JP2003229161A - 燃料電池発電システム及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 改質部を備えた燃料電池発電システムにおい
てシステム効率を向上させる。 【解決手段】 水蒸気・熱交換器３５は、水蒸気選択透
過性の高い中空糸膜により分けられたオフガス通路３６
と都市ガス通路３７とを利用し、脱硫器２７を通過した
都市ガスと燃料電池４０のアノードから排出され水蒸気
を含んだ高温のアノードオフガスとを向流接触させるこ
とにより、アノードオフガスの水蒸気及び熱を都市ガス
へ移す。このように、アノードオフガスの熱を改質器１
２へ供給される都市ガスに移すため、改質器１２へ供給
される都市ガスの温度が上がり、改質器１２での改質反
応が良好に進行する。また、アノードオフガス中の水蒸
気も回収して改質器１２へ供給するため、その分だけ蒸
発器３３での熱量が削減できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池発電シス
テム及びその運転方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、コージェネレーションシステムと
して、環境問題を考慮して燃料電池を組み入れた発電シ
ステムが提案されている。この燃料電池としては、単セ
ルを複数積層して構成されたものが知られており、単セ
ルとしては、電解質膜と、この電解質膜を狭持するアノ
ード及びカソードと、アノードに燃料ガスを供給しカソ
ードに酸化ガスを供給すると共に隣り合う単セルとの隔
壁をなすセパレータとを備えたものが知られている。ま
た、燃料ガスとしては、改質部において水蒸気を利用し
て炭化水素系燃料を改質することにより得られる水素リ
ッチなガスが知られている。

【０００３】このような燃料電池発電システムにおい
て、廃熱を有効に回収することが提案されている。例え
ば特開２００１−３１３０５３公報には、改質部での廃
熱を燃料電池のカソードから排出されたカソードオフガ
スで回収するシステムが提案されている。また、特開平
６−１３２０３８号公報には、燃料電池から排出された
オフガスの熱や水蒸気を燃料電池に供給される燃料ガス
で回収するシステムが提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た公報では、改質部での改質反応を考慮して改質部へ供
給する炭化水素系燃料を昇温させておく場合、この炭化
水素系燃料に外部から熱量を与えなければならなかっ
た。また、改質部へ供給する水蒸気を生成させるのにも
外部から熱量を与えなければならなかった。このため、
システム効率が必ずしもよくなかった。

【０００５】本発明は、上述の課題に鑑みなされたもの
であり、改質部を備えた燃料電池発電システムにおいて
システム効率を向上させることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段及びその作用・効果】上述
した目的を達成するために、本発明の第１の燃料電池発
電システムは、水蒸気を利用して炭化水素系燃料を水素
リッチな燃料ガスに改質する改質部と、改質原料として
少なくとも炭化水素系燃料と水蒸気とを前記改質部へ供
給する改質原料供給部と、前記改質部から供給される燃
料ガスと所定の酸化ガス供給源から供給される酸化ガス
との電気化学反応により発電する燃料電池と、前記改質
原料供給部により前記改質部へ供給される炭化水素系燃
料に前記燃料電池から排出されたオフガスの熱を移す熱
交換部とを備えたものである。

【０００７】この燃料電池発電システムでは、改質原料
供給部が改質部へ少なくとも炭化水素系燃料と水蒸気と
を供給し、改質部が水蒸気を利用して炭化水素系燃料を
燃料ガスに改質しその燃料ガスを燃料電池に供給する。
一方、燃料電池から排出されたオフガスの熱を、改質部
へ供給される炭化水素系燃料に移す。これにより、改質
部へ供給される炭化水素系燃料の温度が上がり、改質部
での改質反応が良好に進行する。また、改質部へ供給さ
れる炭化水素系燃料に外部から熱量を与える場合には、
外部から与える熱量を減らすことができる。したがっ
て、システム効率が向上する。なお、「オフガス」と
は、燃料電池のアノード側から排出されるアノードオフ
ガスであってもよいし、燃料電池のカソード側から排出
されるカソードオフガスであってもよい。

【０００８】本発明の第１の燃料電池発電システムにお
いて、前記熱交換部は、前記改質原料供給部により前記
改質部へ供給される炭化水素系燃料に前記オフガスの水
蒸気及び熱を移してもよい。この場合、オフガス中の水
蒸気も回収して改質部へ供給するため、改質部で必要と
される水蒸気を別途生成する際にその生成量を減らすこ
とができ、その分だけ熱量が削減でき、システム効率が
向上する。

【０００９】このようにオフガスの熱及び水蒸気を回収
する構成において、本発明の第１の燃料電池発電システ
ムは、前記改質部へ供給される水蒸気を生成する蒸発部
と、前記蒸発部で生成する水蒸気量を調節する水蒸気量
調節部とを備え、前記水蒸気量調節部は、前記熱交換部
で前記オフガスから前記炭化水素系燃料へ移る水蒸気量
に応じて前記蒸発器で生成する水蒸気量を調節してもよ
い。こうすれば、蒸発器で生成する水蒸気量を適切に制
御できるため、システム効率が一層向上する。

【００１０】本発明の第１の燃料電池発電システムは、
湯水を貯える貯湯槽と、前記オフガスの熱を前記貯湯槽
の湯水へ移し該湯水を昇温させる湯水昇温部と、前記オ
フガスを前記熱交換部へ導く第１通路と前記オフガスを
前記湯水昇温部へ導く第２通路とを切り替える通路切替
部とを備えていてもよい。こうすれば、例えば貯湯槽の
湯水の温度を上げる必要がないときには通路切替部によ
り第１通路に切り替えてオフガスの水蒸気及び熱を炭化
水素系燃料に移すことによりシステム効率の向上を図る
ことができるし、貯湯槽の湯水の温度を上げる必要があ
るときには通路切替部により第２通路に切り替えてオフ
ガスの水蒸気及び熱を湯水により効率よく回収しその湯
水を早期に昇温させることができる。

【００１１】このように貯湯槽と湯水昇温部と通路切替
部とを備えた構成において、本発明の第１の燃料電池発
電システムは、前記貯湯槽の湯温又は湯量に応じて前記
通路切替部を切り替える通路切替制御部を備えていても
よい。こうすれば、貯湯槽の湯温又は湯量に応じて第１
通路に切り替えるか第２通路に切り替えるかを適切に制
御することができる。例えば、湯温又は湯量が予め定め
られた所定範囲（湯水の昇温を要求する範囲）外のとき
には第１通路に切り替えてシステム効率の向上を図り、
湯温又は湯量が前記所定範囲内のときには第２通路に切
り替えて湯水により効率よく熱を回収してもよい。

【００１２】また、このように貯湯槽と湯水昇温部と通
路切替部とを備えた構成において、前記第１通路は、前
記熱交換部の下流側が前記第２通路における前記湯水昇
温部の上流側に接続されていてもよい。こうすれば、通
路切替部により第１通路に切り替えられているときであ
っても、熱交換部でオフガスの水蒸気及び熱が回収され
たあと残った熱を湯水昇温部で回収できる。

【００１３】本発明の第２の燃料電池発電システムは、
水蒸気を利用して炭化水素系燃料を水素リッチな燃料ガ
スに改質する改質部と、改質原料として少なくとも炭化
水素系燃料と水蒸気とを前記改質部へ供給する改質原料
供給部と、前記改質部から供給される燃料ガスと所定の
酸化ガス供給源から供給される酸化ガスとの電気化学反
応により発電する燃料電池と、前記改質原料供給部によ
り前記改質部へ供給される炭化水素系燃料に前記改質部
から前記燃料電池に至る途中の燃料ガスの熱を移す熱交
換部とを備えたものである。

【００１４】この燃料電池発電システムでは、改質原料
供給部が改質部へ少なくとも炭化水素系燃料と水蒸気と
を供給し、改質部が水蒸気を利用して炭化水素系燃料を
燃料ガスに改質しその燃料ガスを燃料電池に供給する。
一方、改質部から燃料電池に至る途中の燃料ガスの熱
を、改質部へ供給される炭化水素系燃料に移す。これに
より、改質部へ供給する炭化水素系燃料の温度が上が
り、改質部での改質反応が良好に進行する。また、改質
部へ供給する炭化水素系燃料に外部から熱量を与える場
合には、外部から与える熱量を減らすことができる。し
たがって、システム効率が向上する。なお、「オフガ
ス」とは、燃料電池のアノード側から排出されるアノー
ドオフガスであってもよいし、燃料電池のカソード側か
ら排出されるカソードオフガスであってもよい。

【００１５】本発明の第２の燃料電池発電システムにお
いて、前記熱交換部は、前記改質原料供給部により前記
改質部へ供給される炭化水素系燃料に前記改質部から前
記燃料電池に至る途中の燃料ガスの水蒸気及び熱を移し
てもよい。この場合、改質部から燃料電池に至る途中の
燃料ガス中の水蒸気も回収して改質部へ供給するため、
改質部で必要とされる水蒸気を別途生成する際にその生
成量を減らすことができ、その分だけ熱量が削減でき、
システム効率が向上する。

【００１６】このように改質部から燃料電池に至る途中
の燃料ガスの熱及び水蒸気を回収する構成において、前
記改質部へ供給される水蒸気を生成する蒸発部と、前記
蒸発部で生成する水蒸気量を調節する水蒸気量調節部と
を備え、前記水蒸気量調節部は、前記熱交換部で前記燃
料ガスから前記炭化水素系燃料へ移る水蒸気量に応じて
前記蒸発器で生成する水蒸気量を調節してもよい。こう
すれば、蒸発器で生成する水蒸気量を適切に制御できる
ため、システム効率が一層向上する。

【００１７】また、このように改質部から燃料電池に至
る途中の燃料ガスの熱及び水蒸気を回収する構成におい
て、本発明の第２の燃料電池発電システムは、前記燃料
電池でフラッディング現象が発生しているか又は発生す
るおそれがあるとき前記熱交換部を機能させるフラッデ
ィング対応制御手段を備えていてもよい。こうすれば、
燃料電池でフラッディング現象が発生しているか又は発
生するおそれがあるときには燃料電池に供給される燃料
ガスの水蒸気が低減されるため、燃料電池のフラッディ
ング現象を防止又は改善することができる。なお、フラ
ッディング現象が発生している（又はそのおそれがあ
る）か否かは、例えば燃料電池の出力電圧やインピーダ
ンス値や反応ガスの湿度などのフラッディング現象と相
関のあるパラメータに基づいて判定してもよい。また、
一般に、燃料電池にフラッディング現象が発生すると、
ガス通路に水が生成してガス流れの抵抗になり十分なガ
スを供給できなくなることがある。

【００１８】本発明の第２の燃料電池発電システムにお
いて、前記改質器からの燃料ガスの温度が予め定められ
た前記燃料電池の導入温度領域を越えているとき前記熱
交換部を機能させるガス温対応制御手段を備えていても
よい。こうすれば、改質器からの燃料ガスの温度が高く
なりすぎたとしても、その熱を利用して改質部へ供給す
る炭化水素系燃料を昇温させるため、システム効率が向
上する。

【００１９】本発明の第３は、水蒸気を利用して炭化水
素系燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する改質部から
供給される燃料ガスと所定の酸化ガス供給源から供給さ
れる酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池
を備えた燃料電池発電システムの運転方法であって、前
記改質部へ少なくとも炭化水素系燃料と水蒸気とを供給
する一方、前記改質部へ供給される炭化水素系燃料に前
記燃料電池から排出されたオフガスの熱を移すものであ
る。これにより、改質部へ供給される炭化水素系燃料の
温度が上がり、改質部での改質反応が良好に進行する。
また、改質部へ供給される炭化水素系燃料に外部から熱
量を与える場合には、外部から与える熱量を減らすこと
ができる。したがって、システム効率が向上する。

【００２０】本発明の第３の燃料電池発電システムの運
転方法において、前記改質部へ供給する炭化水素系燃料
に前記燃料電池から排出されたオフガスの水蒸気及び熱
を移してもよい。この場合、オフガス中の水蒸気も回収
して改質部へ供給するため、改質部で必要とされる水蒸
気を別途生成する際にその生成量を減らすことができ、
その分だけ熱量が削減でき、システム効率が向上する。

【００２１】本発明の第４は、水蒸気を利用して炭化水
素系燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する改質部から
供給される燃料ガスと酸化ガス供給源から供給される酸
化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を備え
た燃料電池発電システムの運転方法であって、前記改質
部へ少なくとも炭化水素系燃料と水蒸気とを供給する一
方、前記改質部へ供給される炭化水素系燃料に前記改質
部から前記燃料電池に至る途中の燃料ガスの熱を移すも
のである。これにより、改質部へ供給する炭化水素系燃
料の温度が上がり、改質部での改質反応が良好に進行す
る。また、改質部へ供給する炭化水素系燃料に外部から
熱量を与える場合には、外部から与える熱量を減らすこ
とができる。したがって、システム効率が向上する。

【００２２】本発明の第４の燃料電池発電システムの運
転方法において、前記改質部へ供給する炭化水素系燃料
に前記改質部から前記燃料電池に至る途中の燃料ガスの
水蒸気及び熱を移してもよい。この場合、改質部から燃
料電池に至る途中の燃料ガス中の水蒸気も回収して改質
部へ供給するため、改質部で必要とされる水蒸気を別途
生成する際にその生成量を減らすことができ、その分だ
け熱量が削減でき、システム効率が向上する。

【００２３】

【発明の実施の形態】［第１実施形態］図１は、第１実
施形態の燃料電池発電システム１０の構成の概略を示す
構成図である。この燃料電池発電システム１０は、主と
して、都市ガスを水素リッチな改質ガスに改質する改質
器１２と、改質ガス中の一酸化炭素を低減して燃料ガス
とするＣＯ選択酸化部１６と、都市ガスと蒸気とを混合
した混合気を改質器１２へ供給する混合器３４と、燃料
ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電
池４０と、燃料電池４０から排出されたオフガスの水蒸
気及び熱を回収する水蒸気・熱交換器３５と、冷却水熱
交換器４２にて燃料電池４０の熱を回収したりオフガス
凝縮器５５にて燃料電池４０のオフガスの熱を回収した
りすることにより加温された水を貯留する貯湯槽４４
と、燃料電池４０からの直流電力を交流電力に変換して
外部に供給する系統連係パッケージ７０と、システム全
体をコントロールする電子制御ユニット６０とを備えて
いる。

【００２４】改質器１２は、混合器３４から導入される
都市ガスと蒸気との混合気を次式（１）及び次式（２）
の水蒸気改質反応及びシフト反応に供することにより、
水素リッチな改質ガスを生成する。改質器１２には、こ
うした反応に必要な熱を供給する燃焼部１４が設けられ
ており、燃焼部１４には、ガス配管２２から昇圧ポンプ
２８を介して都市ガスが供給されると共に図示しない経
路により燃焼に必要な空気が供給され、更にオフガス凝
縮器５５を通過した後のアノードオフガスが供給されよ
うに配管されている。つまり、アノードオフガスを有効
利用するために、アノードオフガス中の未反応の水素を
燃焼部１４の燃料として用いることができるように構成
されている。また、燃焼部１４から排出された燃焼排ガ
スは、その熱量を蒸発器３３に付与したあと外部へ排出
されるように配管されている。つまり、燃焼排ガスの熱
量を蒸発器３３の水蒸気を生成するために有効利用でき
るように構成されている。

【００２５】

【数１】ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ₂ （１） ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂ （２）

【００２６】混合器３４は、ガス配管２２から調節弁２
４及び昇圧ポンプ２６を経たあと脱硫器２７で硫黄分の
除去され更に水蒸気・熱交換器３５を経たあとの都市ガ
スと、水タンク３０から水ポンプ３１及び調節弁３２を
経たあと蒸発器３３にて気化された水蒸気とを適当な比
率で混合し、改質器１２に供給する。水タンク３０に
は、水道水を浄化・精製する図示しない水精製器から精
製水が供給される。

【００２７】ＣＯ選択酸化部１６は、図示しない配管に
よる空気の供給を受けて水素の存在下で一酸化炭素を選
択して酸化する一酸化炭素選択酸化触媒（例えば白金と
ルテニウムの合金による触媒）により、改質ガス中の一
酸化炭素を選択酸化して一酸化炭素濃度が極めて低い
（本実施形態では数ｐｐｍ程度）水素リッチな燃料ガス
とする。

【００２８】燃料電池４０は、単セル４１０（図２参
照）を複数積層してなる固体高分子型の燃料電池として
構成されており、単セル４１０は、図２に示すように、
電解質膜４１２と、この電解質膜４１２を狭持するアノ
ード４１４及びカソード４１６と、このアノード４１４
に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路４１５を有するセ
パレータ４１８及びカソード４１６に酸化ガスを供給す
る酸化ガス供給路４１７を有するとセパレータ４２０と
から構成され、セパレータ４１８，４２０は隣り合う単
セル４１０との隔壁をなす。また、アノード４１４は触
媒電極４１４ａとガス拡散電極４１４ｂとからなり、カ
ソード４１６は触媒電極４１６ａとガス拡散電極４１６
ｂとからなる。そして、各単セル４１０のアノード４１
４にはＣＯ選択酸化部１６から燃料ガスが供給され、各
単セル４１０のカソード４１６にはブロア４１から図示
しない加湿器を経て酸化ガスとしての空気が供給される
ことにより、燃料ガス中の水素と酸化ガス中の酸素との
電気化学反応によって発電する。燃料電池４０の図示し
ない出力端子は、系統連係パッケージ７０内の図示しな
いインバータを介して外部に接続されており、燃料電池
４０からの直流電力が交流電力に変換されて外部に供給
される。

【００２９】水蒸気・熱交換器３５は、水蒸気選択透過
性の高い中空糸膜により分けられたオフガス通路３６と
都市ガス通路３７とを利用し、燃料電池４０のアノード
から排出され水蒸気を含んだ高温のアノードオフガスと
脱硫器２７を通過した都市ガスとを向流接触させること
により、アノードオフガスの水蒸気及び熱を都市ガスへ
移す。具体的には、水蒸気を含むアノードオフガスと水
蒸気を含まない都市ガスとの間に発生する水蒸気分圧の
差を利用してアノードオフガスの水蒸気が中空糸膜を透
過して都市ガスへ移り、また、高温のアノードオフガス
の熱が常温の都市ガスに中空糸膜を介して伝達される。
水蒸気・熱交換器３５を通過したアノードオフガスは、
オフガス凝縮器５５を通過することにより貯湯槽４４の
湯水に凝縮潜熱を奪われて凝縮し、その後燃焼部１４へ
供給されて燃焼される。また、水蒸気・熱交換器３５の
うち都市ガス通路３７の出口には、都市ガスの湿度つま
り水蒸気量を検出する湿度センサ３８が取り付けられて
いる。

【００３０】冷却水熱交換器４２は、燃料電池４０の冷
却水と貯湯槽４４に貯留される水との熱交換を行うもの
である。システム運転時つまり燃料電池４０の発電時に
は燃料電池４０の熱を冷却水循環経路４８を循環する冷
却水が奪い、その冷却水の熱を貯湯槽４４に貯留される
湯水が冷却水熱交換器４２にて回収し貯湯槽４４に貯湯
されるようになっている。

【００３１】貯湯槽４４は、所定容量のタンクであり、
下方内部から貯湯ポンプ４６、オフガス凝縮器５５及び
冷却水熱交換器４２を経て上方内部に通じる湯水循環経
路４５と、絶えずタンク内に水道水が満たされるように
補給する図示しない補給路とを備えている。この湯水循
環経路４５を循環する湯水は、オフガス凝縮器５５にて
水蒸気・熱交換器３５を通過したあとのアノードオフガ
スの凝縮潜熱を回収して昇温し、更に冷却水熱交換器４
２にて燃料電池４０を冷却して熱を帯びた冷却水の熱を
回収して昇温する。

【００３２】電子制御ユニット６０は、周知のＣＰＵ、
ＲＯＭ、ＲＡＭを中心とするマイクロプロセッサとして
構成されている。この電子制御ユニット６０には、系統
連係パッケージ７０内の図示しないインバータの電流セ
ンサからの出力電圧や、同インバータの電圧センサから
の出力電流や、湿度センサ３８からの都市ガスの湿度つ
まり水蒸気量などが入力される。また、電子制御ユニッ
ト６０からは、調節弁２４及び調節弁３２の各ソレノイ
ドへの駆動信号や、昇圧ポンプ２６，２８，水ポンプ３
１，ブロア４１，冷却水ポンプ４３，貯湯ポンプ４６な
どへの駆動信号や、系統連係パッケージ７０内の図示し
ないインバータへのスイッチング制御信号などが出力さ
れる。

【００３３】この電子制御ユニット６０は、ハイ、ミド
ル、ローのいずれかの運転モードが決まると、その運転
モードに応じて定められた電力を目標出力電力として、
燃料電池４０からの直流電力を系統連係パッケージ７０
内の図示しないインバータで変換した交流電力が目標出
力電力となるように、燃料電池４０の発電量を制御す
る。ここで、燃料電池４０の発電量の制御とは、例えば
都市ガスの調節弁２４や昇圧ポンプ２６を制御したり水
タンク３０の水ポンプ３１や調節弁３２を制御したりす
ることにより改質器１２での燃料ガスの生成量つまり燃
料電池４０への燃料ガスの供給量を制御したり、ブロア
４１を制御することにより燃料電池４０への酸化ガスの
供給量を制御したりすることをいう。

【００３４】次に、こうして構成された燃料電池発電シ
ステム１０の動作について説明する。図３は水蒸気量調
節処理プログラムの一例を示すフローチャートであり、
このプログラムは電子制御ユニット６０の図示しないＲ
ＯＭに記録され、所定タイミング毎に電子制御ユニット
６０の図示しないＣＰＵにより読み出され実行される。
このプログラムが開始されると、電子制御ユニット６０
は、まず目標出力電力に応じた水蒸気供給量Ｈ＊を算出
する（ステップＳ１００）。即ち、運転モードに応じて
定められた電力を目標出力電力とし、その目標出力電力
に応じた燃料ガス及び酸化ガスの供給量を求め、燃料ガ
スの供給量に応じて改質反応に使用する都市ガス量と水
蒸気量とを求め、そのときの水蒸気量を水蒸気供給量Ｈ
＊とする。続いて、水蒸気・熱交換器３５を通過したあ
との都市ガスに含まれる水蒸気量Ｈｇを湿度センサ３８
から読み込む（ステップＳ１１０）。この都市ガスに含
まれる水蒸気量Ｈｇは、水蒸気・熱交換器３５にてアノ
ードオフガスから都市ガスに移った水蒸気量に相当す
る。続いて、蒸発器３３で生成させる水蒸気量Ｈｓを算
出する（ステップＳ１２０）。この水蒸気量Ｈｓは、水
蒸気供給量Ｈ＊から都市ガスに含まれる水蒸気量Ｈｇを
差し引いた値である。その後、蒸発器３３が水蒸気量Ｈ
ｓを生成するよう蒸発器３３に供給する水量を水ポンプ
３１及び調節弁３２により制御し（ステップＳ１３
０）、このプログラムを終了する。

【００３５】ここで、本実施形態の構成要素と本発明の
構成要素との対応関係を明らかにする。本実施形態の改
質器１２及びＣＯ選択酸化部１６が本発明の改質部に相
当し、ガス配管２２から混合器３４までの各部及び水タ
ンク３０から混合器３４までの各部が改質原料供給部に
相当し、水蒸気・熱交換器３５が熱交換部に相当し、蒸
発器３３が蒸発部に相当し、電子制御ユニット６０が水
蒸気量調節部に相当する。

【００３６】以上詳述した本実施形態によれば、燃料電
池４０から排出されたアノードオフガスの熱を、改質器
１２へ供給される都市ガスに移すため、改質器１２へ供
給される都市ガスの温度が上がり、改質器１２での改質
反応が良好に進行し、システム効率が向上する。なお、
改質器１２へ供給される都市ガスに外部から熱量を与え
る構成を採用した場合には、外部から与える熱量を減ら
すことができる。また、アノードオフガス中の水蒸気も
回収して改質器１２へ供給するため、改質器１２で必要
とされる水蒸気供給量Ｈ＊を蒸発器３３で生成する際に
アノードオフガスから回収した水蒸気量Ｈｇだけその生
成量を減らすことができ、その分だけ蒸発器３３での熱
量が削減でき、システム効率が向上する。

【００３７】なお、オフガス凝縮器５５で回収した凝縮
水を改質器１２へ供給するようにしてもよいが、その場
合には、貴金属や触媒劣化粉体等が凝縮水中に溶出して
いるためイオン交換樹脂やフィルタ等の水精製器を通過
させる必要がある。これに対して、上述した実施形態の
ように水蒸気・熱交換器３５で回収した水蒸気を改質器
１２へ供給する場合には、水ではなく水蒸気として回収
するため、オフガス凝縮器５５で回収した凝縮水を回収
する場合に比べて水精製器が不要となるか又は水精製器
を通過させるとしてもその負担が軽減される。

【００３８】［第２実施形態］図４は第２実施形態の燃
料電池発電システムの構成の概略を示す構成図である。
この第２実施形態では、水蒸気・熱交換器３５のアノー
ドオフガスが通過するオフガス通路３６と並列に水蒸気
・熱交換器３５の外部にバイパス通路５１が設けられ、
両通路３６，５１の上流側に第１三方弁５３、下流側に
第２三方弁５４が設けられ、第１三方弁５３に導入され
たアノードオフガスはオフガス通路３６又はバイパス通
路５１のいずれかを通過したあと第２三方弁５４からオ
フガス凝縮器５５へと導かれるように配管されている
点、貯湯槽４４には内部に貯えられている湯水の温度を
検出する温度センサ４４ａが設置されている点、電子制
御ユニット６０は温度センサ４４ａから貯湯槽４４の湯
水の温度を入力し第１三方弁５３及び第２三方弁５４の
各ソレノイドに駆動信号を出力する点以外は、第１実施
形態と同様であるため、第１実施形態と同じ構成要素に
ついては同じ符号を付し、その説明を省略する。また、
図４では、水蒸気・熱交換器３５の都市ガス通路３７に
導入されるまでの都市ガスの経路は省略したが、第１実
施形態と同様、ガス配管２２から調節弁２４，昇圧ポン
プ２６，脱硫器２７を経て都市ガス通路３７に導入され
る。

【００３９】次に、こうして構成された燃料電池発電シ
ステムの動作について説明する。図５は通路切替処理プ
ログラムの一例を示すフローチャートであり、このプロ
グラムは電子制御ユニット６０の図示しないＲＯＭに記
録され、所定タイミング毎に電子制御ユニット６０の図
示しないＣＰＵにより読み出され実行される。このプロ
グラムが開始されると、電子制御ユニット６０は、ま
ず、温度センサ４４ａから貯湯槽４４の湯水の温度を読
み込み（ステップＳ２００）、その温度と予め定められ
た所定の昇温要求範囲（湯水の昇温を要求する温度範
囲）とを比較し（ステップＳ２１０）、その温度が昇温
要求範囲内のときには、第１及び第２三方弁５３，５４
がバイパス通路５１に通じるように第１及び第２三方弁
５３，５４のソレノイドを制御し（ステップＳ２２
０）、このプログラムを終了する。昇温要求範囲は、例
えば６０℃以下というように定められている。これによ
り、お湯の使用量が多い等によって貯湯槽４４の湯水の
温度が低くなって昇温要求範囲内に入ったときには、燃
料電池４０から排出されたアノードオフガスは水蒸気・
熱交換器３５を経由することなくオフガス凝縮器５５に
導入されてアノードオフガスの熱（凝縮潜熱や顕熱な
ど）を貯湯槽４４の湯水により有効に回収するため湯水
は早期に昇温する。一方、貯湯槽４４の湯水の温度が昇
温要求範囲外のときには、第１及び第２三方弁５３，５
４がオフガス通路３６に通じるように第１及び第２三方
弁５３，５４のソレノイドを制御し（ステップＳ２３
０）、このプログラムを終了する。これにより、お湯の
使用量が少ない等によって貯湯槽４４の湯水の温度が高
く昇温要求範囲を超えているときには、燃料電池４０か
ら排出されたアノードオフガスは水蒸気・熱交換器３５
を経由して都市ガスに水蒸気及び熱を移したあと、残っ
た熱をオフガス凝縮器５５で回収する。

【００４０】ここで、本実施形態の構成要素と本発明の
構成要素との対応関係を明らかにする。本実施形態のオ
フガス凝縮器５５が本発明の湯水昇温部に相当し、第１
及び第２三方弁５３，５４が通路切替部に相当し、電子
制御ユニット６０が通路切替制御部に相当する。

【００４１】以上詳述した本実施形態によれば、貯湯槽
４４の湯水の温度を上げる必要がないときにはアノード
オフガスが水蒸気・熱交換器３５を経由するように切り
替えて都市ガスにアノードオフガスの水蒸気及び熱を移
すことによりシステム効率の向上を図ることができ、一
方、貯湯槽４４の湯水の温度を上げる必要があるときに
はアノードオフガスが水蒸気・熱交換器３５を経由する
ことなくオフガス凝縮器５５に導入されるように切り替
えて湯水により効率よく熱を回収しその湯水を昇温させ
ることができる。また、貯湯槽４４の湯水の温度に応じ
てアノードオフガスの通路を切り替えるため、適切に切
替制御をすることができる。更に、水蒸気・熱交換器３
５のオフガス通路３６の下流側がオフガス凝縮器５５の
上流側に接続されているため、アノードオフガスが水蒸
気・熱交換器３５を経由するように切り替えられている
ときであっても、水蒸気・熱交換器３５でオフガスの熱
及び水蒸気が回収されたあと残った熱をオフガス凝縮器
５５で回収できる。

【００４２】［第３実施形態］図６は第３実施形態の燃
料電池発電システムの構成の概略を示す構成図である。
第１実施形態では燃料電池４０のアノードオフガスを水
蒸気・熱交換器３５のオフガス通路３６に導いたが（図
１参照）、第３実施形態では改質器１２及びＣＯ選択酸
化部１６で生成した水素リッチな燃料ガスを水蒸気・熱
交換器３５の燃料ガス通路１３６に導き、燃料ガス通路
１３６を通過したあと燃料電池４０のアノードに導入す
るように構成されている。また、燃料電池４０のアノー
ドオフガスはオフガス凝縮器５５を経て燃焼部１４へ供
給される。その他の構成は第１実施形態と同様であるた
め、第１実施形態と同じ構成要素については同じ符号を
付し、その説明を省略する。なお、図６のと、と
はそれぞれ繋がっているものとする。

【００４３】次に、こうして構成された燃料電池発電シ
ステムでは、ＣＯ選択酸化部１６から燃料電池４０のア
ノードに至る途中の燃料ガスの熱を、脱硫器２７で硫黄
分が除去され改質器１２へ供給される都市ガスに移す。
これにより、改質器１２へ供給される都市ガスの温度が
上がり、改質器１２での改質反応が良好に進行する。し
たがって、システム効率が向上する。なお、改質器１２
へ供給する都市ガスに外部から熱量を与える場合には、
外部から与える熱量を減らすことができる。また、ＣＯ
選択酸化部１６から燃料電池４０のアノードに至る途中
の燃料ガス中の水蒸気も都市ガスにより回収して改質器
１２へ供給するため、その分だけ蒸発器３３で生成する
水蒸気の生成量を減らすことができ、その分だけ熱量が
削減でき、システム効率が向上する。

【００４４】本実施形態のシステム構成は、ＣＯ選択酸
化部１６からの燃料ガス中の水蒸気量が多く燃料電池４
０がフラッディングを起こしやすい場合や、ＣＯ選択酸
化部１６からの燃料ガスの温度が燃料電池４０の導入希
望温度よりも高くなりやすい場合などに採用するのに適
している。また、本実施形態において、図７に示すよう
に、ＣＯ選択酸化部１６からの燃料ガスが水蒸気・熱交
換器３５を通過する通路６２と並列に水蒸気・熱交換器
３５の外部にバイパス通路６１を設け、両通路６１，６
２の上流側に第１三方弁６３、下流側に第２三方弁６４
を設け、第１三方弁６３に導入された燃料ガスは両通路
６１，６２のいずれかを通過したあと第２三方弁６４か
ら燃料電池４０のアノードへと導かれるように配管し、
ＣＯ選択酸化部１６の出口付近に燃料ガスの湿度を検出
する湿度センサ６５と燃料ガスの温度を検出する温度セ
ンサ６６とを設け、電子制御ユニット６０が湿度センサ
６５や温度センサ６６の検出値に基づいていずれの通路
６１，６２に切り替えるかを決定してもよい。具体的に
は、電子制御ユニット６０は、図８に示すように、両セ
ンサ６５，６６の検出値を読み込み（ステップＳ３０
０）、燃料ガスの湿度がフラッディング現象を発生する
おそれのない所定の湿度範囲内にあるか否かを判定し
（ステップＳ３１０）、所定の湿度範囲にあるときに
は、燃料ガスの温度が所定の希望温度範囲内にあるか否
かを判定し（ステップＳ３２０）、燃料ガスの湿度が所
定の湿度範囲内で温度も所定の希望温度範囲内のときに
は、第１及び第２三方弁６３，６４がバイパス通路６１
に通じるように第１及び第２三方弁６３，６４のソレノ
イドを制御し（ステップＳ３３０）、燃料ガスの湿度が
所定の湿度範囲内にないときつまりフラッディング現象
が発生するおそれのあるときや燃料ガスの温度が所定の
希望温度範囲内にないときには、第１及び第２三方弁６
３，６４が水蒸気・熱交換器３５内の通路６２に通じる
ように第１及び第２三方弁６３，６４のソレノイドを制
御する（ステップＳ３４０）ようにしてもよい。これに
より、燃料電池４０でフラッディング現象が発生するお
それのあるときには燃料電池４０に供給される燃料ガス
の水蒸気が水蒸気・熱交換器３５で低減されるため、燃
料電池４０のフラッディング現象を防止することができ
る。また、ＣＯ選択酸化部１６からの燃料ガスの温度が
導入温度領域を越えるほど高くなったとしても、その熱
を利用して改質器１２へ供給する都市ガスを昇温させる
ため、システム効率が向上する。

【００４５】なお、本発明は上述した実施形態に何ら限
定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する範
囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論で
ある。

【００４６】例えば、上述した実施形態では、水蒸気・
熱交換器３５において燃料電池４０のアノードオフガス
から都市ガスに水蒸気及び熱を移すようにしたが、これ
に代えて又はこれに加えて、燃料電池４０のカソードオ
フガスから都市ガスに水蒸気及び熱を移すように構成し
てもよい。

【００４７】また、上述した実施形態では、水蒸気・熱
交換器３５として中空糸膜を用いるものを例示したが、
中空糸膜以外でも同様の機能を果たすものであれば採用
することができる。例えば、アノードオフガスが通過す
る通路と都市ガスが通過する通路との間に吸湿剤が担持
されたハニカムロータを回転可能に支持し、アノードオ
フガスが通過する通路にてアノードオフガスに含まれる
水蒸気を吸着し、都市ガスが通過する通路にて吸着した
水蒸気を脱着するように構成してもよい。あるいは、水
蒸気透過膜を蛇腹状に折り畳んだ状態でセットした気密
容器を採用してもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態の燃料電池発電システムの構成の
概略を示す構成図である。

【図２】燃料電池を構成する単セルの断面図である。

【図３】水蒸気量調節処理のフローチャートである。

【図４】第２実施形態の燃料電池発電システムの構成の
概略を示す構成図である。

【図５】通路切替処理のフローチャートである。

【図６】第３実施形態の燃料電池発電システムの構成の
概略を示す構成図である。

【図７】第３実施形態の変形例の部分構成図である。

【図８】フラッディング対応制御及びガス温対応制御の
フローチャートである。

【符号の説明】

１０…燃料電池発電システム、１２…改質器、１４…燃
焼部、１６…ＣＯ選択酸化部、２２…ガス配管、２４…
調節弁、２６…昇圧ポンプ、２７…脱硫器、２８…昇圧
ポンプ、３０…水タンク、３１…水ポンプ、３２…調節
弁、３３…蒸発器、３４…混合器、３５…水蒸気・熱交
換器、３６…オフガス通路、３７…都市ガス通路、３８
…湿度センサ、４０…燃料電池、４１…ブロア、４２…
冷却水熱交換器、４３…冷却水ポンプ、４４…貯湯槽、
４４ａ…温度センサ、４５…湯水循環経路、４６…貯湯
ポンプ、４８…冷却水循環経路、５１…バイパス通路、
５３…第１三方弁、５４…第２三方弁、５５…オフガス
凝縮器、６０…電子制御ユニット、７０…系統連係パッ
ケージ。４１０…単セル、４１２…電解質膜、４１４…
アノード、４１５…燃料ガス供給路、４１６…カソー
ド、４１７…酸化ガス供給路、４１８，４２０…セパレ
ータ。

フロントページの続き (72)発明者 尾沼 重徳 愛知県刈谷市朝日町２丁目１番地 アイシ ン精機株式会社内 (72)発明者 石川 貴史 愛知県刈谷市朝日町２丁目１番地 アイシ ン精機株式会社内 Ｆターム(参考） 5H027 AA02 BA01 BA05 BA08 DD06 KK44

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水蒸気を利用して炭化水素系燃料を水素
   リッチな燃料ガスに改質する改質部と、 改質原料として少なくとも炭化水素系燃料と水蒸気とを
   前記改質部へ供給する改質原料供給部と、 前記改質部から供給される燃料ガスと所定の酸化ガス供
   給源から供給される酸化ガスとの電気化学反応により発
   電する燃料電池と、 前記改質原料供給部により前記改質部へ供給される炭化
   水素系燃料に前記燃料電池から排出されたオフガスの熱
   を移す熱交換部とを備えた燃料電池発電システム。
2. 【請求項２】 前記熱交換部は、前記改質原料供給部に
   より前記改質部へ供給される炭化水素系燃料に前記オフ
   ガスの水蒸気及び熱を移す請求項１記載の燃料電池発電
   システム。
3. 【請求項３】 請求項２記載の燃料電池発電システムで
   あって、 前記改質部へ供給される水蒸気を生成する蒸発部と、 前記蒸発部で生成する水蒸気量を調節する水蒸気量調節
   部とを備え、 前記水蒸気量調節部は、前記熱交換部で前記オフガスか
   ら前記炭化水素系燃料へ移る水蒸気量に応じて前記蒸発
   器で生成する水蒸気量を調節する燃料電池発電システ
   ム。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電
   池発電システムであって、 湯水を貯える貯湯槽と、 前記オフガスの熱を前記貯湯槽の湯水へ移し該湯水を昇
   温させる湯水昇温部と、 前記オフガスを前記熱交換部へ導く第１通路と前記オフ
   ガスを前記湯水昇温部へ導く第２通路とを切り替える通
   路切替部とを備えた燃料電池発電システム。
5. 【請求項５】 請求項４記載の燃料電池発電システムで
   あって、 前記貯湯槽の湯温又は湯量に応じて前記通路切替部を切
   り替える通路切替制御部を備えた燃料電池発電システ
   ム。
6. 【請求項６】 前記第１通路は、前記熱交換部の下流側
   が前記第２通路における前記湯水昇温部の上流側に接続
   されている請求項４又は５記載の燃料電池発電システ
   ム。
7. 【請求項７】 水蒸気を利用して炭化水素系燃料を水素
   リッチな燃料ガスに改質する改質部と、 改質原料として少なくとも炭化水素系燃料と水蒸気とを
   前記改質部へ供給する改質原料供給部と、 前記改質部から供給される燃料ガスと所定の酸化ガス供
   給源から供給される酸化ガスとの電気化学反応により発
   電する燃料電池と、 前記改質原料供給部により前記改質部へ供給される炭化
   水素系燃料に前記改質部から前記燃料電池に至る途中の
   燃料ガスの熱を移す熱交換部とを備えた燃料電池発電シ
   ステム。
8. 【請求項８】 前記熱交換部は、前記改質原料供給部に
   より前記改質部へ供給される炭化水素系燃料に前記改質
   部から前記燃料電池に至る途中の燃料ガスの水蒸気及び
   熱を移す請求項７記載の燃料電池発電システム。
9. 【請求項９】 請求項８記載の燃料電池発電システムで
   あって、 前記改質部へ供給される水蒸気を生成する蒸発部と、 前記蒸発部で生成する水蒸気量を調節する水蒸気量調節
   部とを備え、 前記水蒸気量調節部は、前記熱交換部で前記燃料ガスか
   ら前記炭化水素系燃料へ移る水蒸気量に応じて前記蒸発
   器で生成する水蒸気量を調節する燃料電池発電システ
   ム。
10. 【請求項１０】 請求項８又は９記載の燃料電池発電シ
    ステムであって、 前記燃料電池でフラッディング現象が発生しているか又
    は発生するおそれがあるとき前記熱交換部を機能させる
    フラッディング対応制御手段を備えた燃料電池発電シス
    テム。
11. 【請求項１１】 請求項７〜１０のいずれかに記載の燃
    料電池発電システムであって、 前記改質器からの燃料ガスの温度が予め定められた前記
    燃料電池の導入温度領域を越えているとき前記熱交換部
    を機能させるガス温対応制御手段を備えた燃料電池発電
    システム。
12. 【請求項１２】 水蒸気を利用して炭化水素系燃料を水
    素リッチな燃料ガスに改質する改質部から供給される燃
    料ガスと所定の酸化ガス供給源から供給される酸化ガス
    との電気化学反応により発電する燃料電池を備えた燃料
    電池発電システムの運転方法であって、 前記改質部へ少なくとも炭化水素系燃料と水蒸気とを供
    給する一方、前記改質部へ供給される炭化水素系燃料に
    前記燃料電池から排出されたオフガスの熱を移す燃料電
    池発電システムの運転方法。
13. 【請求項１３】 前記改質部へ少なくとも炭化水素系燃
    料と水蒸気とを供給する一方、前記改質部へ供給される
    炭化水素系燃料に前記燃料電池から排出されたオフガス
    の水蒸気及び熱を移す請求項１２記載の燃料電池発電シ
    ステムの運転方法。
14. 【請求項１４】 水蒸気を利用して炭化水素系燃料を水
    素リッチな燃料ガスに改質する改質部から供給される燃
    料ガスと所定の酸化ガス供給源から供給される酸化ガス
    との電気化学反応により発電する燃料電池を備えた燃料
    電池発電システムの運転方法であって、 前記改質部へ少なくとも炭化水素系燃料と水蒸気とを供
    給する一方、前記改質部へ供給される炭化水素系燃料に
    前記改質部から前記燃料電池に至る途中の燃料ガスの熱
    を移す燃料電池発電システムの運転方法。
15. 【請求項１５】 前記改質部へ少なくとも炭化水素系燃
    料と水蒸気とを供給する一方、前記改質部へ供給する炭
    化水素系燃料に前記改質部から前記燃料電池に至る途中
    の燃料ガスの水蒸気及び熱を移す請求項１４記載の燃料
    電池発電システムの運転方法。