JP2017183155A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギー効率を向上し得る燃料電池システムを提供する。
【解決手段】複数の燃料電池セル７夫々の燃料極７ａから排出される燃料極排ガスと酸素極７ｃから排出される酸素極排ガスとが混合された電池排ガスと、反応用空気供給手段８によりセルスタック９に供給される反応用空気とを熱交換させて、当該反応用空気を予熱する電池排ガス用熱交換器１６と、改質器３を加熱した後の改質器バーナ６の燃焼排ガスと、電池排ガス用熱交換器１６で予熱された反応用空気とを熱交換させて、当該反応用空気を追予熱するバーナ排ガス用熱交換器１９と、電池排ガス用熱交換器１６にて抜熱後の電池排ガスを燃焼させて、被加熱部１７を加熱する被加熱部加熱用バーナ１８とが設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、原燃料ガス供給源から供給される炭化水素系の原燃料ガスを改質反応させて、水素ガスと一酸化炭素ガスとを含む改質ガスを生成する改質器と、ガス燃料供給源から供給されるガス燃料を燃焼用空気供給手段により供給される燃焼用空気にて燃焼させて、その燃焼熱により改質器を改質反応可能に加熱する改質器バーナと、燃料極及び酸素極を有する複数の燃料電池セルを備えて、改質器から供給される改質ガスを各燃料電池セルの燃料極に分配可能で且つ反応用空気供給手段により供給される反応用空気を各燃料電池セルの酸素極に分配可能に構成されたセルスタックとを備えた燃料電池システムに関する。

かかる燃料電池システムは、セルスタックに備えられた複数の燃料電池セルにおいて、改質器から供給される改質ガスと反応用空気供給手段により供給される反応用空気中の酸素とを発電反応させて発電するものである。
複数の燃料電池セル夫々の燃料極から排出される燃料極排ガスや、酸素極から排出される酸素極排ガスは多量の熱を保有しており、しかも、燃料極排ガスには可燃成分である水素ガスが残存しているので、燃料電池システムのエネルギー効率を向上するには、燃料極排ガス及び酸素極排ガスの取り扱いが重要となる。

このような燃料電池システムでは、従来、セルスタックから排出された燃料極排ガスの一部と反応用空気供給手段によりセルスタックに供給される反応用空気とを熱交換する熱交換器と、その熱交換器で加熱された反応用空気とセルスタックから排出された酸素極排ガスとを熱交換させる再生器とが設けられていた。
つまり、セルスタックから排出された燃料極排ガスの一部の保有熱と、セルスタックから排出された酸素極排ガスの保有熱を回収して、反応用空気を予熱していた。
ちなみに、再生器において反応用空気との熱交換により抜熱した酸素極排ガスは、大気中に放出させていた（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００３−２８２１１８号公報

従来の燃料電池システムでは、セルスタックに供給される反応用空気は、セルスタックから排出された燃料極排ガスの一部の保有熱と、セルスタックから排出された酸素極排ガスの保有熱を回収して予熱するだけであり、しかも、反応用空気の予熱により抜熱した酸素極排ガスは、大気中に放出させていたので、エネルギー効率を向上する上で、改善の余地があった。

本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、エネルギー効率を向上し得る燃料電池システムを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る燃料電池システムは、原燃料ガス供給源から供給される炭化水素系の原燃料ガスを改質反応させて、水素ガスと一酸化炭素ガスとを含む改質ガスを生成する改質器と、
ガス燃料供給源から供給されるガス燃料を燃焼用空気供給手段により供給される燃焼用空気にて燃焼させて、その燃焼熱により前記改質器を改質反応可能に加熱する改質器バーナと、
燃料極及び酸素極を有する複数の燃料電池セルを備えて、前記改質器から供給される改質ガスを各燃料電池セルの燃料極に分配可能で且つ反応用空気供給手段により供給される反応用空気を各燃料電池セルの酸素極に分配可能に構成されたセルスタックとを備えた燃料電池システムであって、その特徴構成は、
前記複数の燃料電池セル夫々の前記燃料極から排出される燃料極排ガスと前記酸素極から排出される酸素極排ガスとが混合された電池排ガスと、前記反応用空気供給手段により前記セルスタックに供給される反応用空気とを熱交換させて、当該反応用空気を予熱する電池排ガス用熱交換器と、
前記改質器を加熱した後の前記改質器バーナの燃焼排ガスと、前記電池排ガス用熱交換器で予熱された反応用空気とを熱交換させて、当該反応用空気を追予熱するバーナ排ガス用熱交換器と、
前記電池排ガス用熱交換器にて抜熱後の電池排ガスを燃焼させて、被加熱部を加熱する被加熱部加熱用バーナとが設けられている点にある。

上記特徴構成によれば、反応用空気供給手段によりセルスタックに供給される反応用空気は、電池排ガス用熱交換器において、燃料極排ガスと酸素極排ガスとが混合された電池排ガスにより加熱されて予熱され、更に、バーナ排ガス用熱交換器において、改質器を加熱した後の改質器バーナの燃焼排ガスにより加熱されて追予熱される。又、電池排ガス用熱交換器において抜熱された電池排ガスは、被加熱部加熱用バーナで燃焼されて被加熱部が加熱される。

つまり、電池排ガスの保有熱を反応用空気に回収するのに加えて、改質器を加熱した後の改質器バーナの燃焼排ガスの保有熱をも反応用空気に回収するので、燃料電池システムで発生する熱を十分に回収して反応用空気を予熱することができ、更に、保有熱が反応用空気に回収された抜熱後の電池排ガスは、被加熱部を加熱するための被加熱部加熱用バーナに供給されて燃焼されるので、排熱損失を十分に小さくすることができる。
従って、エネルギー効率を向上し得る燃料電池システムを提供することができる。

本発明に係る燃料電池システムの更なる特徴構成は、前記電池排ガス用熱交換器にて抜熱後の電池排ガスを、水素ガスを含む水素含有排ガスと二酸化炭素ガスを含む二酸化炭素含有排ガスとに分離するガス分離器が設けられ、
前記ガス分離器にて分離された水素含有排ガスが、前記被加熱部加熱用バーナに供給される点にある。

上記特徴構成によれば、電池排ガス用熱交換器にて抜熱後の電池排ガスが、ガス分離器において、水素ガスを含む水素含有排ガスと二酸化炭素ガスを含む二酸化炭素含有排ガスとに分離され、水素含有排ガスが被加熱部加熱用バーナに供給される。
つまり、電池排ガスを被加熱部加熱用バーナに供給して燃焼させるにしても、ガス分離器において二酸化炭素ガスを含む二酸化炭素含有排ガスを分離することにより、被加熱部加熱用バーナには、可燃成分の比率を高めた水素含有排ガスを供給するので、被加熱部加熱用バーナの燃焼が不安定になるのを軽減することができる。

通常、被加熱部の加熱負荷を賄うには、電池排ガスに含まれる可燃成分だけでは不十分であり、被加熱部加熱用バーナには、別途、ガス燃料が供給される。
そこで、電池排ガスを被加熱部加熱用バーナに供給するにしても、ガス分離器にて不燃成分を分離することにより、被加熱部加熱用バーナに供給されるガス燃料中の不燃成分の比率を十分に小さくすることができるので、被加熱部加熱用バーナとして、従来から用いられているものを用いることが可能であり、又、改造が必要な場合でも、軽微な改造で済ますことが可能である。
従って、燃料電池システムの低価格化を図ることができる。

本発明に係る燃料電池システムの更なる特徴構成は、廃液供給源からアルカリ性廃液が供給されると共に、前記ガス分離器にて分離された二酸化炭素含有排ガスが供給されて、アルカリ性廃液を二酸化炭素含有排ガス中の二酸化炭素ガスを用いて中和する廃液中和装置が設けられている点にある。

上記特徴構成によれば、廃液中和装置において、ガス分離器にて電池排ガスから分離された二酸化炭素含有排ガスにより、廃液供給源から供給されるアルカリ性廃液が中和処理される。
つまり、アルカリ性廃液を中和処理するための二酸化炭素ガスを、電池排ガス中に含有される二酸化炭素ガスにて賄うことができる。
従って、アルカリ性廃液が発生する施設（例えば、メッキ工場等）に燃料電池システムを設置する場合は、アルカリ性廃液を中和処理するためのコストを軽減することができるので、アルカリ性廃液の処理コストを含めた総合効率を向上することができる。

本発明に係る燃料電池システムの更なる特徴構成は、前記被加熱部が蒸気ボイラである点にある。

上記特徴構成によれば、電池排ガスが被加熱部用バーナで燃焼されることにより、被加熱部としての蒸気ボイラが加熱されるので、その蒸気ボイラで生成された蒸気を消費することができる。
従って、エネルギー効率を向上することにより、エネルギーコストを低減するにしても、特に、蒸気を生成するためのエネルギーコストを低減することができる。

実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示すブロック図

以下、図面に基づいて、本発明の実施形態を説明する。
図１に示すように、燃料電池システムは、原燃料ガス供給源１から供給される炭化水素系の原燃料ガスを水蒸気生成器２から供給される水蒸気により改質反応させて、水素ガスと一酸化炭素ガスとを含む改質ガスを生成する改質器３と、ガス燃料供給源４から供給されるガス燃料を燃焼用空気ブロア５（燃焼用空気供給手段の一例）により供給される燃焼用空気にて燃焼させて、その燃焼熱により改質器３を改質反応可能に加熱する改質器バーナ６と、燃料極７ａ及び酸素極７ｃを有する複数の燃料電池セル７を備えて、改質器３から供給される改質ガスを各燃料電池セル７の燃料極７ａに分配可能で且つ反応用空気ブロア８（反応用空気供給手段の一例）により供給される反応用空気を各燃料電池セル７の酸素極７ｃに分配可能に構成されたセルスタック９等を備えて構成されている。

原燃料ガス及びガス燃料としては、同一の都市ガス（例えば、１３Ａ等の天然ガスベースの都市ガス）が用いられ、原燃料ガス供給源１及びガス燃料供給源４は、いずれも、都市ガスが圧送される都市ガス供給管１０にて構成される。
又、燃料電池システムには、原燃料ガス供給源１から供給される原燃料ガスを脱硫する脱硫器１１が設けられ、その脱硫器１１で脱硫された原燃料ガスが改質器３に供給されるように構成されている。

更に、燃料電池システムには、セルスタック９から出力される直流電力を交流電力に変換する系統連系用のインバータ１２が設けられ、そのインバータ１２の出力側が、複数の電気負荷１３が接続された宅内系統１４に接続され、その宅内系統１４は商用電力系統１５にも接続されている。商用電力は、例えば、単相３線式１００／２００Ｖであり、インバータ１２は、セルスタック９から出力される直流電力を商用電力系統１５から受電する交流電力と同じ電圧及び同じ周波数に変換するように構成されている。

燃料電池システムには、複数の燃料電池セル７夫々の燃料極７ａから排出される燃料極排ガスと酸素極７ｃから排出される酸素極排ガスとが混合された電池排ガスと、反応用空気ブロア８によりセルスタック９に供給される反応用空気とを熱交換させて、当該反応用空気を予熱する電池排ガス用熱交換器１６と、改質器３を加熱した後の改質器バーナ６の燃焼排ガスと、電池排ガス用熱交換器１６で予熱された反応用空気とを熱交換させて、当該反応用空気を追予熱するバーナ排ガス用熱交換器１９と、電池排ガス用熱交換器１６にて抜熱後の電池排ガスを燃焼させて、蒸気ボイラ１７（被加熱部の一例）を加熱するボイラ加熱用バーナ１８（被加熱部加熱用バーナの一例）とが設けられている。

この実施形態では、電池排ガス用熱交換器１６にて抜熱後の電池排ガスを、水素ガスを含む水素含有排ガスと二酸化炭素ガスを含む二酸化炭素含有排ガスとに分離するガス分離器２０が設けられ、ガス分離器２０にて分離された水素含有排ガスが、ボイラ加熱用バーナ１８に供給される。
又、廃液供給源Ｓからアルカリ性廃液が供給されると共に、ガス分離器２０にて分離された二酸化炭素含有排ガスが供給されて、アルカリ性廃液を二酸化炭素含有排ガス中の二酸化炭素ガスを用いて中和する廃液中和装置２１が設けられている。
廃液供給源Ｓの具体例としては、例えば、メッキ工場等がある。

次に、図１に基づいて、燃料電池システムの各部について説明を加える。
燃料電池セル７及びセルスタック９は周知であるので、詳細な説明及び図示を省略して、簡単に説明する。
燃料電池セル７は、燃料極７ａと空気極７ｃとの間に固体電解質層（図示省略）を備えた固体酸化物型に構成されている。ちなみに、固体電解質層としては、例えば酸化ジルコニウムが用いられる。
各燃料電池セル７の燃料極７ａは、面方向に沿って改質ガスを通流させることが可能に構成され、燃料極７ａの互いに対向する一対の端縁部の一方に、改質ガスを導入するガス導入口（図示省略）が備えられ、他方に、発電反応に用いられた後の燃料極排ガスを排出するガス排出口（図示省略）が備えられている。又、各燃料電池セル７の酸素極７ｃは、面方向に沿って反応用空気を通流させることが可能に構成され、酸素極７ｃの互いに対向する一対の端縁部の一方に、反応用空気を導入するガス導入口（図示省略）が備えられ、他方に、発電反応に用いられた後の酸素極排ガスを排出するガス排出口（図示省略）が備えられている。

そして、セルスタック９は、複数の燃料電池セル７が、夫々の燃料極７ａ及び酸素極７ｃのガス導入口が開口する端縁部を同一方向に向けた姿勢で、電気的に直列接続した状態で積層状態に組み付けられて構成されている。
この燃料電池セル７の積層体における燃料極７ａ及び酸素極７ｃ夫々のガス導入口が開口する側面部には、各燃料電池セル７の燃料極７ａのガス導入口に連通する燃料極マニホールド２２、及び、各燃料電池セル７の酸素極７ｃのガス導入口に連通する酸素極マニホールド２３が設けられている。
又、燃料電池セル７の積層体における燃料極７ａ及び酸素極７ｃ夫々のガス排出口が開口する側面部には、電池排ガス用熱交換器１６が、その授熱側通流部１６ｇを各燃料電池セル７の燃料極７ａ及び酸素極７ｃ夫々のガス排出口に連通させる状態で、燃料電池セル７の積層体に隣接配置されて、その授熱側通流部１６ｇに、複数の燃料電池セル７の燃料極７ａから燃料極排ガスが、複数の燃料電池セル７の酸素極７ｃから酸素極排ガスが、夫々、直接導入されて混合されるように構成されている。

図１中において太実線で示すように、都市ガス供給管１０からの都市ガスを原燃料ガスとして導く原燃料ガス流路２４が、脱硫器１１を経由して改質器３に接続され、その改質器３で生成された改質ガスを導く改質ガス流路２５が、セルスタック９の燃料極マニホールド２２に接続されている。
原燃料ガス流路２４には、原燃料ガスの供給を断続する原燃料ガス用電磁弁２６、及び、原燃料ガスの供給量を調整する原燃料ガス用比例弁２７が設けられている。

図１中において細実線で示すように、水蒸気生成用の水である改質用水を供給する改質用水流路２８が水蒸気生成器２に接続され、その水蒸気生成器２で生成された水蒸気を導く水蒸気流路２９が、脱硫器１１と改質器３とに接続された原燃料ガス流路２４に設けられたエジェクタ３０に接続されている。改質用水流路２８には、改質用水を水蒸気生成器２に送給する改質用水ポンプ３１が設けられている。

そして、エジェクタ３０において、脱硫器１１にて脱硫された原燃料ガスに水蒸気生成器２で生成された水蒸気を混合させることにより、水蒸気が混合された状態で原燃料ガスが改質器３に供給されるように構成されている。

改質器３は、公知の種々の構成のものを使用可能であるので、詳細な説明及び図示を省略して、その一例を説明すると、改質器３には、改質触媒（図示省略）が充填され、改質器バーナ６によりガス燃料を燃焼させる燃焼空間３ｓが、改質触媒を加熱可能に改質器３内に配設されている。
図１中において太実線にて示すように、都市ガス供給管１０からの都市ガスをガス燃料として導く改質器バーナ用のガス燃料流路３４が、改質器バーナ６に接続され、図１中において破線で示すように、燃焼用空気ブロア５から送出される燃焼用空気を導く燃焼用空気流路３３が、改質器バーナ６に接続されている。
改質器バーナ６に接続されたガス燃料流路３４には、改質器バーナ６へのガス燃料の供給を断続するガス燃料用電磁弁３６、及び、改質器バーナ６へのガス燃料の供給量を調整するガス燃料用比例弁３７が設けられている。

そして、燃焼空間３ｓにおいて、改質器バーナ６によりガス燃料を燃焼させることにより、改質触媒を改質処理可能に加熱する構成になっている。例えば、原燃料ガスが、メタンガスを主成分とする天然ガスベースの都市ガスである場合は、改質器３においては、例えば６００〜７００°Ｃの範囲の改質処理温度の下で、改質触媒の触媒作用により、メタンガスと水蒸気とが下記の〔化１〕の反応式にて改質反応して、水素ガスと一酸化炭素ガスを含む改質ガスが生成される。

〔化１〕
ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ₂

バーナ排ガス用熱交換器１９は、その授熱側通流部１９ｇに改質器３の燃焼空間３ｓにおける燃焼排ガスの流出口（図示省略）を連通させる状態で、改質器３に隣接配置されて、その授熱側通流部１９ｇに、改質器３（具体的には、改質触媒）を加熱した後の改質器バーナ６の燃焼排ガスが直接導入されるように構成されている。

図１中において破線で示すように、反応用空気ブロア８から送出される反応用空気を導く反応用空気流路３２が、電池排ガス用熱交換器１６の受熱側通流部１６ｔ、バーナ排ガス用熱交換器１９の受熱側通流部１９ｔを順に経由して、セルスタック９の酸素極マニホールド２３に接続されている。

つまり、改質器３で生成された改質ガスが燃料極マニホールド２２に供給されて、セルスタック９の複数の燃料電池セル７夫々の燃料極７ａに分配される。並びに、反応用空気ブロア８から送出される反応用空気が、電池排ガス用熱交換器１６にて電池排ガスによる加熱により予熱され、更に、バーナ排ガス用熱交換器１９にて改質器３を加熱した後の改質器バーナ６の燃焼排ガスによる加熱により追予熱された後、酸素極マニホールド２３に供給されて、セルスタック９の複数の燃料電池セル７夫々の酸素極７ｃに分配される。

ちなみに、セルスタック９から電池排ガス用熱交換器１６の授熱側通流部１６ｇに導入される電池排ガスの温度は、例えば６５０℃程度であり、改質器３の燃焼空間３ｓからバーナ排ガス用熱交換器１９の授熱側通流部１９ｇに導入される燃焼排ガスの温度は、例えば６５０℃程度である。
そして、反応用空気ブロア８から送出される反応用空気の温度を、例えば２０℃とすると、その反応用空気は、電池排ガス用熱交換器１６において、例えば６０℃程度に予熱され、更に、バーナ排ガス用熱交換器１９において、例えば８０℃程度に追予熱される。

セルスタック９の各燃料電池セル７の燃料極７ａでは、下記の〔化２〕及び〔化３〕の反応が生じると共に、セルスタック９の各燃料電池セル７の酸素極７ｃでは、下記の〔化４〕の反応が生じて、各燃料電池セル７において発電されて、発電電力がインバータ１２に出力される。

〔化２〕
Ｈ₂＋Ｏ^2-→Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^-
〔化３〕
ＣＯ＋Ｏ^2-→ＣＯ₂＋２ｅ^-
〔化４〕
１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｏ^2-

つまり、燃料極７ａから排出される燃料極排ガスには、上記の反応で生じた水蒸気（Ｈ₂Ｏ）、二酸化炭素ガス（ＣＯ₂）に加えて、未反応の改質ガス、即ち、水素ガス（Ｈ₂）、一酸化炭素ガス（ＣＯ）が含まれ、酸素極７ｃから排出される酸素極排ガスには、反応用空気中の未反応の酸素ガス（Ｏ₂）、反応用空気中の窒素ガス（Ｎ₂）等が含まれる。
電池排ガス用熱交換器１６においては、燃料極排ガスと酸素極排ガスとが混合されて、水蒸気、二酸化炭素ガス、水素ガス、一酸化炭素ガス、窒素ガス及び酸素ガス等が含まれる電池排ガスと、反応用空気ブロア８から送出される反応用空気とが熱交換されて、反応用空気が予熱され、抜熱後の電池排ガスがガス分離器２０に供給される。

ガス分離器２０は、公知の種々の構成のものを使用可能であり、この実施形態では、例えば、ＰＳＡ（圧力変動吸着）式のものが用いられる。このＰＳＡ式のガス分離器２０は、公知であるので、詳細な説明及び図示を省略して、簡単に説明すると、吸着剤のガスに対する吸着速度の違いを利用して、加圧と減圧の操作を交互に繰り返しながら、目的とするガスを連続的に分離するように構成されている。
この実施形態では、ＰＳＡ式のガス分離器２０は、供給される電池排ガスを、水素ガス、一酸化炭素ガスを含む水素含有排ガスと、二酸化炭素ガス、水蒸気、窒素ガスを含む二酸化炭素含有排ガスとに分離するように構成されている。

廃液中和装置２１も、公知の種々の構成のものを使用可能であり、この実施形態では、例えば、中和処理対象のアルカリ性廃液と二酸化炭素ガスを含む二酸化炭素含有排ガスとを気液接触させて、二酸化炭素ガスをアルカリ性廃液に溶存させることにより、アルカリ性廃液を中和させるように構成されたものが使用される。

図１中において太実線にて示すように、電池排ガス用熱交換器１６の受熱側通流部１６ｔを通流する反応用空気との熱交換により抜熱されて、電池排ガス用熱交換器１６の授熱側通流部１６ｇから排出される電池排ガスを導く電池排ガス流路４４が、ガス分離器２０の分離対象ガスの受入口に接続されている。この電池排ガス流路４４には、ガス分離器２０に供給される電池排ガスを冷却する電池排ガス冷却器４３が設けられている。この電池排ガス冷却器４３は、詳細な説明及び図示を省略するが、供給される水と電池排ガスとを熱交換させて水を加熱する水加熱用熱交換器と、その水加熱用熱交換器で冷却された電池排ガスを更に冷却するラジエータとを備えて構成されて、電池排ガスを、ガス分離器２０のガス分離機能を適切に発揮させることが可能な温度にまで冷却するように構成されている。ちなみに、電池排ガス冷却器４３の水加熱用熱交換器にて加熱された湯水は、給湯用等に用いられる。
又、図１中において一点鎖線にて示すように、ガス分離器２０で分離された水素含有排ガスと二酸化炭素含有排ガスのうち、水素含有排ガスを導く水素含有排ガス流路４５がボイラ加熱用バーナ１８に接続され、二酸化炭素含有排ガスを導く二酸化炭素含有排ガス流路４６が廃液中和装置２１に接続されている。

図１中において太実線にて示すように、都市ガス供給管１０からの都市ガスをガス燃料として導くボイラ用のガス燃料流路３５が、ボイラ加熱用バーナ１８に接続され、そのボイラ加熱用バーナ１８には、ボイラ用の燃焼用空気ブロア４０にて燃焼用空気を供給するボイラ用の燃焼用空気流路４１が接続されている。
又、ボイラ加熱用バーナ１８に接続されたガス燃料流路３５には、ボイラ加熱用バーナ１８へのガス燃料の供給を断続するガス燃料用電磁弁３８、及び、ボイラ加熱用バーナ１８へのガス燃料の供給量を調整するガス燃料用比例弁３９が設けられている。

図１中において細実線にて示すように、廃液供給源Ｓから送出されるアルカリ性廃液を導く廃液流路４７が廃液中和装置２１に接続され、中和処理されて廃液中和装置２１から送出される中和処理液を導く処理液流路４８が廃液中和装置２１に接続されている。
そして、図示を省略するが、廃液中和装置２１は、内部に廃液貯留部を備えられ、廃液流路４７から供給されるアルカリ性廃液を廃液貯留部に貯留し、その廃液貯留部に貯留されているアルカリ性廃液中に、二酸化炭素含有排ガス流路４６にて供給される二酸化炭素含有排ガスをバブリングさせて、二酸化炭素含有排ガスに含まれる二酸化炭素ガスをアルカリ性廃液に溶存させることにより、アルカリ性廃液を中和させる。
そして、中和処理されて廃液貯留部からオーバーフロー状態で送出される中和処理液を処理液流路４８にて導くように構成されている。

図示を省略するが、この燃料電池システムには、運転を制御する制御部が備えられており、以下、この制御部の制御動作を簡単に説明する。
制御部は、セルスタック９の発電出力を所定の目標出力に調整すべく、インバータ１２を制御すると共に、原燃料ガスの供給量、改質用水の供給量、反応用空気の供給量を、夫々、発電出力に応じた量に調整すべく、原燃料ガス用比例弁２７、改質用水ポンプ３１、反応用空気ブロア８を制御する。ちなみに、例えば、目標出力が、宅内系統１４の負荷電力に追従させるように設定される場合は、セルスタック９の発電出力を負荷電力に追従させる、所謂負荷追従運転が実行されることになる。

又、制御部は、改質器３に備えられた改質器温度センサ（図示省略）にて検出される温度が改質処理温度になるように、ガス燃料の供給量を調整すべく、ガス燃料用比例弁３７を制御すると共に、そのガス燃料の供給量に応じた量の燃焼用空気を供給すべく、燃焼用空気ブロア５を制御する。

ボイラ加熱用バーナ１８では、水素含有排ガス流路４５にて供給される水素含有排ガス中の水素ガスと、ガス燃料流路３５にて供給されるガス燃料とが、ボイラ用の燃焼用空気ブロア４０により燃焼用空気流路４１を通して供給される燃焼用空気にて燃焼されることになる。
そして、制御部は、ボイラ加熱用バーナ１８の燃焼量が蒸気ボイラ１７の加熱負荷を賄うための所定の燃焼量になるように、ガス燃料流路３５にて供給されるガス燃料の供給量を調整すべく、ガス燃料用比例弁３９を制御すると共に、その燃焼量に応じた量の燃焼用空気を供給すべく、ボイラ用の燃焼用空気ブロア４０を制御する。

ちなみに、ガス燃料用比例弁３９により供給量が調整される状態でボイラ加熱用バーナ１８へ供給されるガス燃料の熱量に対する、水素含有排ガス流路４５を通してボイラ加熱用バーナ１８へ供給される水素含有排ガスの熱量の比率は、例えば、１〜２％程度である。

上述のように構成された燃料電池システムでは、電池排ガスの保有熱を反応用空気に回収するのに加えて、改質器３を加熱した後の改質器バーナ６の燃焼排ガスの保有熱をも反応用空気に回収するので、燃料電池システムで発生する熱を十分に回収して反応用空気を予熱することができ、更に、保有熱が反応用空気に回収された抜熱後の電池排ガスは、蒸気ボイラ１７を加熱するためのボイラ加熱用バーナ１８に供給されて燃焼されるので、排熱損失を十分に小さくすることができる。
従って、燃料電池システムのエネルギー効率を向上することができる。

又、電池排ガスをボイラ加熱用バーナ１８に供給して燃焼させるにしても、ガス分離器２０において二酸化炭素ガスを含む二酸化炭素含有排ガスを分離することにより、ボイラ加熱用バーナ１８には、可燃成分の比率を高めた水素含有排ガスにて供給する。
しかも、ボイラ加熱用バーナ１８には、主燃料として、ガス燃料流路３５を通してガス燃料を供給するので、ボイラ加熱用バーナ１８に供給されるガス燃料中の不燃成分の比率が十分に小さくなり、ボイラ加熱用バーナ１８の燃焼が不安定になるのを軽減することができる。

〔別実施形態〕
（Ａ）被加熱部の具体例としては、上記の実施形態において例示した蒸気ボイラ１７に限定されるものではなく、例えば、温水ボイラや各種の炉を適用することができる。

（Ｂ）上記の実施形態では、ガス分離器２０を設けたが、このガス分離器２０を設けずに、電池排ガス用熱交換器１６にて抜熱後の電池排ガスをそのままボイラ加熱用バーナ１８に供給する構成としても良い。

（Ｃ）バーナ排ガス用熱交換器１９で予熱された反応用空気の一部を、燃焼用空気として、改質器バーナ６やボイラ加熱用バーナ１８に供給するように構成しても良い。この場合は、エネルギー効率を更に向上することが可能となる。

尚、上記の実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、又、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。

以上説明したように、エネルギー効率を向上し得る燃料電池システムを提供することができる。

１ 原燃料ガス供給源
３ 改質器
４ ガス燃料供給源
５ 燃焼用空気ブロア（燃焼用空気供給手段）
６ 改質器バーナ
７ 燃料電池セル
７ａ 燃料極
７ｃ 酸素極
８ 反応用空気ブロア（反応用空気供給手段）
９ セルスタック
１６ 電池排ガス用熱交換器
１７ 蒸気ボイラ（被加熱部）
１８ ボイラ加熱用バーナ（被加熱部加熱用バーナ）
１９ バーナ排ガス用熱交換器
２０ ガス分離器
２１ 廃液中和装置
Ｓ 廃液供給源

Claims (4)

1. 原燃料ガス供給源から供給される炭化水素系の原燃料ガスを改質反応させて、水素ガスと一酸化炭素ガスとを含む改質ガスを生成する改質器と、
   ガス燃料供給源から供給されるガス燃料を燃焼用空気供給手段により供給される燃焼用空気にて燃焼させて、その燃焼熱により前記改質器を改質反応可能に加熱する改質器バーナと、
   燃料極及び酸素極を有する複数の燃料電池セルを備えて、前記改質器から供給される改質ガスを各燃料電池セルの燃料極に分配可能で且つ反応用空気供給手段により供給される反応用空気を各燃料電池セルの酸素極に分配可能に構成されたセルスタックとを備えた燃料電池システムであって、
   前記複数の燃料電池セル夫々の前記燃料極から排出される燃料極排ガスと前記酸素極から排出される酸素極排ガスとが混合された電池排ガスと、前記反応用空気供給手段により前記セルスタックに供給される反応用空気とを熱交換させて、当該反応用空気を予熱する電池排ガス用熱交換器と、
   前記改質器を加熱した後の前記改質器バーナの燃焼排ガスと、前記電池排ガス用熱交換器で予熱された反応用空気とを熱交換させて、当該反応用空気を追予熱するバーナ排ガス用熱交換器と、
   前記電池排ガス用熱交換器にて抜熱後の電池排ガスを燃焼させて、被加熱部を加熱する被加熱部加熱用バーナとが設けられている燃料電池システム。
2. 前記電池排ガス用熱交換器にて抜熱後の電池排ガスを、水素ガスを含む水素含有排ガスと二酸化炭素ガスを含む二酸化炭素含有排ガスとに分離するガス分離器が設けられ、
   前記ガス分離器にて分離された水素含有排ガスが、前記被加熱部加熱用バーナに供給される請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 廃液供給源からアルカリ性廃液が供給されると共に、前記ガス分離器にて分離された二酸化炭素含有排ガスが供給されて、アルカリ性廃液を二酸化炭素含有排ガス中の二酸化炭素ガスを用いて中和する廃液中和装置が設けられている請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記被加熱部が蒸気ボイラである請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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