JP2005050798A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 オフガスに含有する水蒸気をこのオフガスから適切に分離しかつ除去して、オフガス中の水滴生成を確実に抑制し得る燃料電池発電装置を提供する。
【解決手段】 原料ガスと水から水素を含む改質ガスを生成する改質触媒体５と、前記改質ガスの水素を消費して発電する燃料電池９と、前記燃料電池９から送出する水素を含むオフガスを燃料ガスとして、前記改質触媒体５を加熱するための燃焼ガスを生成するバーナ６と、を備え、前記オフガスから水蒸気が分離された後、前記オフガスが加熱され、前記加熱したオフガスが燃料ガスとして前記バーナ６に供給される一方、前記分離した水蒸気が凝集水として外部に除去される燃料電池発電装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水素を含む改質ガスを用いて発電する燃料電池発電装置に関する。

水素生成器は主として、原料ガス（炭化水素）と水から水蒸気改質反応により水素を含む改質ガスを生成するための改質触媒を充填した改質触媒体と、この改質触媒体を熱交換により加熱するための燃焼ガスを生成するバーナと、改質触媒体によって生成される改質ガス中に含有する一酸化炭素ガスを除去するＣＯ除去装置と、によって構成されている。

ＣＯ除去装置により一酸化炭素ガスを除去した改質ガスは燃料電池のアノードに供給される。そして、燃料電池は、改質ガス（水素ガス）を消費して発電する。

ここで、燃焼ガスを生成する上記バーナの燃料ガスとして、燃料電池の内部で消費されずに、燃料電池から排出された残留水素を含むオフガスが使用されている。

このようなオフガスには通常、残留水素の他に飽和状態にある水蒸気が含まれる。このため、燃料電池とバーナとの間のオフガスを流す経路は断熱され、これによりオフガス中の水蒸気が凝縮することを極力防止している。

しかし、このような断熱処理がオフガス経路に如何に施されたとしても、オフガスの温度（約７０〜８０℃）は、雰囲気温度よりも高温なため、オフガスの外部雰囲気中への放熱は避け難く、これにより飽和状態にある水蒸気の一部は、必然的に凝縮する。水蒸気の凝縮によって発生した微細な水滴は、オフガス中を浮遊しつつオフガスの流れに同伴してバーナに導かれる。

一方、バーナに水滴が混入すれば、水滴を蒸発するための蒸発潜熱分の熱量がバーナによって消費されるため、水素生成器の熱効率の低下を招く。加えて、バーナにおける燃料ガスの燃焼状態は、水滴の存在に起因して不安定になり易く、バーナの火炎が失火する可能性もある。

そこで、オフガスに浮遊する水滴のバーナ（燃焼器）への混入を防止して、バーナの安定な燃焼を可能にする装置が知られている（例えば、従来例としての特許文献１参照）。

この装置は、高温のオフガスをバーナに供給する前に冷却するため、オフガスの水蒸気凝縮分離を事前に促進でき、これによってバーナの燃焼状態が不安定化することを防止するものである。
特開２００１−２２９９５２号公報

しかし、上記の従来例に示した装置では、熱交換部（オフガス冷却部）において発生した微細な水滴を完全に取り除くことは困難である。また、この熱交換部を通過したオフガスの水蒸気は、依然として冷却後の温度に対して飽和状態にあり、熱交換部とバーナとの間の経路を流れるオフガスの外部雰囲気への放熱等によってその温度が下がれば、飽和状態にある水蒸気を凝縮して水滴が再び発生する。

本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、オフガスに含有する水蒸気をこのオフガスから適切に分離しかつ除去して、バーナに導いたオフガスの水滴生成を防止する燃料電池発電装置を提供することにある。

本発明に係る燃料電池発電装置は、原料ガスと水から水素を含む改質ガスを生成する改質触媒体と、前記改質ガスを消費して発電する燃料電池と、前記燃料電池から送出する水素を含むオフガスを燃料ガスとして、前記改質触媒体を加熱するための燃焼ガスを生成するバーナと、を備えており、前記オフガスから水蒸気が分離された後、前記オフガスが加熱され、前記加熱したオフガスが燃料ガスとして前記バーナに供給される一方、前記分離した水蒸気が凝集水として外部に除去されるものである。

より具体的には、燃料電池発電装置は、原料ガスと水から水素を含む改質ガスを生成する改質触媒体と、前記改質ガスを消費して発電する燃料電池と、前記燃料電池から送出する水素を含むオフガスから水蒸気を分離すると共に、前記分離した水蒸気を凝集して外部に除去する水分離除去部と、前記水分離除去部から送出するオフガスを熱交換により加熱する加熱用熱交換部と、前記加熱用熱交換部において加熱したオフガスを燃料ガスとして、前記改質触媒体を加熱するための燃焼ガスを生成するバーナと、を備えている。

なおここで、前記オフガスを熱交換により冷却する冷却用熱交換部を備え、前記オフガスを前記冷却用熱交換部において冷却することによって前記水蒸気の分離が行われるように構成しても良い。

こうして、水分離除去部によりオフガスの水蒸気を適切に分離した後、これをオフガス加熱器により熱交換加熱するため、オフガスに同伴する微細な水滴が確実に取り除かれる。

よって、オフガスに同伴する水滴によりバーナの燃料ガスの燃焼状態を不安定にするという従来の問題に適切に対処できる燃料電池発電装置が得られる。

前記加熱用熱交換部を通過しかつ前記バーナに供給する前のオフガスの温度が、前記加熱用熱交換部の上流側でかつ前記水分離除去部の下流側である点におけるオフガスの温度以上に加熱されるように構成しても良い。

オフガス加熱器によりオフガスをその露点温度よりも高めに加熱して、オフガス加熱器を通過して燃料配管を流れるオフガスが、オフガス加熱器からバーナに導かれる間に放熱しても、オフガスの温度がその露点未満にまで低下することを適切に防止できる。

また、前記原料ガス、前記水および燃料電池用冷却水のうちの何れかの冷媒との熱交換により前記オフガスが前記冷却用熱交換部において冷却されるものであっても良い。

前記水分離除去部の一例は、前記オフガスから水蒸気を分離して得られる凝集水を溜める筒状の凝集水タンクを有し、前記凝集水タンクの内部に前記オフガスを流しながら前記凝集水タンクの外周面が前記冷却用熱交換部を介して冷却されるものである。

前記水分離除去部の他の例は、前記オフガスから水蒸気を分離して得られる凝集水を溜める筒状の凝集水タンクを有し、前記凝集水タンクの内部の前記オフガスが流れる経路には、冷媒を充填した前記冷却用熱交換部としての配管が配置されるものである。

一方ここで、前記加熱用熱交換部は、前記燃焼ガスとの熱交換により前記オフガスを加熱するように構成されている。これにより、加熱用熱交換部の構成を簡素化できる。

このような燃焼ガスとの熱交換をする加熱用熱交換部の一例として、前記オフガスの前記バーナへの供給配管が、前記バーナにより生成した燃焼ガスを流す経路の内部に配置され、前記経路の内部において前記オフガスが前記燃焼ガスと熱交換するようなものがある。

また、その他の例として、前記バーナにより生成した燃焼ガスを流す経路を覆う断熱材を備え、前記オフガスの前記バーナへの供給配管が、前記断熱材の内側に配置され、前記断熱材の内側において前記オフガスが前記燃焼ガスと熱交換するようなものがある。

更に、その他の例として、前記オフガスの前記バーナへの供給配管が、前記バーナを構成する壁部に接触しており、前記供給配管と前記壁部との接触部分において前記オフガスが前記燃焼ガスと熱交換するようなものがある。

なお、前記バーナの燃焼状態を検知するフレームロッドを使用する際には、オフガスの水滴が蒸発させられことにより、フレームロッドの電流検知精度が劣化せず好適である。

また、前記水蒸気を除去して得られる凝集水が前記改質触媒体に供給されるように構成することも可能である。

本発明によれば、オフガスに含有する水蒸気をこのオフガスから適切に分離しかつ除去して、バーナに導いたオフガスの水滴生成を防止する燃料電池発電装置が得られる。

本最良の形態の特徴は、燃料電池から送出される残留水素を含むオフガスを冷却することによりオフガスに含有する水蒸気の凝縮分離を促進し、水蒸気を凝縮水して外部に除去すると共に、水蒸気を分離したオフガスの温度を露点よりも充分に高めに加熱してオフガスに同伴しようとする微細な水滴を完全に蒸発させることにある。なおここで、オフガスのバーナへの供給途中においてオフガスの外部雰囲気への放熱が発生しても、バーナに到達したオフガスの温度が、露点温度未満にまで低下しないようにオフガスが充分に加熱されている。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池発電装置の構成を示すブロック図である。

燃料電池発電装置１００における改質ガスおよび酸化剤ガスの供給系統は主として、原料ガス（都市ガス）と水蒸気とを用いて改質反応により水素を含む改質ガスを生成するための改質触媒体５を有する改質器４と、改質器４に都市ガスを供給するための原料供給部としての都市ガス供給配管１と、改質器４に水を供給するための水供給部としての水供給配管２と、水供給配管２を流れる水を蒸発させるための水蒸発器３と、改質触媒体５を加熱するための燃焼ガスを、燃焼用空気供給配管１７から導かれた空気とオフガス（後ほど説明）との混合ガスを燃焼して生成するバーナ６と、改質器４によって生成した改質ガスを下流側に導く改質ガス配管７と、改質器４から送られた改質ガス中に含まれる一酸化炭素（ＣＯ）ガスを除去するＣＯ除去装置８と、酸化剤ガス（空気）をカソード９ｃで消費しかつ改質ガス（水素ガス）をアノード９ａで消費して発電する燃料電池９と、酸化剤ガスを酸化剤ガス供給手段（図示せず）から燃料電池９のカソード９ｃに導く空気供給配管１０−１と、改質ガスをＣＯ除去装置８から燃料電池９のアノードに導く改質ガス供給配管１０−２と、によって構成されている。

また、燃料電池発電装置１００におけるオフガスの処理系統は主として、燃料電池９の内部で消費されなかった残留水素ガスを含む約７０〜８０℃のオフガスをアノード９ａから下流側に導くオフガス配管１１と、オフガス配管１１に接続されオフガスの温度を空冷ファン１３から送風される空気（冷媒）との熱交換により冷却するオフガス冷却器（冷却用熱交換部）１２と、オフガス中に存在する水蒸気を凝縮して液化して得られた凝集水１９を溜めると共に、この凝集水１９を水排出弁３２の開閉動作により外部に排出し除去する凝集水タンク１４と、凝集水タンク１４から送出されたオフガスをバーナ１６に導く燃料配管１６と、バーナ６により生成した燃焼ガスを改質器４から外部に導く燃焼ガス配管１８と、燃料配管１６と燃焼ガス配管１８とに接続して、燃焼ガス配管１８を流れる燃焼ガスとの熱交換により燃料配管を流れるオフガスを加熱するオフガス加熱器（加熱用熱交換部）１５と、オフガス加熱器１５の上流側でかつ凝集水タンク１４の下流側（出口近傍）である点におけるオフガスの温度を測定する第一の温度測定部３０と、オフガス加熱器１５を通過したバーナ６に供給する前のオフガスの温度を測定する第二の温度測定部３１と、第一および第二の温度測定部３０、３１の検知温度に基づいてオフガスや燃焼ガスの流量を流量調整弁（図示せず）により制御する制御装置３３と、によって構成されている。なお、図示されていないが、制御装置３３は、所定の検知信号（ガス温度やガス流量）に基づいて燃料電池発電装置１００の動作も適切に制御している。

また、燃料電池９から送出する水素を含むオフガスから水蒸気を分離すると共に、分離した水蒸気を凝集して外部に除去する水分離除去部５０は、オフガス冷却器１２と、空冷ファン１３と、凝集水タンク１４と、により構成されている。

ここで、オフガス配管１１に接続したオフガス冷却器１２（例えば、オフガスを通流する配管等）を空冷ファン１３から送風される空気により冷やし、これによりオフガス冷却器１２を流れるオフガスの温度を空気との熱交換により冷却する。このようなオフガス冷却器１２のオフガス放熱促進効果により、オフガスの温度が所定の温度まで速やかに下がり、オフガス中に含有する水蒸気が水滴としてオフガス中に凝縮した後、この水滴が集まって凝集水タンク１４の内部に凝集水１９が溜まる。

次に、以上のように構成された燃料電池発電装置１００のオフガス処理系統の動作を、図１を参照して説明する。

なお、燃料電池９の発電や燃料電池９に対するガス供給等は、既存技術により実行され、ここでは、このような動作の説明は省略する。

燃料電池９のアノード９ａから送出され、約７０〜８０℃のオフガスには、燃料電池９において未消費の水素ガスおよび改質器４において水素ガス生成の際に生じる二酸化炭素ガス並びに飽和状態にある水蒸気等が含有されている。

このようなオフガスは、オフガス配管１１を通ってオフガス冷却器１２に供給され、このオフガス冷却器１２において空冷ファン１３から送風される空気との熱交換により約５０〜６０℃にまで空冷される。ここで、オフガスから水蒸気を分離した凝集水タンク１４の出口近傍におけるオフガスは、約５０〜６０℃の温度に相当する飽和水蒸気を含んでいる。

なおこの際、オフガスに存在する水蒸気が凝縮して液化され、これによりオフガスから水蒸気を分離して得られる凝集水１９が凝集水タンク１４に溜まる。

その後、オフガスは、オフガス加熱器（加熱用熱交換部）１５に供給され、このオフガス加熱器１５において燃焼ガス配管１８を流れる高温の燃焼ガスと熱交換することにより８０〜９０℃程度にまで加熱される。これにより、オフガスは、露点温度（約５０〜６０℃）よりも充分に温度を高めたガスになる。そして、この状態でオフガスが燃料配管１６を通過してバーナ６に供給される。

凝集水タンク１４の出口近傍のオフガス温度が、第一の温度測定部３０により検知される一方、オフガス加熱器１５を通過したバーナ６に供給する前のオフガス温度が、第二の温度測定部３１により検知される。また、これらの検知温度が制御装置３３により監視され、適切なオフガス温度を維持するように制御装置３３は制御している。例えば、オフガス加熱器１５を通過した加熱後のオフガスの温度が、何らかの要因（オフガス／燃焼ガスの温度や流量の変化）によりシフトした場合、その目標値に速やかに到達できるように、制御装置３３によりオフガスおよび／または燃焼ガスの流量が適切に制御されている。

バーナ６の内部に導かれたオフガスは、燃焼用空気供給配管１７を流れてバーナ６の内部に流入した空気と混合した後、この混合ガスがバーナ６の内部で燃焼して高温の燃焼ガスが生成される。その後、熱交換により改質触媒体５を加熱した燃焼ガスは、燃焼ガス配管１８を通って、既に説明したようにオフガス加熱器１５のオフガス加熱源として利用されて大気に放出される。

なお、凝集水タンク１４に溜まった凝縮水１９を、改質器４に供給される水として利用することも可能である（図６参照）。

以上に説明した燃料電池発電装置１００のオフガス処理系統の動作によれば、水分離除去部５０によりオフガスの水蒸気を適切に分離した後、これをオフガス加熱器１５により熱交換加熱したため、オフガスに同伴する水滴を確実に蒸発できる。

更に、オフガスをその露点温度よりも充分に高めに加熱することにより、オフガス加熱器１５を通過した燃料配管１６を流れるオフガスが、バーナ６に導かれる間に放熱しても、オフガス温度がその露点未満にまで低下することを適切に防止できる。

こうして、オフガスに同伴する水滴によりバーナ６における燃料ガスの燃焼状態を不安定にするという従来の問題に適切に対処できる燃料電池発電装置１００が得られる。

なお、上述の実施の形態１においては、オフガス加熱器１５を通過したオフガスの温度例として８０〜９０℃が示されているが、これは装置構成により変化するため、このような温度範囲に、オフガスの望ましい加熱条件が限定されることを意味しない。

要するに、ここでの加熱条件としては、オフガスがバーナ６に到達した時点において、オフガスの放熱等によりオフガス温度がその露点未満に到達しないように加熱するという趣旨である。もっとも、オフガス加熱器１５を通過したバーナ６に供給する前のオフガスの温度を、少なくとも凝集水タンク１４の下流側（出口近傍）におけるオフガスの温度以上に加熱する必要がある。

〔水分離除去部５０の変形例〕
図１に示すように、空冷ファン１３を使用したオフガス冷却器１２と凝集水タンク１４とを別個に配置しても良いが、これの変形例として、図２および図３に示すように、オフガス冷却器に相当する冷却用熱交換部を凝集水タンク１４と連結して両者を一体的に配置することも可能である。これにより、燃料電池発電装置１００の水分離除去部５０の構成を簡素化できる。

図２および図３は共に、冷却用熱交換部を連結した凝集水タンクを有する水分離除去部の内部構成例を示す断面図である。

図２に示すように、水分離除去部５０は、蓋部と底部を有してオフガスから水蒸気を分離して得られる凝集水１９を溜める筒状の凝集水タンク１４と、凝集水タンク１４の内部にオフガスを導くように、オフガス配管１１（図１参照）に接続して凝集水タンク１４の蓋部に設けられたオフガス入口配管４０と、凝集水タンク１４の内部を通過したオフガスをその外部に導くように、燃料配管１６（図１参照）に接続して凝集水タンク１４の蓋部に設けられたオフガス出口配管４１と、オフガス出入口配管４０、４１の近傍の凝集水タンク１４の内部に配置され、オフガスの流れを遮ってオフガスの流速を減速させることによってオフガス中に含有する水滴を滴下させ易くする邪魔板４２と、凝集水タンク１４の内部に溜まった凝集水１９を定期的に外部に導くために、水排出弁３２（図１参照）に接続して凝集水タンク１４の底部に設けられた水出口配管（図示せず）と、により構成されている。

なおここで、凝集水タンク１４の略上半分の内部にはオフガスが通過する通過領域４５（凝集水タンク１４の内部のオフガスが流れる経路）が形成されている。

また、冷媒入口部４６から導かれた冷媒（液体や気体）が凝集水タンク１４の外周面に沿って流れるように、冷媒路４３（冷却用熱交換部）が、凝集水タンク１４の外周面との間で冷媒を流す空間を形成するように配置され、これにより、オフガスが通過領域４５を流れる間に、冷媒路４３を流れる冷媒により冷えた凝集水タンク１４の外周面にオフガスが接触してオフガスの温度が下がる。すなわち、冷媒路４３の内部を流れる冷媒との熱交換によりオフガスが冷却される。

もしくは、図２に示すように、空冷ファン１３から凝集水タンク１４の外周面に向けて送風される空気（冷媒）との熱交換を併用するよって、オフガスの温度をより速やかに下げるように構成しても良い。

このような冷却路４３のオフガス放熱促進効果により、オフガスの温度が所定の温度まで迅速に下がり、オフガス中に含有する水蒸気が水滴としてオフガス中に凝縮した後、この水滴が集まって凝集水タンク１４の内部に凝集水１９が溜まる。

また、図３に示すように、水分離除去部５０の他の例としては、冷媒を充填した配管（冷却用熱交換部）４８が、外部から凝集水タンク１４の内部の通過領域４５に達して、かつ通過領域４５から外部に延びるように、略コの字状に配置されている。こうして、オフガスが通過領域４５を流れる間に、冷媒を流す配管４８にオフガスが接触することによって、この冷媒との熱交換によりオフガスが冷却される。なお、配管４８以外の図３に示す水分離除去部５０の構成は、図２に示すものと同じであるため、両者に共通する構成の説明は省略する。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池発電装置の構成を示すブロック図である。

図４では、図１と同一の構成要素に同じ符号を記している。

図１と図４（ａ）との比較から理解されるとおり、実施の形態２に係る燃料電池発電装置１１０の構成が、上述の実施の形態１に係る燃料電池発電装置１００の構成と相違する点は、水蒸発部３６を改質器４の内部の燃焼ガス流路３５に配置したことと、オフガスのバーナ６への供給配管としてのオフガス加熱器２０を改質器４の燃焼ガス流路３５に配置したことにある。水蒸発部３６を改質器４の燃焼ガス流路３５に配置したことにより、燃料電池発電装置１００の熱効率の向上が図られる。また、オフガス加熱器２０を改質器４の燃焼ガス流路３５に配置したことにより、オフガス加熱器２０の構成の簡素化が図られる。

ここで、図４（ｂ）を参照して、水蒸発部３６とオフガス加熱器２０の構成を説明する。なお、これらの構成以外の実施の形態１に共通する構成の説明は省略する。

図４（ｂ）は、実施の形態２に係る改質器の燃焼ガス流路における水蒸発部とオフガス加熱器の配置構成の模式図である。

外壁６１により囲まれた改質器４の内部には、バーナ６（図４（ａ）参照）に接続してバーナ６により生成した燃焼ガスを下流に導く筒状の燃焼筒６０が配置され、これにより、燃料筒６０と外壁６１との間に筒状の燃焼ガス流路３５が形成されている。そして、燃焼筒６０の外周面近傍には筒状の水蒸発部３６が配置される一方、オフガス加熱器２０の一部が、燃焼ガス流路３５の内部に延びそこを通過するように配置されている。なお、オフガス加熱器２０と外壁６１との接続箇所は、燃焼ガスが漏れないように適宜の方法によりシールされている。

このような燃焼ガス流路３５において、図４（ｂ）の二点鎖線で示すように、燃焼筒６０から流出する燃焼ガスが燃焼筒６０と水蒸発部３６との間の筒状の空間を通った後、その向きを１８０°変えて、この燃焼ガスが、水蒸発部３６と外壁６１との間の筒状の空間を通過して燃焼ガス配管１８に導かれる。

こうして、燃焼ガスが燃焼ガス流路３５を流れる間に、その内部において水蒸発部３６を図４（ｂ）に示す一点鎖線のように流れる水（正確には図４（ａ）に示すように、都市ガス供給配管１を流れる都市ガスと水供給配管２を流れる水とが混ざり合ったもの）が、燃焼ガスとの熱交換により加熱されると共に、オフガス加熱器２０を図４（ｂ）に示す矢印のように流れるオフガスが、燃焼ガスとの熱交換により加熱される。

（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池発電装置の構成を示すブロック図である。

図５では、図４と同一の構成要素に同じ符号を記している。

図５と図４との比較から理解されるとおり、実施の形態３に係る燃料電池発電装置１２０の構成が、上述の実施の形態２に係る燃料電池発電装置１１０の構成と相違する点は、改質器４の外壁６１の周囲に断熱材６２を配置したことと、この断熱材６２の内側に、オフガスのバーナ６への供給配管としてのオフガス加熱器２０を配置したことにある（正確には、断熱材６２に凹部が形成され、この凹部にオフガス加熱器２０を収めたうえで、オフガス加熱部２２を覆って別の断熱材が被せられている。）。断熱材６２を配置したことにより、改質器４の燃焼ガス流路３５を流れる燃焼ガスの放熱を適正に抑制できると共に、断熱材６２の内側にオフガス加熱器２０を配置するという簡易な構成でオフガスと燃焼ガスとの熱交換を行うことが可能になる。すなわち、オフガス加熱器２と断熱材６２との接続箇所にシール処置等を行うことなく、オフガス加熱器を断熱材６２の内側に配置可能である。

ここで、図５（ｂ）を参照して、水蒸発部３６とオフガス加熱器２０の構成を説明する。

図５（ｂ）は、実施の形態３に係る改質器の燃焼ガス流路における水蒸発部とオフガス加熱器の配置構成の模式図である。

実施の形態２と同様に、燃料筒６０と改質器４の外壁６１との間に筒状の燃焼ガス流路３５が形成されている。そして、この外壁６１に接触してこれを覆うように断熱材６２が配置され、オフガス加熱器２０の一部が、この断熱材６２の内側に延びそこを通過するように配置されている。

なお実施の形態２と同様に、燃焼筒６０の外周面近傍には筒状の水蒸発部３６が配置されている。

このような燃焼ガス流路３５において、図５（ｂ）の二点鎖線に示すように、燃焼筒６０から流出する燃焼ガスが、燃焼筒６０と水蒸発部３６との間の筒状の空間を通った後、その向きを１８０°変えて、この燃焼ガスが、水蒸発部３６と外壁６１との間の筒状の空間を通過して燃焼ガス配管１８に導かれる。

こうして、燃焼ガスが燃焼ガス流路３５を流れる間に、その内部において水蒸発部３６を図５（ｂ）に示す一点鎖線のように流れる水（正確には図５（ａ）に示すように、都市ガス供給配管１を流れる都市ガスと水供給配管２を流れる水とが混ざり合ったもの）が、燃焼ガスとの熱交換により加熱されると共に、オフガス加熱器２０を図５（ｂ）に示す矢印のように流れるオフガスが、燃焼ガスとの熱交換により加熱される。

（実施の形態４）
図６は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池発電装置の構成を示すブロック図である。

図６では、図１と同一の構成要素に同じ符号を記している。

図１と図６との比較から理解されるとおり、実施の形態４に係る燃料電池発電装置１３０の構成が、上述の実施の形態１に係る燃料電池発電装置１００の構成と相違する点は、図１に示した空冷ファン１３を使用することなく、オフガスを流すオフガス通路１１−１と冷媒を流す冷媒通路１１−２とにより接続されるオフガス冷却器（冷却用熱交換部）２１を設けたことと、水排出弁３２を水蒸発部３に連結したことにある。また、燃料電池９から送出する水素を含むオフガスから水蒸気を分離すると共に、分離した水蒸気を凝集して外部に除去する水分離除去部５０は、オフガス冷却器５０と、凝集水タンク１４と、により構成されている。

これにより、空冷ファン１３を無くして部品点数を削減しつつ、オフガス通路１１−１を流れるオフガスが、冷媒通路１１−２を流れる冷媒とオフガス冷却器２１を介して熱交換することにより冷却される。

なお、実施の形態４における実施の形態１と共通する構成の説明は省略する。

ここで、図６に示すように、オフガス冷却器２１に接続する冷媒通路１１−２のうちのオフガス冷却器２１から下流に延びる部分と水供給配管２とを連結することにより、改質器４に供給する供給水を冷媒として利用することができる。

また、オフガス冷却器２１に接続する冷媒通路１１−２のうちのオフガス冷却器２１から下流に延びる部分と都市ガス供給配管１とを連結することにより、改質器４に供給する都市ガス（原料ガス）を冷媒として利用することもできる。

もしくは、オフガス冷却器２１に接続する冷媒通路１１−２のうちのオフガス冷却器２１から下流に延びる部分と燃料電池用冷却水配管８０とを連結することにより、燃料電池９に供給する冷却水を冷媒として利用することも可能である。

また、図２または図３に示す凝集水タンク１４の冷媒路４３または配管４８を流れる冷媒として、例えば、このような改質器４に供給する供給水、改質器４に供給する原料ガスまたは燃料電池９に供給する冷却水を利用することも可能である。

更に、図６に示すように、水排出弁３２と水供給配管２とを水循環配管８１を用いて連結することにより、凝集水タンク１４に溜まった凝集水１９がこの水循環配管８１を介して水蒸発部３に還流される。そうすると、オフガスから水蒸気を除去して得られる凝集水１９が、改質触媒体５に供給される水として再利用できる。

（実施の形態５）
図７に示すように、バーナ６を構成する壁部材に接触するようにオフガスのバーナ６への供給配管としてのオフガス加熱器７５が配置される。これは、図１に示す燃料配管１６と燃焼ガス配管１８とによって接続されたオフガス加熱器１５に替わる変形例を示すものである。

なおここでは、図７を参照してバーナ６の内部構成を説明し、それ以外の構成は、実施の形態１と共通するため、これらの構成の説明は省略する。

バーナ６は主に、オフガス加熱器７５を通過したオフガス通流配管に接続してオフガスを火炎領域７３にまで導くように設けられたバーナ燃料配管７２と、複数の壁部材７１−１、７１−２、７１−３、７１−４により構成され、空気を火炎領域にまで導くように設けられた空気バッファ７６−１、７６−２と、燃焼用空気供給配管１７（図１参照）と空気バッファ７６−１とを接続し、空気を空気バッファ７６−１に導くように設けられたバーナ用空気配管７４と、空気とオフガスからなる混合ガスの燃焼状態を検知するフレームロッド７０と、を有している。

また、バーナ燃料配管７２のオフガス下流側端には、オフガスの流れを遮るように蓋７２ｐが取り付けられ、かつその蓋７２ｐの近傍におけるバーナ燃料配管７２の側壁には、複数のオフガス噴出孔７２ｈが周方向に均等に隔てて設けられ、これにより、図７の矢印で示すように、バーナ燃料配管７２の内部を上昇するオフガスが蓋７２ｐによってその上昇を遮られ、遮られたオフガスが、オフガス噴出孔７２ｈから均一に火炎領域７３に向けて噴出され得る。

また、筒状の空気バッファ７６−１と中央に凹部を有する環状の空気バッファ７６−２とは、筒状の壁部材７１−２の周方向に均等に隔てて設けられた空気噴出孔７６ｈ−１により連通されている。更に、空気バッファ７６−２の凹部には、その深さ方向およびその周方向に均等に隔てて複数の空気噴出孔７６ｈ−２が設けられている。このような構成より、図７の点線で示すように、空気バッファ７６−１から空気噴出孔７６ｈ−１を通って空気バッファ７６−２に送られた空気が、空気噴出孔７６ｈ−２から均一に火炎領域７３に向けて噴出され得る。

こうして、オフガスと空気とが火炎領域７３において混合する。そして、混合ガスが火炎領域７３にて燃焼し高温の燃焼ガスが生成される。

なお、この混合ガスの燃焼状態がフレームロッド７０によって検知され、フレームロッド７０から出力される検知信号に基づき制御装置３３（図１参照）が、火炎領域７３の混合ガス燃焼を適切に制御している。

ここで、図７に示すように、オフガス加熱器２０が、バーナ６の空気バッファ７６−１、７６−２の下壁を構成する壁部材７１−１に接触して配置されている。このため、火炎領域７３において生成する熱の一部が伝達されて壁部材７１−１が加熱されることにより、オフガス加熱器２０を流れるオフガスが壁部材７１−１との熱交換により加熱できる。

このような構成により、オフガス加熱器７５を通過したバーナ６に供給する前のオフガスは、その露点温度よりも充分に温度を高めたガスになる。

よって、オフガスに同伴する水滴をオフガス加熱器７５により確実に蒸発させたうえで、こうしたオフガスをバーナ６の火炎領域７３に供給できるため、バーナ６の火炎領域７３におけるオフガスの燃焼状態を不安定にするという従来の問題に適切に対処可能になる。

なおここで、フレームロッド７０は、火炎に電圧を印加することにより火炎の中を流れるカーボンイオン電流を検知してバーナ６の火炎領域７３における燃料ガスの燃焼状態を判定するものである。

ところが、燃料ガスとしてのオフガス中には、水素ガスが多量に含まれ、オフガスの燃焼では、都市ガス等の燃焼に比較して相対的に水素イオンが多くカーボンイオンが少ない状態にあり、これにより、フレームロッド７０のカーボンイオン電流検知精度は良くない。

こうした状況において、オフガス中の水滴をオフガス加熱器７５により確実に蒸発できなければ、この水滴の影響によりフレームロッド７０のカーボンイオン電流検知精度が更に低下しかねない。

本実施の形態５では、オフガス中の水滴をバーナに供給する前に確実に取り除くことが可能なため、オフガス燃焼の燃焼状態を安定化するという効果に加えて、フレームロッド７０のカーボンイオン電流検知精度の低下を抑制するという付加的な効果も奏する。勿論、こうしたフレームロッド７０の検知精度を高める効果は、フレームロッド７０を使用する限りは、実施の形態１〜４に記載の燃料発電装置においても得られる。

本発明に係る燃料電池発電装置は、オフガスに含有する水蒸気をこのオフガスから適切に分離しかつ除去して、バーナに導いたオフガスの水滴生成を防止できて、家庭用の燃料電池発電装置等の用途に適用できる。

本発明の実施の形態１に係る燃料電池発電装置の構成を示すブロック図である。 水分離除去部の内部構成の一例を示す断面図である。 水分離除去部の内部構成の他の例を示す断面図である。 本発明の実施の形態２に係る燃料電池発電装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態３に係る燃料電池発電装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態４に係る燃料電池発電装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態５におけるバーナの構成を説明する図である。

符号の説明

１ 都市ガス供給配管
２ 水供給配管
３、３６ 水蒸発器
４ 改質器
５ 改質触媒体
６ バーナ
７ 改質ガス配管
８ ＣＯ除去装置
９ 燃料電池
９ａ アノード
９ｃ カソード
１０−１ 空気供給配管
１０−２ 改質ガス供給配管
１１ オフガス配管
１１−１ オフガス通路
１１−２ 冷媒通路
１２、２１ オフガス冷却器
１３ 空冷ファン
１４ 凝集水タンク
１５、２０、７５ オフガス加熱器
１６ 燃料配管
１７ 燃焼用空気供給配管
１８ 燃焼ガス配管
１９ 凝縮水
３０ 第一の温度測定部
３１ 第二の温度測定部
３２ 水排出弁
３３ 制御装置
３５ 燃焼ガス流路
４０ オフガス入口配管
４１ オフガス出口配管
４２ 邪魔板
４３ 冷媒路
４５ 通過領域
４６ 冷媒入口部
４８ 配管
５０ 水分離除去部
６０ 燃焼筒
６１ 外壁
６２ 断熱材
７０ フレームロッド
７１−１、−２、−３、−４ 壁部材
７２ バーナ燃料配管
７２ｐ 蓋
７２ｈ オフガス噴出孔
７３ 火炎領域
７４ バーナ用空気配管
７６−１、−２ 空気バッファ
７６ｈ−１、−２ 空気噴出孔
８１ 水循環配管
１００、１１０、１２０、１３０ 燃料電池発電装置

Claims (14)

1. 原料ガスと水から水素を含む改質ガスを生成する改質触媒体と、
   前記改質ガスを消費して発電する燃料電池と、
   前記燃料電池から送出する水素を含むオフガスを燃料ガスとして、前記改質触媒体を加熱するための燃焼ガスを生成するバーナと、を備え、
   前記オフガスから水蒸気が分離された後、前記オフガスが加熱され、前記加熱したオフガスが燃料ガスとして前記バーナに供給される一方、前記分離した水蒸気が凝集水として外部に除去される燃料電池発電装置。
2. 前記オフガスを冷却することによって前記水蒸気の分離が行われる請求項１記載の燃料電池発電装置。
3. 原料ガスと水から水素を含む改質ガスを生成する改質触媒体と、
   前記改質ガスを消費して発電する燃料電池と、
   前記燃料電池から送出する水素を含むオフガスから水蒸気を分離すると共に、前記分離した水蒸気を凝集して外部に除去する水分離除去部と、
   前記水分離除去部から送出するオフガスを熱交換により加熱する加熱用熱交換部と、
   前記加熱用熱交換部において加熱したオフガスを燃料ガスとして、前記改質触媒体を加熱するための燃焼ガスを生成するバーナと、
   を備えた燃料電池発電装置。
4. 前記加熱用熱交換部を通過しかつ前記バーナに供給する前のオフガスの温度が、前記加熱用熱交換部の上流側でかつ前記水分離除去部の下流側である点におけるオフガスの温度以上に加熱される請求項３記載の燃料電池発電装置。
5. 前記オフガスを熱交換により冷却する冷却用熱交換部を備え、前記オフガスを前記冷却用熱交換部において冷却することによって前記水蒸気の分離が行われる請求項３記載の燃料電池発電装置。
6. 前記原料ガス、前記水および燃料電池用冷却水のうちの何れかの冷媒との熱交換により前記オフガスが前記冷却用熱交換部において冷却される請求項５記載の燃料電池発電装置。
7. 前記水分離除去部は、前記オフガスから水蒸気を分離して得られる凝集水を溜める筒状の凝集水タンクを有し、前記凝集水タンクの内部に前記オフガスを流しながら前記凝集水タンクの外周面が前記冷却用熱交換部を介して冷却される請求項５記載の燃料電池発電装置。
8. 前記水分離除去部は、前記オフガスから水蒸気を分離して得られる凝集水を溜める筒状の凝集水タンクを有し、前記凝集水タンクの内部の前記オフガスが流れる経路には、冷媒を充填した前記冷却用熱交換部としての配管が配置されている請求項５記載の燃料電池発電装置。
9. 前記加熱用熱交換部は、前記燃焼ガスとの熱交換により前記オフガスを加熱するように構成されている請求項３記載の燃料電池発電装置。
10. 前記オフガスの前記バーナへの供給配管が、前記バーナにより生成した燃焼ガスを流す経路の内部に配置され、前記経路の内部において前記オフガスが前記燃焼ガスと熱交換する請求項９記載の燃料電池発電装置。
11. 前記バーナにより生成した燃焼ガスを流す経路を覆う断熱材を備え、前記オフガスの前記バーナへの供給配管が、前記断熱材の内側に配置され、前記断熱材の内側において前記オフガスが前記燃焼ガスと熱交換する請求項９記載の燃料電池発電装置。
12. 前記オフガスの前記バーナへの供給配管が、前記バーナを構成する壁部材に接触しており、前記供給配管と前記壁部材との接触部分において前記オフガスが前記燃焼ガスと熱交換する請求項９記載の燃料電池発電装置。
13. 前記バーナの火炎領域における燃料ガスの燃焼状態を検知するフレームロッドが、前記火炎領域に挿入されている請求項３記載の燃料電池発電装置。
14. 前記水蒸気を除去して得られる凝集水が前記改質触媒体に供給される請求項３記載の燃料電池発電装置。
    
    

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