JP2004281157A - 燃料電池発電システム - Google Patents
燃料電池発電システム Download PDFInfo
- Publication number
- JP2004281157A JP2004281157A JP2003069138A JP2003069138A JP2004281157A JP 2004281157 A JP2004281157 A JP 2004281157A JP 2003069138 A JP2003069138 A JP 2003069138A JP 2003069138 A JP2003069138 A JP 2003069138A JP 2004281157 A JP2004281157 A JP 2004281157A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel
- combustion
- gas
- reforming
- reforming water
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
【課題】燃料処理装置の熱効率、ひいては燃料電池発電システムの発電効率を向上させた燃料電池発電システム、及び発電方法を提供する。
【解決手段】燃焼燃料５を導入して燃焼し、燃焼排ガス９を排出する燃焼部１８と、原料燃料４と改質用水７とを導入し、燃焼により発生する熱を利用して、導入した原料燃料と導入した改質用水との水蒸気改質反応により燃料ガス８を生成する改質部１５と、燃料ガス８の変成反応を行う変成部１６と、前記変成反応が行われた燃料ガス８に含まれる一酸化炭素を選択的に酸化し、酸化の後に排出する選択酸化部１７とを有する燃料処理装置１と、排出した燃焼排ガス、排出した燃料ガスとを、導入する改質用水と互いに同時に熱交換させて、改質用水を予熱する予熱手段２と、改質用水を予熱した燃料ガスと、酸化剤ガス１３とを導入し電気化学的反応により発電する燃料電池とを備える燃料電池発電システム１０１とする。
【選択図】 図１
【解決手段】燃焼燃料５を導入して燃焼し、燃焼排ガス９を排出する燃焼部１８と、原料燃料４と改質用水７とを導入し、燃焼により発生する熱を利用して、導入した原料燃料と導入した改質用水との水蒸気改質反応により燃料ガス８を生成する改質部１５と、燃料ガス８の変成反応を行う変成部１６と、前記変成反応が行われた燃料ガス８に含まれる一酸化炭素を選択的に酸化し、酸化の後に排出する選択酸化部１７とを有する燃料処理装置１と、排出した燃焼排ガス、排出した燃料ガスとを、導入する改質用水と互いに同時に熱交換させて、改質用水を予熱する予熱手段２と、改質用水を予熱した燃料ガスと、酸化剤ガス１３とを導入し電気化学的反応により発電する燃料電池とを備える燃料電池発電システム１０１とする。
【選択図】 図１
Description
【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発電方法に関し、特に熱回収を行う燃料電池発電システム及び発電方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
都市ガス、ＬＰＧ、消化ガス、メタノール、ＧＴＬや灯油のような原料燃料から、燃料処理装置を介して水素に富む燃料ガスを生成し、燃料電池の燃料極に供給すると共に、空気等の酸素を含む酸化剤ガスを燃料電池の酸化剤ガス極に供給して電気化学的反応により発電する燃料電池発電システムは、燃料処理装置の熱効率を高くすることが高い発電効率を達成するために必要である。
【０００３】
従来の燃料電池発電システムでは、燃料処理装置の排熱を有効利用するために、燃料処理装置を出た燃焼排ガスの排熱や燃料ガスの排熱を、燃料処理装置へ供給する燃焼空気の予熱やコージェネレーションシステムとして系外へ供給する温水の加熱に利用していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の燃料電池発電システムでは、例えば燃焼排ガスや燃料ガスの排熱を燃焼空気の予熱に利用する場合、燃焼空気の熱容量が小さいため燃焼排ガス及び燃料ガスが持つ露点温度６５〜７０℃程度の潜熱を回収することができなかった。また、燃焼排ガスや燃料ガスの排熱を、系外へ供給する温水の加熱に利用する場合、顕熱のみでなく前記潜熱も利用できシステムの排熱回収効率の向上に寄与するが、燃料処理装置の熱効率、システムの発電効率の向上には寄与していなかった。
【０００５】
本発明は、かかる実情に鑑み、燃料処理装置の熱効率、ひいては燃料電池発電システムの発電効率を向上させた燃料電池発電システム、及び発電方法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】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明による燃料電池発電システム１０１は、例えば図１に示すように、燃焼燃料５を導入して燃焼し、燃焼排ガス９を排出する燃焼部１８と、原料燃料４と改質用水７とを導入し、前記燃焼により発生する熱を利用して、前記導入した原料燃料４と前記導入した改質用水７との水蒸気改質反応により燃料ガス８を生成する改質部１５と、燃料ガス８の変成反応を行う変成部１６と、前記変成反応が行われた燃料ガス８に含まれる一酸化炭素を選択的に酸化し、前記酸化の後に排出する選択酸化部１７とを有するを有する燃料処理装置１と；前記排出した燃焼排ガス９と、前記排出した燃料ガス８とを、前記導入する改質用水７と互いに同時に熱交換させて、改質用水７を予熱する予熱手段２と；改質用水７を予熱した燃料ガス８と、酸化剤ガス１３とを導入し電気化学的反応により発電する燃料電池３とを備える。
【０００７】
このように構成すると、予熱手段２を備え、前記排出した燃焼排ガス９と、前記排出した燃料ガス８とを、前記導入する改質用水７と互いに同時に熱交換させて、改質用水７を予熱するので、熱容量の大きい改質用水７によって燃焼排ガス９と燃料ガス８とを同時に冷却し、燃焼排ガス９と燃料ガス８との、潜熱と顕熱とを改質用水７に回収し、改質用水７の温度を高め、改質用水７を蒸発させるために利用される燃焼熱の一部を改質反応に利用し、燃料処理装置１の熱効率を向上させ、ひいては燃料電池発電システム１０１の発電効率を向上させることができる。
【０００８】
請求項２に係る発明による燃料電池発電システム１０２は、請求項１に記載の燃料電池発電システムにおいて、例えば図４に示すように、前記燃焼部１８は、燃焼空気６を導入して燃焼燃料５を燃焼し；予熱手段１０２は、前記排出した燃焼排ガス９、と前記生成した燃料ガス８とによって、さらに前記導入する燃焼燃料５、または前記導入する燃焼空気６を予熱する。
【０００９】
このように構成すると、予熱手段１０２を備え、燃焼排ガス９と燃料ガス８によって、燃焼燃料５、または燃焼空気６を予熱するので、燃焼燃料の燃焼熱のうち燃焼燃料、燃焼空気の温度上昇に利用される熱が少なくてすむので、燃料処理装置１の熱効率をさらに向上させ、ひいては燃料電池発電システム２０１の発電効率をさらに向上させることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において互いに同一あるいは相当する部材には同一符号を付し、重複した説明は省略する。
【００１１】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池発電システム１０１の構成を模式的に示すブロック図である。
燃料電池発電システム１０１は、燃料処理装置１と、燃料電池３と、予熱手段としての改質用水予熱手段２と、改質用水流路１０と、燃料ガス流路１１と、燃焼排ガス流路１２と、原料燃料流路２１と、燃焼燃料流路２２と、燃焼空気流路２３、酸化剤ガス流路２４と、選択酸化用空気流路２６とを含んで構成される。燃料処理装置１は、改質部１５と、変成部１６と、選択酸化部１７と、燃焼部１８とを有する。改質部１５には改質触媒（不図示）が、変成部１６には変成触媒（不図示）が、選択酸化部１７には選択酸化触媒（不図示）が充填されている。
【００１２】
改質部１５は、原料燃料４を導入し水素に富む燃料ガス８（改質ガス）を生成して排出する。変成部１６は、燃料ガス８中のＣＯ変成反応を行う。選択酸化部１７は、燃料ガス８に含まれる一酸化炭素を選択的に酸化し、酸化後に燃料ガス８を排出する。燃焼部１８は、燃焼燃料５と燃焼空気６とを導入し燃焼を発生させ、燃焼排ガス９を排出する。原料燃料４、燃焼燃料５は、例えば都市ガス、ＬＰＧ、消化ガス、メタノール、ＧＴＬや灯油等の炭化水素系燃料である。燃焼燃料５は、原料燃料４と同じ種類の燃料であってもよく、燃料電池３から排出される、未燃焼の燃料ガス８であるオフガス（不図示）であってもよい。燃焼部１８に発生する燃焼の燃焼熱によって、改質部１５（例えば、６００〜７５０℃に加熱）、変成部１６（例えば、２００〜３００℃に加熱）、選択酸化部１７（例えば、１００〜２００℃に加熱）が加熱される。
【００１３】
燃料電池３は、燃料極（不図示）に、選択酸化部１７から排出された燃料ガス８を導入し、酸化剤ガス極（不図示）に酸素を含む酸化剤ガス１３（例えば、空気）を導入し、燃料ガス８と酸化剤ガス１３との電気化学的反応により発電する。改質用水予熱手段２は、燃焼排ガス９と燃料ガス８とを加熱流体として両者互いに並流で導入し、改質用水７を被加熱流体として前記加熱流体に対し対向流で導入し、燃焼排ガス９と燃料ガス８と、改質用水７との間で熱交換を行う。燃焼排ガス９と改質用水７のとの熱交換と、燃料ガス８と改質用水７との熱交換とは、互いに同時に開始される。さらに燃焼排ガス９と改質用水７のとの熱交換と、燃料ガス８と改質用水７との熱交換とは、互いに同時に終了する。このように熱交換が行われるので、燃料処理装置１の排熱を有効利用し、系外に排出する熱エネルギを少なくすることができる。
【００１４】
以下各構成要素と各流路の接続関係を説明する。以下のように各構成要素と各流路が接続されているため前述のように各ユーティリティが各構成要素に供給され各構成要素から排出される。
【００１５】
改質部１５には、原料燃料４を供給する原料燃料流路２１と、改質用水７を改質用水予熱手段２を介して供給する改質用水流路１０と、燃料ガス８を排出し、改質用水予熱手段２を介して燃料電池３の燃料極（不図示）に送る燃料ガス流路１１とが接続されている。燃料ガス流路１１は、改質部１５と改質用水予熱手段２とを結ぶ熱回収前燃料ガス流路１１Ａと、改質用水予熱手段２と燃料電池３とを結ぶ熱回収後燃料ガス流路１１Ｂとを含んで構成される。改質用水流路１０は、改質用水供給源（不図示）と改質用水予熱手段２とを結ぶ熱回収前改質用水流路１０Ａと、改質用水予熱手段２と改質部１５とを結ぶ熱回収後改質用水流路１０Ｂとを含んで構成される。改質部１５に供給された改質用水７は、改質部１５により加熱され水蒸気となる。
【００１６】
選択酸化部１７には、選択酸化用空気２５を供給する選択酸化用空気流路２６が接続されている。
【００１７】
燃焼部１８には、燃焼燃料５を供給する燃焼燃料流路２２と、燃焼空気６を供給する燃焼空気流路２３と、燃焼排ガス９を排出し、改質用水予熱手段２を介して燃焼排ガス処理装置（不図示）に送る燃焼排ガス流路１２とが接続されている。燃焼排ガス流路１２は、燃焼部１８と改質用水予熱手段２とを結ぶ熱回収前燃焼排ガス流路１２Ａと、改質用水予熱手段２と燃焼排ガス処理装置（不図示）とを結ぶ熱回収後燃焼排ガス流路１２Ｂとを含んで構成される。
【００１８】
燃料電池３の酸化剤ガス極（不図示）側には、酸化剤ガス１３を供給する酸化剤ガス流路２４が接続されている。
【００１９】
本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池発電システム１０１の作用を説明する。
燃焼部１８に燃焼燃料５と燃焼空気６とが導入され、点火装置（不図示）によって点火され燃焼が発生し、燃焼排ガス９が燃焼排ガス処理装置（不図示）に向けて排出される。燃焼の発生した燃焼部１８は、改質部１５、変成部１６、選択酸化部１７を加熱する。燃焼部１８の加熱により改質部１５が、所定の温度（例えば改質部が７００℃。典型的には、改質部が７００℃に達していれば、変成部１６、選択酸化部１７も所定の温度に達している。）に達した後、改質部１５に原料燃料４と改質用水７が供給される。改質用水７は改質部１５に加熱され蒸発する。原料燃料４は、改質部１５で水蒸気改質反応により水素を豊富に含む燃料ガス８に改質される（例えば、ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２）。変成部１６では、燃料ガス８中のＣＯが変成反応を受ける（ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２）。選択酸化部１７に選択酸化用空気２５が導入され、燃料ガス８中のＣＯが選択酸化用空気２５によって選択的に酸化される（ＣＯ＋（１／２）Ｏ２→ＣＯ２）。
【００２０】
燃料ガス８は選択酸化部１７から燃料電池３の燃料極（不図示）側に向けて排出される。燃料電池３の酸化剤ガス極（不図示）側には、酸化剤ガス１３が供給される。燃料電池３は、負荷（不図示）に接続され、燃料ガス８と酸化剤ガス１３との電気化学的反応により発電を行う。
【００２１】
改質用水７は改質用水予熱手段２を通って改質部１５に供給され、燃料ガス８は改質用水予熱手段２を通って燃料電池３に供給され、燃焼排ガス９は改質用水予熱手段２を通って燃焼排ガス処理装置（不図示）に供給される。
例えば、５〜４０℃の改質用水７は、改質用水予熱手段２を通過する間に燃料ガス８と燃焼排ガス９とによって加熱（予熱）され９５〜１０５℃の温水、または温水と水蒸気の気液２相流体となる。また、１１０〜１４０℃、露点温度６５〜７０℃の燃料ガス８は、改質用水予熱手段２を通過する間に改質用水７に冷却されて、６２〜６５℃の水蒸気飽和ガスとなる。１２０〜１６０℃、露点温度６５〜７０℃の燃焼排ガス９は、改質用水予熱手段２を通過する間に改質用水７に冷却されて、６２〜６５℃の水蒸気飽和ガスとなる。
【００２２】
改質用水予熱手段２において、改質用水７は、燃料ガス８と燃焼排ガス９と、それぞれ同時に熱交換を行って予熱され、改質部１５において蒸発に使用される熱エネルギを少なくすることができ、燃焼部１８での燃焼熱を原料燃料４の改質反応（吸熱反応）により多く利用することができる。また、燃料ガス８と燃焼排ガス９中に含まれる水蒸気を改質用水７によって、同時に冷却し凝縮させることができ、さらに燃料ガス８と燃焼排ガス９のガス温度を低くすることができる。よって、共に露点温度が６５〜７０℃である燃料ガス８と燃焼排ガス９との、潜熱と顕熱とを同時に熱回収することができ、燃料処理装置１の熱効率、ひいては燃料電池発電システム１０１の発電効率を向上させた燃料電池発電システム１０１とすることができる。
【００２３】
次に、改質用水予熱手段２の詳細例について説明する。
図２は、改質用水予熱手段２としてのプレート型三流体熱交換器３１（以下熱交換器３１）の構成を示すブロック図である。
【００２４】
熱交換器３１は、３層のプレート隔室３２、３３、３４（３２〜３４）とをこの順序で含んで構成される。プレート隔室３２〜３４は、１つの端面に取り付けられた入口配管３２Ａ、３３Ａ、３４Ａ（３２Ａ〜３４Ａ）と、この１つの端面と対向する他の端面に取り付けられた出口配管３２Ｂ、３３Ｂ、３４Ｂ（３２Ｂ〜３４Ｂ）とを有する。プレート隔室３２〜３４の内部では、入口配管３２Ａ〜３４Ａから入った流体が、入口配管３２Ａ〜３４Ａから出口配管３２Ｂ〜３４Ｂに向かう方向に流体が流れ、出口配管３２Ｂ〜３４Ｂから出るよう構成されている。また、プレート隔室内部に適宜偏流を減少させる整流板（不図示）を設けてもよい。
【００２５】
熱交換器３１は、真ん中のプレート隔室に改質用水７を通し、真ん中のプレート隔室を挟む外側のプレート隔室には燃料ガス８、燃焼排ガス９を通すように構成されている。すなわち、真ん中のプレート隔室であるプレート隔室３３の入口配管３３Ａには、熱回収前改質用水流路１０Ａが接続され、出口配管３３Ｂには、熱回収後改質用水流路１０Ｂが接続されている。外側のプレート隔室であるプレート隔室３２の入口配管３２Ａには、熱回収前燃焼排ガス流路１２Ａが接続され、出口配管３２Ｂには、熱回収後燃焼排ガス流路１２Ｂが接続されている。外側のプレート隔室であるプレート隔室３４の入口配管３４Ａには、熱回収前燃料ガス流路１１Ａが接続され、出口配管３４Ｂには、熱回収後燃料ガス流路１１Ｂが接続されている。
【００２６】
熱交換器３１は、燃焼排ガス９の流れと改質用水７の流れは対向流となり、燃料ガス８の流れと改質用水７の流れは対向流となるよう構成されている。燃焼排ガス９と燃料ガス８の流れの関係は並流となっている。以上のように熱交換器３１は、燃焼排ガス９と燃料ガス８とを、互いに同時に改質用水７と熱交換させ、燃焼排ガス９と燃料ガス８とによって改質用水７を加熱し、改質用水７によって燃焼排ガス９と燃料ガス８とを冷却することができる。
【００２７】
改質用水予熱手段２を、図３に示すような別の構造としてもよい。
図３は、改質用水予熱手段２としてのチューブ型三流体熱交換器４１（以下熱交換器４１）の構成を示すブロック図である。
【００２８】
熱交換器４１は、二本の互いに接触して平行に配置された平滑管４２、４３と、平滑管４２、４３の外周部に平滑管４２、４３の１つの端面近傍から、この１つの端面に対向する他の端面近傍まで巻回されたチューブ４４とを含んで構成される。平滑管４２、４３は、半円弧部が接触するように配置されている。平滑管４２、４３は、１つの端面に取り付けられた入口配管４２Ａ、４３Ａと、他の端面に取り付けられた出口配管４２Ｂ、４３Ｂとを有する。平滑管４２、４３の内部では、入口配管４２Ａ、４３Ａから入った流体が、平滑管４２、４３の長手方向に流体が流れ、出口配管４２Ｂ、４３Ｂから出るよう構成されている。
【００２９】
熱交換器４１は、平滑管４２に燃焼排ガス９を通し、平滑管４３に燃料ガス８を通し、チューブ４４に改質用水７を通するように構成されている。すなわち、平滑管板４２の入口配管４２Ａには、熱回収前燃焼排ガス流路１２Ａが接続され、出口配管４２Ｂには、熱回収後燃焼排ガス流路１２Ｂが接続されている。平滑管４３の入口配管４３Ａには、熱回収前燃料ガス流路１１Ａが接続され、出口配管４３Ｂには、熱回収後燃料ガス流路１１Ｂが接続されている。チューブ４４の一方の端（入口配管４２Ａ、４３Ａに近い方）には、熱回収前改質用水流路１０Ａが接続され、他方の端（出口配管４２Ｂ、４３Ｂに近い方）には、熱回収後改質用水流路１０Ｂが接続されている。
【００３０】
熱交換器４１は、燃焼排ガス９の流れと改質用水７の流れは局所的に直交流で全体としては略対向流であり、燃料ガス８の流れと改質用水７の流れは局所的に直交流で全体としては略対向流である。燃焼排ガス９と燃料ガス８の流れの関係は並流となっている。チューブ４４は、比較的柔らかくて曲げ加工が容易であり、熱伝導性がよい銅チューブが好適である。以上のように熱交換器４１は、燃焼排ガス９と燃料ガス８とを、互いに同時に改質用水７と熱交換させ、燃焼排ガス９と燃料ガス８とによって改質用水７を加熱し、改質用水７によって燃焼排ガス９と燃料ガス８とを冷却することができる。
【００３１】
本実施の形態の燃料電池発電システム１０１によれば、平滑管にチューブを巻回した構造としたので、熱交換器４１を簡易な構造とすることができる。
平滑管の代わりに、単位長さ当たりの伝熱面積を大きくすることができるコルゲート管（不図示）またはフレキ管（不図示）を使用してもよい。
【００３２】
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池発電システム２０１の構成を模式的に示すブロック図である。以下、図１に示した第１の実施の形態に係る燃料電池発電システム１０１との構成上の相違を主として説明する。以下に特に説明していない点は燃料電池発電システム１０１と同様の構成である。
【００３３】
燃料電池発電システム２０１は、燃料電池発電システム１０１と同様、改質部１５と、変成部１６と、選択酸化部１７と、燃焼部１８とを有する燃料処理装置１と、燃料電池３と、改質用水予熱手段１０２と、改質用水流路１０と、燃料ガス流路１１と、燃焼排ガス流路１２と、原料燃料流路２１と、燃焼燃料流路１２２と、燃焼空気流路１２３と、酸化剤ガス流路２４とを含んで構成される。
【００３４】
改質用水予熱手段１０２は、燃焼排ガス９と燃料ガス８とを加熱流体として導入し、改質用水７を被加熱流体として導入し、燃焼排ガス９と燃料ガス８と、改質用水７との間で熱交換を行い、さらに燃焼燃料５と燃焼空気６とを被加熱流体として導入し、燃焼排ガス９と燃料ガス８とのどちらか一方と燃焼燃料５との間、どちらか他方と燃焼空気６との間で熱交換を行う。
【００３５】
燃焼部１８及び改質用水予熱手段１０２と、燃焼燃料流路１２２及び燃焼空気流路１２３との間の接続関係を説明する。燃焼燃料流路１２２は、燃焼燃料供給源（不図示）と改質用水予熱手段１０２とを結ぶ熱回収前燃焼燃料流路１２２Ａと、改質用水予熱手段１０２と燃焼部１８とを結ぶ熱回収後燃焼燃料流路１２２Ｂとを含んで構成される。燃焼空気流路１２３は、燃焼空気供給源（不図示）と改質用水予熱手段１０２とを結ぶ熱回収前燃焼空気流路１２３Ａと、改質用水予熱手段１０２と燃焼部１８とを結ぶ熱回収後燃焼空気流路１２３Ｂとを含んで構成される。
【００３６】
本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池発電システム２０１の作用を説明する。以下第１の実施の形態に係る燃料電池発電システム１０１との作用上の相違を主として説明する。以下に特に説明していない点は燃料電池発電システム１０１と同様の作用である。
【００３７】
改質用水７は改質用水予熱手段１０２を通って改質部１５に供給され、燃焼燃料５は改質用水予熱手段１０２を通って燃焼部１８に供給され、燃焼空気６は改質用水予熱手段１０２を通って燃焼部１８に供給される。燃料ガス８は改質用水予熱手段１０２を通って燃料電池３に供給され、燃焼排ガス９は改質用水予熱手段１０２を通って燃焼排ガス処理装置（不図示）に供給される。
【００３８】
各流体は、改質用水予熱手段１０２を通過する間に、以下のように温度変化する。例えば５〜４０℃の改質用水７は、燃料ガス８と燃焼排ガス９とによって加熱（予熱）され９０〜１０５℃の温水、または温水と水蒸気の気液２相流体となる。例えば５〜６０℃の燃焼燃料５は、燃料ガス８と燃焼排ガス９のどちらか一方によって加熱（予熱）され９０〜１０５℃の燃料となる。例えば５〜４０℃の燃焼空気６は、燃料ガス８と燃焼排ガス９の残りの一方によって加熱（予熱）され９０〜１０５℃の空気となる。
【００３９】
また、例えば１１０〜１４０℃、露点温度６５〜７０℃の燃料ガス８は、改質用水７および、燃焼燃料５と燃焼空気６のどちらか一方によって冷却されて、６０〜６３℃の水蒸気飽和ガスとなる。例えば１２０〜１６０℃、露点温度６５〜７０℃の燃焼排ガス９は、改質用水７および、燃焼燃料５と燃焼空気６の残りの一方によって冷却されて、６０〜６３℃の水蒸気飽和ガスとなる。
【００４０】
前述のように、燃料ガス８と燃焼排ガス９中に含まれる水蒸気を改質用水７、さらに燃焼燃料５と燃焼空気６によって冷却し凝縮させることができ、さらに燃料ガス８と燃焼排ガス９のガス温度を低くすることができる。よって、共に露点温度が６５〜７０℃である燃料ガス８と燃焼排ガス９との、潜熱と顕熱とを熱回収することができ、燃料処理装置１の熱効率、ひいては燃料電池発電システム２０１の発電効率を向上させた燃料電池発電システム２０１とすることができる。
【００４１】
次に、改質用水予熱手段１０２の詳細について説明する。
図５は、改質用水予熱手段１０２としてのプレート型五流体熱交換器１３１（以下熱交換器１３１）の構成を示すブロック図である。
【００４２】
熱交換器１３１は、熱交換器３１のプレート隔室３２〜３４（図２）を挟むようにプレート隔室３５、３６が追加された、５層構造であり、プレート隔室３２〜３６を含んで構成される。プレート隔室３５、３６は、プレート隔室３２〜３４と同じ構造であり、１つの端面に取り付けられた入口配管３５Ａ、３６Ａと、この１つの端面と対向する他の端面に取り付けられた出口配管３５Ｂ、３６Ｂとを有する。プレート隔室３５、３６の内部では、入口配管３５Ａ、３６Ａから入った流体が、入口配管３５Ａ、３６Ａから出口配管３５Ｂ、３６Ｂに向かう方向に流体が流れ、出口配管３５Ｂ、３６Ｂから出るよう構成されている。
【００４３】
熱交換器１３１は、一番外側の２つのプレート隔室３５、３６の一方に、燃焼燃料５または燃焼空気６の一方を通し、一番外側の２つのプレート隔室３５、３６の残りの一方に、燃焼燃料５または燃焼空気６の残りの一方を通すように構成されている。すなわち、プレート隔室３５の入口配管３５Ａには、熱回収前燃焼燃料流路１２２Ａまたは熱回収前燃焼空気流路１２３Ａが接続され、出口配管３５Ｂには、熱回収後燃焼燃料流路１２２Ｂまたは熱回収後燃焼空気流路１２３Ｂが接続される。プレート隔室３６の入口配管３６Ａには、熱回収前燃焼燃料流路１２２Ａまたは熱回収前燃焼空気流路１２３Ａが接続され、出口配管３６Ｂには、熱回収後燃焼燃料流路１２２Ｂまたは熱回収後燃焼空気流路１２３Ｂが接続される。
なお、図中、熱交換器１３１は、プレート隔室３２の外側にプレート隔室３５を設け、プレート隔室３４の外側にプレート隔室３６を設ける場合で示している。
【００４４】
熱交換器１３１は、燃焼排ガス９の流れと改質用水７の流れは対向流となり、燃焼排ガス９の流れと改質用水７の流れの一方と燃焼燃料５の流れとはとは対向流であり、燃焼排ガス９の流れと改質用水７の流れの残りの一方と燃焼空気６の流れとは対向流であり、燃料ガス８の流れと改質用水７の流れは対向流となるよう構成されている。また、燃焼排ガス９と燃料ガス８の流れの関係は並流となっている。以上のように熱交換器１３１は、燃焼排ガス９と燃料ガス８とによって改質用水７を加熱し、すなわち改質用水７によって燃焼排ガス９と燃料ガス８とを冷却することができる。なお、改質用水予熱手段１０２は、図３に示した、平滑管にチューブを巻回した構造の熱交換器を採用してもよい。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、予熱手段を設け、排出した燃焼排ガスと、生成した燃料ガスとを、前記導入する改質用水と互いに同時に熱交換させて、改質用水を予熱するので、熱容量の大きい改質用水によって燃焼排ガスと燃料ガスとを冷却し、燃焼排ガスと燃料ガスとの、潜熱と顕熱とを改質用水に回収し、改質用水の温度を高め、改質用水を蒸発させるために利用される燃焼熱の一部を改質反応に利用し、燃料処理装置の熱効率を向上させ、ひいては燃料電池発電システムの発電効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示す模式的ブロック図である。
【図２】図１の燃料電池発電システムの改質用水予熱手段の詳細例を模式的に示す立体ブロック図である。
【図３】図１の燃料電池発電システムの改質用水予熱手段の他の詳細例を模式的に示す立体ブロック図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示す模式的ブロック図である。
【図５】図４の燃料電池発電システムの改質用水予熱手段の詳細例を模式的に示す立体ブロック図である。
【符号の説明】
１ 燃料処理装置
２、１０２ 改質用水予熱手段
３ 燃料電池
４ 原料燃料
５ 燃焼燃料
６ 燃焼空気
７ 改質用水
８ 燃料ガス
９ 燃焼排ガス
１０ 改質用水流路
１０Ａ 熱回収前改質用水流路
１０Ｂ 熱回収後改質用水流路
１１ 燃料ガス流路
１１Ａ 熱回収前燃料ガス流路
１１Ｂ 熱回収後燃料ガス流路
１２ 燃焼排ガス流路
１２Ａ 熱回収前燃焼排ガス流路
１２Ｂ 熱回収後燃焼排ガス流路
１３ 酸化剤ガス
１５ 改質部
１６ 変成部
１７ 選択酸化部
１８ 燃焼部
２１ 原料燃料流路
２２、１２２ 燃焼燃料流路
２２Ａ、１２２Ａ 熱回収前燃焼燃料流路
２２Ｂ、１２２Ｂ 熱回収後燃焼燃料流路
２３、１２３ 燃焼空気流路
２３Ａ、１２３Ａ 熱回収前燃焼空気流路
２３Ｂ、１２３Ｂ 熱回収後燃焼空気流路
２４ 酸化剤ガス流路
２５ 選択酸化用空気
２６ 選択酸化用空気流路
３１、４１ 改質用水予熱器
１０１、１０２ 燃料電池発電システム
【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発電方法に関し、特に熱回収を行う燃料電池発電システム及び発電方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
都市ガス、ＬＰＧ、消化ガス、メタノール、ＧＴＬや灯油のような原料燃料から、燃料処理装置を介して水素に富む燃料ガスを生成し、燃料電池の燃料極に供給すると共に、空気等の酸素を含む酸化剤ガスを燃料電池の酸化剤ガス極に供給して電気化学的反応により発電する燃料電池発電システムは、燃料処理装置の熱効率を高くすることが高い発電効率を達成するために必要である。
【０００３】
従来の燃料電池発電システムでは、燃料処理装置の排熱を有効利用するために、燃料処理装置を出た燃焼排ガスの排熱や燃料ガスの排熱を、燃料処理装置へ供給する燃焼空気の予熱やコージェネレーションシステムとして系外へ供給する温水の加熱に利用していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の燃料電池発電システムでは、例えば燃焼排ガスや燃料ガスの排熱を燃焼空気の予熱に利用する場合、燃焼空気の熱容量が小さいため燃焼排ガス及び燃料ガスが持つ露点温度６５〜７０℃程度の潜熱を回収することができなかった。また、燃焼排ガスや燃料ガスの排熱を、系外へ供給する温水の加熱に利用する場合、顕熱のみでなく前記潜熱も利用できシステムの排熱回収効率の向上に寄与するが、燃料処理装置の熱効率、システムの発電効率の向上には寄与していなかった。
【０００５】
本発明は、かかる実情に鑑み、燃料処理装置の熱効率、ひいては燃料電池発電システムの発電効率を向上させた燃料電池発電システム、及び発電方法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】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明による燃料電池発電システム１０１は、例えば図１に示すように、燃焼燃料５を導入して燃焼し、燃焼排ガス９を排出する燃焼部１８と、原料燃料４と改質用水７とを導入し、前記燃焼により発生する熱を利用して、前記導入した原料燃料４と前記導入した改質用水７との水蒸気改質反応により燃料ガス８を生成する改質部１５と、燃料ガス８の変成反応を行う変成部１６と、前記変成反応が行われた燃料ガス８に含まれる一酸化炭素を選択的に酸化し、前記酸化の後に排出する選択酸化部１７とを有するを有する燃料処理装置１と；前記排出した燃焼排ガス９と、前記排出した燃料ガス８とを、前記導入する改質用水７と互いに同時に熱交換させて、改質用水７を予熱する予熱手段２と；改質用水７を予熱した燃料ガス８と、酸化剤ガス１３とを導入し電気化学的反応により発電する燃料電池３とを備える。
【０００７】
このように構成すると、予熱手段２を備え、前記排出した燃焼排ガス９と、前記排出した燃料ガス８とを、前記導入する改質用水７と互いに同時に熱交換させて、改質用水７を予熱するので、熱容量の大きい改質用水７によって燃焼排ガス９と燃料ガス８とを同時に冷却し、燃焼排ガス９と燃料ガス８との、潜熱と顕熱とを改質用水７に回収し、改質用水７の温度を高め、改質用水７を蒸発させるために利用される燃焼熱の一部を改質反応に利用し、燃料処理装置１の熱効率を向上させ、ひいては燃料電池発電システム１０１の発電効率を向上させることができる。
【０００８】
請求項２に係る発明による燃料電池発電システム１０２は、請求項１に記載の燃料電池発電システムにおいて、例えば図４に示すように、前記燃焼部１８は、燃焼空気６を導入して燃焼燃料５を燃焼し；予熱手段１０２は、前記排出した燃焼排ガス９、と前記生成した燃料ガス８とによって、さらに前記導入する燃焼燃料５、または前記導入する燃焼空気６を予熱する。
【０００９】
このように構成すると、予熱手段１０２を備え、燃焼排ガス９と燃料ガス８によって、燃焼燃料５、または燃焼空気６を予熱するので、燃焼燃料の燃焼熱のうち燃焼燃料、燃焼空気の温度上昇に利用される熱が少なくてすむので、燃料処理装置１の熱効率をさらに向上させ、ひいては燃料電池発電システム２０１の発電効率をさらに向上させることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において互いに同一あるいは相当する部材には同一符号を付し、重複した説明は省略する。
【００１１】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池発電システム１０１の構成を模式的に示すブロック図である。
燃料電池発電システム１０１は、燃料処理装置１と、燃料電池３と、予熱手段としての改質用水予熱手段２と、改質用水流路１０と、燃料ガス流路１１と、燃焼排ガス流路１２と、原料燃料流路２１と、燃焼燃料流路２２と、燃焼空気流路２３、酸化剤ガス流路２４と、選択酸化用空気流路２６とを含んで構成される。燃料処理装置１は、改質部１５と、変成部１６と、選択酸化部１７と、燃焼部１８とを有する。改質部１５には改質触媒（不図示）が、変成部１６には変成触媒（不図示）が、選択酸化部１７には選択酸化触媒（不図示）が充填されている。
【００１２】
改質部１５は、原料燃料４を導入し水素に富む燃料ガス８（改質ガス）を生成して排出する。変成部１６は、燃料ガス８中のＣＯ変成反応を行う。選択酸化部１７は、燃料ガス８に含まれる一酸化炭素を選択的に酸化し、酸化後に燃料ガス８を排出する。燃焼部１８は、燃焼燃料５と燃焼空気６とを導入し燃焼を発生させ、燃焼排ガス９を排出する。原料燃料４、燃焼燃料５は、例えば都市ガス、ＬＰＧ、消化ガス、メタノール、ＧＴＬや灯油等の炭化水素系燃料である。燃焼燃料５は、原料燃料４と同じ種類の燃料であってもよく、燃料電池３から排出される、未燃焼の燃料ガス８であるオフガス（不図示）であってもよい。燃焼部１８に発生する燃焼の燃焼熱によって、改質部１５（例えば、６００〜７５０℃に加熱）、変成部１６（例えば、２００〜３００℃に加熱）、選択酸化部１７（例えば、１００〜２００℃に加熱）が加熱される。
【００１３】
燃料電池３は、燃料極（不図示）に、選択酸化部１７から排出された燃料ガス８を導入し、酸化剤ガス極（不図示）に酸素を含む酸化剤ガス１３（例えば、空気）を導入し、燃料ガス８と酸化剤ガス１３との電気化学的反応により発電する。改質用水予熱手段２は、燃焼排ガス９と燃料ガス８とを加熱流体として両者互いに並流で導入し、改質用水７を被加熱流体として前記加熱流体に対し対向流で導入し、燃焼排ガス９と燃料ガス８と、改質用水７との間で熱交換を行う。燃焼排ガス９と改質用水７のとの熱交換と、燃料ガス８と改質用水７との熱交換とは、互いに同時に開始される。さらに燃焼排ガス９と改質用水７のとの熱交換と、燃料ガス８と改質用水７との熱交換とは、互いに同時に終了する。このように熱交換が行われるので、燃料処理装置１の排熱を有効利用し、系外に排出する熱エネルギを少なくすることができる。
【００１４】
以下各構成要素と各流路の接続関係を説明する。以下のように各構成要素と各流路が接続されているため前述のように各ユーティリティが各構成要素に供給され各構成要素から排出される。
【００１５】
改質部１５には、原料燃料４を供給する原料燃料流路２１と、改質用水７を改質用水予熱手段２を介して供給する改質用水流路１０と、燃料ガス８を排出し、改質用水予熱手段２を介して燃料電池３の燃料極（不図示）に送る燃料ガス流路１１とが接続されている。燃料ガス流路１１は、改質部１５と改質用水予熱手段２とを結ぶ熱回収前燃料ガス流路１１Ａと、改質用水予熱手段２と燃料電池３とを結ぶ熱回収後燃料ガス流路１１Ｂとを含んで構成される。改質用水流路１０は、改質用水供給源（不図示）と改質用水予熱手段２とを結ぶ熱回収前改質用水流路１０Ａと、改質用水予熱手段２と改質部１５とを結ぶ熱回収後改質用水流路１０Ｂとを含んで構成される。改質部１５に供給された改質用水７は、改質部１５により加熱され水蒸気となる。
【００１６】
選択酸化部１７には、選択酸化用空気２５を供給する選択酸化用空気流路２６が接続されている。
【００１７】
燃焼部１８には、燃焼燃料５を供給する燃焼燃料流路２２と、燃焼空気６を供給する燃焼空気流路２３と、燃焼排ガス９を排出し、改質用水予熱手段２を介して燃焼排ガス処理装置（不図示）に送る燃焼排ガス流路１２とが接続されている。燃焼排ガス流路１２は、燃焼部１８と改質用水予熱手段２とを結ぶ熱回収前燃焼排ガス流路１２Ａと、改質用水予熱手段２と燃焼排ガス処理装置（不図示）とを結ぶ熱回収後燃焼排ガス流路１２Ｂとを含んで構成される。
【００１８】
燃料電池３の酸化剤ガス極（不図示）側には、酸化剤ガス１３を供給する酸化剤ガス流路２４が接続されている。
【００１９】
本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池発電システム１０１の作用を説明する。
燃焼部１８に燃焼燃料５と燃焼空気６とが導入され、点火装置（不図示）によって点火され燃焼が発生し、燃焼排ガス９が燃焼排ガス処理装置（不図示）に向けて排出される。燃焼の発生した燃焼部１８は、改質部１５、変成部１６、選択酸化部１７を加熱する。燃焼部１８の加熱により改質部１５が、所定の温度（例えば改質部が７００℃。典型的には、改質部が７００℃に達していれば、変成部１６、選択酸化部１７も所定の温度に達している。）に達した後、改質部１５に原料燃料４と改質用水７が供給される。改質用水７は改質部１５に加熱され蒸発する。原料燃料４は、改質部１５で水蒸気改質反応により水素を豊富に含む燃料ガス８に改質される（例えば、ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２）。変成部１６では、燃料ガス８中のＣＯが変成反応を受ける（ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２）。選択酸化部１７に選択酸化用空気２５が導入され、燃料ガス８中のＣＯが選択酸化用空気２５によって選択的に酸化される（ＣＯ＋（１／２）Ｏ２→ＣＯ２）。
【００２０】
燃料ガス８は選択酸化部１７から燃料電池３の燃料極（不図示）側に向けて排出される。燃料電池３の酸化剤ガス極（不図示）側には、酸化剤ガス１３が供給される。燃料電池３は、負荷（不図示）に接続され、燃料ガス８と酸化剤ガス１３との電気化学的反応により発電を行う。
【００２１】
改質用水７は改質用水予熱手段２を通って改質部１５に供給され、燃料ガス８は改質用水予熱手段２を通って燃料電池３に供給され、燃焼排ガス９は改質用水予熱手段２を通って燃焼排ガス処理装置（不図示）に供給される。
例えば、５〜４０℃の改質用水７は、改質用水予熱手段２を通過する間に燃料ガス８と燃焼排ガス９とによって加熱（予熱）され９５〜１０５℃の温水、または温水と水蒸気の気液２相流体となる。また、１１０〜１４０℃、露点温度６５〜７０℃の燃料ガス８は、改質用水予熱手段２を通過する間に改質用水７に冷却されて、６２〜６５℃の水蒸気飽和ガスとなる。１２０〜１６０℃、露点温度６５〜７０℃の燃焼排ガス９は、改質用水予熱手段２を通過する間に改質用水７に冷却されて、６２〜６５℃の水蒸気飽和ガスとなる。
【００２２】
改質用水予熱手段２において、改質用水７は、燃料ガス８と燃焼排ガス９と、それぞれ同時に熱交換を行って予熱され、改質部１５において蒸発に使用される熱エネルギを少なくすることができ、燃焼部１８での燃焼熱を原料燃料４の改質反応（吸熱反応）により多く利用することができる。また、燃料ガス８と燃焼排ガス９中に含まれる水蒸気を改質用水７によって、同時に冷却し凝縮させることができ、さらに燃料ガス８と燃焼排ガス９のガス温度を低くすることができる。よって、共に露点温度が６５〜７０℃である燃料ガス８と燃焼排ガス９との、潜熱と顕熱とを同時に熱回収することができ、燃料処理装置１の熱効率、ひいては燃料電池発電システム１０１の発電効率を向上させた燃料電池発電システム１０１とすることができる。
【００２３】
次に、改質用水予熱手段２の詳細例について説明する。
図２は、改質用水予熱手段２としてのプレート型三流体熱交換器３１（以下熱交換器３１）の構成を示すブロック図である。
【００２４】
熱交換器３１は、３層のプレート隔室３２、３３、３４（３２〜３４）とをこの順序で含んで構成される。プレート隔室３２〜３４は、１つの端面に取り付けられた入口配管３２Ａ、３３Ａ、３４Ａ（３２Ａ〜３４Ａ）と、この１つの端面と対向する他の端面に取り付けられた出口配管３２Ｂ、３３Ｂ、３４Ｂ（３２Ｂ〜３４Ｂ）とを有する。プレート隔室３２〜３４の内部では、入口配管３２Ａ〜３４Ａから入った流体が、入口配管３２Ａ〜３４Ａから出口配管３２Ｂ〜３４Ｂに向かう方向に流体が流れ、出口配管３２Ｂ〜３４Ｂから出るよう構成されている。また、プレート隔室内部に適宜偏流を減少させる整流板（不図示）を設けてもよい。
【００２５】
熱交換器３１は、真ん中のプレート隔室に改質用水７を通し、真ん中のプレート隔室を挟む外側のプレート隔室には燃料ガス８、燃焼排ガス９を通すように構成されている。すなわち、真ん中のプレート隔室であるプレート隔室３３の入口配管３３Ａには、熱回収前改質用水流路１０Ａが接続され、出口配管３３Ｂには、熱回収後改質用水流路１０Ｂが接続されている。外側のプレート隔室であるプレート隔室３２の入口配管３２Ａには、熱回収前燃焼排ガス流路１２Ａが接続され、出口配管３２Ｂには、熱回収後燃焼排ガス流路１２Ｂが接続されている。外側のプレート隔室であるプレート隔室３４の入口配管３４Ａには、熱回収前燃料ガス流路１１Ａが接続され、出口配管３４Ｂには、熱回収後燃料ガス流路１１Ｂが接続されている。
【００２６】
熱交換器３１は、燃焼排ガス９の流れと改質用水７の流れは対向流となり、燃料ガス８の流れと改質用水７の流れは対向流となるよう構成されている。燃焼排ガス９と燃料ガス８の流れの関係は並流となっている。以上のように熱交換器３１は、燃焼排ガス９と燃料ガス８とを、互いに同時に改質用水７と熱交換させ、燃焼排ガス９と燃料ガス８とによって改質用水７を加熱し、改質用水７によって燃焼排ガス９と燃料ガス８とを冷却することができる。
【００２７】
改質用水予熱手段２を、図３に示すような別の構造としてもよい。
図３は、改質用水予熱手段２としてのチューブ型三流体熱交換器４１（以下熱交換器４１）の構成を示すブロック図である。
【００２８】
熱交換器４１は、二本の互いに接触して平行に配置された平滑管４２、４３と、平滑管４２、４３の外周部に平滑管４２、４３の１つの端面近傍から、この１つの端面に対向する他の端面近傍まで巻回されたチューブ４４とを含んで構成される。平滑管４２、４３は、半円弧部が接触するように配置されている。平滑管４２、４３は、１つの端面に取り付けられた入口配管４２Ａ、４３Ａと、他の端面に取り付けられた出口配管４２Ｂ、４３Ｂとを有する。平滑管４２、４３の内部では、入口配管４２Ａ、４３Ａから入った流体が、平滑管４２、４３の長手方向に流体が流れ、出口配管４２Ｂ、４３Ｂから出るよう構成されている。
【００２９】
熱交換器４１は、平滑管４２に燃焼排ガス９を通し、平滑管４３に燃料ガス８を通し、チューブ４４に改質用水７を通するように構成されている。すなわち、平滑管板４２の入口配管４２Ａには、熱回収前燃焼排ガス流路１２Ａが接続され、出口配管４２Ｂには、熱回収後燃焼排ガス流路１２Ｂが接続されている。平滑管４３の入口配管４３Ａには、熱回収前燃料ガス流路１１Ａが接続され、出口配管４３Ｂには、熱回収後燃料ガス流路１１Ｂが接続されている。チューブ４４の一方の端（入口配管４２Ａ、４３Ａに近い方）には、熱回収前改質用水流路１０Ａが接続され、他方の端（出口配管４２Ｂ、４３Ｂに近い方）には、熱回収後改質用水流路１０Ｂが接続されている。
【００３０】
熱交換器４１は、燃焼排ガス９の流れと改質用水７の流れは局所的に直交流で全体としては略対向流であり、燃料ガス８の流れと改質用水７の流れは局所的に直交流で全体としては略対向流である。燃焼排ガス９と燃料ガス８の流れの関係は並流となっている。チューブ４４は、比較的柔らかくて曲げ加工が容易であり、熱伝導性がよい銅チューブが好適である。以上のように熱交換器４１は、燃焼排ガス９と燃料ガス８とを、互いに同時に改質用水７と熱交換させ、燃焼排ガス９と燃料ガス８とによって改質用水７を加熱し、改質用水７によって燃焼排ガス９と燃料ガス８とを冷却することができる。
【００３１】
本実施の形態の燃料電池発電システム１０１によれば、平滑管にチューブを巻回した構造としたので、熱交換器４１を簡易な構造とすることができる。
平滑管の代わりに、単位長さ当たりの伝熱面積を大きくすることができるコルゲート管（不図示）またはフレキ管（不図示）を使用してもよい。
【００３２】
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池発電システム２０１の構成を模式的に示すブロック図である。以下、図１に示した第１の実施の形態に係る燃料電池発電システム１０１との構成上の相違を主として説明する。以下に特に説明していない点は燃料電池発電システム１０１と同様の構成である。
【００３３】
燃料電池発電システム２０１は、燃料電池発電システム１０１と同様、改質部１５と、変成部１６と、選択酸化部１７と、燃焼部１８とを有する燃料処理装置１と、燃料電池３と、改質用水予熱手段１０２と、改質用水流路１０と、燃料ガス流路１１と、燃焼排ガス流路１２と、原料燃料流路２１と、燃焼燃料流路１２２と、燃焼空気流路１２３と、酸化剤ガス流路２４とを含んで構成される。
【００３４】
改質用水予熱手段１０２は、燃焼排ガス９と燃料ガス８とを加熱流体として導入し、改質用水７を被加熱流体として導入し、燃焼排ガス９と燃料ガス８と、改質用水７との間で熱交換を行い、さらに燃焼燃料５と燃焼空気６とを被加熱流体として導入し、燃焼排ガス９と燃料ガス８とのどちらか一方と燃焼燃料５との間、どちらか他方と燃焼空気６との間で熱交換を行う。
【００３５】
燃焼部１８及び改質用水予熱手段１０２と、燃焼燃料流路１２２及び燃焼空気流路１２３との間の接続関係を説明する。燃焼燃料流路１２２は、燃焼燃料供給源（不図示）と改質用水予熱手段１０２とを結ぶ熱回収前燃焼燃料流路１２２Ａと、改質用水予熱手段１０２と燃焼部１８とを結ぶ熱回収後燃焼燃料流路１２２Ｂとを含んで構成される。燃焼空気流路１２３は、燃焼空気供給源（不図示）と改質用水予熱手段１０２とを結ぶ熱回収前燃焼空気流路１２３Ａと、改質用水予熱手段１０２と燃焼部１８とを結ぶ熱回収後燃焼空気流路１２３Ｂとを含んで構成される。
【００３６】
本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池発電システム２０１の作用を説明する。以下第１の実施の形態に係る燃料電池発電システム１０１との作用上の相違を主として説明する。以下に特に説明していない点は燃料電池発電システム１０１と同様の作用である。
【００３７】
改質用水７は改質用水予熱手段１０２を通って改質部１５に供給され、燃焼燃料５は改質用水予熱手段１０２を通って燃焼部１８に供給され、燃焼空気６は改質用水予熱手段１０２を通って燃焼部１８に供給される。燃料ガス８は改質用水予熱手段１０２を通って燃料電池３に供給され、燃焼排ガス９は改質用水予熱手段１０２を通って燃焼排ガス処理装置（不図示）に供給される。
【００３８】
各流体は、改質用水予熱手段１０２を通過する間に、以下のように温度変化する。例えば５〜４０℃の改質用水７は、燃料ガス８と燃焼排ガス９とによって加熱（予熱）され９０〜１０５℃の温水、または温水と水蒸気の気液２相流体となる。例えば５〜６０℃の燃焼燃料５は、燃料ガス８と燃焼排ガス９のどちらか一方によって加熱（予熱）され９０〜１０５℃の燃料となる。例えば５〜４０℃の燃焼空気６は、燃料ガス８と燃焼排ガス９の残りの一方によって加熱（予熱）され９０〜１０５℃の空気となる。
【００３９】
また、例えば１１０〜１４０℃、露点温度６５〜７０℃の燃料ガス８は、改質用水７および、燃焼燃料５と燃焼空気６のどちらか一方によって冷却されて、６０〜６３℃の水蒸気飽和ガスとなる。例えば１２０〜１６０℃、露点温度６５〜７０℃の燃焼排ガス９は、改質用水７および、燃焼燃料５と燃焼空気６の残りの一方によって冷却されて、６０〜６３℃の水蒸気飽和ガスとなる。
【００４０】
前述のように、燃料ガス８と燃焼排ガス９中に含まれる水蒸気を改質用水７、さらに燃焼燃料５と燃焼空気６によって冷却し凝縮させることができ、さらに燃料ガス８と燃焼排ガス９のガス温度を低くすることができる。よって、共に露点温度が６５〜７０℃である燃料ガス８と燃焼排ガス９との、潜熱と顕熱とを熱回収することができ、燃料処理装置１の熱効率、ひいては燃料電池発電システム２０１の発電効率を向上させた燃料電池発電システム２０１とすることができる。
【００４１】
次に、改質用水予熱手段１０２の詳細について説明する。
図５は、改質用水予熱手段１０２としてのプレート型五流体熱交換器１３１（以下熱交換器１３１）の構成を示すブロック図である。
【００４２】
熱交換器１３１は、熱交換器３１のプレート隔室３２〜３４（図２）を挟むようにプレート隔室３５、３６が追加された、５層構造であり、プレート隔室３２〜３６を含んで構成される。プレート隔室３５、３６は、プレート隔室３２〜３４と同じ構造であり、１つの端面に取り付けられた入口配管３５Ａ、３６Ａと、この１つの端面と対向する他の端面に取り付けられた出口配管３５Ｂ、３６Ｂとを有する。プレート隔室３５、３６の内部では、入口配管３５Ａ、３６Ａから入った流体が、入口配管３５Ａ、３６Ａから出口配管３５Ｂ、３６Ｂに向かう方向に流体が流れ、出口配管３５Ｂ、３６Ｂから出るよう構成されている。
【００４３】
熱交換器１３１は、一番外側の２つのプレート隔室３５、３６の一方に、燃焼燃料５または燃焼空気６の一方を通し、一番外側の２つのプレート隔室３５、３６の残りの一方に、燃焼燃料５または燃焼空気６の残りの一方を通すように構成されている。すなわち、プレート隔室３５の入口配管３５Ａには、熱回収前燃焼燃料流路１２２Ａまたは熱回収前燃焼空気流路１２３Ａが接続され、出口配管３５Ｂには、熱回収後燃焼燃料流路１２２Ｂまたは熱回収後燃焼空気流路１２３Ｂが接続される。プレート隔室３６の入口配管３６Ａには、熱回収前燃焼燃料流路１２２Ａまたは熱回収前燃焼空気流路１２３Ａが接続され、出口配管３６Ｂには、熱回収後燃焼燃料流路１２２Ｂまたは熱回収後燃焼空気流路１２３Ｂが接続される。
なお、図中、熱交換器１３１は、プレート隔室３２の外側にプレート隔室３５を設け、プレート隔室３４の外側にプレート隔室３６を設ける場合で示している。
【００４４】
熱交換器１３１は、燃焼排ガス９の流れと改質用水７の流れは対向流となり、燃焼排ガス９の流れと改質用水７の流れの一方と燃焼燃料５の流れとはとは対向流であり、燃焼排ガス９の流れと改質用水７の流れの残りの一方と燃焼空気６の流れとは対向流であり、燃料ガス８の流れと改質用水７の流れは対向流となるよう構成されている。また、燃焼排ガス９と燃料ガス８の流れの関係は並流となっている。以上のように熱交換器１３１は、燃焼排ガス９と燃料ガス８とによって改質用水７を加熱し、すなわち改質用水７によって燃焼排ガス９と燃料ガス８とを冷却することができる。なお、改質用水予熱手段１０２は、図３に示した、平滑管にチューブを巻回した構造の熱交換器を採用してもよい。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、予熱手段を設け、排出した燃焼排ガスと、生成した燃料ガスとを、前記導入する改質用水と互いに同時に熱交換させて、改質用水を予熱するので、熱容量の大きい改質用水によって燃焼排ガスと燃料ガスとを冷却し、燃焼排ガスと燃料ガスとの、潜熱と顕熱とを改質用水に回収し、改質用水の温度を高め、改質用水を蒸発させるために利用される燃焼熱の一部を改質反応に利用し、燃料処理装置の熱効率を向上させ、ひいては燃料電池発電システムの発電効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示す模式的ブロック図である。
【図２】図１の燃料電池発電システムの改質用水予熱手段の詳細例を模式的に示す立体ブロック図である。
【図３】図１の燃料電池発電システムの改質用水予熱手段の他の詳細例を模式的に示す立体ブロック図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示す模式的ブロック図である。
【図５】図４の燃料電池発電システムの改質用水予熱手段の詳細例を模式的に示す立体ブロック図である。
【符号の説明】
１ 燃料処理装置
２、１０２ 改質用水予熱手段
３ 燃料電池
４ 原料燃料
５ 燃焼燃料
６ 燃焼空気
７ 改質用水
８ 燃料ガス
９ 燃焼排ガス
１０ 改質用水流路
１０Ａ 熱回収前改質用水流路
１０Ｂ 熱回収後改質用水流路
１１ 燃料ガス流路
１１Ａ 熱回収前燃料ガス流路
１１Ｂ 熱回収後燃料ガス流路
１２ 燃焼排ガス流路
１２Ａ 熱回収前燃焼排ガス流路
１２Ｂ 熱回収後燃焼排ガス流路
１３ 酸化剤ガス
１５ 改質部
１６ 変成部
１７ 選択酸化部
１８ 燃焼部
２１ 原料燃料流路
２２、１２２ 燃焼燃料流路
２２Ａ、１２２Ａ 熱回収前燃焼燃料流路
２２Ｂ、１２２Ｂ 熱回収後燃焼燃料流路
２３、１２３ 燃焼空気流路
２３Ａ、１２３Ａ 熱回収前燃焼空気流路
２３Ｂ、１２３Ｂ 熱回収後燃焼空気流路
２４ 酸化剤ガス流路
２５ 選択酸化用空気
２６ 選択酸化用空気流路
３１、４１ 改質用水予熱器
１０１、１０２ 燃料電池発電システム
Claims (2)
- 燃焼燃料を導入して燃焼し、燃焼排ガスを排出する燃焼部と、原料燃料と改質用水とを導入し、前記燃焼により発生する熱を利用して、前記導入した原料燃料と前記導入した改質用水との水蒸気改質反応により燃料ガスを生成する改質部と、前記燃料ガスの変成反応を行う変成部と、前記変成反応が行われた燃料ガスに含まれる一酸化炭素を選択的に酸化し、前記酸化の行われた燃料ガスを排出する選択酸化部とを有する燃料処理装置と；
前記排出した燃焼排ガスと、前記排出した燃料ガスとを、前記導入する改質用水と互いに同時に熱交換させて、前記改質用水を予熱する予熱手段と；
前記改質用水を予熱した燃料ガスと、酸化剤ガスとを導入し電気化学的反応により発電する燃料電池とを備える；
燃料電池発電システム。 - 前記燃焼部は、燃焼空気を導入して前記燃焼燃料を燃焼し；
前記予熱手段は、前記排出した燃焼排ガスと、前記生成した燃料ガスとによって、さらに前記導入する燃焼燃料、または前記導入する燃焼空気を予熱する；
請求項１に記載の燃料電池発電システム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003069138A JP2004281157A (ja) | 2003-03-14 | 2003-03-14 | 燃料電池発電システム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003069138A JP2004281157A (ja) | 2003-03-14 | 2003-03-14 | 燃料電池発電システム |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004281157A true JP2004281157A (ja) | 2004-10-07 |
Family
ID=33286251
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003069138A Pending JP2004281157A (ja) | 2003-03-14 | 2003-03-14 | 燃料電池発電システム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2004281157A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100582634B1 (ko) | 2004-10-15 | 2006-05-23 | 지에스퓨얼셀 주식회사 | 연료전지용 개질가스의 복합 열교환방법 및 열교환장치 |
| JP2019216092A (ja) * | 2018-06-12 | 2019-12-19 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | 燃料電池システム |
-
2003
- 2003-03-14 JP JP2003069138A patent/JP2004281157A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100582634B1 (ko) | 2004-10-15 | 2006-05-23 | 지에스퓨얼셀 주식회사 | 연료전지용 개질가스의 복합 열교환방법 및 열교환장치 |
| JP2019216092A (ja) * | 2018-06-12 | 2019-12-19 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | 燃料電池システム |
| JP7223960B2 (ja) | 2018-06-12 | 2023-02-17 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | 燃料電池システム |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109193009B (zh) | 固体氧化物燃料电池复合系统及使用方法 | |
| JP2008541382A (ja) | 一体化熱交換器ネットワークを有する高温型燃料電池システム | |
| JP2004087169A (ja) | 発電装置 | |
| JP2006318908A (ja) | 一体型熱交換網を有する高温燃料電池システム | |
| WO2008029755A1 (fr) | Appareil générateur d'hydrogène et système de pile à combustible | |
| JP2009224041A (ja) | 固体酸化物形燃料電池発電システム | |
| JP2008088049A (ja) | 水素生成装置及び燃料電池システム | |
| JP2008234994A (ja) | 燃料電池システム | |
| JP3704299B2 (ja) | 固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステムとその運転方法 | |
| JP5163147B2 (ja) | 熱交換器及び複合型燃料反応器 | |
| JP3820765B2 (ja) | 燃料反応器 | |
| JPH04206362A (ja) | 高温型燃料電池系発電装置 | |
| JP4210912B2 (ja) | 燃料改質器および燃料電池発電装置 | |
| JP2003123815A (ja) | 燃料電池システム | |
| JP2004281157A (ja) | 燃料電池発電システム | |
| JP2003187849A (ja) | 固体高分子型燃料電池発電装置 | |
| JP4531320B2 (ja) | 水素含有ガス生成装置の運転制御方法 | |
| JP4624382B2 (ja) | 水素含有ガス生成装置の運転制御方法 | |
| JP2001313053A (ja) | 燃料電池システム | |
| JP2004175621A (ja) | 液体燃料の改質方法および装置 | |
| JP3941159B2 (ja) | 燃料電池発電システム | |
| KR101250418B1 (ko) | 연료 전지용 연료 변환 장치 | |
| JP2001143731A (ja) | 燃料電池システム | |
| JP2004196584A (ja) | 水素製造装置および燃料電池システムの停止方法 | |
| JP4502468B2 (ja) | 燃料電池発電装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20060217 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20090716 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20090901 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20100105 |