態にする。この時、燃料電池本体２へ供給す
る燃料用ガスの酸素濃度がゼロとなる。制御部は、濃度
計９による酸素濃度及びメタン濃度の測定結果に基づい
て、各弁及びファンをフィードバック制御する。

【００８６】起動燃焼部７において生成される水蒸気及
び二酸化炭素（及び窒素）と、過剰となったメタンは、
再生熱交換部１０において、空気と熱交換を行なう。そ
して、水蒸気、二酸化炭素及びメタン（及び窒素）と空
気とがほぼ同一の温度となり、燃料電池本体２に入る。
温度が十分に高くない場合、発電が起きないので、ガス
はそのまま排ガス燃焼部１２に入る。そして、そこで図
示しない着火源により、メタンと空気とが燃焼し、その
発熱により高温の排ガス（水蒸気、二酸化炭素及び窒
素）を生成する。その排ガスは、空気予熱部１３にて、
燃料電池本体２に入る前の空気と熱交換して、その空気
を昇温する。この様に、排ガス燃焼部１２での排ガス燃
焼の熱により、空気、空気極、酸化剤系ガスライン及び
排ガス系ガスラインが加熱される。また、その排ガスの
一部は、燃料循環ライン５８−燃料エジェクタ６経由で
燃料用ガスに合流する。

【００８７】上記における燃料用ガス及び空気の供
給量は、燃料電池本体２の直前の燃料用ガスの温度（燃
料用温度計１１−１で測定）と、燃料電池本体２の直前
の空気の温度（空気用温度計１１−２で測定）との差
が、予め設定してる値（例えば、±１０℃以内など）よ
りも大きくならないように制御する。すなわち、燃料用
ガスが高温の場合には、燃料極側において、起動燃焼部
７に供給する空気の流量を絞るか又は空気及び燃料用ガ
スの両方の流量を絞り酸化反応を抑える、あるいは、空
気極側において、空気流量を低下させる、などの処置を
とる。一方、空気が高温の場合には、燃料極側におい
て、起動燃焼部７に供給する空気及び燃料用ガスの両方
の流量を上げ酸化反応を増やす、あるいは、空気極側に
おいて、空気流量を増加させる、などの処置をとる。

【００８８】なお、燃料電池本体２の直前の燃料用ガス
の温度（燃料用温度計１１−１で測定）と、燃料電池本
体２の直前の空気の温度（空気用温度計１１−２で測
定）とは、それぞれ個別の値に制御することも可能であ
る。すなわち、燃料用ガスの温度は、例えば、起動燃焼
部７に供給する空気又は燃料ガスの流量を調節すれば制
御可能である。また、空気の温度は、例えば、空気流量
を調整すれば制御可能である。

【００８９】同様に、上記における燃料用ガス及び
空気の供給量は、燃料電池本体２の直前の燃料用ガスの
圧力（燃料圧力計８−１で測定）と、燃料電池本体２の
直前の空気の圧力（空気圧力計８−２で測定）との差
が、予め設定してる値（例えば、±１０ｃｍＡｑ以内な
ど）よりも大きくならないように制御する。すなわち、
燃料用ガスが高圧の場合には、燃料極側において、起動
燃焼部７に供給する空気の流量を絞るか又は空気及び燃
料用ガスの両方の流量を絞る、あるいは、空気極側にお
いて、空気流量を増加させる、などの処置をとる。一
方、空気が高圧の場合には、燃料極側において、起動燃
焼部７に供給する空気及び燃料用ガスの両方の流量を上
げる、あるいは、空気極側において、空気流量を減少さ
せる、などの処置をとる。

【００９０】なお、燃料電池本体２の直前の燃料用ガス
の圧力（燃料圧力計８−１で測定）と、燃料電池本体２
の直前の空気の圧力（空気圧力計８−２で測定）とを、
それぞれ個別の値に制御することも可能である。すなわ
ち、燃料用ガスの圧力は、例えば、起動燃焼部７に供給
する空気又は燃料ガスの流量を調節すれば制御可能であ
る。また、空気の圧力は、例えば、空気流量を調整すれ
ば制御可能である。

【００９１】また、この段階で循環しているガスは、主
成分として、水蒸気、二酸化炭素、窒素、メタンであ
る。

【００９２】燃料系ガスラインに容量の異なる２つの燃
焼部（パイロット燃焼部２９、メイン燃焼部３０）を設
置し、大容量のメイン燃焼部３０の着火前に小容量のパ
イロット燃焼部２９を着火することで、パイロット燃焼
部２９をメイン燃焼部３０の火種として使用することが
可能となる。

【００９３】上述のように、燃料電池本体２に流入する
燃料用ガス、並びに空気を昇温するために、それぞれ起
動燃焼部７及び排ガス燃焼部１２を設置する。そして、
燃料電池本体２の入口温度（燃料用温度計１１−１及び
空気用温度計１１−２で測定）に基づいて、各燃焼部へ
の燃料用ガス流量、空気流量を個別に操作する。そうす
ることで、各燃焼部での燃焼量を個別に調整することが
可能となる。そして、燃料用ガス及び空気の温度を個別
に操作することが可能となる。従って、燃料電池に流入
する燃料、空気の温度差を許容値以下に抑えながら、昇
温、降温操作が可能となる。加えて、昇温用の電気ヒー
ターなどの外部熱源を必要なくなる。

【００９４】燃料電池本体２の温度が上昇し、８００℃
程度になると、発電が可能となる。また、この段階にお
いて、燃料極のニッケル／安定化ジルコニア触媒は、燃
料極側を流れるガス（主に、水蒸気、二酸化炭素、窒
素、メタン）により、賦活されている。従って、下記の
式（２）のように、燃料極上でメタンの水蒸気改質反応
が可能な状態である。ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ_２（２）

【００９５】式（２）の反応は、吸熱反応である。従っ
て、燃料電池の発電初期で、燃料電池自体の発熱量が十
分でない場合には、起動燃焼部７での酸化反応（上記式
（１））を継続する。そして、燃料用ガスを予熱してか
ら、燃料電池本体２へ送り込む。

【００９６】更に、燃料電池の発電が進んだ定常の燃料
電池の発電状態においては、燃料電池自体の発熱量が十
分となる。その場合には、起動燃焼部７での酸化反応
（上記式（１）＝燃焼）を少なくする。そして、燃料用
ガスの予熱は、酸化反応と燃料電池本体２からの燃料ガ
スの排ガスである燃料排ガスの再循環（燃料循環ライン
５８−燃料エジェクタ６経由）とにより行なう。

【００９７】上記水蒸気改質（上記式（２））における
水分は、酸化反応での水蒸気、及び、燃料電池本体２で
の発電に伴ない燃料極側に発生する水蒸気を用いる。酸
化反応での水蒸気量は、上記式（１）より、起動燃焼部
７における酸化反応を起こす酸素とメタンの量から計算
できる。また、燃料電池本体２での発電に伴う水蒸気量
は、下式（３）の燃料極での反応式より、発電した電力
の電力量により計算できる。Ｏ^２−＋Ｈ_２⇔Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ （３）

【００９８】計算された水蒸気量が、水蒸気改質に必要
な水蒸気量となるように、図示しない制御部で制御を行
なう。水蒸気量が多ければ、例えば、起動燃焼部７での
酸化反応を減少させる（起動燃焼部７への空気供給量を
減少する）、あるいは、燃料排ガスの燃料極から起動燃
焼部７への再循環量を減少させるなどの制御を行なう。
また、水蒸気量が少なければ、例えば、起動燃焼部７で
の酸化反応を増加させる（起動燃焼部７への空気供給量
を増加する）、あるいは、燃料排ガスの燃料極から起動
燃焼部７への再循環量を増加させるなどの制御を行な
う。また、それに伴う、温度（燃料温度計１１−１及び
空気温度計１１−２で測定）・圧力（燃料圧力計８−１
及び空気圧力計８−２で測定）の変動は、適宜、適切な
値になるように調整する（後述）。

【００９９】ここで、上記式（２）における、左辺の水
蒸気とメタン中の炭素との比（＝蒸気／カーボン比）
は、１：１であるが、触媒の能力や、シフト反応との関
係（下式（４））との関係などから、通常３：１〜５：
１で行なわれる。ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２（４）従って、制御する水分量は、水蒸気：メタン＝３：１〜
５：１の範囲に入るように制御する。

【０１００】燃料系ガスラインに起動燃焼部７を設置
し、起動燃焼部７へ供給する空気流量、及び燃料ガス流
量等を調整することで、凝縮器等を用いることなく、内
部改質のための燃料極流入ガスの蒸気／カーボン比を調
整することが可能となる。また、燃料系ガスラインに燃
料ガスエジェクタを設置し、再循環する燃料排ガス流量
を調整することによっても、内部改質のための燃料極流
入ガスの蒸気／カーボン比を調整することが可能とな
る。

【０１０１】上記のように、燃料系ガスラインに起動燃
焼部７を設置し、起動燃焼部７へ供給する空気流量を、
燃料電池部１の入口での濃度（濃度計９により酸素濃度
を測定）により操作する。それにより、燃料極側に酸素
を供給する酸化運転、酸素濃度を抑えた微酸素運転、酸
素を全く流さない還元運転等の運転が、窒素等の置換ガ
スを供給す得る付帯設備を要することなく可能になる。

【０１０２】上記定常の燃料電池の発電状態において
も、燃料用ガス及び空気の供給量は、燃料電池本体２の
直前の燃料用ガスの温度（燃料用温度計１１−１で測
定）と、燃料電池本体２の直前の空気の温度（空気用温
度計１１−２で測定）との差が、予め設定してる値（例
えば、±１０℃以内など）よりも大きくならないように
制御する。すなわち、燃料用ガスが高温の場合には、例
えば、燃料極側において、燃料ガスエジェクタ流調弁を
絞り燃料電池本体２の燃料極から燃料再循環ライン５８
−燃料エジェクタ６を経由して再循環する燃料排ガスの
量を低減する、起動燃焼部７に供給する空気の流量を絞
り酸化反応を抑える、あるいは、空気極側において、空
気流量を低下させる、などの処置をとる。一方、空気が
高温の場合には、例えば、燃料極側において、燃料ガス
エジェクタ流調弁を開き燃料電池本体２の燃料極から再
循環する燃料排ガスの量を増加する、起動燃焼部７に供
給する空気の流量を増加し酸化反応を促進する、あるい
は、空気極側において、空気流量を低減させる、などの
処置をとる。

【０１０３】同様に、上記定常の燃料電池の発電状態に
おいても、燃料用ガス及び空気の供給量は、燃料電池本
体２の直前の燃料用ガスの圧力（燃料圧力計８−１で測
定）と、燃料電池本体２の直前の空気の圧力（空気圧力
計８−２で測定）との差が、予め設定してる値（例え
ば、±１０ｃｍＡｑ以内など）よりも大きくならないよ
うに制御する。すなわち、燃料用ガスが高圧の場合に
は、例えば、燃料極側において、燃料ガスエジェクタ流
調弁を絞り燃料電池本体２の燃料極から燃料再循環ライ
ン５８−燃料エジェクタ６を経由して再循環する燃料排
ガスの量を低減する、起動燃焼部７に供給する空気及び
燃料用ガスの両方の流量を絞る、あるいは、空気極側に
おいて、空気流量を増加させる、などの処置をとる。一
方、空気が高圧の場合には、例えば、燃料極側におい
て、燃料ガスエジェクタ流調弁を開き燃料電池本体２の
燃料極から再循環する燃料排ガスの量を増加する、起動
燃焼部７に供給する空気及び燃料用ガスの両方の流量を
増加する、あるいは、空気極側において、空気流量を減
少させる、などの処置をとる。

【０１０４】本発明の燃料電池システムにより、窒素の
ような置換ガス用の付帯設備を要することなく、燃料電
池システムを運転することが可能となる。そして、設備
コストの低減及び、低コスト化を図ることが出来る。

【０１０５】また、本発明の燃料電池システムにより、
燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの温度及
び圧力を、燃料ガス側と酸化剤側とで個別に制御するこ
とが出来る。すなわち、燃料電池の制御性を向上させる
ことが可能となる。

【０１０６】更に、本発明の燃料電池システムにより、
燃料電池の内部改質反応における水蒸気の供給を、燃料
ガス側及び排ガス側に設けた燃焼部により制御すること
が出来る。すなわち、水蒸気をより有効利用することが
出来、効率の向上につながる。

【０１０７】また、上記燃料電池の排熱を、温水熱交換
部１４より取り出すことにより、排熱を利用する設備と
コンバインしたコジェネレーションシステムを組むこと
が可能となる。排熱を利用する設備として、ヒートポン
プ、吸収式冷凍機、ボイラ、暖房用熱交換器などであ
る。

【０１０８】また、上記燃料電池の排熱を、排ガス燃焼
部１２の燃焼排ガスとして取り出し、ガスタービンに導
入することも可能である。

【０１０９】

【発明の効果】本発明により、燃料電池システム及びコ
ジェネレーションシステムの付帯設備の削減を行なうこ
とが出来、設備全体としてのコンパクト化及び低コスト
化が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池システム及びコジェネレーシ
ョンシステムを示す構成図である。

【図２】従来技術の構成を示す図である。

【符号の説明】

１燃料電池部２燃料電池本体３燃料供給部４燃料供給弁５排ガス昇温熱交換部６燃料エジェクタ７起動燃焼部８−１燃料圧力計８−２空気圧力計９濃度計１０再生熱交換部１１−１燃料温度計１１−２空気温度計１２排ガス燃焼部１３空気予熱部１４温水熱交換部１５空気供給ファン１６空気供給弁１７インテーク空気冷却部１８スタック冷却部１９補助燃料供給部２０補助燃料供給弁２１排ガス再循環ファン２２燃料ガスエジェクタ流調弁２３排ガスエジェクタ流調弁２４排ガスエジェクタ２５パイロット燃料供給弁２６起動空気供給ファン２７起動空気供給弁２８パイロット空気供給弁２９パイロット燃焼部３０メイン燃焼部３１燃料供給ラインＡ３２燃料供給ラインＢ３３燃料供給ラインＣ３４燃料供給ラインＤ３５燃料供給ラインＥ３６燃料供給ラインＦ３７燃料供給ラインＧ３８燃料供給ラインＨ３９燃料供給ラインＩ４０排ガスラインＡ４１排ガスラインＢ４２排ガスラインＣ４４排ガス再循環ラインＡ４５排ガス再循環ラインＢ４６排ガス再循環ラインＣ４７排ガス再循環ラインＤ４８排ガス再循環ラインＥ４９排ガス再循環ラインＦ５０排ガス再循環ラインＧ５１起動燃料供給ラインＡ５２起動燃料供給ラインＢ５３起動空気供給ラインＡ５４起動空気供給ラインＢ５５起動空気供給ラインＣ５６起動空気供給ラインＤ５７起動空気供給ラインＥ５８燃料循環ライン５９空気供給ラインＡ６０空気供給ラインＢ６１空気供給ラインＣ６２空気供給ラインＤ６３空気供給ラインＥ６４空気供給ラインＦ６５空気供給ラインＧ６６空気供給ラインＨ６７空気供給ラインＩ６８補助燃料供給ラインＡ６９補助燃料供給ラインＢ７０水ライン１０１燃料電池部１０２燃料電池本体１０４置換ガス供給部１０５燃料供給部１０６燃料供給切換弁１０７凝縮器１０８燃料再循環ファン１０９燃料加熱部１１０再生熱交換部１１１圧力緩衝部１１２排ガス燃焼部１１３空気予熱部１１４温水熱交換部１１５空気供給ファン１１６空気供給弁１１７インテーク空気冷却部１１８スタック冷却部１１９補助燃料供給部１２０補助燃料供給弁１２１置換ライン１２２燃料供給ラインＡ１２３燃料供給ラインＢ１２４燃料供給ラインＣ１２５燃料供給ラインＤ１２６燃料供給ラインＥ１２７燃料供給ラインＦ１２８燃料供給ラインＧ１２９燃料供給ラインＨ１３０燃料循環ライン１３１排ガスラインＡ１３２排ガスラインＢ１３３排ガスラインＣ１３４空気供給ラインＡ１３５空気供給ラインＢ１３６空気供給ラインＣ１３７空気供給ラインＤ１３８空気供給ラインＥ１３９空気供給ラインＦ１４０空気供給ラインＧ１４１空気供給ラインＨ１４２空気供給ラインＩ１４３空気供給ラインＪ１４４補助燃料供給ラインＡ１４５補助燃料供給ラインＢ１４６水ラインＡ１４７水ラインＢ１４８凝縮水ライン

───────────────────────────────────────────────────── 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）Ｈ０１Ｍ 8/06 Ｈ０１Ｍ 8/06 Ｇ // Ｈ０１Ｍ 8/12 8/12 (72)発明者渡部正治兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号三菱重工業株式会社高砂研究所内 (72)発明者相木英鋭兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番１号三菱重工業株式会社神戸造船所内 (72)発明者武信弘一兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番１号三菱重工業株式会社神戸造船所内 (72)発明者岸沢浩兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番１号三菱重工業株式会社神戸造船所内Ｆターム(参考） 5H026 AA06 5H027 AA06 BA01 KK02 KK05 KK31 KK44 MM01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】制御部と、燃料ガスと酸化剤ガスの供給により、前記燃料ガスを燃
焼する起動燃焼部と、燃料ガスと酸化剤ガスの供給により、発電を行なう燃料
電池と、前記起動燃焼部と前記燃料電池とを含み、前記燃料ガス
が循環可能な循環管路と、を具備し、前記制御部は、前記起動燃焼部で燃焼された前記燃料ガ
スで、前記循環管路内のガスを置換する、燃料電池システム。
【請求項２】前記起動燃焼部は、小容量の燃焼が可能な
パイロット燃焼部と、を具備し、前記循環管路内のガスを置換する前記燃料ガスは、前記
パイロット燃焼部が前記燃料ガスを燃焼して生成するガ
スである、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】制御部と、燃料ガスと第１酸化剤ガスの供給により、前記燃料ガス
を燃焼する起動燃焼部と、前記燃料ガスと第２酸化剤ガスの供給により、発電を行
なう燃料電池と、前記起動燃焼部と前記燃料電池とを含み、前記燃料ガス
が循環可能な循環管路と、を具備し、前記制御部は、前記循環管路を経由して、前記起動燃焼
部で燃焼された前記燃料ガスを前記燃料電池へ供給し、
前記燃料電池で使用された前記燃料ガスを前記起動燃焼
部へ戻す、燃料電池システム。
【請求項４】前記燃料電池の燃料極側へ供給される前記
燃料ガスの酸素濃度を測定する濃度計と、を更に具備し、前記制御部は、前記燃料電池の運転条件と、前記濃度計
の測定結果である酸素値に基づいて、前記起動燃焼部で
の前記燃焼を制御する、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】前記燃料電池の燃料極側へ供給される前記
燃料ガスの温度を計測する燃料温度計と、を更に具備し、前記制御部は、前記燃料温度計の計測結果である燃料温
度値に基づいて、前記燃料温度値が予め設定した値の範
囲に収まるように、前記起動燃焼部での燃焼を制御す
る、請求項３又は４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】前記燃料電池の空気極側へ供給される前記
第２酸化剤ガスの温度を計測する空気温度計と、前記燃料電池で使用された前記燃料ガスと前記第２酸化
剤ガスとを燃焼し、排出する燃焼排ガスで第２酸化剤ガ
スを加熱する排ガス燃焼部と、を更に具備し、前記制御部は、前記空気温度計の計測結果である空気温
度値に基づいて、前記空気温度値が予め設定した値の範
囲に収まるように、前記排ガス燃焼部での燃焼を制御す
る、請求項３乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池システ
ム。
【請求項７】前記燃料電池の燃料極側へ供給される前記
燃料ガスの温度を計測する燃料温度計と、前記燃料電池の空気極側へ供給される前記第２酸化剤ガ
スの温度を計測する空気温度計と、前記燃料電池で使用された前記燃料ガスと前記第２酸化
剤ガスとを燃焼し、排出する燃焼排ガスで第２酸化剤ガ
スを加熱する排ガス燃焼部と、を更に具備し、前記制御部は、前記燃料温度計の計測結果である燃料温
度値と前記空気温度計の計測結果である空気温度値とに
基づいて、前記燃料温度値と前記空気温度値との差が、
予め設定した値以下となるように、前記起動燃焼部での
燃焼と前記排ガス燃焼部での燃焼とを制御する、請求項３又は４に記載の燃料電池システム。
【請求項８】前記燃料電池の燃料極側へ供給される前記
燃料ガスの圧力を計測する燃料圧力計と、を更に具備し、前記制御部は、前記燃料圧力計の計測結果である燃料圧
力値に基づいて、前記燃料圧力値が予め設定した値の範
囲に収まるように、前記燃料ガスの流量を制御する、請求項３乃至７のいずれか一項に記載の燃料電池システ
ム。
【請求項９】前記燃料電池の空気極側へ供給される前記
第２酸化剤ガスの圧力を計測する空気圧力計と、を更に具備し、前記制御部は、前記空気圧力計の計測結果である空気圧
力値に基づいて、前記空気圧力値が予め設定した値の範
囲に収まるように、前記第２酸化剤ガスの流量を制御す
る、請求項３乃至７のいずれか一項に記載の燃料電池システ
ム。
【請求項１０】前記燃料電池の燃料極側へ供給される前
記燃料ガスの圧力を計測する燃料圧力計と、前記燃料電池の空気極側へ供給される前記第２酸化剤ガ
スの圧力を計測する空気圧力計と、を更に具備し、前記制御部は、前記燃料圧力計の計測結果である燃料圧
力値と、前記空気圧力計の計測結果である空気圧力値と
に基づいて、前記燃料圧力値と前記空気圧力値との差が
予め設定した値以下となるように、前記燃料ガス及び前
記第２酸化剤ガスの流量を制御する、請求項３乃至７のいずれか一項に記載の燃料電池システ
ム。
【請求項１１】前記燃料電池は、燃料ガスを水蒸気改質
する内部改質部を更に具備し、前記制御部は、前記起動燃焼部に供給する前記燃料ガスと前記第１酸化
剤ガスの流量に基づいて、前記水蒸気改質反応を制御す
る、請求項３乃至１０のいずれか一項に記載の燃料電池シス
テム。
【請求項１２】前記内部改質部は、前記燃料電池の燃料
極である、請求項３乃至１１のいずれか一項に記載の燃料電池シス
テム。
【請求項１３】請求項１乃至１２のいずれか一項に記載
の燃料電池システムと、前記燃料電池システムの排熱を利用する設備と、を具備するコジェネレーションシステム。