JP2010020966A - 燃料電池発電システムおよびその動作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】効率的な発電が可能な燃料電池発電システムおよびその動作方法を提供する。
【解決手段】燃料電池発電システムは、燃料極と酸化剤極とを有する燃料電池と、燃料ガスを燃料極に供給する供給手段と、酸化剤ガスを当該酸化剤ガスの温度よりも高くかつ燃料電池の温度よりも低い温度に昇温し、当該昇温された酸化剤ガスを酸化剤極に供給する昇温手段と、酸化剤極から排出された酸化剤極排出ガスの少なくとも一部を回収する排出ガス回収手段と、排出ガス回収手段にて回収された酸化剤極排出ガスの温度を下げる排熱手段と、排熱手段にて降温された酸化剤極排出ガスと外部から供給される空冷用ガスとを混合して、降温された酸化剤極排出ガスよりも低い温度の混合ガスを生成する空冷ガス混合手段と、空冷ガス混合手段にて生成された混合ガスを用いて、燃料電池を冷却する空冷式冷却手段と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて燃料電池で発電を行う燃料電池発電システムにおいて、燃料電池から排出される酸化剤排出ガスを冷却用ガスと混合して混合ガスを生成し、その混合ガスを燃料電池の冷却用として再利用し、また、燃料電池の温度の高低に合わせて、冷却用ガスの流量を増減させることによって、発電および燃料電池の冷却のために燃料電池に供給する酸化剤ガスの流量を削減し、酸化剤ガスの予熱に必要なエネルギーを減少させた高発電効率の燃料電池発電システムとその動作方法に関する。

燃料電池として固体酸化物形燃料電池を用いた燃料電池発電システムを例に、従来の燃料電池発電システムを説明する。

図３は、従来の燃料電池発電システムの構成（例えば、非特許文献１参照。）を示したブロック図である。

図３に示した従来の燃料電池発電システムは、主な構成要素として、脱硫器２、改質器３、固体酸化物形燃料電池５７、空気予熱器８０、空気予熱器バーナ８１、出力調整装置８６、流量制御弁３７および６２、ブロワ１３、エジェクタ５９、ならびに配管類を含む。固体酸化物形燃料電池５７は、燃料極５４、固体酸化物電解質５５、および酸化剤極５６を含む。

なお、図３および以下の説明では、各要素の名称を以下のように簡略化する。

酸化剤として使用される空気１８を、「空気１８」と称する。水素リッチな改質ガス２７を、「改質ガス２７」と称する。水蒸気と脱硫天然ガスの混合ガス２８を、「混合ガス２８」と称する。固体酸化物形燃料電池５７を、「燃料電池５７」と称する。固体酸化物形燃料電池用空気５８を、「空気５８」と称する。改質器リサイクル用固体酸化物形燃料電池燃料排出ガス６０を、「排出ガス６０」と称する。固体酸化物形燃料電池燃料排出ガス６１を、「排出ガス６１」と称する。固体酸化物形燃料電池空気排出ガス６３を、「排出ガス６３」と称する。空気予熱器用固体酸化物形燃料電池燃料排出ガス６４を、「排出ガス６４」と称する。空気予熱器排出ガス８４を、「排出ガス８４」と称する。燃料電池直流出力８８を、「直流出力８８」と称する。送電端交流出力８９を、「交流出力８９」と称する。

なお、上記「水素リッチ」は、電池反応によって発電に寄与するに足りる濃度の水素を含有することを意味する。

図３において、流量制御弁３７は、燃料である天然ガス１の脱硫器２への流量を制御する。エジェクタ５９は、排出ガス６０の流量を制御する。また、エジェクタ５９では、排出ガス６０と脱硫天然ガス２９とが混合されて、混合ガス２８が作られる。流量制御弁６２は、燃料電池５７の酸化剤極５６へ供給される空気（酸化剤ガス）５８の流量を制御する。

以下、図３を用いて、従来の燃料電池発電システムの作用について説明する。

天然ガス１は、脱硫器２に供給される。

天然ガス１の流量は、予め設定した直流出力８８と天然ガス１の流量の関係に基づいて、流量制御弁３７のガス流量を制御することによって、直流出力８８に見合った値に設定される。

脱硫器２は、天然ガス１中に腐臭剤として添加されているメルカプタン等の硫黄分を吸着除去して、脱硫天然ガス２９を出力する。なお、メルカプタン等の硫黄分は、改質器３の改質触媒と燃料電池５７の燃料極５４での電極触媒の劣化原因となる。

脱硫天然ガス２９は、燃料電池５７で電池反応により生成された排出ガス６０と混合されて混合ガス２８となり、改質器３に供給される。

排出ガス６０の流量は、予め設定された天然ガス１の流量と排出ガス６０の流量の関係に基づいて、エジェクタ５９のガス流量を制御することによって、天然ガス１の流量に合わせて、混合ガス２８が予め設定された所定のスチームカーボン比（炭素のモル数に対する水蒸気のモル数の比率）を有するように設定される。

改質器３には、ニッケル系触媒、ルテニウム系触媒等の改質触媒が充填されている。改質器３では、改質触媒の働きにより、天然ガス１に含まれる炭化水素の水蒸気改質反応が行われ、改質ガス２７がつくられる。

天然ガス１の主成分であるメタンの水蒸気改質反応は、（１）式で表される。

（メタンの水蒸気改質反応）
ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ₂ （１）
この（１）式に示したメタンの水蒸気改質反応等の炭化水素の水蒸気改質反応は、吸熱反応である。よって、この反応で効率的に水素を生成させるためには、改質器３に外部から必要な反応熱を供給し、改質器３の温度を７００〜７５０度（摂氏）に維持する必要がある。

このため、改質器３の近傍には、８００〜１０００度（摂氏）で発電を行う燃料電池５７が設置されている。燃料電池５７の排熱は、炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として改質器３に供給される。

改質器３でつくられた改質ガス２７は、燃料電池５７の燃料極５４に供給される。

一方、燃料電池５７の酸化剤極５６には、空気（酸化剤ガス）５８が供給される。具体的には、空気予熱器８０で、ブロワ１３を用いて取り込んだ空気（酸化剤ガス）１８を、空気予熱器バーナ８１を用いて昇温し、空気５８として酸化剤極５６に供給する。なお、空気５８の温度は、空気１８の温度よりも高く、かつ、燃料電池５７の温度よりも低い。

空気５８の流量は、予め設定した天然ガス１の流量と空気５８の流量の関係に基づいて、流量制御弁６２のガス流量を制御することによって、天然ガス１の流量に見合った値に設定される。

なお、図３では、燃料電池５７は、燃料極５４、固体酸化物電解質５５、および酸化剤極５６からなる単セルとして示されている。しかしながら、単セル電圧は１Ｖ以下と低い。このため、所定の電力を取り出すために、実際は、燃料電池５７は、単セルを複数組み合わせたセルスタックで構成される。

酸化剤極５６には、金属酸化物系電極触媒が設けられている。このため、酸化剤極５６では、金属酸化物系電極触媒の働きで、空気５８中の酸素が、（２）式に示す酸化剤極反応により電子（ｅ^-）と反応して酸化物イオン（Ｏ^2-）に変わる。

（酸化剤極反応）
１／２（Ｏ₂）＋２ｅ^-→Ｏ^2- （２）
酸化剤極５６で生成した酸化物イオンは、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等の固体酸化物電解質５５の内部を移動し、燃料極５４に到達する。

燃料極５４には、ニッケル−ＹＳＺサーメット、ルテニウム−ＹＳＺサーメット等の金属系電極触媒が設けられている。

このため、酸化物イオンは、燃料極５４に到達すると、金属系電極触媒の働きで、（３）式および（４）式に示す反応により、改質ガス２７中の水素および一酸化炭素と反応し、水蒸気、および、二酸化炭素と電子が生成される。

（燃料極反応）
Ｈ₂＋Ｏ^2-→Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^- （３）
ＣＯ＋Ｏ^2-→ＣＯ₂＋２ｅ^- （４）
燃料極５４で生成された電子は、外部回路（図示せず）を移動し、酸化剤極５６に到達する。酸化剤極５６に到達した電子は、前述した（２）式に示した酸化剤極反応により酸素と反応する。電子が外部回路を移動する過程で、電気エネルギーを直流出力８８として取り出すことができる。

（２）式と（３）式、および（２）式と（４）式をまとめると、燃料電池５７の電池反応は、（５）式に示した水素と酸素から水蒸気ができる水の電気分解の逆反応と、（６）式に示す一酸化炭素と酸素から二酸化炭素が生成する反応として表すことができる。

（電池反応）
Ｈ₂＋１／２（Ｏ₂）→Ｈ₂Ｏ （５）
ＣＯ＋１／２（Ｏ₂）→ＣＯ₂ （６）
燃料電池５７の発電によって得られた直流出力８８は、出力調整装置８６によって、負荷８７に合わせて電圧の変換と直流から交流への変換が行われ、その後、交流出力８９として負荷８７に供給される。

なお、図３に示した例では、出力調整装置８６が、直流出力８８を直流から交流に変換しているが、出力調整装置８６は、電圧変換のみを行い、直流出力を負荷８７に供給してもよい。

燃料電池５７の動作温度は一般的に８００〜１０００度（摂氏）であり、電池反応による発熱により動作温度が維持されている。このため、燃料電池５７の排熱は、前述したように改質器３で天然ガス１の水蒸気改質反応の反応熱として利用することができる。

実際、燃料電池５７での電池反応による発熱量は多い。このため、燃料電池５７を８００〜１０００度（摂氏）の動作温度範囲に維持するためには、酸化剤極５６で（２）式に示した酸化剤極反応に使用する酸素に比べて過剰の酸素を含む大量の空気５８が、酸化剤極５６に供給されて、燃料電池５７が冷却される。このため、酸化剤極５６での酸素利用率は、２０％程度である。

燃料極５４で電池反応により生成された排出ガス６１の一部は、前述したように、改質器３での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な水蒸気を供給するために、排出ガス６０としてリサイクルされ、脱硫天然ガス２９と混合される。

燃料極５４からの排出ガス６４と、酸化剤極５６の排出ガス（酸化剤極排出ガス）６３は、空気予熱器バーナ８１に供給される。

空気予熱器バーナ８１では、排出ガス６４中の未反応燃料、未反応水素、および未反応一酸化炭素が、排出ガス６３中の未反応酸素と燃焼され、空気予熱器８０が加熱される。空気予熱器８０では、熱交換により、空気１８が昇温する。

水素と一酸化炭素の燃焼反応を（７）式および（８）式に示す。

（水素の燃焼反応）
Ｈ₂＋１／２（Ｏ₂）→Ｈ₂Ｏ （７）
（一酸化炭素の燃焼反応）
ＣＯ＋１／２（Ｏ₂）→ＣＯ₂ （８）
空気予熱器８０で昇温した空気１８は、空気５８として、酸化剤極５６に供給され、燃料電池５７の発電および冷却に用いられる。

また、空気予熱器バーナ８１からは、排出ガス６４と排出ガス６３を燃焼させることによって生じた排出ガス８４が排出される。
電気学会・燃料電池発電次世代システム技術調査専門委員会編：「燃料電池の技術」，オーム社，ｐｐ．２０３−２０８（２００２）

次に、図３に示した従来の燃料電池発電システムの問題点について述べる。

図３に示した従来の燃料電池発電システムでは、燃料電池５７を所定の発電温度に維持するために、電池反応に使用する酸素量に見合った量よりもかなり大量の空気（酸化剤ガス）を、酸化剤極５６に供給して、燃料電池５７を冷却している。

常温の空気をそのまま高温の燃料電池５７に供給すると、燃料電池５７が破壊する恐れがある。よって、空気予熱器８０では、大量の空気５８を予熱する必要がある。

このため、空気予熱器８０で空気５８の予熱のために消費されるエネルギーが大きく、燃料電池発電システムの発電効率を上昇させることが困難であるという課題や、大型の空気予熱器８０が必要となり、設置スペースの増加とシステムコストの上昇が避けられない等の課題があった。

本発明の目的は、燃料電池から排出される酸化剤極排出ガスを空冷用ガスと混合して混合ガスを生成し、その混合ガスを燃料電池の冷却に再利用することによって、燃料電池の冷却のために燃料電池に供給する酸化剤ガスの流量を削減し、酸化剤ガスの予熱に必要なエネルギーを減少させた高発電効率の燃料電池発電システムおよびその動作方法を提供することにある。

本発明の燃料電池発電システムは、燃料極と酸化剤極とを有し、前記燃料極に燃料ガスが供給されると共に前記酸化剤極に酸化剤ガスが供給されると、当該燃料ガスと当該酸化剤ガスとを用いて発電して前記酸化剤極から酸化剤極排出ガスを排出する燃料電池と、燃料ガスを前記燃料極に供給する供給手段と、酸化剤ガスを、当該酸化剤ガスの温度よりも高くかつ前記燃料電池の温度よりも低い温度に昇温し、当該昇温された酸化剤ガスを前記酸化剤極に供給する昇温手段と、前記酸化剤極から排出された酸化剤極排出ガスの少なくとも一部を回収する排出ガス回収手段と、前記排出ガス回収手段にて回収された酸化剤極排出ガスを降温する排熱手段と、前記排熱手段にて降温された酸化剤極排出ガスと、外部から供給された空冷用ガスと、を混合して、前記降温された酸化剤極排出ガスよりも低い温度の混合ガスを生成する空冷ガス混合手段と、前記空冷ガス混合手段にて生成された混合ガスを用いて、前記燃料電池を冷却する空冷式冷却手段と、を含む。

本発明の燃料電池発電システムの動作方法は、燃料極と酸化剤極とを有する燃料電池を含む燃料電池発電システムの動作方法であって、燃料ガスを前記燃料極に供給する供給ステップと、酸化剤ガスを、当該酸化剤ガスの温度よりも高くかつ前記燃料電池の温度よりも低い温度に昇温し、当該昇温された酸化剤ガスを前記酸化剤極に供給する昇温ステップと、前記燃料極に供給された燃料ガスと前記酸化剤極に供給された酸化剤ガスとを用いて前記燃料電池にて発電を行う発電ステップと、前記酸化剤極から、前記発電に伴って発生する酸化剤極排出ガスを排出する排出ステップと、前記酸化剤極から排出された酸化剤極排出ガスの少なくとも一部を回収する排出ガス回収ステップと、前記回収された酸化剤極排出ガスを降温する排熱ステップと、前記降温された酸化剤極排出ガスと、外部から供給された空冷用ガスと、を混合して、前記降温された酸化剤極排出ガスよりも低い温度の混合ガスを生成する空冷ガス混合ステップと、前記混合ガスを用いて、前記燃料電池を冷却する空冷式冷却ステップと、を含む。

前記排熱手段は、前記排出ガス回収手段にて回収された酸化剤極排出ガスの熱で、前記酸化剤ガスを昇温することによって、当該酸化剤極排出ガスを降温する熱交換手段であることが望ましい。

前記燃料電池発電システムは、前記燃料電池の温度を計測する温度計測手段と、前記温度計測手段にて計測された温度に基づいて、前記空冷ガス混合手段に供給される空冷用ガスの流量を制御する空冷用ガス流量制御手段と、をさらに含むことが望ましい。

前記昇温手段は、前記空冷式冷却手段からの排出ガスを燃焼して、前記酸化剤ガスを昇温することが望ましい。

前記排出ガス回収手段は、前記酸化剤極から排出された酸化剤極排出ガスの一部を回収し、前記昇温手段は、前記酸化剤極から排出された酸化剤極排出ガスのうち、前記排出ガス回収手段にて回収されなかった酸化剤極排出ガスの少なくとも一部を燃焼して、前記酸化剤ガスを昇温することが望ましい。

本発明によれば、燃料電池から排出される酸化剤極排出ガスを空冷用ガスと混合して混合ガスを生成し、その混合ガスを燃料電池の冷却に再利用することによって、燃料電池の冷却のために燃料電池に供給する酸化剤ガスの流量を削減することができる。

その結果、酸化剤ガスの予熱に必要なエネルギーを減少させることが可能になり、発電に消費できる燃料のエネルギーが増加し、高発電効率の燃料電池発電システムおよびその動作方法を実現することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して具体的に説明する。

図１は、本発明の燃料電池発電システムの一実施形態（これを実施形態１とする。）を表すブロック図である。

図１に示した燃料電池発電装置では、燃料電池５７として、固体酸化物形燃料電池が用いられる。

図１に示した燃料電池発電システムは、主な構成要素として、脱硫器２、改質器３、燃料電池５７、温度検出器１０、冷却器９、空気予熱器８０、空気予熱器バーナ８１、熱交換器８、混合器４、出力調整器８６、エジェクタ５９、流量制御弁３７、６２および６、ブロワ７および１３、ならびに配管類を含む。

図１において、冷却用空気５は、空冷用ガス（冷却用酸化剤ガス）の一例である。排出ガス１１は、混合器排出ガスである。排出ガス６５は、酸化剤極排出ガスの一例であり、燃料電池５７の酸化剤極５６からの排出ガスである。排出ガス６６は、酸化剤極排出ガスの一例であり、燃料電池５７の酸化剤極５６からの排出ガスである。

なお、燃料電池５７は、燃料極５４と酸化剤極５６とを有し、燃料極５４に改質ガス（燃料ガス）２７が供給されると共に酸化剤極５６に空気（酸化剤ガス）５８が供給されると、改質ガス２７と酸化剤ガス５８とを用いて発電して酸化剤極５６から排出ガス（酸化剤極排出ガス）６３を排出する。

改質器３は、供給手段の一例である。改質器３は、燃料である天然ガス１を改質して改質ガス（燃料ガス）２７を生成し、改質ガス２７を燃料極５４に供給する。

空気予熱器８０と空気予熱器バーナ８１は、昇温手段の一例である。空気予熱器８０と空気予熱器バーナ８１は、空気１８（酸化剤ガス）を、空気１８の温度よりも高くかつ燃料電池５７の温度よりも低い温度に昇温し、その昇温された空気５８（酸化剤ガス）を酸化剤極５６に供給する。

ブロワ７は、排出ガス回収手段の一例である。ブロワ７は、酸化剤極５６から排出された排出ガス（酸化剤極排出ガス）６３の少なくとも一部（排出ガス６５）を回収する。

熱交換器８は、排熱手段の一例である。熱交換器８は、ブロワ７にて回収された排出ガス６５の温度を下げる。

なお、排熱手段は、熱交換器に限らず適宜変更可能である。例えば、排出ガス６５が混合器４に供給されるまでの還流ルートに設けられた蛇腹構造体もしくは水冷式の排熱器が、排熱手段として用いられてもよい。

また、熱交換器８は、熱交換手段の一例である。熱交換器８は、ブロワ７にて回収された排出ガス６５の熱で、空気１８を昇温することによって、排出ガス６５の温度を下げる。

混合器４は、空冷ガス混合手段の一例である。混合器４は、熱交換器８にて降温された排出ガス６５と、外部から供給される冷却用空気（空冷用ガス）５と、を混合して、降温された排出ガス６５よりも低い温度の排出ガス（混合ガス）を生成する。

冷却器９は、空冷式冷却手段の一例である。冷却器９は、排出ガス（混合ガス）１１を用いて、燃料電池５７を冷却する。

なお、空気予熱器８０と空気予熱器バーナ８１は、冷却器９からの排出ガスを燃焼して、空気１８を昇温してもよい。

温度検出器１０は、温度計測手段の一例である。温度検出器１０は、燃料電池の温度を計測する。

流量制御弁６は、空冷用ガス流量制御手段の一例である。流量制御弁６は、温度検出器１０にて計測された温度に基づいて、混合器４に供給される空冷用空気５の流量を制御する。

なお、ブロワ７が、酸化剤極５６から排出された排出ガス６３の一部である排出ガス６５を回収する場合、空気予熱器８０と空気予熱器バーナ８１は、酸化剤極５６から排出された排出ガス６３のうち、ブロワ７にて回収されなかった排出ガス６６の少なくとも一部を燃焼して、空気１８を昇温してもよい。

図１において、図３に示したものと同一構成のものは同一符号を付してあり、これらのものについてはその主な説明を省略する。

次に、本発明の実施形態１の燃料電池発電システムの作用について、図１を参照して説明する。

排出ガス６５と空気１８は、熱交換器８で熱交換され、排出ガス６５の冷却と空気１８の昇温が行われる。排出ガス６５は、熱交換器８で冷却された後、ブロワ７によって混合器４に供給される。一方、混合器４には、ブロワ１３を用いて取り込まれた空気１８の一部である冷却用空気５も供給される。

混合器４は、排出ガス６５と冷却用空気５とを混合して、排出ガス６５と冷却用空気５との混合ガスである排出ガス１１を生成する。なお、排出ガス１１は、排出ガス６５と冷却用空気５の混合によって、排出ガス６５の温度よりも低い所定の温度になる。

排出ガス１１は、冷却器９にリサイクルされ、冷却器９で燃料電池５７と熱交換することによって、燃料電池５７を冷却する。

排出ガス６５の流量は、ブロワ７を用いて制御される。

なお、熱交換器８を設けずに、ブロワ７を用いて排出ガス６５をそのまま混合器４に供給してもよい。

また、熱交換器８は、ブロワ７の前後いずれに設けてもよいが、ブロワ７の温度劣化を考慮すると、ブロワ７の前に設けるほうが望ましい。

さらに、ブロワ７の代わりにファン（排出ガス回収手段）を用いてもよい。その場合には、ファンを用いて排出ガス６５の流量を制御する。

冷却用空気５の流量は、温度検出器１０で検出した燃料電池５７の温度に基づいて、流量制御弁６を用いて制御する。

すなわち、例えば、予め設定された燃料電池５７の温度と冷却用空気５の流量の関係に基づいて、燃料電池５７の温度が所定の温度もしくは温度範囲より上昇した場合には、流量制御弁６を開け冷却用空気５の流量を増加させることによって、燃料電池５７の温度を低下させる。

逆に、燃料電池５７の温度が所定の温度もしくは温度範囲より低下した場合には、流量制御弁６を閉め冷却用空気５の流量を減少させることによって、燃料電池５７の温度を上昇させる。

図１では、燃料電池５７の単セルあたり１個の冷却器９が設置されているように描かれているが、燃料電池５７と冷却器９との関係は、これに限定されることはない。例えば、冷却器９を燃料電池５７の任意の数のセルあたり１個設けてもよい。

また、図１では、燃料電池５７の単セルあたり１個の温度検出器１０が設置されているように描かれているが、燃料電池５７と温度検出器１０との関係は、これに限定されることはない。例えば、温度検出器１０を燃料電池５７の任意の数のセルあたり１個設けてもよい。冷却用空気５の流量の制御にあたっては、複数の温度検出器１０を用いる場合には、各温度検出器１０で検出した燃料電池の温度の平均値を燃料電池５７の温度として用いてもよい。

排出ガス６５を熱交換器８で空気１８と熱交換させることによって、排出ガス６５の冷却と空気１８の昇温を行う。

排出ガス６３の残りは、排出ガス６６として空気予熱器バーナ８１に供給され、空気予熱器バーナ８１で排出ガス６４と燃焼され、空気予熱器８０での空気１８の昇温に利用される。

また、空気予熱器バーナ８１で排出ガス６６と排出ガス６４を燃焼させる代わりに、空気予熱器８０で排出ガス６６と熱交換させることによって空気１８を昇温してもよい。

さらに、冷却器９で燃料電池５７の冷却により昇温された排出ガス１１は、排出ガス６６といっしょに空気予熱器バーナ８１に供給され、排出ガス６４と燃焼させることにより空気１８の昇温に利用したり、空気予熱器８０で熱交換させることにより空気１８の昇温に利用したりしてもよい。

場合によっては、排出ガス６３をすべて排出ガス６５として混合器４に供給してもよい。その場合には、冷却器９で燃料電池５７の冷却に使われて昇温された排出ガス１１を空気予熱器バーナ８１に供給し、排出ガス６４と燃焼させることにより空気１８の昇温に利用したり、空気予熱器８０で熱交換させることにより空気１８の昇温に使用したりすればよい。排出ガス６３をすべて排出ガス６５として混合器４に供給する場合には、ブロワ７もしくはその代替のファンは設けなくてもよい。

本実施形態によれば、排出ガス６３の一部もしくは全部を排出ガス６５として冷却用空気５と混合して燃料電池５７の冷却器９にリサイクルして再利用することにより、新たに外部から供給する冷却用を兼ねた酸化剤ガスである空気５８の流量を削減できる。

その結果、空気予熱器８０で消費される空気の昇温のためのエネルギーが減少し、燃料電池５７の発電に使用できる燃料のエネルギーが増加することになる。これは、燃料電池５７の発電効率の上昇をもたらす。

すなわち、図２に示すように、燃料電池発電システムでは、燃料のエネルギーは、主に発電、燃料改質、および空気予熱に使われ、その他は、損失として放出されると考えられる。このため、空気の昇温に使われる燃料のエネルギーを減少させることができれば、それに伴う損失の低減も可能となる。

したがって、燃料電池発電システム全体のエネルギーバランスを改善することができ、発電に使用できる燃料のエネルギーが増加し、発電量の増加による発電効率の向上が実現できる。

なお、燃料の昇温に必要なエネルギーは、燃料流量が空気流量と比較してわずかであるため、ここでは無視した。また、空気予熱器８０での空気１８の昇温が図３に示した従来の燃料電池発電システムと比較して少なくて済むので、空気予熱器８０の小型化も可能である。

冷却器９への排出ガス６５の流量は、例えば予め設定された直流出力８８、交流出力、電池電流のうちのいずれか１つと排出ガス６５の流量の関係に基づいて制御する。

また、本実施形態では、熱交換器８は、ブロワ７にて回収された排出ガス６５の熱で、空気１８を昇温することによって排出ガス６５の温度を下げる。このため、排出ガス６５の熱を有効に利用しながら、排出ガス６５の温度を下げることができる。

また、本実施形態では、流量制御弁６は、温度検出器１０にて計測された燃料電池５７の温度に基づいて、混合器４に供給される冷却用空気５の流量を制御する。このため、冷却用空気５の流量を適切に制御することが可能になる。

また、本実施形態では、空気予熱器８０と空気予熱器バーナ８１が、冷却器９からの排出ガス１１を燃焼して、空気１８を昇温する場合、冷却器９からの排出ガス１１の熱を有効に利用することができる。

また、本実施形態では、空気予熱器８０と空気予熱器バーナ８１が、酸化剤極５６から排出された排出ガス６３のうち、ブロワ７にて回収されなかった排出ガス６６の少なくとも一部を燃焼して、空気１８を昇温する場合、ブロワ７にて回収されなかった排出ガス６６の熱を有効に利用することができる。

図１に示した本発明の実施形態１の燃料電池発電システムにおいて、燃料電池５７として、溶融炭酸塩形燃料電池を用いてもよい。また、改質器３を用いずに燃料の水蒸気改質反応を直接燃料電池５７の燃料極５４で行わせて、燃料電池５７の電池反応に必要な水素と一酸化炭素を生成させてもよい。この場合、流量制御弁３７が、燃料ガスを燃料極５４に供給する供給手段として機能する。

また、図１に示した本発明の実施形態１の燃料電池発電システムで、空気の代わりに純酸素を酸化剤ガスとして用いてもよい。

本発明は、前述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加えることは勿論である。

本発明の燃料電池発電システムの一実施形態（実施形態１）の構成を示す図である。 燃料電池発電システムでの燃料のエネルギーを説明するための説明図である。 従来の燃料電池発電システムの構成を示す図である。

符号の説明

１ 天然ガス
２ 脱硫器
３ 改質器
４ 混合器
５ 冷却用空気
６ 流量制御弁
７ ブロワ
８ 熱交換器
９ 冷却器
１０ 温度検出器
１１ 混合器排出ガス
１３ ブロワ
１８ 空気
２７ 水素リッチな改質ガス
２８ 水蒸気と脱硫天然ガスの混合ガス
２９ 脱硫天然ガス
３７ 流量制御弁
５４ 燃料極
５５ 固体酸化物電解質
５６ 酸化剤極
５７ 固体酸化物形燃料電池
５８ 固体酸化物形燃料電池用空気
５９ エジェクタ
６０ 改質器リサイクル用固体酸化物形燃料電池燃料排出ガス
６１ 固体酸化物形燃料電池燃料排出ガス
６２ 流量制御弁
６３ 固体酸化物形燃料電池空気排出ガス
６４ 空気予熱器用固体酸化物形燃料電池燃料排出ガス
６５ 酸化剤極排出ガス
６６ 酸化剤極排出ガス
８０ 空気予熱器
８１ 空気予熱器バーナ
８４ 空気予熱器排出ガス
８６ 出力調整器
８７ 負荷
８８ 燃料電池直流出力
８９ 送電端交流出力

Claims (10)

1. 燃料極と酸化剤極とを有し、前記燃料極に燃料ガスが供給されると共に前記酸化剤極に酸化剤ガスが供給されると、当該燃料ガスと当該酸化剤ガスとを用いて発電して前記酸化剤極から酸化剤極排出ガスを排出する燃料電池と、
   燃料ガスを前記燃料極に供給する供給手段と、
   酸化剤ガスを、当該酸化剤ガスの温度よりも高くかつ前記燃料電池の温度よりも低い温度に昇温し、当該昇温された酸化剤ガスを前記酸化剤極に供給する昇温手段と、
   前記酸化剤極から排出された酸化剤極排出ガスの少なくとも一部を回収する排出ガス回収手段と、
   前記排出ガス回収手段にて回収された酸化剤極排出ガスを降温する排熱手段と、
   前記排熱手段にて降温された酸化剤極排出ガスと、外部から供給された空冷用ガスと、を混合して、前記降温された酸化剤極排出ガスよりも低い温度の混合ガスを生成する空冷ガス混合手段と、
   前記空冷ガス混合手段にて生成された混合ガスを用いて、前記燃料電池を冷却する空冷式冷却手段と、を含む燃料電池発電システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池発電システムにおいて、
   前記排熱手段は、前記排出ガス回収手段にて回収された酸化剤極排出ガスの熱で、前記昇温手段にて昇温される前の酸化剤ガスを昇温することによって、当該酸化剤極排出ガスを降温する熱交換手段である、燃料電池発電システム。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池発電システムにおいて、
   前記燃料電池の温度を計測する温度計測手段と、
   前記温度計測手段にて計測された温度に基づいて、前記空冷ガス混合手段に供給される空冷用ガスの流量を制御する空冷用ガス流量制御手段と、をさらに含む燃料電池発電システム。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池発電システムにおいて、
   前記昇温手段は、前記空冷式冷却手段からの排出ガスを燃焼して、前記酸化剤ガスを昇温する、燃料電池発電システム。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池発電システムにおいて、
   前記排出ガス回収手段は、前記酸化剤極から排出された酸化剤極排出ガスの一部を回収し、
   前記昇温手段は、前記酸化剤極から排出された酸化剤極排出ガスのうち、前記排出ガス回収手段にて回収されなかった酸化剤極排出ガスの少なくとも一部を燃焼して、前記酸化剤ガスを昇温する、燃料電池発電システム。
6. 燃料極と酸化剤極とを有する燃料電池を含む燃料電池発電システムの動作方法であって、
   燃料ガスを前記燃料極に供給する供給ステップと、
   酸化剤ガスを、当該酸化剤ガスの温度よりも高くかつ前記燃料電池の温度よりも低い温度に昇温し、当該昇温された酸化剤ガスを前記酸化剤極に供給する昇温ステップと、
   前記燃料極に供給された燃料ガスと前記酸化剤極に供給された酸化剤ガスとを用いて前記燃料電池にて発電を行う発電ステップと、
   前記酸化剤極から、前記発電に伴って発生する酸化剤極排出ガスを排出する排出ステップと、
   前記酸化剤極から排出された酸化剤極排出ガスの少なくとも一部を回収する排出ガス回収ステップと、
   前記回収された酸化剤極排出ガスを降温する排熱ステップと、
   前記降温された酸化剤極排出ガスと、外部から供給された空冷用ガスと、を混合して、前記降温された酸化剤極排出ガスよりも低い温度の混合ガスを生成する空冷ガス混合ステップと、
   前記混合ガスを用いて、前記燃料電池を冷却する空冷式冷却ステップと、を含む燃料電池発電システムの動作方法。
7. 請求項６に記載の燃料電池発電システムの動作方法において、
   前記排熱ステップでは、前記回収された酸化剤極排出ガスの熱で、前記昇温ステップで昇温される前の酸化剤ガスを昇温することによって当該酸化剤極排出ガスを降温する熱交換を行う、燃料電池発電システムの動作方法。
8. 請求項６または７に記載の燃料電池発電システムの動作方法において、
   前記燃料電池の温度を計測する温度計測ステップと、
   前記計測された温度に基づいて、前記混合ガスを生成するために使用される空冷用ガスの流量を制御する空冷用ガス流量制御ステップと、をさらに含む燃料電池発電システムの動作方法。
9. 請求項６から８のいずれか１項に記載の燃料電池発電システムの動作方法において、
   前記昇温ステップでは、前記燃料電池の冷却に使用された混合ガスを燃焼して、前記酸化剤ガスを昇温する、燃料電池発電システムの動作方法。
10. 請求項６から９のいずれか１項に記載の燃料電池発電システムの動作方法において、
    前記排出ガス回収ステップでは、前記酸化剤極から排出された酸化剤極排出ガスの一部を回収し、
    前記昇温ステップでは、前記酸化剤極から排出された酸化剤極排出ガスのうち、前記排出ガス回収ステップで回収されなかった酸化剤極排出ガスの少なくとも一部を燃焼して、前記酸化剤ガスを昇温する、燃料電池発電システムの動作方法。

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