JP2003257457A - 燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱交換媒体の経路を複雑化することなく効率
的に熱回収を行う。 【解決手段】 燃料電池発電システム１０では、燃料電
池４０における燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応が
発熱反応であることから、アノードオフガスとカソード
オフガスとは共に熱を持っている。循環ポンプ５１は、
熱交換媒体５４である水又は湯を、貯湯槽５２から直列
に並んだアノードオフガス熱交換器４２及びカソードオ
フガス熱交換器４４を経て貯湯槽５２へ戻るという熱交
換媒体循環経路５０に循環させる。このため、出所の同
じ熱交換媒体５４がアノードオフガス及びカソードオフ
ガスから熱を回収することになり、効率的に熱回収を行
うことができる。また、両熱交換器４２，４４が直列に
並んだ熱交換媒体循環経路５０に熱交換媒体５４を循環
させるため、熱交換媒体５４の経路が複雑化しない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池発電シス
テムに関する。

【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、バーナー等により加熱された燃
料ガス生成器において炭化水素系燃料と水との反応によ
り得られた水素リッチなガスを利用するものが知られて
いる。

【０００３】ところで、燃料電池発電システムにおい
て、燃料電池のアノードから排出されたアノードオフガ
スとカソードから排出されたカソードオフガスとを有効
に活用するために、アノードオフガスとカソードオフガ
スとを燃料ガス生成器を加熱するバーナーに供給するも
のが知られている。例えば、特開平６−１８８０１６号
公報には、アノードオフガスについてはアノードオフガ
ス凝縮器でアノードオフガス中の水分を凝縮させたあと
燃料ガス生成器を加熱するバーナーに供給し、カソード
オフガスについてはカソードオフガス凝縮器でアノード
オフガス中の水分を凝縮させたあと燃料ガス生成器を加
熱するバーナーに供給している。

【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、アノードオフガス凝縮器においてアノード
オフガスと熱交換を行う熱交換媒体と、カソードオフガ
ス凝縮器においてカソードオフガスと熱交換を行う熱交
換媒体とを、どのような経路によって供給するかを考慮
していない。このため、熱交換媒体の経路が複雑化しや
すいし、燃料電池発電システムに適した熱回収を行うこ
とができない。

【０００５】本発明は、上述の課題に鑑みなされたもの
であり、熱交換媒体の経路を複雑化することなく効率的
に熱回収を行うことのできる燃料電池発電システムを提
供す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、本発明の燃料電池発電シス
テムは、アノードに供給される燃料ガスとカソードに供
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、前記アノードから排出されたアノードオフガス
の熱を熱交換媒体により回収するアノードオフガス熱交
換部と、前記カソードから排出されたカソードオフガス
の熱を前記熱交換媒体により回収するカソードオフガス
熱交換部と、前記熱交換媒体を貯留する熱交換媒体貯留
部と、前記熱交換媒体貯留部から直列に順不同で並んだ
前記アノードオフガス熱交換部及び前記カソードオフガ
ス熱交換部を経て前記熱交換媒体貯留部へ戻るという循
環経路に前記熱交換媒体を循環させる熱交換媒体循環部
とを備えたものである。

【０００７】本発明の燃料電池発電システムでは、燃料
電池における燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応が発
熱反応であることから、アノードオフガスとカソードオ
フガスとは共に熱を持っている。熱交換媒体循環部は、
熱交換媒体を熱交換媒体貯留部から直列に順不同で並ん
だアノードオフガス熱交換部及びカソードオフガス熱交
換部を経て熱交換媒体貯留部へ戻るという循環経路に循
環させるため、出所の同じ熱交換媒体がアノードオフガ
ス熱交換部にてアノードオフガスから熱を回収すると共
にカソードオフガス熱交換部にてカソードオフガスから
熱を回収する。このように、アノードオフガス熱交換部
及びカソードオフガス熱交換部が直列に順不同で並んだ
循環経路に熱交換媒体を循環させるため、熱交換媒体の
経路は複雑化しない。また、出所の同じ熱交換媒体がア
ノードオフガスの熱及びカソードオフガスの熱を回収す
るため、効率的に熱回収を行うことができる。

【０００８】本発明の燃料電池発電システムは、炭化水
素系燃料と水との反応により得られる水素リッチなガス
を前記燃料ガスとして前記アノードへ供給する燃料ガス
生成部と、燃焼用ガスを燃焼することにより前記燃料ガ
ス生成部を加熱する燃焼部とを備え、前記アノードオフ
ガス熱交換部は、凝縮器の機能も有し、前記熱交換媒体
により熱及び凝縮水を回収したあとのアノードオフガス
を前記燃焼用ガスとして前記燃焼部に供給してもよい。
ここでは、燃料ガス生成部での炭化水素系燃料と水との
反応を促進させるために、燃焼部で燃焼用ガスを燃焼す
ることにより燃料ガス生成部を加熱しているが、その燃
焼用ガスとして、アノードオフガス熱交換部で熱交換媒
体により熱及び凝縮水を回収したあとのアノードオフガ
スを有効利用している。また、このアノードオフガス
は、凝縮水が回収されて低湿度化しているため、燃焼部
に失火や傷み等の不具合が生じにくい。

【０００９】本発明の燃料電池システムにおいて、前記
燃料ガス生成部と前記燃焼部とを備え、前記アノードオ
フガス熱交換部が前記熱交換媒体により熱及び凝縮水を
回収したあとのアノードオフガスを前記燃焼用ガスとし
て前記燃焼部に供給する場合、前記循環経路は、前記ア
ノードオフガス熱交換部が前記カソードオフガス熱交換
部の上流に配置されていてもよい。こうすれば、燃焼部
へ供給されるアノードオフガスを低湿度化して燃焼部の
不具合を生じにくくさせるという効果を優先して得るこ
とができる。また、前記循環経路には、前記アノードオ
フガス熱交換部が最上流に配置されていてもよく、こう
すれば、燃焼部の不具合を生じにくくさせるという効果
を最優先させることができる。

【００１０】本発明の燃料電池発電システムは、炭化水
素系燃料と水との反応により得られる水素リッチなガス
を前記燃料ガスとして前記アノードへ供給する燃料ガス
生成部に、凝縮器の機能も有する前記カソードオフガス
熱交換部でカソードオフガス中の水分が凝縮して得られ
た高純度水を前記炭化水素系燃料と反応させるために供
給する凝縮水供給部を備えていてもよい。こうすれば、
カソードオフガスから得られた高純度水を有効に利用す
ることができる。また、この凝縮水供給部は、前記アノ
ードオフガス熱交換部でアノードオフガス中の水分が凝
縮して得られた高純度水を前記炭化水素系燃料と反応さ
せるために前記燃料ガス生成部へ供給してもよく、こう
すれば、アノードオフガスから得られた高純度水も有効
に利用することができる。なお、燃料電池の電気化学反
応によってカソード側に水が生成するため、アノードオ
フガスよりもカソードオフガスから多くの高純度水が得
られる。

【００１１】本発明の燃料電池発電システムは、前記凝
縮水供給部を備えている場合、更に水道水を浄化する水
精製部を備え、前記水精製部は、前記燃料ガス生成部へ
供給する前記高純度水の不足分を前記凝縮水供給部へ補
給してもよい。こうすれば、凝縮水供給部による高純度
水の燃料ガス生成部への供給が不足したときに消耗品で
ある水精製部を稼働するため、水精製部のみで浄化水を
燃料ガス生成部へ供給する場合に比べて、水精製部の使
用頻度が少なくて済み、水精製部の寿命が長くなる。

【００１２】本発明の燃料電池発電システムは、凝縮器
の機能も有する前記カソードオフガス熱交換部でカソー
ドオフガス中の水分が凝縮して得られた水を精製する凝
縮水精製部と、炭化水素系燃料と水との反応により得ら
れる水素リッチなガスを前記燃料ガスとして前記アノー
ドへ供給する燃料ガス生成部に、前記凝縮水精製部で精
製された精製水を前記炭化水素系燃料と反応させるため
に供給する精製水供給部とを備えていてもよい。こうす
れば、カソードオフガスから得られた水を精製したあと
有効に利用することができる。また、この凝縮水精製部
は、前記アノードオフガス熱交換部でアノードオフガス
中の水分が凝縮して得られた水も精製してもよい。こう
すれば、アノードオフガスから得られた水も精製したあ
と有効に利用することができる。なお、凝縮水精製部で
は、通常、水道水を精製するよりも、カソードオフガス
又はアノードオフガスから得られた水を精製する方が負
担は軽い。

【００１３】本発明の燃料電池システムにおいて、前記
熱交換媒体は水又は湯であり、前記熱交換媒体貯留部は
貯湯槽であってもよい。こうすれば、このシステムで発
生した熱をお湯として回収することができるので有用性
が高い。

【００１４】本発明の燃料電池システムにおいて、前記
循環経路は、前記アノードオフガス熱交換部及び前記カ
ソードオフガス熱交換部の下流に、前記燃焼部から排出
された燃焼部排ガスの熱を前記熱交換媒体により回収す
る燃焼部排ガス熱交換部が配置されていてもよい。こう
すれば、出所の同じ熱交換媒体がアノードオフガスの
熱、カソードオフガスの熱のほかに燃焼部排ガスの熱も
回収するため、システム全体として効率的に熱回収を行
うことができる。

【００１５】本発明の燃料電池システムにおいて、前記
循環経路は、前記アノードオフガス熱交換部及び前記カ
ソードオフガス熱交換部の下流に、前記燃料電池を冷却
する冷却媒体の熱を前記熱交換媒体により回収する冷却
媒体熱交換部が配置されていてもよい。こうすれば、出
所の同じ熱交換媒体がアノードオフガスの熱、カソード
オフガスの熱のほかに燃料電池を冷却することにより加
熱された冷却媒体の熱も回収するため、システム全体と
して効率的に熱回収を行うことができる。このとき、前
記循環経路は、最下流に前記冷却媒体熱交換部が配置さ
れていてもよい。通常、燃料電池を冷却する冷却媒体の
温度はアノードオフガスやカソードオフガスよりも高い
ため、これらのオフガスから熱を回収して高温化したあ
との熱交換媒体であっても冷却媒体から熱を回収するこ
とができ、システム全体として効率的に熱回収を行うこ
とができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】次に、本発明の好適な一実施形態
を図面に基づいて説明する。図１は、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３０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から排出されたアノー
ドオフガスの熱を回収するアノードオフガス熱交換器４
２と、燃料電池から排出されたカソードオフガスの熱を
回収するカソードオフガス熱交換器４４と、貯湯槽５２
に貯留された熱交換媒体５４としての水又は湯を貯湯槽
５２から直列に並んだ熱交換器４２，４４，４５，４６
を経て貯湯槽５２へ戻るという熱交換媒体循環経路５０
に熱交換媒体５４を循環させる循環ポンプ５１とを備え
ている。なお、図１における白抜き矢印は、循環経路５
０を流通する熱交換媒体５４の流れを表し、と、
と、とはそれぞれ繋がっているものとする。

【００１７】改質器３０は、混合器２８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３０には、こ
うした反応に必要な熱を供給する燃焼部３２が設けられ
ており、燃焼部３２には、ガス配管２２から都市ガスが
供給されると共に燃焼に必要な空気が供給され、更にア
ノードオフガス熱交換器４２を通過した後のアノードオ
フガスが供給される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３２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。

【００１８】

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

【００１９】混合器２８は、ガス配管２２から脱硫器２
４で硫黄分の除去された都市ガスと、水タンク２６から
の水が蒸発器２７にて蒸発された蒸気とを適当な比率で
混合し、改質器３０に供給する。水タンク２６には、水
道水を浄化・精製する水精製器２５から精製水が供給さ
れるほか、アノードオフガス熱交換器４２及びカソード
オフガス熱交換器４４から凝縮水が供給されるように配
管されている。

【００２０】ＣＯ選択酸化部３４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。なお、本実施形態の改質器３０及びＣＯ選択酸
化部３４が本発明の燃料ガス生成部に相当する。

【００２１】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３４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、インバ
ータ４９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図示しない負荷
に供給される。

【００２２】熱交換媒体循環経路５０は、貯湯槽５２に
貯留された熱交換媒体５４がこの貯湯槽５２からアノー
ドオフガス熱交換器４２、カソードオフガス熱交換器４
４、燃焼排ガス熱交換器４５、冷却水熱交換器４６をこ
の順に経たのち再び貯湯槽５２に戻るという循環経路で
ある。循環ポンプ５１は、本発明の熱交換媒体循環部に
相当するものであり、熱交換媒体循環経路５０の途中に
設けられ、貯湯槽５２から熱交換媒体循環経路５０に熱
交換媒体５４を循環させる。また、貯湯槽５２に貯留さ
れた熱交換媒体５４としてのお湯は、図示しない給湯経
路を通じて所定箇所に供給され、お湯が供給されたあと
貯湯槽５２には満水になるように水道水が補給される。

【００２３】アノードオフガス熱交換器４２は、起動時
（運転開始直後）には、図示しない制御装置によってバ
ルブ６１及びバルブ６３が開放されバルブ６２及びバル
ブ６４が閉鎖されるため、ＣＯ選択酸化部３４から送り
込まれた初期の燃料ガスと熱交換媒体循環経路５０を通
過する熱交換媒体５４との間で熱交換を行う。このアノ
ードオフガス熱交換器４２において、熱交換媒体５４は
初期の燃料ガスの凝縮潜熱を奪うことにより熱を回収
し、燃料ガスは凝縮潜熱が奪われることにより水分が凝
縮し低湿度化する。また、アノードオフガス熱交換器４
２は、熱交換後の燃料ガスを初期オフガス燃焼器５７に
供給する。初期オフガス燃焼器５７に送り込まれた燃料
ガスは、この初期オフガス燃焼器５７にて触媒燃焼した
あと初期オフガス熱交換器５８を経て外部へ放出され
る。このように初期オフガス燃焼器５７には低湿度化し
た燃料ガスが送られるため、触媒燃焼する初期オフガス
燃焼器５７の機能を保ち、傷み等の不具合が生じにく
い。なお、初期オフガス熱交換器５８及び初期オフガス
燃焼器５７は冷却水循環経路４３に組み込まれており、
燃料電池４０を通過したあとの冷却水が初期オフガス熱
交換器５８及び初期オフガス燃焼器５７をこの順で通過
する。

【００２４】一方、アノードオフガス熱交換器４２は、
定常運転時には、図示しない制御装置によってバルブ６
１及びバルブ６３が閉鎖されバルブ６２及びバルブ６４
が開放されるため、ＣＯ選択酸化部３４から燃料電池４
０のアノード４１４を経て排出されたアノードオフガス
と熱交換媒体循環経路５０を通過する熱交換媒体５４と
の間で熱交換を行う。このアノードオフガス熱交換器４
２において、熱交換媒体５４はアノードオフガスの凝縮
潜熱を奪うことにより熱を回収し、アノードオフガスは
凝縮潜熱が奪われることにより水分が凝縮し低湿度化す
る。また、アノードオフガス熱交換器４２は、熱交換後
のアノードオフガスを燃焼部３２に供給すると共に、ア
ノードオフガス中の水分が凝縮して得られた凝縮水を水
タンク２６へ供給する。

【００２５】カソードオフガス熱交換器４４は、燃料電
池４０のカソード４１６から排出されたカソードオフガ
スと熱交換媒体循環経路５０を通過する熱交換媒体５４
との間で熱交換を行う。このカソードオフガス熱交換器
４４において、熱交換媒体５４はカソードオフガスの凝
縮潜熱を奪うことにより熱を回収し、カソードオフガス
は凝縮潜熱が奪われることにより水分が凝縮する。ま
た、カソードオフガス熱交換器４４は、熱交換後のカソ
ードオフガスを大気中に放出すると共に、カソードオフ
ガス中の水分が凝縮して得られた凝縮水を水タンク２６
へ供給する。

【００２６】燃焼排ガス熱交換器４５は、燃焼部３２で
発生する燃焼排ガスと熱交換媒体循環経路５０を通過す
る熱交換媒体５４との間で熱交換を行う。この燃焼排ガ
ス熱交換器４５において、熱交換媒体５４は燃焼排ガス
から熱を奪って回収する。なお、燃焼排ガスとは、都市
ガス又はアノードオフガス熱交換器４２を経た後のアノ
ードオフガスと空気中の酸素とが燃焼し、改質器３０を
囲うように設けられた図示しないジャケットを通過した
あと排出されるガスである。

【００２７】冷却水熱交換器４６は、冷却水循環経路４
３の途中に設けられている。ここで、冷却水循環経路４
３は、循環ポンプ４８によってリザーバタンク４７に貯
留された冷却水がこのリザーバタンク４７から燃料電池
４０の図示しない冷却水通路を経たのち初期オフガス熱
交換器５８、初期オフガス燃焼器５７の図示しない冷却
水通路、冷却水熱交換器４６をこの順に通過して再びリ
ザーバタンク４７に戻るという循環経路である。但し、
冷却水循環経路４３のうち冷却水熱交換器４６とリザー
バタンク４７との間には、ファンによる強制冷却を行う
冷却器５５を備えたバイパス経路が設けられており、冷
却水が予め設定した温度を越えないときにはバイパス経
路の分岐点に設けられたサーモスタット５６が作動せ
ず、冷却水を冷却水熱交換器４６から直ちにリザーバタ
ンク４７へ導き、一方、冷却水が所定温度を越えたとき
にはサーモスタット５６が作動し、冷却水をバイパス経
路へ導いて冷却器５５にて強制的に冷やしたあとリザー
バタンク４７へ導く。冷却水熱交換器４６は、燃料電池
４０、初期オフガス熱交換器５８及び初期オフガス燃焼
器５７を通過したあとの冷却水と熱交換媒体循環経路５
０を通過する熱交換媒体５４との間で熱交換を行う。燃
料電池４０における電気化学反応は発熱反応であるが、
このように冷却水を循環させることにより、燃料電池４
０は適温（本実施形態では８０〜９０℃）に保持され
る。

【００２８】次に、こうして構成された燃料電池発電シ
ステム１０における定常運転時の熱の回収や高純度水の
回収について説明する。燃料電池発電システム１０で
は、循環ポンプ５１が駆動することにより、貯湯槽５２
の熱交換媒体５４が熱交換媒体循環経路５０を循環す
る。

【００２９】まず、熱交換媒体５４は、貯湯槽５２の下
方からアノードオフガス熱交換器４２へ送り込まれ、こ
のアノードオフガス熱交換器４２にてアノードオフガス
の凝縮潜熱を回収する。一方、アノードオフガスは、凝
縮潜熱を奪われることによりアノードオフガス中の水分
が凝縮し低湿度化したあと、改質器３０を加熱するため
の燃焼部３２にて燃焼されるが、低湿度のため燃焼部３
２に失火や傷み等の不具合を生じさせることはない。ま
た、ここで得られた凝縮水は、比較的高純度の水である
ため、水タンク２６へ送られ、改質器３０において都市
ガスと反応させる水として有効利用される。

【００３０】次いで、アノードオフガス熱交換器４２を
通過した熱交換媒体５４は、カソードオフガス熱交換器
４４へ送り込まれ、このカソードオフガス熱交換器４４
にてカソードオフガスの凝縮潜熱を回収する。一方、カ
ソードオフガスは、凝縮潜熱を奪われることによりカソ
ードオフガス中の水分が凝縮する。また、燃料電池４０
における電気化学反応によってカソード側には大量の水
が生成するため、カソードから排出されたカソードオフ
ガスは大量の水分が含まれている。このため、カソード
オフガス熱交換器４４からは大量の凝縮水が発生する。
そして、ここで得られた凝縮水は高純度の水であるた
め、水タンク２６へ送られ、改質器３０において都市ガ
スと反応させる水として有効利用される。水タンク２６
には、アノードオフガス熱交換器４２で発生した凝縮水
と、カソードオフガス熱交換器４４で発生した多量の凝
縮水が供給されるが、不足分についてはバルブ２９を開
いて水精製器２５からの精製水で補う。なお、バルブ２
９の開閉制御は図示しない制御装置によって行う。

【００３１】続いて、カソードオフガス熱交換器４４を
通過した熱交換媒体５４は、燃焼排ガス熱交換器４５へ
送り込まれ、この燃焼排ガス熱交換器４５にて燃焼排ガ
スの熱を回収する。この燃焼排ガス熱交換器４５におい
ても凝縮水が発生するが、この燃焼排ガス熱交換器４５
には脱硫していない都市ガスが燃焼したあとの排ガスも
通過することから、ここでの凝縮水は硫黄分が含まれる
ため水タンク２６に供することなく放出される。

【００３２】そして最後に、燃焼排ガス熱交換器４５を
通過した熱交換媒体５４は、冷却水熱交換器４６へ送り
込まれ、この冷却水熱交換器４６にて冷却水の熱を回収
したあと、再び貯湯槽５２の上方に戻される。冷却水熱
交換器４６に供給される冷却水の温度は、本実施形態で
は７０〜８０℃であり、アノードオフガス熱交換器４２
に導入されるアノードオフガスや、カソードオフガス熱
交換器４４に導入されるカソードオフガスや、燃焼排ガ
ス熱交換器４５に導入される燃焼排ガスに比べて高温で
ある。このため、各熱交換器４２，４４，４５で熱を回
収したあとの熱交換媒体５４であっても、冷却水熱交換
器４６において冷却水から熱を回収することができる。

【００３３】以上詳述した本実施形態の燃料電池発電シ
ステム１０によれば、熱交換媒体循環経路５０は、各熱
交換器４２，４４，４５，４６を直列に繋ぐため複雑化
せず、また、一つの貯湯槽５２からの熱交換媒体５４が
アノードオフガスの熱及びカソードオフガスの熱を回収
するため効率的に熱回収を行うことができる。特に本実
施形態では回収した熱をお湯として貯めるため、有用性
が高い。また、アノードオフガス中の水蒸気顕熱分の排
気（熱）損失が減るため、燃焼部３２に供給する都市ガ
スを減らすことができ、高効率化している。

【００３４】また、アノードオフガス熱交換器４２を通
過した後のアノードオフガスは燃焼部３２に供給される
が、このガスは低湿度化されているため、燃焼部３２に
おいて失火や傷み等の不具合が生じにくい。

【００３５】更に、アノードオフガス熱交換器４２から
得られる凝縮水とカソードオフガス熱交換器４４から得
られる凝縮水はいずれも高純度水であるため、改質器３
０での水蒸気改質反応に有効利用することができる。ま
た、水タンク２６による高純度水が不足したときに消耗
品である水精製器２５を稼働すればよいため、水精製器
２５のみで浄化水を改質器３０での水蒸気改質反応に供
する場合に比べて、水精製器２５の使用頻度が少なくて
済み、水精製器２５の寿命が長くなる。

【００３６】更にまた、熱交換媒体循環経路５０には、
アノードオフガス熱交換器４２がカソードオフガス熱交
換器４４の上流に配置されているため、燃焼部３２へ供
給されるアノードオフガスの湿度を低下させて燃焼部３
２の不具合発生を防止することを、カソードオフガスか
ら得られた高純度水を有効に利用することよりも優先さ
せることができる。なお、ここではアノードオフガス熱
交換器４２が最上流のため、燃焼部３２の不具合発生を
防止することが最優先となっている。

【００３７】そしてまた、熱交換媒体循環経路５０に
は、アノードオフガス熱交換器４２及びカソードオフガ
ス熱交換器４４の下流に、燃焼排ガス熱交換器４５が配
置され、更に最下流に冷却水熱交換器４６が配置されて
いるため、一つの貯湯槽５２からの熱交換媒体５４がア
ノードオフガスの熱、カソードオフガスの熱のほかに燃
焼部排ガスの熱や燃料電池４０の冷却水の熱も回収する
ため、システム全体として効率的に熱回収を行うことが
できる。

【００３８】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。

【００３９】例えば、上述した実施形態において、燃料
電池４０のカソード４１６から排出されたカソードオフ
ガスの熱でもってブロア４１から燃料電池４０のカソー
ド４１６に供給される空気を予熱するように構成し、カ
ソードオフガスは空気の予熱を行った後にカソードオフ
ガス熱交換器４４を通過するようにしてもよい。

【００４０】また、上述した実施形態では、熱交換媒体
循環経路５０においてアノードオフガス熱交換器４２を
カソードオフガス熱交換器４４の上流に設けたが、逆
に、カソードオフガス熱交換器４４をアノードオフガス
熱交換器４２の上流に設けてもよい。こうすれば、カソ
ードオフガスに含まれる凝縮水をより効率よく回収する
ことができ、水精製器２５の負担をより軽くすることが
できる。

【００４１】更に、上述した実施形態では、アノードオ
フガス熱交換器４２にてアノードオフガスから得た凝縮
水やカソードオフガス熱交換器４４にてカソードオフガ
スから得た凝縮水を水タンク２６に貯め込み精製するこ
となく改質器３０へ供給する構成を採用したが、図３に
示す構成を採用してもよい。図３では、改質器３０に供
給される水の経路以外は図１と同様の構成である。即
ち、調整弁２０を介して適宜補給される水道水や、アノ
ードオフガス熱交換器４２にてアノードオフガスから得
た凝縮水や、カソードオフガス熱交換器４４にてカソー
ドオフガスから得た凝縮水を水タンク２６に貯め込み、
この水タンク２６内の水をポンプ２１によりイオン交換
樹脂が充填された水精製器２５へ送り込んで精製し、精
製したあとの水を蒸発器２７等を介して改質器３０へ供
給する構成を採用してもよい。この構成は、各オフガス
から回収した凝縮水中に不純物が溶出している場合に有
効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態である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】本発明の他の実施形態である燃料電池発電シス
テムの構成の概略を示す構成図である。

【符号の説明】

１０…燃料電池発電システム、２２…ガス配管、２４…
脱硫器、２５…水精製器、２６…水タンク、２７…蒸発
器、２８…混合器、３０…改質器、３２…燃焼部、３４
…ＣＯ選択酸化部、４０…燃料電池、４１…ブロア、４
２…アノードオフガス熱交換器、４３…冷却水循環経
路、４４…カソードオフガス熱交換器、４５…燃焼排ガ
ス熱交換器、４６…冷却水熱交換器、４７…リザーバタ
ンク、４８…循環ポンプ、４９…インバータ、５０…熱
交換媒体循環経路、５１…循環ポンプ、５２…貯湯槽、
５４…熱交換媒体、４１０…単セル、４１２…電解質
膜、４１４…アノード、４１５…燃料ガス供給路、４１
６…カソード、４１７…酸化ガス供給路、４１８，４２
０…セパレータ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 桝井 武 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 原 浩一郎 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 服部 伸希 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (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） 5H026 AA06 CC03 5H027 AA06 BA01 BA05 BA09 BA16 DD06

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アノードに供給される燃料ガスとカソー
   ドに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、 前記アノードから排出されたアノードオフガスの熱を熱
   交換媒体により回収するアノードオフガス熱交換部と、 前記カソードから排出されたカソードオフガスの熱を前
   記熱交換媒体により回収するカソードオフガス熱交換部
   と、 前記熱交換媒体を貯留する熱交換媒体貯留部と、 前記熱交換媒体貯留部から直列に順不同で並んだ前記ア
   ノードオフガス熱交換部及び前記カソードオフガス熱交
   換部を経て前記熱交換媒体貯留部へ戻るという循環経路
   に前記熱交換媒体を循環させる熱交換媒体循環部とを備
   えた燃料電池発電システム。
2. 【請求項２】 請求項１記載の燃料電池発電システムで
   あって、 炭化水素系燃料と水との反応により得られる水素リッチ
   なガスを前記燃料ガスとして前記アノードへ供給する燃
   料ガス生成部と、 燃焼用ガスを燃焼することにより前記燃料ガス生成部を
   加熱する燃焼部とを備え、 前記アノードオフガス熱交換部は、凝縮器の機能も有
   し、前記熱交換媒体により熱及び凝縮水を回収したあと
   のアノードオフガスを前記燃焼用ガスとして前記燃焼部
   に供給する燃料電池発電システム。
3. 【請求項３】 前記循環経路は、前記アノードオフガス
   熱交換部が前記カソードオフガス熱交換部の上流に配置
   されている請求項２記載の燃料電池発電システム。
4. 【請求項４】 前記循環経路は、最上流に前記アノード
   オフガス熱交換部が配置されている請求項３記載の燃料
   電池発電システム。
5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電
   池発電システムであって、 炭化水素系燃料と水との反応により得られる水素リッチ
   なガスを前記燃料ガスとして前記アノードへ供給する燃
   料ガス生成部に、凝縮器の機能も有する前記カソードオ
   フガス熱交換部でカソードオフガス中の水分が凝縮して
   得られた高純度水を前記炭化水素系燃料と反応させるた
   めに供給する凝縮水供給部を備えた燃料電池発電システ
   ム。
6. 【請求項６】 前記凝縮水供給部は、前記アノードオフ
   ガス熱交換部でアノードオフガス中の水分が凝縮して得
   られた高純度水を前記炭化水素系燃料と反応させるため
   に前記燃料ガス生成部へ供給する請求項５記載の燃料電
   池発電システム。
7. 【請求項７】 請求項５又は６記載の燃料電池発電シス
   テムであって、 水道水を浄化する水精製部を備え、 前記水精製部は、前記燃料ガス生成部へ供給する前記高
   純度水の不足分を前記凝縮水供給部へ補給する燃料電池
   発電システム。
8. 【請求項８】 請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電
   池発電システムであって、 凝縮器の機能も有する前記カソードオフガス熱交換部で
   カソードオフガス中の水分が凝縮して得られた水を精製
   する凝縮水精製部と、 炭化水素系燃料と水との反応により得られる水素リッチ
   なガスを前記燃料ガスとして前記アノードへ供給する燃
   料ガス生成部に、前記凝縮水精製部で精製された精製水
   を前記炭化水素系燃料と反応させるために供給する精製
   水供給部とを備えた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、 前記凝縮水精製部は、前記アノードオフガス熱交換部で
   アノードオフガス中の水分が凝縮して得られた水も精製
   するを備えた燃料電池発電システム。
10. 【請求項１０】 前記熱交換媒体は水又は湯であり、前
    記熱交換媒体貯留部は貯湯槽である請求項１〜９のいず
    れかに記載の燃料電池発電システム。
11. 【請求項１１】 前記循環経路は、前記アノードオフガ
    ス熱交換部及び前記カソードオフガス熱交換部の下流
    に、炭化水素系燃料と水との反応により得られる水素リ
    ッチなガスを前記燃料ガスとして前記アノードへ供給す
    る燃料ガス生成部を燃焼用ガスを燃焼することにより加
    熱する燃焼部から排出された燃焼排ガスの熱を前記熱交
    換媒体により回収する燃焼排ガス熱交換部が配置されて
    いる請求項１〜１０のいずれかに記載の燃料電池発電シ
    ステム。
12. 【請求項１２】 前記循環経路は、前記アノードオフガ
    ス熱交換部及び前記カソードオフガス熱交換部の下流
    に、前記燃料電池を冷却する冷却媒体の熱を前記熱交換
    媒体により回収する冷却媒体熱交換部が配置されている
    請求項１〜１１のいずれかに記載の燃料電池発電システ
    ム。
13. 【請求項１３】 前記循環経路は、最下流に前記冷却媒
    体熱交換部が配置されている請求項１２記載の燃料電池
    発電システム。