JP2019169419A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】アノードオフガス中の水を効果的に凝縮させることの可能な燃料電池システムを得る。【解決手段】アノードオフガス管Ｐ７は、第１熱交換部３０、及び第１空気予熱部３２を経て燃料再生部２２と接続されている。第１空気予熱部３２では、アノードオフガスと第１カソード１６Ａへ向かう空気との間で熱交換が行われ、アノードオフガスが冷却されると共に、空気が加熱される。燃料再生部２２には、アノードオフガスから、熱交換による冷却により凝縮された水が貯留される。【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システムに関する。
燃料電池システムとして、燃料電池セルスタックから排出されたアノードオフガスを、発電用の燃料として再利用するものが開発されている。例えば、特許文献１には、３個の燃料電池を直列に接続し、前段の燃料電池セルスタックから排出されたアノードオフガスを、後段の燃料電池セルスタックのアノードへ供給する構成が開示されている。このようにアノードオフガスを発電用の燃料として再利用する場合、アノードオフガスから水を除去することにより、再生燃料として反応に寄与する成分濃度を高くすることが行われる。
例えば、特許文献１では、アノードオフガスと水除去後の再生燃料ガスとで熱交換を行い、アノードオフガス中の水蒸気を凝縮させ、アノードオフガスから水を除去して再生燃料ガスとしている。しかしながら、水除去後の再生燃料ガスの流量は、水除去前と比較して減少しているため、アノードオフガスを十分に冷却することが難しい。一方、特許文献２では、特許文献１と同様にアノードオフガスと水除去後の再生燃料ガスとで熱交換を行うと共に、アノードオフガスから分離された凝縮水を用いてアノードオフガスの冷却が行われている。しかしながら、凝縮水でアノードオフガスを冷却するためには、十分な凝縮が行われることが前提であり、凝縮水との熱交換だけでは十分な冷却は難しい。
特許第３９２４２４３号 特開２０１５−１３８５７３号公報
本発明は上記事実を考慮して成されたもので、アノードオフガス中の水を効果的に凝縮させることの可能な燃料電池システムを得ることを目的とする。
請求項１の発明に係る燃料電池システムは、燃料極へ供給される燃料ガスと空気極へ供給される空気により発電し、前記燃料極からアノードオフガスが排出される燃料電池と、前記アノードオフガスが流入され、前記アノードオフガス中の水が凝縮により分離されて貯留されると共に、水が分離された後のアノードオフガスを再生燃料ガスとして送出する燃料再生部と、前記再生燃料ガスと前記アノードオフガスとの間で熱交換を行う第１熱交換部と、前記燃料再生部よりも上流側で前記アノードオフガスと前記空気との間で熱交換を行う空気予熱部と、を備えている。
請求項１に係る燃料電池システムは、燃料電池、及び燃料再生部を備えている。燃料再生部は、流入されたアノードオフガス中の水が凝縮により分離されて貯留されると共に、水が分離された後のアノードオフガスを再生燃料ガスとして送出する。再生燃料ガスは、再度発電に供されたり、燃焼に供されたりする。
アノードオフガスは、第１熱交換部における再生燃料ガスとの熱交換により冷却される。また、空気予熱部における空気との熱交換により冷却される。一方、再生燃料ガスは、第１熱交換部におけるアノードオフガスとの熱交換により加熱され、カソードへ向かう空気は、空気予熱部におけるアノードオフガスとの熱交換により加熱される。
請求項１に係る燃料電池システムによれば、アノードオフガスは、再生燃料ガスとの熱交換に加えて、外部から供給される空気とも熱交換されるので、より温度が低下し、効果的に水蒸気を凝縮させることができる。また、空気を空気予熱部において加熱するので、システム内で有効に水蒸気の潜熱を利用することができる。
請求項２の発明に係る燃料電池システムは、可燃ガスを燃焼させる燃焼部と、前記空気予熱部で熱交換された空気と前記燃焼部から排出された燃焼排ガスとの間で熱交換を行う第２空気予熱部と、を備えている。
請求項２に係る燃料電池システムによれば、外部から取り込まれる空気は、燃焼部から排出された燃焼排ガスとの間で熱交換が行われる前に、空気予熱部で熱交換されるので、空気予熱部で効果的にアノードオフガスを冷却することができる。
請求項３の発明に係る燃料電池システムは、燃料極へ供給される燃料ガスと空気極へ供給される空気により発電し、前記燃料極からアノードオフガスが排出される燃料電池と、前記アノードオフガスが流入され、前記アノードオフガス中の水が凝縮により分離されて貯留されると共に、水が分離された後のアノードオフガスを再生燃料ガスとして送出する燃料再生部と、前記再生燃料ガスと前記アノードオフガスとの間で熱交換を行う第１熱交換部と、前記燃料再生部よりも上流側で前記アノードオフガスと前記燃料ガスとの間で熱交換を行う燃料予熱部と、を備えている。
請求項３に係る燃料電池システムは、燃料電池、及び燃料再生部を備えている。燃料再生部は、流入されたアノードオフガス中の水が凝縮により分離されて貯留されると共に、水が分離された後のアノードオフガスを再生燃料ガスとして送出する。再生燃料ガスは、再度発電に供されたり、燃焼に供されたりする。
アノードオフガスは、第１熱交換部における再生燃料ガスとの熱交換により冷却される。また、燃料予熱部における燃料ガスとの熱交換により冷却される。一方、再生燃料ガスは、第１熱交換部におけるアノードオフガスとの熱交換により加熱され、燃料ガスは、燃料予熱部における燃料ガスとの熱交換により加熱される。
請求項３に係る燃料電池システムによれば、アノードオフガスは、再生燃料ガスとの熱交換に加えて、外部から供給される燃料ガスとも熱交換されるので、より温度が低下し、効果的に凝縮を行うことができる。また、燃料ガスを燃料予熱部において加熱するので、システム内で有効に熱を利用することができる。
請求項４の発明に係る燃料電池システムは、燃料極へ供給される燃料ガスと空気極へ供給される空気により発電し、前記燃料極からアノードオフガスが排出される燃料電池と、前記アノードオフガスが流入され、前記アノードオフガス中の水が凝縮により分離されて貯留されると共に、水が分離された後のアノードオフガスを再生燃料ガスとして送出する燃料再生部と、可燃ガスを燃焼させる燃焼部と、前記再生燃料ガスと前記アノードオフガスとの間で熱交換を行う第１熱交換部と、前記燃料再生部よりも上流側で前記アノードオフガスと前記燃焼部から排出された燃焼排ガスとの間で熱交換を行う排ガス熱交換部と、を備えている。
請求項４に係る燃料電池システムは、燃料電池、及び燃料再生部を備えている。燃料再生部は、流入されたアノードオフガス中の水が凝縮により分離されて貯留されると共に、水が分離された後のアノードオフガスを再生燃料ガスとして送出する。再生燃料ガスは、再度発電に供されたり、燃焼に供されたりする。
アノードオフガスは、第１熱交換部における再生燃料ガスとの熱交換により冷却される。また、排ガス熱交換部における燃焼排ガスとの熱交換により冷却される。
請求項４に係る燃料電池システムによれば、アノードオフガスは、再生燃料ガスとの熱交換に加えて、システム内の燃焼排ガスとも熱交換されるので、より温度が低下し、効果的に凝縮を行うことができる。また、燃焼排ガスは、システム内に設けられた燃焼部から排出されるので、外部の配管を設置する必要がなく簡易な構成とすることができる。
請求項５の発明に係る燃料電池システムは、前記排ガス熱交換部の上流側に設けられ、前記燃焼排ガスを前記排ガス熱交換部へ流入させる第１流路と、前記排ガス熱交換部へ流入させない第２流路と、に分岐する分岐部、を備えている。
請求項５に係る燃料電池システムによれば、第１流路へ送出する燃焼排ガスの流量と、第２流路へ送出する燃焼排ガスの流量を調整することにより、アノードオフガスの温度を調整することができる。
請求項６の発明に係る燃料電池システムは、前記燃料再生部よりも上流側に設けられ、システム外部と前記アノードオフガスとの間で熱交換を行う冷却部、を備えている。
請求項６に係る燃料電池システムによれば、冷却部により外部との熱交換を行うことにより、アノードオフガスをより低温に冷却することができる。
請求項７の発明に係る燃料電池システムは、前記燃料再生部から送出された前記再生燃料ガスが供給される第２燃料電池、をさらに備えている。
請求項７に係る燃料電池システムによれば、再生燃料ガスが第２燃料電池で発電に供される、いわゆる多段式の燃料電池システムを構成することができ、発電効率を向上させることができる。
請求項８の発明に係る燃料電池システムは、前記燃料再生部から送出された前記再生燃料ガスを前記燃料電池へ供給する再生燃料循環路、をさらに備えている。
請求項８に係る燃料電池システムによれば、再生燃料ガスが燃料電池で再度発電に供される、いわゆる循環式の燃料電池システムを構成することができ、発電効率を向上させることができる。
請求項９の発明に係る燃料電池システムは、 燃料極へ供給される燃料ガスと空気極へ供給される空気により発電し、前記燃料極からアノードオフガスが排出される燃料電池と、前記アノードオフガスが流入され、前記アノードオフガス中の水が凝縮により分離されて貯留されると共に、水が分離された後のアノードオフガスを再生燃料ガスとして送出する燃料再生部と、前記燃料再生部よりも上流側で前記アノードオフガスと前記空気との間で熱交換を行う空気予熱部と、を備えている。
請求項９に係る燃料電池システムによれば、アノードオフガスは、空気極へ供給される空気と熱交換されるので、温度が低下し、効果的に水蒸気を凝縮させることができる。また、空気を空気予熱部において加熱するので、システム内で有効に水蒸気の潜熱を利用することができる。
本発明に係る燃料電池システムによれば、アノードオフガス中の水を効果的に凝縮させることができる。
第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 第１実施形態の変形例に係る燃料電池システムの概略構成図である。 第１実施形態の他の変形例に係る燃料電池システムの概略構成図である。 第１実施形態の他の変形例に係る燃料電池システムの概略構成図である。 第２実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 第２実施形態の変形例に係る燃料電池システムの概略構成図である。 第２実施形態の他の変形例に係る燃料電池システムの概略構成図である。 第２実施形態の他の変形例に係る燃料電池システムの概略構成図である。 第３実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 第３実施形態の変形例に係る燃料電池システムの概略構成図である。 第３実施形態の他の変形例に係る燃料電池システムの概略構成図である。 第３実施形態の他の変形例に係る燃料電池システムの概略構成図である。 第３実施形態の他の変形例に係る燃料電池システムの概略構成図である。
［第１実施形態］
以下、図面を参照して本発明の第１実施形態を詳細に説明する。
図１には、本実施形態に係る燃料電池システム１０Ａの概略構成が示されている。本実施形態に係る燃料電池システム１０Ａは、主要な構成として、気化器１２、改質器１４、第１燃料電池セルスタック１６、第２燃料電池セルスタック１８、第１熱交換部３０、第１空気予熱部３２、第２空気予熱部３４、燃焼部２０、燃料再生部２２を備えている。本実施形態に係る燃料電池システム１０Ａは、燃料電池セルスタックを複数有し、前段の燃料電池セルスタックから排出されたガスが後段の燃料電池セルスタックへ供給されて発電に使用される、多段式の燃料電池システムである。
気化器１２には、原料ガス管Ｐ１の一端が接続されており、原料ガス管Ｐ１の他端は図示しないガス源に接続されている。原料ガス管Ｐ１には、ブロア２４が設けられており、ブロア２４により原料ガスであるメタンが気化器１２へ送出される。また、気化器１２には、水供給管Ｐ２の一端が接続されており、水供給管Ｐ２の他端は不図示の水源に接続されている。水供給管Ｐ２には、ポンプ２６が設けられており、ポンプ２６により水（液相）が気化器１２へ送出される。気化器１２では、水が気化される。気化には、後述する燃焼部２０からの燃焼排ガスの熱が用いられる。
なお、本実施形態では、原料ガスとしてメタンを用いるが、改質が可能なガスであれば特に限定されず、炭化水素燃料を用いることができる。炭化水素燃料としては、天然ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）、石炭改質ガス、低級炭化水素ガスなどが例示される。低級炭化水素ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭素数４以下の低級炭化水素が挙げられ、本実施形態で用いるメタンが好ましい。なお、炭化水素燃料としては、上述した低級炭化水素ガスを混合したものであってもよく、上述した低級炭化水素ガスは天然ガス、都市ガス、ＬＰガス等のガスであってもよい。また、本実施形態では、改質前の燃料ガスを原料ガスと称するが、本発明における「燃料ガス」は、直接または気化器や改質器などを経て間接的に燃料電池セルスタックのアノードへ発電用に供される気体であり、改質前の原料ガス、原料ガスを改質した後に得られる改質ガス、及び、改質器を経ずに直接燃料電池セルスタックのアノードへ発電用に供給されるガスをすべて含めたものである。
また、本実施形態では、原料ガスの改質用に水を供給するが、原料ガスを改質することができる他のガスを供給してもよい。例えば、水に変えて、または、水と共に二酸化炭素や酸素を原料の改質用に供給することができる。
メタン及び水蒸気は、気化器１２から配管Ｐ３を介して改質器１４へ送出される。改質器１４では、メタンを改質し、水素を含む６００℃程度の温度の燃料ガスを生成する。改質器１４には、燃料ガス管Ｐ４の一端が接続されている。燃料ガス管Ｐ４の他端は、第１燃料電池セルスタック１６のアノード（燃料極）１６Ａと接続されている。改質器１４で生成された燃料ガスは、燃料ガス管Ｐ４を介してアノード１６Ａに供給される。
第１燃料電池セルスタック１６は、固体酸化物形の燃料電池セルスタックであり(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)、積層された複数の燃料電池セルを有している。燃料電池セルスタック１６は、作動温度が６５０℃程度に設定されている。
燃料電池セルスタック１６の個々の燃料電池セルは、電解質膜と、当該電解質膜の表裏面にそれぞれ積層されたアノード（燃料極）１６Ａ、及びカソード（空気極）１６Ｂと、を有している。
なお、第２燃料電池セルスタック１８についての基本構成は、第１燃料電池セルスタック１６と同様であり、アノード１６Ａに対応するアノード１８Ａ、及びカソード１６Ｂに対応するカソード１８Ｂを有している。
第１燃料電池セルスタック１６のカソード１６Ｂには、空気供給管Ｐ５の一端が接続されている。空気供給管Ｐ５の他端には、ブロア２８が接続されている。空気供給管Ｐ５の中間部には上流側から順に第１空気予熱部３２、第２空気予熱部３４が設けられている。ブロア２８から送出された空気は、空気供給管Ｐ５によって、第１空気予熱部３２、第２空気予熱部３４を経由し、カソード１６Ｂへ供給される。第１空気予熱部３２では、後述するアノードオフガスにより空気が加熱され、第２空気予熱部３４では、後述する燃焼部２０からの燃焼排ガスにより空気がさらに加熱される。
カソード１６Ｂでは、下記（１）式に示すように、空気中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。生成された酸素イオンは電解質膜を通って燃料電池セルスタック１６のアノード１６Ａに到達する。
（空気極反応）
１／２Ｏ２＋２ｅ− →Ｏ２− …（１）
カソード１６Ｂからは、カソードオフガスが排出される。カソード１６Ｂには、カソード１６Ｂから排出されるカソードオフガスを第２燃料電池セルスタック１８のカソード１８Ｂへ案内するカソードオフガス管Ｐ６が接続されている。なお、本実施形態では、空気供給管Ｐ５がカソード１６Ｂのみに接続されている例について説明したが、空気供給管Ｐ５を分岐して、カソード１６Ｂとカソード１８Ｂへ接続し、並列的に空気を供給してもよい。
一方、燃料電池セルスタック１６のアノード１６Ａでは、下記（２）式及び（３）式に示すように、電解質膜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。アノード１６Ａで生成された電子がアノード１６Ａから外部回路を通ってカソード１６Ｂに移動することで、各燃料電池セルスタックにおいて発電される。また、各燃料電池セルスタックは、発電時に発熱する。
（燃料極反応）
Ｈ２ ＋Ｏ２− →Ｈ２Ｏ＋２ｅ− …(２)
ＣＯ＋Ｏ２− →ＣＯ２＋２ｅ− …(３)
アノード１６Ａには、アノードオフガス管Ｐ７の一端が接続されている。アノード１６Ａからアノードオフガス管Ｐ７へ、アノードオフガスが排出される。アノードオフガスには、未反応の水素、未反応の一酸化炭素、二酸化炭素及び水蒸気等が含まれている。
アノードオフガス管Ｐ７の他端は、後述する第１熱交換部３０、及び第１空気予熱部３２を経て燃料再生部２２と接続されている。燃料再生部２２の出口側には、再生燃料ガス管Ｐ９の一端が接続されている。再生燃料ガス管Ｐ９の他端は、後述する第１熱交換部３０を経て第２燃料電池セルスタック１８のアノード１８Ａと接続されている。
燃料再生部２２では、アノードオフガスから、熱交換による冷却により凝縮された水が貯留される。また、水が除去された後のアノードオフガスが、再生燃料ガスとして再生燃料ガス管Ｐ９へ送出される。
再生燃料ガスは、再生燃料ガス管Ｐ９を通り、第１熱交換部３０を経て、第２燃料電池セルスタック１８のアノード１８Ａへ送出され、発電に供される。第２燃料電池セルスタック１８のアノード１８Ａからは、アノードオフガスがアノードオフガス管Ｐ１１を通って燃焼部２０へ送出される。
カソード１８Ｂの出口側には、カソードオフガス管Ｐ１２の一端が接続されている。カソードオフガス管Ｐ１２の他端は、燃焼部２０と接続されており、カソードオフガスは燃焼部２０へ送出される。
燃焼部２０では、第２燃料電池セルスタック１８のアノード１８Ａから排出されたアノードオフガスが燃焼される。なお、原料ガス管Ｐ１を分岐して、必要に応じて原料ガスを燃焼部２０へ供給してもよい。燃焼部２０の出口側には、燃焼排ガス管Ｐ１０の一端が接続されている。燃焼部２０から、燃焼排ガス管P１０へ燃焼排ガスが排出される。燃焼排ガス管Ｐ１０は、第２空気予熱部３４、および気化器１２を経て外部へ開放されている。燃焼排ガスは、第２空気予熱部３４において、第１空気予熱部３２で加熱された空気と熱交換が行われる。その後、燃焼排ガスは気化器１２へ送出され、気化器１２において、水及びメタンと熱交換が行われる。燃焼排ガスは、気化器１２において熱交換が行われた後、外部（燃料電池システム１０Ａの系外）に排出される。
次に、本実施形態の燃料電池システム１０Ａの動作について説明する。
ブロア２８により所定の空気吐出量で送出された空気は、第１空気予熱部３２、第２空気予熱部３４を経てカソード１６Ｂへ供給され、発電に供される。カソード１６Ｂからは、カソードオフガスがカソードオフガス管Ｐ６を経てカソード１８Ｂへ送出される。そして、カソードオフガスはカソード１８Ｂで発電に供された後、カソードオフガス管Ｐ１２を経て燃焼部２０へ送出される。
一方、ブロア２４により所定の吐出量で送出されたメタンは、原料ガス管Ｐ１を経て気化器１２へ供給される。また、ポンプ２６により所定の吐出量で送出された水（液相）は、水供給管Ｐ２を経て気化器１２へ供給される。気化器１２へ供給された水及びメタンは、燃焼排ガスとの熱交換により加熱される。これにより水は気化され、加熱されたメタンと水蒸気は、配管Ｐ３を経て改質器１４へ送出される。そして、改質器１４で改質され、改質器１４から燃料ガスが燃料ガス管Ｐ４を経てアノード１６Ａへ供給され、発電に供される。アノード１６Ａからは、未反応の水素等の燃料を含むアノードオフガスが排出され、アノードオフガス管Ｐ７を経て燃料再生部２２へ送出される。
アノードオフガスは、燃料再生部２２の上流側に設けられた第１熱交換部３０および第１空気予熱部３２において、熱交換により冷却される。すなわち、アノードオフガスは、第１熱交換部３０で再生燃料ガスとの熱交換により再生燃料ガスを加熱して熱を奪われると共に、第１空気予熱部３２で常温の空気との熱交換により空気を加熱して熱を奪われる。これにより、アノードオフガスは、冷却され、アノードオフガス中の水が凝縮される。
燃料再生部２２には、アノードオフガスから凝縮により分離された水（液相）が貯留される。貯留された水は、気化器１２へ送出して再利用してもよいし、廃棄してもよい。水が除去された再生燃料ガスは、燃料再生部２２から再生燃料ガス管Ｐ９を通り、第１熱交換部３０を経て、第２燃料電池セルスタック１８のアノード１８Ａへ送出され、発電に供される。アノード１８Ａからは、アノードオフガスがアノードオフガス管Ｐ１１を通って燃焼部２０へ送出される。
燃焼部２０では、アノードオフガスが燃焼に供され、燃焼による熱で改質器１４が加熱される。燃焼部２０からは、燃焼排ガスが燃焼排ガス管Ｐ１０へ送出され、第２空気予熱部３４において、空気と熱交換が行われる。空気は加熱され、燃焼排ガスは冷却される。燃焼排ガスは、次に、気化器１２へ送出され、メタン及び水との間で熱交換が行われる。メタン及び水は加熱され、燃焼排ガスは冷却される。そして、燃焼排ガスは、外部へ排出される。
本実施形態では、常温の空気と第１アノード１６Ａから排出されたアノードオフガスとが熱交換される。したがって、第１熱交換部３０のみで熱交換を行ってアノードオフガスを冷却する場合と比較して、アノードオフガスの温度を低下させることができる。これにより、効率的にアノードオフガス中の水蒸気を凝縮させることができる。
また、熱交換により加熱された空気は、第１燃料電池セルスタック１６へ向かうシステム系内へ供給されるので、アノードオフガスの熱はシステム外部へ放出されず、放熱を抑えることができ、発電効率を向上させることができる。
なお、本実施形態では、第１熱交換部３０のアノードオフガス管Ｐ７の下流側に第１空気予熱部３２を配置したが、図２に示されるように、第１空気予熱部３２を、第１熱交換部３０のアノードオフガス経路上流側に設置してもよい。
また、本実施形態では、ブロア２８から送出された空気は、第１空気予熱部３２での熱交換を経た後に、第２空気予熱部３４へ送出されて熱交換が行われたが、第２空気予熱部３４へ先に送出して燃焼排ガスとの熱交換を行った後に、第１空気予熱部３２へ送出されて熱交換が行われてもよい。本実施形態のように、第１空気予熱部３２での熱交換を先に行うことにより、空気の温度が上昇する前に、第１空気予熱部３２において効果的にアノードオフガスを冷却することができる。
また、本実施形態の燃料電池システム１０Ａに、更に、図３に示されるように、ラジエータ５０を設けてもよい。ラジエータ５０は、アノードオフガス管Ｐ７の第１空気予熱部３２と燃料再生部２２の間から分岐された外部冷却管Ｐ８に接続されている。外部冷却管Ｐ８には、開閉バルブＶ１が設けられ、アノードオフガス管Ｐ７の外部冷却管Ｐ８との分岐部よりも下流側には、開閉バルブＶ２が設けられている。開閉バルブＶ１、Ｖ２は、不図示の制御部により制御されている。
開閉バルブＶ１が開放され、開閉バルブＶ２が閉鎖されているときには、アノードオフガスは、第１空気予熱部３２で冷却された後、ラジエータ５０へ送出されてさらに冷却され、燃料再生部２２へ送られる。開閉バルブＶ２が開放され、開閉バルブＶ１が閉鎖されているときには、アノードオフガスは、第１空気予熱部３２で冷却された後、ラジエータ５０を経ずに燃料再生部２２へ送られる。
このように、ラジエータ５０を設けることにより、アノードオフガスに含まれる水の凝縮が不十分な場合に、アノードオフガスをラジエータ５０でさらに冷却して、アノードオフガスに含まれる水の凝縮量を増やすことができる。また、アノードオフガスに含まれる水の凝縮が十分に行われている場合には、アノードオフガスをラジエータ５０で冷却することなく、燃料再生部２２へ送出することができる。
なお、本実施形態では、アノードオフガス管Ｐ７を分岐させた外部冷却管Ｐ８にラジエータ５０を設けたが、分岐を設けず、アノードオフガス管Ｐ７にラジエータ５０を設け、ラジエータ５０のファンをオン／オフすることにより、アノードオフガスの温度を制御してもよい。
また、本実施形態では、第１燃料電池セルスタック１６に加えて、第２燃料電池セルスタック１８を備えた、所謂多段式の燃料電池システムについて説明したが、本発明は、図４に示される、所謂循環式の燃料電池システム１０Ｂのように構成することもできる。燃料電池システム１０Ｂでは、第２燃料電池セルスタック１８を有さず、再生燃料ガス管Ｐ９は、第１熱交換部３０の下流側で２分岐されている。一方の第１分岐管Ｐ９−１は、第１アノード１６Ａの入口側へ向かう燃料ガス管Ｐ４と接続され、他方の第２分岐管Ｐ９−２は、燃焼部２０と接続されている。第１分岐管Ｐ９−１を経て再生燃料ガスが第１アノード１６Ａへ供給され、第２分岐管Ｐ９−２を経て再生燃料ガスが燃焼部２０へ供給される。なお、第１分岐管Ｐ９−１は、改質器１４と接続し、改質器１５を経て再生燃料ガスを第１アノード１６Ａへ供給してもよい。
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態では、第１実施形態と同様の部分については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
図５に示されるように、本実施形態の燃料電池システム１０Ｃは、第１空気予熱部３２に代えて、燃料予熱部３６を有している。
アノードオフガス管Ｐ７は、第１熱交換部３０の下流側で燃料予熱部３６を経由し、燃料再生部２２と接続されている。原料ガス管Ｐ１は、燃料予熱部３６を経由し、改質器１４の入口側と接続されている。燃料予熱部３６では、常温の原料ガスとアノードオフガスとの間で熱交換が行われ、アノードオフガスが冷却されると共に、原料ガスが加熱される。ブロア２８から空気供給管Ｐ５へ送出された空気は、第２空気予熱部３４を経由し、カソード１６Ｂへ供給される。
本実施形態でも、常温の原料ガスと第１アノード１６Ａから排出されたアノードオフガスとが熱交換される。したがって、第１熱交換部３０のみで熱交換を行ってアノードオフガスを冷却する場合と比較して、アノードオフガスの温度を低下させることができる。これにより、効率的にアノードオフガス中の水蒸気を凝縮させることができる。
また、熱交換により加熱された原料ガスは、第１燃料電池セルスタック１６へ向かうシステム系内（気化器１２や改質器１４など）へ供給されるので、アノードオフガスの熱はシステム外部へ放出されず、発電効率を向上させることができる。
なお、本実施形態では、第１熱交換部３０のアノードオフガス管Ｐ７の下流側に燃料予熱部３６を配置したが、図６に示されるように、燃料予熱部３６を、第１熱交換部３０のアノードオフガス経路上流側に設置してもよい。
また、本実施形態では、第１実施形態の第１空気予熱部３２に代えて燃料予熱部３６を設けたが、第１空気予熱部３２に加えて燃料予熱部３６を設けてもよい。
また、本実施形態でも、第１実施形態と同様に、燃料電池システム１０Ｃに、更に、図７に示されるように、ラジエータ５０を設けてもよい。ラジエータ５０は、アノードオフガス管Ｐ７の燃料予熱部３６と燃料再生部２２の間から分岐された外部冷却管Ｐ８と接続されている。
また、本実施形態では、第１燃料電池セルスタック１６に加えて、第２燃料電池セルスタック１８を備えた、所謂多段式の燃料電池システムについて説明したが、本発明は、図８に示される、所謂循環式の燃料電池システム１０Ｄのように構成することもできる。
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態では、第１、第２実施形態と同様の部分については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
図９に示されるように、本実施形態の燃料電池システム１０Ｅは、第１空気予熱部３２に代えて、排ガス熱交換部３８を有している。
アノードオフガス管Ｐ７は、第１熱交換部３０の下流側で排ガス熱交換部３８を経由し、燃料再生部２２と接続されている。燃焼排ガス管Ｐ１０は、第２空気予熱部３４、気化器１２、及び排ガス熱交換部３８を順に経由し、燃料電池システム１０Ｄの外部へ開放されている。排ガス熱交換部３８では、第２空気予熱部３４及び気化器１２での熱交換により冷却された燃焼排ガスとアノードオフガスとの間で熱交換が行われ、アノードオフガスが冷却される。燃焼排ガスは、排ガス熱交換部３８において熱交換が行われた後、外部（燃料電池システム１０Ｅの系外）に排出される。排ガス熱交換部３８は、燃焼排ガスが燃料電池システム１０Ｅの系外に排出される直前の熱交換部である。
本実施形態の燃料電池システム１０Ｅでは、システム内の燃焼排ガス管Ｐ１０内を流れる冷却後の燃焼排ガスと第１アノード１６Ａから排出されたアノードオフガスとが熱交換される。したがって、第１熱交換部３０のみで熱交換を行ってアノードオフガスを冷却する場合と比較して、アノードオフガスの温度を低下させることができる。これにより、効率的にアノードオフガス中の水蒸気を凝縮させることができる。
また、熱交換に用いられる燃焼排ガスは、燃焼排ガス管Ｐ１０を流れるので、システム系内の配管を用いることができ、新たな外部配管を必要とせず、システムの部品点数の増加を抑制することができる。
なお、本実施形態では、第１熱交換部３０のアノードオフガス管Ｐ７の下流側に排ガス熱交換部３８を配置したが、図１０に示されるように、排ガス熱交換部３８を、第１熱交換部３０のアノードオフガス経路上流側に設置してもよい。
また、本実施形態では、第１実施形態の第１空気予熱部３２に代えて排ガス熱交換部３８を設けたが、第１空気予熱部３２に加えて排ガス熱交換部３８を設けてもよい。さらに、第２実施形態の燃料予熱部３６に加えて、排ガス熱交換部３８を設けてもよい。さらに、第１空気予熱部３２、第２実施形態の燃料予熱部３６、排ガス熱交換部３８の全てを設けても良い。
また、図１１に示されるように、本実施形態の燃料電池システム１０Ｅの排ガス熱交換部３８の上流側に流量調整部４８を設け、燃焼排ガスの一部を、第２流路Ｐ１０Ｂへ分岐させ、排ガス熱交換部３８を経由せずに外部へ放出させてもよい。この場合、流量調整部４８から第１流路Ｐ１０Ａを経て排ガス熱交換部３８へ流入する燃焼排ガスの量を調整することにより、アノードオフガスの温度を調整することができる。
また、本実施形態の燃料電池システム１０Ｅに、更に、図１２に示されるように、ラジエータ５０を設けてもよい。ラジエータ５０は、アノードオフガス管Ｐ７の排ガス熱交換部３８と燃料再生部２２の間から分岐された外部冷却管Ｐ８と接続されている。
また、本実施形態では、第１燃料電池セルスタック１６に加えて、第２燃料電池セルスタック１８を備えた、所謂多段式の燃料電池システムについて説明したが、本発明は、図１３に示される、所謂循環式の燃料電池システム１０Ｆのように構成することもできる。
なお、本発明の燃料電池としては、固体酸化物形の燃料電池(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)に限られるものではなく、他の燃料電池、例えば、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)であってもよい。
また、上記の第１〜第３実施形態では、原料ガスとして炭化水素燃料を用い、改質器１４で炭化水素燃料を改質して燃料ガスを得たが、純水素を燃料として用いてもよい。この場合には、気化器１２や改質器１４が不要となり、純水素を直接燃料電池セルスタック１６の第１アノード１６Ａへ供給する。
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆ 燃料電池システム
１６ 第１燃料電池セルスタック（燃料電池）
１６Ａ 第１アノード（燃料極）
１６Ｂ 第１カソード（空気極）
１８ 第２燃料電池セルスタック（第２燃料電池）
２０ 燃焼部
２２ 燃料再生部
３０ 第１熱交換部
３２ 第１空気予熱部（空気予熱部）
３４ 第２空気予熱部
３６ 燃料予熱部
３８ 排ガス熱交換部
４８ 流量調整部（分岐部）
５０ ラジエータ（冷却部）
Ｐ８ 外部冷却管（冷却部）
Ｐ９−１ 第１分岐管（再生燃料循環路）
Ｐ１０ 燃焼排ガス管
Ｐ１０Ａ 第１流路
Ｐ１０Ｂ 第２流路

Claims (9)

  1. 燃料極へ供給される燃料ガスと空気極へ供給される空気により発電し、前記燃料極からアノードオフガスが排出される燃料電池と、
    前記アノードオフガスが流入され、前記アノードオフガス中の水が凝縮により分離されて貯留されると共に、水が分離された後のアノードオフガスを再生燃料ガスとして送出する燃料再生部と、
    前記再生燃料ガスと前記アノードオフガスとの間で熱交換を行う第１熱交換部と、
    前記燃料再生部よりも上流側で前記アノードオフガスと前記空気との間で熱交換を行う空気予熱部と、
    を備えた燃料電池システム。
  2. 可燃ガスを燃焼させる燃焼部と、
    前記空気予熱部で熱交換された空気と前記燃焼部から排出された燃焼排ガスとの間で熱交換を行う第２空気予熱部と、
    を備えた、請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 燃料極へ供給される燃料ガスと空気極へ供給される空気により発電し、前記燃料極からアノードオフガスが排出される燃料電池と、
    前記アノードオフガスが流入され、前記アノードオフガス中の水が凝縮により分離されて貯留されると共に、水が分離された後のアノードオフガスを再生燃料ガスとして送出する燃料再生部と、
    前記再生燃料ガスと前記アノードオフガスとの間で熱交換を行う第１熱交換部と、
    前記燃料再生部よりも上流側で前記アノードオフガスと前記燃料ガスとの間で熱交換を行う燃料予熱部と、
    を備えた燃料電池システム。
  4. 燃料極へ供給される燃料ガスと空気極へ供給される空気により発電し、前記燃料極からアノードオフガスが排出される燃料電池と、
    前記アノードオフガスが流入され、前記アノードオフガス中の水が凝縮により分離されて貯留されると共に、水が分離された後のアノードオフガスを再生燃料ガスとして送出する燃料再生部と、
    可燃ガスを燃焼させる燃焼部と、
    前記再生燃料ガスと前記アノードオフガスとの間で熱交換を行う第１熱交換部と、
    前記燃料再生部よりも上流側で前記アノードオフガスと、前記燃焼部から排出された後に熱交換により冷却された燃焼排ガスとの間で熱交換を行う排ガス熱交換部と、
    を備えた燃料電池システム。
  5. 前記排ガス熱交換部の上流側に設けられ、前記燃焼排ガスを前記排ガス熱交換部へ流入させる第１流路と、前記排ガス熱交換部へ流入させない第２流路と、に分岐する分岐部、を備えた請求項４に記載の燃料電池システム。
  6. 前記燃料再生部よりも上流側に設けられ、システム外部と前記アノードオフガスとの間で熱交換を行う冷却部、を備えた、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  7. 前記燃料再生部から送出された前記再生燃料ガスが供給される第２燃料電池、をさらに備えた、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  8. 前記燃料再生部から送出された前記再生燃料ガスを前記燃料電池へ供給する再生燃料循環路、をさらに備えた、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  9. 燃料極へ供給される燃料ガスと空気極へ供給される空気により発電し、前記燃料極からアノードオフガスが排出される燃料電池と、
    前記アノードオフガスが流入され、前記アノードオフガス中の水が凝縮により分離されて貯留されると共に、水が分離された後のアノードオフガスを再生燃料ガスとして送出する燃料再生部と、
    前記燃料再生部よりも上流側で前記アノードオフガスと前記空気との間で熱交換を行う空気予熱部と、
    を備えた燃料電池システム。
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