JP2015211012A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】メンテナンスコストの低減及び発電効率の向上を実現できる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【解決手段】燃料電池システムＳ１は、ホットモジュール６６と、熱交換器１８と、貯湯タンク２２と、凝縮水回収・供給部２４とを備える。ホットモジュール６６は、燃料電池スタック１６と、改質触媒２８と、バーナ３０とを有し、熱交換器１８は、蒸留膜を有する。バーナ３０からの排ガスに含まれる水蒸気は、熱交換器１８の蒸留膜を透過し、熱交換器１８内にて貯湯タンク２２から供給される貯湯循環水と熱交換して凝縮される。この熱交換器１８にて生成される凝縮水（蒸留水）は、凝縮水回収・供給部２４によって回収されると共に改質触媒２８に供給される。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体酸化物形の燃料電池スタックを備える燃料電池システムに関する。

燃料電池システムの分野においては、システム内部での排ガスに含まれる水蒸気を凝縮して生成した凝縮水（ドレン水）を、例えば改質触媒等で再利用する技術が提案されている。このような燃料電池システムによれば、外部から改質触媒等への給水が不要であるので、外部からの水を改質触媒等へ供給するための水供給施設を不要にできる。

ところで、改質触媒等で凝縮水を再利用するためには、凝縮水から不純物を除去する必要がある。この不純物を除去する水処理装置としては、イオン交換樹脂を備えたものがある（例えば、特許文献１〜５参照）。

しかしながら、このイオン交換樹脂を備えた水処理装置では、イオン交換樹脂カートリッジで吸着できる不純物の量に限りがある。このため、イオン交換樹脂カートリッジの交換や再生など定期的なメンテナンスが必要となり、メンテナンスコストが増加する。

そこで、定期的なメンテナンスを不要にする技術として、電気脱イオン式の水処理装置が提案されている（例えば、特許文献６参照）。この電気脱イオン式の水処理装置では、不純物を除去するための樹脂を電気で再生させるため、定期的なメンテナンスが不要になるという利点がある。

ところが、電気脱イオン式の水処理装置では、不純物を除去するための樹脂を再生させるために電力が必要になる。従って、燃料電池システムにて発電された電力を電気脱イオン式の水処理装置における樹脂の再生のために使用した場合には、燃料電池システムの発電効率が低下する。

なお、水処理装置に関するその他の技術としては、特許文献７，８に記載の蒸留膜を用いたものがある。

特開２０１３−２４３１４６号公報 特許第５３７１５５４号公報 特開平８−１７４５７号公報 特開平９−２３１９９０号公報 特開２０１１−２９１４４号公報 特許４４６１５５３号公報 特公昭４９−４５４６１号公報 特開２０１１−１６７６２８号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、メンテナンスコストの低減及び発電効率の向上を実現できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の燃料電池システムは、原料ガスを水蒸気改質し水素ガスを含む燃料ガスを生成する改質触媒と、前記改質触媒から供給される燃料ガスと外部から供給される酸化ガスとを反応させて発電する固体酸化物形の燃料電池スタックとを有するホットモジュールと、前記ホットモジュールから排出され水蒸気を含む排ガスが流通する排ガス流路を形成する蒸留膜と、前記蒸留膜を透過する水蒸気が凝縮される凝縮空間を前記蒸留膜との間に形成する伝熱壁と、冷却流体が流通する冷却流体流路を前記伝熱壁との間に形成する外壁とを有する熱交換器と、前記凝縮空間にて生成される凝縮水を回収し、該凝縮水を前記改質触媒に供給する凝縮水回収・供給部と、を備える。

この燃料電池システムでは、燃料ガス及び酸化ガスが燃料電池スタックに供給されると、この燃料電池スタックにおいて燃料ガス及び酸化ガスが反応し発電する。この発電に伴いホットモジュールからは、水蒸気を含む排ガスが排出され、この排ガスは、熱交換器に供給される。この熱交換器では、蒸留膜によって排ガス流路が形成されており、この蒸留膜と伝熱壁との間には、凝縮空間が形成され、伝熱壁と外壁との間には、冷却流体が流通する冷却流体流路が形成されている。従って、排ガス流路に供給された排ガスに含まれる水蒸気は、蒸留膜を透過して凝縮空間に移動し、伝熱壁の表面上で熱を放出し凝縮される。そして、このようにして凝縮空間にて生成された凝縮水（蒸留水）は、凝縮水回収・供給部によって回収されると共に改質触媒に供給される。

このように、この燃料電池システムによれば、ホットモジュールから排出された排ガスから凝縮水を回収し、この凝縮水を改質触媒に供給する。これにより、外部から改質触媒への給水が不要であるので、外部からの水を改質触媒へ供給するための水供給施設を不要にできる。

しかも、この燃料電池システムによれば、上述のように、排ガスに含まれる水蒸気から凝縮水を生成するために、交換や再生が不要な蒸留膜が用いられている。従って、凝縮水を安定して生成させるための定期的なメンテナンスを不要にすることができるので、例えばイオン交換樹脂を備えた水処理装置を用いる場合に比して、メンテナンスコストを低減することができる。

また、蒸留膜は電気で再生する必要が無いので、蒸留膜の性能を維持するために燃料電池システムにて発電された電力を使用することを回避できる。これにより、例えば電気脱イオン式の水処理装置を用いる場合に比して、燃料電池システムの発電効率を向上させることができる。

なお、請求項２に記載のように、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記蒸留膜は、筒状に形成されると共に、その内側に前記排ガス流路を形成し、前記伝熱壁は、前記蒸留膜の周囲に環状に設けられ、前記外壁は、前記伝熱壁の周囲に環状に設けられていても良い。

このように構成されていると、筒状に形成された蒸留膜の全周に亘って水蒸気が蒸留膜を透過し、この水蒸気から凝縮水を伝熱壁の全周に亘って生成することができる。これにより、凝縮水の生成効率を向上させることができる。

また、請求項３に記載のように、請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、湯水を貯留する貯湯タンクをさらに備え、前記冷却流体流路を流通する冷却流体は、前記貯湯タンクと前記冷却流体流路との間で循環する貯湯循環水であっても良い。

このように構成されていると、伝熱壁と外壁との間の冷却流体流路を流通する貯湯循環水を、蒸留膜と伝熱壁との間の凝縮空間に移動した水蒸気の熱で加熱することができる。これにより、ホットモジュールから排出される排ガスの熱を、貯湯タンクに貯留される湯水の加熱のために有効に活用することができる。

また、請求項４に記載のように、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、前記ホットモジュールは、前記改質触媒、前記燃料電池スタック、及び、前記改質触媒を加熱するバーナにより構成され、前記バーナには、前記燃料電池スタックの燃料極から排出される排ガスを含むバーナガスが供給され、前記排ガス流路には、前記バーナから排出され水蒸気を含む排ガスが流通しても良い。

また、請求項５に記載のように、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、前記ホットモジュールは、前記改質触媒及び前記燃料電池スタックにより構成され、前記排ガス流路には、前記燃料電池スタックの燃料極から排出され水蒸気を含む排ガスが流通しても良い。

また、請求項６に記載のように、請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、前記排ガス流路から排出され水素ガスを含む排ガスが燃料ガスとして供給されるガス燃焼部をさらに備えても良い。

また、請求項７に記載のように、請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、前記排ガス流路には、前記燃料電池スタックの燃料極から排出され水蒸気を含む排ガスの一部が流通し、前記燃料電池スタックの燃料極から排出された排ガスの残りは、前記改質触媒に供給されても良い。

以上詳述したように、本発明の燃料電池システムによれば、メンテナンスコストの低減及び発電効率の向上を実現することができる。

本発明の第一実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す図である。 本発明の第二実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す図である。 本発明の第三実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す図である。 図１〜図３に示される熱交換器の縦断面図である。

［第一実施形態］
次に、本発明の第一実施形態について説明する。

図１に示されるように、本発明の第一実施形態に係る燃料電池システムＳ１は、脱硫器１２と、改質触媒２８と、バーナ３０と、燃料電池スタック１６と、熱交換器１８と、貯湯タンク２２と、凝縮水回収・供給部２４とを主要な構成として備えている。

脱硫器１２は、都市ガス管２６と接続されている。この脱硫器１２は、都市ガス管２６を介して供給された都市ガスに含まれる硫黄化合物を吸着除去する。

改質触媒２８は、原料ガス管３６を介して脱硫器１２と接続されている。この改質触媒２８には、脱硫器１２にて硫黄化合物が吸着除去された都市ガスが原料ガス管３６を通じて供給される。この改質触媒２８は、供給された都市ガス（原料ガス）を、後述する凝縮水供給管１０４を通じて供給された凝縮水を利用して水蒸気改質する。

バーナ３０には、後述するスタック排ガス管４２が接続されている。このバーナ３０は、スタック排ガス管４２を通じて供給されたバーナガス（未反応の水素ガスを含むスタック排ガス）を燃焼し、改質触媒２８を加熱する。そして、この改質触媒２８では、脱硫器１２から供給された都市ガス（原料ガス）から、水素ガスを含む燃料ガスが生成される。この燃料ガスは、燃料ガス管４６を通じて後述する燃料電池スタック１６の燃料極５４に供給される。

燃料電池スタック１６は、固体酸化物形の燃料電池スタックであり、積層された複数の燃料電池セル５０を有している。各燃料電池セル５０は、電解質層５２と、この電解質層５２の表裏面にそれぞれ積層された燃料極５４及び空気極５６とを有している。

空気極５６（カソード極）には、空気ブロワ５８が設けられた酸化ガス管６０を通じて酸化ガス（空気）が供給される。この空気極５６では、下記式（１）で示されるように、酸化ガス中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。この酸素イオンは、電解質層５２を通って燃料極５４に到達する。

（空気極反応）
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻ →Ｏ^２− ・・・（１）

一方、燃料極５４では、下記式（２）及び式（３）で示されるように、電解質層５２を通ってきた酸素イオンが燃料ガス中の水素及び一酸化炭素と反応し、水（水蒸気）及び二酸化炭素と、電子が生成される。燃料極５４で生成された電子は、外部回路を通って空気極５６に到達する。そして、このようにして電子が燃料極５４から空気極５６に移動することにより、各燃料電池セル５０において発電される。また、各燃料電池セル５０は、発電時に上記反応に伴って発熱する。

（燃料極反応）
Ｈ_２ ＋Ｏ^２− →Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ ・・・（２）
ＣＯ＋Ｏ^２− →ＣＯ_２＋２ｅ⁻ ・・・（３）

燃料電池スタック１６に接続されたスタック排ガス管４２の上流側は、燃料極排ガス管６２及び空気極排ガス管６４に分岐されており、この燃料極排ガス管６２及び空気極排ガス管６４は、燃料極５４及び空気極５６にそれぞれ接続されている。燃料極５４から排出された燃料極排ガスと、空気極５６から排出された空気極排ガスとは、燃料極排ガス管６２及び空気極排ガス管６４を通じて排出されると共に、スタック排ガス管４２内にて混合されてスタック排ガスとされる。このスタック排ガスは、燃料極排ガスに含まれる未反応の水素ガスを含んでおり、上述の通り、バーナ３０にバーナガスとして供給される。

この燃料電池システムＳ１において、上述の改質触媒２８、バーナ３０、及び、燃料電池スタック１６は、モジュール化されており、ホットモジュール６６を構成している。このホットモジュール６６のうちのバーナ３０には、バーナ排ガス管６８の一端が接続されている。

熱交換器１８は、バーナ３０の後段（下流側）に設けられている。この熱交換器１８は、図４に示されるように、蒸留膜７０と、内管７２と、外管７４とを有している。

蒸留膜７０は、中空円筒状に形成されている。この蒸留膜７０は、水蒸気を透過させ液体を透過させない多孔質膜などで構成されている。この蒸留膜７０は、燃料電池スタック１６の発熱温度に適応し得るような材料で形成されることが好ましい。この材料としては、例えば、フッ素系樹脂などが挙げられる。この蒸留膜７０の内側には、排ガス流路７６が形成されており、この排ガス流路７６の入口部には、図１に示されるバーナ排ガス管６８の他端が接続されている。

この排ガス流路７６には、上述のバーナ排ガス管６８から排出され水蒸気を含む排ガス（バーナ排ガス）が流通する。排ガス流路７６の出口部には、図１に示される排気口７８が接続されており、排ガス流路７６を通過し水蒸気が取り除かれた排ガスは、この排気口７８から外部に排出される。

内管７２は、天壁部８０及び底壁部８２を有する円筒状に形成されている。この内管７２の軸芯部には、上述の蒸留膜７０が貫通して配置されている。内管７２の外周部は、蒸留膜７０の周囲に環状に設けられた伝熱壁８４として形成されており、この伝熱壁８４と蒸留膜７０との間は、蒸留膜７０を透過した水蒸気が凝縮される凝縮空間８６として形成されている。また、内管７２の底壁部８２には、凝縮水排水管８８が設けられている。

外管７４は、中空円環状に形成されており、上述の蒸留膜７０及び内管７２と同軸上に配置されている。この外管７４は、伝熱壁８４よりも外径が大きく形成されている。この外管７４の天壁部には、入口管９０が設けられており、この外管７４の底壁部には、出口管９２が設けられている。この入口管９０及び出口管９２には、図１に示される貯湯タンク２２と接続された貯湯水循環回路９４が接続されている。

また、この外管７４の外周部は、伝熱壁８４の周囲に環状に設けられた外壁９６として形成されており、この外壁９６と伝熱壁８４との間は、図１に示される貯湯タンク２２から供給された貯湯循環水（熱回収水）が流通する貯湯循環水流路９８として形成されている。この貯湯循環水流路９８と図１に示される貯湯タンク２２との間では、貯湯循環水が循環する。この貯湯循環水流路９８は、本発明における「冷却流体流路」の一例であり、この貯湯循環水流路９８を流れる貯湯循環水は、本発明における「冷却流体」の一例である。

そして、この熱交換器１８では、貯湯循環水流路９８に貯湯循環水が流通している状態で、排ガス流路７６内の排ガスに含まれる水蒸気が蒸留膜７０を透過して凝縮空間８６に移動すると、この凝縮空間８６に移動した水蒸気が伝熱壁８４の表面上で熱を放出し凝縮される。また、このようにして凝縮空間８６にて生成された凝縮水（蒸留水）は、凝縮水排水管８８を通じて排水される。

この凝縮水排水管８８には、図１に示される凝縮水回収管１００を介してドレンタンク１０２の入口部が接続されている。このドレンタンク１０２には、上述の熱交換器１８にて生成され凝縮水回収管１００を通じて回収された凝縮水が貯留される。ドレンタンク１０２における凝縮水の貯留量が許容量を超えた場合には、この超えた分の凝縮水がドレンタンク１０２から排出される。このドレンタンク１０２の出口部には、上述の改質触媒２８に接続された凝縮水供給管１０４が接続されている。

この凝縮水供給管１０４には、ポンプ１０６が設けられている。この凝縮水回収管１００、ドレンタンク１０２、及び、ポンプ１０６は、凝縮水回収・供給部２４を構成している。

この凝縮水回収・供給部２４において、熱交換器１８に形成された凝縮空間８６（図４参照）にて生成された凝縮水は、凝縮水回収管１００を通じてドレンタンク１０２に回収され、このドレンタンク１０２に回収された凝縮水は、ポンプ１０６の作動に伴い凝縮水供給管１０４を通じて改質触媒２８に供給され、この改質触媒２８にて水蒸気改質用の水蒸気として利用される。

続いて、第一実施形態に係る燃料電池システムＳ１の作用及び効果について説明する。

以上詳述したように、第一実施形態に係る燃料電池システムＳ１では、改質触媒２８から燃料ガスが燃料電池スタック１６の燃料極５４に供給されると共に、空気ブロワ５８が作動して酸化ガス管６０から酸化ガスが燃料電池スタック１６の空気極５６に供給されると、この燃料電池スタック１６において燃料ガス及び酸化ガスが反応し発電する。この発電に伴い燃料電池スタック１６からは、未反応の水素ガスを含むスタック排ガスが排出され、このスタック排ガスは、バーナガスとしてバーナ３０にて燃焼され、このバーナ３０からは、バーナ排ガスが排出される。このバーナ排ガスは、水蒸気を含んでおり、バーナ排ガス管６８を通じて熱交換器１８に供給される。

この熱交換器１８では、図４に示されるように、蒸留膜７０によって排ガス流路７６が形成されており、この蒸留膜７０と伝熱壁８４との間には、凝縮空間８６が形成され、伝熱壁８４と外壁９６との間には、貯湯循環水が流通する貯湯循環水流路９８が形成されている。従って、排ガス流路７６に供給されたバーナ排ガスに含まれる水蒸気は、蒸留膜７０を透過して凝縮空間８６に移動し、伝熱壁８４の表面上で熱を放出し凝縮される。

そして、このようにして凝縮空間８６にて生成された凝縮水（蒸留水）は、図１に示されるドレンタンク１０２に回収され、このドレンタンク１０２に回収された凝縮水は、凝縮水供給管１０４を通じて改質触媒２８に供給され、この改質触媒２８にて水蒸気改質用の水蒸気として利用される。

このように、第一実施形態に係る燃料電池システムＳ１によれば、バーナ３０から排出された排ガスから凝縮水を回収し、この凝縮水を改質触媒２８に供給する。従って、バーナ３０から排出される排ガスを、改質触媒２８における水蒸気改質用の水蒸気を生成するために有効に活用することができる。

また、上述のように、バーナ３０から排出された排ガスから凝縮水を回収し、この凝縮水を改質触媒２８に供給するので、外部から改質触媒２８への給水が不要である。これにより、外部からの水を改質触媒２８へ供給するための水供給施設を不要にできる。

しかも、この燃料電池システムＳ１によれば、上述のように、排ガスに含まれる水蒸気から凝縮水を生成するために、交換や再生が不要な蒸留膜７０（図４参照）が用いられている。従って、凝縮水を安定して生成させるための定期的なメンテナンスを不要にすることができるので、例えばイオン交換樹脂を備えた水処理装置を用いる場合に比して、メンテナンスコストを低減することができる。

また、蒸留膜７０は電気で再生する必要が無いので、蒸留膜７０の性能を維持するために燃料電池システムＳ１にて発電された電力を使用することを回避できる。これにより、例えば電気脱イオン式の水処理装置を用いる場合に比して、燃料電池システムＳ１の発電効率を向上させることができる。

また、図４に示されるように、熱交換器１８に設けられた蒸留膜７０は、筒状に形成されると共に、その内側に排ガス流路７６を形成しており、伝熱壁８４は、蒸留膜７０の周囲に環状に設けられ、外壁９６は、伝熱壁８４の周囲に環状に設けられている。従って、筒状に形成された蒸留膜７０の全周に亘って水蒸気が蒸留膜７０を透過し、この水蒸気から凝縮水を伝熱壁８４の全周に亘って生成することができる。これにより、凝縮水の生成効率を向上させることができる。

また、図１に示されるように、燃料電池システムＳ１には、湯水を貯留する貯湯タンク２２が備えられており、この貯湯タンク２２から供給された貯湯循環水は、図４に示される伝熱壁８４と外壁９６との間に形成された貯湯循環水流路９８を流通する。従って、この貯湯循環水を、蒸留膜７０と伝熱壁８４との間の凝縮空間８６に移動した水蒸気の熱で加熱することができる。これにより、図１に示されるバーナ３０から排出された排ガスの熱を貯湯タンク２２に貯留される湯水の加熱のために有効に活用することができる。

続いて、第一実施形態の変形例について説明する。

上述の第一実施形態において、バーナ３０には、燃料電池スタック１６の燃料極５４から排出された燃料極排ガスと、燃料電池スタック１６の空気極５６から排出された空気極排ガスとを含むスタック排ガスがバーナガスとして供給される。しかしながら、バーナ３０には、燃料電池スタック１６の燃料極５４から排出された燃料極排ガスと、外部（燃料電池スタック１６の空気極５６以外）から供給された空気ガスとの混合ガスがバーナガスとして供給されても良い。

また、上述の第一実施形態において、熱交換器１８にて生成されドレンタンク１０２に貯留された凝縮水は、改質触媒２８に供給されて、この改質触媒２８における水蒸気改質に利用される。しかしながら、ドレンタンク１０２に貯留された凝縮水は、改質触媒２８における水蒸気改質に利用されることに加え、その他で利用されても良い。

また、上述の第一実施形態では、熱交換器１８において凝縮水を生成するための冷却流体の一例として、貯湯タンク２２から供給された貯湯循環水が用いられるが、貯湯循環水以外の冷却水が用いられても良い。また、熱交換器１８において凝縮水を生成するための冷却流体として、例えば、酸化ガス管６０を通じて空気極５６に供給される酸化ガスなどの気体や、その他の気体及び液体が適宜用いられても良い。

また、上述の第一実施形態では、図４に示されるように、蒸留膜７０が筒状に形成されると共に、この筒状に形成された蒸留膜７０の内側が排ガス流路７６として形成されている。しかしながら、蒸留膜７０は、例えば、排ガス流路７６を形成する管体における周方向の一部のみを構成するなど、筒状以外の形状で形成されていても良い。また、伝熱壁８４及び外壁９６も、凝縮空間８６及び貯湯循環水流路９８（冷却流体流路）を形成できる構造であれば、例えば平板状や円弧状に形成されるなど、環状以外の形状で形成されていても良い。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について説明する。

図２に示される第二実施形態に係る燃料電池システムＳ２は、上述の第一実施形態に係る燃料電池システムＳ１（図１参照）に対し、次のように構造が変更されている。なお、第二実施形態において、上述の第一実施形態と同様の構造については、同一の符号を用い、その説明を省略する。

第二実施形態に係る燃料電池システムＳ２において、ホットモジュール６６は、改質触媒２８及び燃料電池スタック１６により構成されており、上述のバーナ３０（図１）を備えない構成とされている。このホットモジュール６６では、燃料電池スタック１６の排熱により改質触媒２８が加熱される。

また、燃料電池スタック１６の空気極５６には、空気極排ガス管６４が接続されており、空気極５６から排出された排ガスは、この空気極排ガス管６４を通じて外部に排出される。

一方、燃料電池スタック１６の燃料極５４には、燃料極排ガス管６２の一端が接続されており、この燃料極排ガス管６２の他端は、上述の熱交換器１８における排ガス流路７６（図４参照）の入口部に接続されている。この排ガス流路７６には、上述の燃料電池スタック１６の燃料極５４から排出され水蒸気を含む排ガス（燃料極排ガス）が流通する。

そして、この熱交換器１８では、貯湯循環水流路９８に貯湯循環水が流通している状態で、排ガス流路７６内の排ガスに含まれる水蒸気が蒸留膜７０を透過して凝縮空間８６に移動すると、この凝縮空間８６に移動した水蒸気が伝熱壁８４の表面上で熱を放出し凝縮される。また、このようにして凝縮空間８６にて生成された凝縮水（蒸留水）は、上述のように、凝縮水回収・供給部２４により回収され、この改質触媒２８にて水蒸気改質用の水蒸気として利用される。

なお、蒸留膜方式において、燃料極５４からの排ガスに含まれる揮発性成分は、水蒸気と共に揮発同伴する特性があるが、例えば、燃料極５４からの排ガスに比較的多く含まれる可能性のあるアンモニアについては、原水のpHが６以下であれば透過側へのアンモニアの混入が無いことが示されている（化学工学論文集 第19巻 第2号(1993)）、膜蒸留法における揮発性および不揮発性成分の透過特性、黒川ら）。

また、この第二実施形態に係る燃料電池システムＳ２は、ガス燃焼部１２０をさらに備える。このガス燃焼部１２０は、例えば、ガスエンジンやガスタービンなどその他の発電システムとされる。ガス燃焼部１２０の入口部は、熱交換器排ガス管１２２を介して上述の熱交換器１８における排ガス流路７６（図４参照）の出口部と接続されている。そして、排ガス流路７６から排出され水素ガスを含む排ガスは、燃料ガスとしてガス燃焼部１２０に供給され燃焼される。

この第二実施形態に係る燃料電池システムＳ２によれば、排ガス流路７６から排出され水素ガスを含む排ガスを燃料ガスとしてガス燃焼部１２０に供給することができる。従って、この排ガス流路７６から排出された排ガスをガス燃焼部１２０における燃料ガスとして有効に活用することができる。

なお、第二実施形態に係る燃料電池システムＳ２において、燃料電池スタック１６の空気極５６から排出された排ガスは、空気極排ガス管６４を通じて外部に排出されるが、燃料電池スタック１６の燃料極５４から排出され水蒸気を含む排ガスと混合されて上述の熱交換器１８における排ガス流路７６（図４参照）に供給されても良い。

［第三実施形態］
次に、本発明の第三実施形態について説明する。

図３に示される第三実施形態に係る燃料電池システムＳ３は、上述の第一実施形態に係る燃料電池システムＳ１（図１参照）に対し、次のように構造が変更されている。なお、第三実施形態において、上述の第一実施形態と同様の構造については、同一の符号を用い、その説明を省略する。

第三実施形態に係る燃料電池システムＳ３において、ホットモジュール６６は、改質触媒２８及び燃料電池スタック１６により構成されており、上述のバーナ３０（図１）を備えない構成とされている。このホットモジュール６６では、燃料電池スタック１６の排熱により改質触媒２８が加熱される。

また、燃料電池スタック１６の空気極５６には、空気極排ガス管６４が接続されており、空気極５６から排出された排ガスは、この空気極排ガス管６４を通じて外部に排出される。一方、燃料電池スタック１６の燃料極５４には、燃料極排ガス管６２の一端が接続されている。この燃料極排ガス管６２の他端側は、一対の排ガス供給管１２４，１２６に分岐されている。

一方の排ガス供給管１２４は、上述の熱交換器１８における排ガス流路７６（図４参照）の入口部に接続されている。この排ガス流路７６には、上述の燃料電池スタック１６の燃料極５４から排出され水蒸気を含む排ガス（燃料極排ガス）の一部が流通する。

そして、この熱交換器１８では、貯湯循環水流路９８に貯湯循環水が流通している状態で、排ガス流路７６内の排ガスに含まれる水蒸気が蒸留膜７０を透過して凝縮空間８６に移動すると、この凝縮空間８６に移動した水蒸気が伝熱壁８４の表面上で熱を放出し凝縮される。また、このようにして凝縮空間８６にて生成された凝縮水（蒸留水）は、上述のように、凝縮水回収・供給部２４により回収され、この改質触媒２８に供給される。

なお、蒸留膜方式において、燃料極５４からの排ガスに含まれる揮発性成分は、水蒸気と共に揮発同伴する特性があるが、例えば、燃料極５４からの排ガスに比較的多く含まれる可能性のあるアンモニアについては、原水のpHが６以下であれば透過側へのアンモニアの混入が無いことが示されている（化学工学論文集 第19巻 第2号(1993)）、膜蒸留法における揮発性および不揮発性成分の透過特性、黒川ら）。

他方の排ガス供給管１２６は、上述の原料ガス管３６に接続されている。この原料ガス管３６では、上述の燃料電池スタック１６の燃料極５４から排出された排ガス（未反応の水素ガスも含む）の残りと、脱硫器１２にて硫黄化合物が吸着除去された都市ガスとが混合される。この原料ガス管３６にて混合されたガスは、原料ガスとして改質触媒２８に供給される。

そして、この改質触媒２８では、原料ガス管３６を通じて供給された原料ガスが、凝縮水供給管１０４を通じて供給された凝縮水を利用して水蒸気改質される。

この第三実施形態に係る燃料電池システムＳ３によれば、燃料電池スタック１６の燃料極５４から排出された排ガスを、熱交換器１８の排ガス流路７６（図４参照）及び改質触媒２８にそれぞれ供給することができる。従って、この燃料電池スタック１６の燃料極５４から排出された排ガスを、熱交換器１８における凝縮水生成と、改質触媒２８における原料ガスとして有効に活用することができる。

なお、第三実施形態に係る燃料電池システムＳ３において、燃料電池スタック１６の空気極５６から排出された排ガスは、空気極排ガス管６４を通じて外部に排出されるが、燃料電池スタック１６の燃料極５４から排出され水蒸気を含む排ガスと混合されて上述の熱交換器１８における排ガス流路７６（図４参照）に供給されても良い。

また、上述の第一実施形態における複数の変形例のうち第二及び第三実施形態に適用可能な変形例は、第二及び第三実施形態の変形例として採用されても良い。

以上、本発明の第一乃至第三実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。

Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３…燃料電池システム、１２…脱硫器、１６…燃料電池スタック、１８…熱交換器、２２…貯湯タンク、２４…凝縮水回収・供給部、２６…都市ガス管、２８…改質触媒、３０…バーナ、３６…原料ガス管、４２…スタック排ガス管、４６…燃料ガス管、５０…燃料電池セル、５２…電解質層、５４…燃料極、５６…空気極、５８…空気ブロワ、６０…酸化ガス管、６２…燃料極排ガス管、６４…空気極排ガス管、６６…ホットモジュール、６８…バーナ排ガス管、７０…蒸留膜、７２…内管、７４…外管、７６…排ガス流路、７８…排気口、８０…天壁部、８２…底壁部、８４…伝熱壁、８６…凝縮空間、８８…凝縮水排水管、９０…入口管、９２…出口管、９４…貯湯水循環回路、９６…外壁、９８…貯湯循環水流路（冷却流体流路の一例）、１００…凝縮水回収管、１０２…ドレンタンク、１０４…凝縮水供給管、１０６…ポンプ、１２０…ガス燃焼部、１２２…熱交換器排ガス管、１２４，１２６…排ガス供給管

Claims (7)

1. 原料ガスを水蒸気改質し水素ガスを含む燃料ガスを生成する改質触媒と、前記改質触媒から供給される燃料ガスと外部から供給される酸化ガスとを反応させて発電する固体酸化物形の燃料電池スタックとを有するホットモジュールと、
   前記ホットモジュールから排出され水蒸気を含む排ガスが流通する排ガス流路を形成する蒸留膜と、前記蒸留膜を透過する水蒸気が凝縮される凝縮空間を前記蒸留膜との間に形成する伝熱壁と、冷却流体が流通する冷却流体流路を前記伝熱壁との間に形成する外壁とを有する熱交換器と、
   前記凝縮空間にて生成される凝縮水を回収し、該凝縮水を前記改質触媒に供給する凝縮水回収・供給部と、
   を備える燃料電池システム。
2. 前記蒸留膜は、筒状に形成されると共に、その内側に前記排ガス流路を形成し、
   前記伝熱壁は、前記蒸留膜の周囲に環状に設けられ、
   前記外壁は、前記伝熱壁の周囲に環状に設けられている、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 湯水を貯留する貯湯タンクをさらに備え、
   前記冷却流体流路を流通する冷却流体は、前記貯湯タンクと前記冷却流体流路との間で循環する貯湯循環水である、
   請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記ホットモジュールは、前記改質触媒、前記燃料電池スタック、及び、前記改質触媒を加熱するバーナにより構成され、
   前記バーナには、前記燃料電池スタックの燃料極から排出される排ガスを含むバーナガスが供給され、
   前記排ガス流路には、前記バーナから排出され水蒸気を含む排ガスが流通する、
   請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
5. 前記ホットモジュールは、前記改質触媒及び前記燃料電池スタックにより構成され、
   前記排ガス流路には、前記燃料電池スタックの燃料極から排出され水蒸気を含む排ガスが流通する、
   請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
6. 前記排ガス流路から排出され水素ガスを含む排ガスが燃料ガスとして供給されるガス燃焼部をさらに備える、
   請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記排ガス流路には、前記燃料電池スタックの燃料極から排出され水蒸気を含む排ガスの一部が流通し、
   前記燃料電池スタックの燃料極から排出された排ガスの残りは、前記改質触媒に供給される、
   請求項５に記載の燃料電池システム。

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