JP3943405B2 - 燃料電池発電システム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池発電システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、コージェネレーションシステムとして、環境問題を考慮して燃料電池を組み入れた発電システムが提案されている。この燃料電池としては、単セルを複数積層して構成されたものが知られており、単セルとしては、電解質膜と、この電解質膜を狭持するアノード及びカソードと、アノードに燃料ガスを供給しカソードに酸化ガスを供給すると共に隣り合う単セルとの隔壁をなすセパレータとを備えたものが知られている。また、燃料ガスとしては、バーナー等により加熱された燃料ガス生成器において炭化水素系燃料と水との反応により得られた水素リッチなガスを利用するものが知られている。
【0003】
ところで、燃料電池発電システムにおいて、燃料電池のアノードから排出されたアノードオフガスとカソードから排出されたカソードオフガスとを有効に活用するために、アノードオフガスとカソードオフガスとを燃料ガス生成器を加熱するバーナーに供給するものが知られている。例えば、特開平6−188016号公報には、アノードオフガスについてはアノードオフガス凝縮器でアノードオフガス中の水分を凝縮させたあと燃料ガス生成器を加熱するバーナーに供給し、カソードオフガスについてはカソードオフガス凝縮器でアノードオフガス中の水分を凝縮させたあと燃料ガス生成器を加熱するバーナーに供給している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した公報では、アノードオフガス凝縮器においてアノードオフガスと熱交換を行う熱交換媒体と、カソードオフガス凝縮器においてカソードオフガスと熱交換を行う熱交換媒体とを、どのような経路によって供給するかを考慮していない。このため、熱交換媒体の経路が複雑化しやすいし、燃料電池発電システムに適した熱回収を行うことができない。
【0005】
本発明は、上述の課題に鑑みなされたものであり、熱交換媒体の経路を複雑化することなく効率的に熱回収を行うことのできる燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段及びその作用・効果】
上述した目的を達成するために、本発明の燃料電池発電システムは、
アノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記アノードから排出されたアノードオフガスの熱を熱交換媒体により回収するアノードオフガス熱交換部と、
前記カソードから排出されたカソードオフガスの熱を前記熱交換媒体により回収するカソードオフガス熱交換部と、
前記熱交換媒体を貯留する熱交換媒体貯留部と、
前記熱交換媒体貯留部から直列に順不同で並んだ前記アノードオフガス熱交換部及び前記カソードオフガス熱交換部を経て前記熱交換媒体貯留部へ戻るという循環経路に前記熱交換媒体を循環させる熱交換媒体循環部と
を備えたものである。
【0007】
本発明の燃料電池発電システムでは、燃料電池における燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応が発熱反応であることから、アノードオフガスとカソードオフガスとは共に熱を持っている。熱交換媒体循環部は、熱交換媒体を熱交換媒体貯留部から直列に順不同で並んだアノードオフガス熱交換部及びカソードオフガス熱交換部を経て熱交換媒体貯留部へ戻るという循環経路に循環させるため、出所の同じ熱交換媒体がアノードオフガス熱交換部にてアノードオフガスから熱を回収すると共にカソードオフガス熱交換部にてカソードオフガスから熱を回収する。このように、アノードオフガス熱交換部及びカソードオフガス熱交換部が直列に順不同で並んだ循環経路に熱交換媒体を循環させるため、熱交換媒体の経路は複雑化しない。また、出所の同じ熱交換媒体がアノードオフガスの熱及びカソードオフガスの熱を回収するため、効率的に熱回収を行うことができる。
【0008】
本発明の燃料電池発電システムは、炭化水素系燃料と水との反応により得られる水素リッチなガスを前記燃料ガスとして前記アノードへ供給する燃料ガス生成部と、燃焼用ガスを燃焼することにより前記燃料ガス生成部を加熱する燃焼部とを備え、前記アノードオフガス熱交換部は、凝縮器の機能も有し、前記熱交換媒体により熱及び凝縮水を回収したあとのアノードオフガスを前記燃焼用ガスとして前記燃焼部に供給してもよい。ここでは、燃料ガス生成部での炭化水素系燃料と水との反応を促進させるために、燃焼部で燃焼用ガスを燃焼することにより燃料ガス生成部を加熱しているが、その燃焼用ガスとして、アノードオフガス熱交換部で熱交換媒体により熱及び凝縮水を回収したあとのアノードオフガスを有効利用している。また、このアノードオフガスは、凝縮水が回収されて低湿度化しているため、燃焼部に失火や傷み等の不具合が生じにくい。
【0009】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記燃料ガス生成部と前記燃焼部とを備え、前記アノードオフガス熱交換部が前記熱交換媒体により熱及び凝縮水を回収したあとのアノードオフガスを前記燃焼用ガスとして前記燃焼部に供給する場合、前記循環経路は、前記アノードオフガス熱交換部が前記カソードオフガス熱交換部の上流に配置されていてもよい。こうすれば、燃焼部へ供給されるアノードオフガスを低湿度化して燃焼部の不具合を生じにくくさせるという効果を優先して得ることができる。また、前記循環経路には、前記アノードオフガス熱交換部が最上流に配置されていてもよく、こうすれば、燃焼部の不具合を生じにくくさせるという効果を最優先させることができる。
【0010】
本発明の燃料電池発電システムは、炭化水素系燃料と水との反応により得られる水素リッチなガスを前記燃料ガスとして前記アノードへ供給する燃料ガス生成部に、凝縮器の機能も有する前記カソードオフガス熱交換部でカソードオフガス中の水分が凝縮して得られた高純度水を前記炭化水素系燃料と反応させるために供給する凝縮水供給部を備えていてもよい。こうすれば、カソードオフガスから得られた高純度水を有効に利用することができる。また、この凝縮水供給部は、前記アノードオフガス熱交換部でアノードオフガス中の水分が凝縮して得られた高純度水を前記炭化水素系燃料と反応させるために前記燃料ガス生成部へ供給してもよく、こうすれば、アノードオフガスから得られた高純度水も有効に利用することができる。なお、燃料電池の電気化学反応によってカソード側に水が生成するため、アノードオフガスよりもカソードオフガスから多くの高純度水が得られる。
【0011】
本発明の燃料電池発電システムは、前記凝縮水供給部を備えている場合、更に水道水を浄化する水精製部を備え、前記水精製部は、前記燃料ガス生成部へ供給する前記高純度水の不足分を前記凝縮水供給部へ補給してもよい。こうすれば、凝縮水供給部による高純度水の燃料ガス生成部への供給が不足したときに消耗品である水精製部を稼働するため、水精製部のみで浄化水を燃料ガス生成部へ供給する場合に比べて、水精製部の使用頻度が少なくて済み、水精製部の寿命が長くなる。
【0012】
本発明の燃料電池発電システムは、凝縮器の機能も有する前記カソードオフガス熱交換部でカソードオフガス中の水分が凝縮して得られた水を精製する凝縮水精製部と、炭化水素系燃料と水との反応により得られる水素リッチなガスを前記燃料ガスとして前記アノードへ供給する燃料ガス生成部に、前記凝縮水精製部で精製された精製水を前記炭化水素系燃料と反応させるために供給する精製水供給部とを備えていてもよい。こうすれば、カソードオフガスから得られた水を精製したあと有効に利用することができる。また、この凝縮水精製部は、前記アノードオフガス熱交換部でアノードオフガス中の水分が凝縮して得られた水も精製してもよい。こうすれば、アノードオフガスから得られた水も精製したあと有効に利用することができる。なお、凝縮水精製部では、通常、水道水を精製するよりも、カソードオフガス又はアノードオフガスから得られた水を精製する方が負担は軽い。
【0013】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記熱交換媒体は水又は湯であり、前記熱交換媒体貯留部は貯湯槽であってもよい。こうすれば、このシステムで発生した熱をお湯として回収することができるので有用性が高い。
【0014】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記循環経路は、前記アノードオフガス熱交換部及び前記カソードオフガス熱交換部の下流に、前記燃焼部から排出された燃焼部排ガスの熱を前記熱交換媒体により回収する燃焼部排ガス熱交換部が配置されていてもよい。こうすれば、出所の同じ熱交換媒体がアノードオフガスの熱、カソードオフガスの熱のほかに燃焼部排ガスの熱も回収するため、システム全体として効率的に熱回収を行うことができる。
【0015】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記循環経路は、前記アノードオフガス熱交換部及び前記カソードオフガス熱交換部の下流に、前記燃料電池を冷却する冷却媒体の熱を前記熱交換媒体により回収する冷却媒体熱交換部が配置されていてもよい。こうすれば、出所の同じ熱交換媒体がアノードオフガスの熱、カソードオフガスの熱のほかに燃料電池を冷却することにより加熱された冷却媒体の熱も回収するため、システム全体として効率的に熱回収を行うことができる。このとき、前記循環経路は、最下流に前記冷却媒体熱交換部が配置されていてもよい。通常、燃料電池を冷却する冷却媒体の温度はアノードオフガスやカソードオフガスよりも高いため、これらのオフガスから熱を回収して高温化したあとの熱交換媒体であっても冷却媒体から熱を回収することができ、システム全体として効率的に熱回収を行うことができる。
【0016】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の好適な一実施形態を図面に基づいて説明する。図1は、燃料電池発電システム10の構成の概略を示す構成図である。この燃料電池発電システム10は、主として、都市ガスを水素リッチな改質ガスに改質する改質器30と、改質ガス中の一酸化炭素を低減して燃料ガスとするCO選択酸化部34と、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池40と、燃料電池40から排出されたアノードオフガスの熱を回収するアノードオフガス熱交換器42と、燃料電池から排出されたカソードオフガスの熱を回収するカソードオフガス熱交換器44と、貯湯槽52に貯留された熱交換媒体54としての水又は湯を貯湯槽52から直列に並んだ熱交換器42,44,45,46を経て貯湯槽52へ戻るという熱交換媒体循環経路50に熱交換媒体54を循環させる循環ポンプ51とを備えている。なお、図1における白抜き矢印は、循環経路50を流通する熱交換媒体54の流れを表し、▲1▼と▲1▼、▲2▼と▲2▼、▲3▼と▲3▼はそれぞれ繋がっているものとする。
【0017】
改質器30は、混合器28から導入される都市ガスと蒸気との混合気を次式(1)及び次式(2)の水蒸気改質反応及びシフト反応に供することにより、水素リッチな改質ガスを生成する。改質器30には、こうした反応に必要な熱を供給する燃焼部32が設けられており、燃焼部32には、ガス配管22から都市ガスが供給されると共に燃焼に必要な空気が供給され、更にアノードオフガス熱交換器42を通過した後のアノードオフガスが供給されるように配管されている。つまり、アノードオフガスを有効利用するために、アノードオフガス中の未反応の水素を燃焼部32の燃料として用いることができるように構成されている。
【0018】
【数1】
CH4+H2O→CO+3H2 (1)
CO+H2O→CO2+H2 (2)
【0019】
混合器28は、ガス配管22から脱硫器24で硫黄分の除去された都市ガスと、水タンク26からの水が蒸発器27にて蒸発された蒸気とを適当な比率で混合し、改質器30に供給する。水タンク26には、水道水を浄化・精製する水精製器25から精製水が供給されるほか、アノードオフガス熱交換器42及びカソードオフガス熱交換器44から凝縮水が供給されるように配管されている。
【0020】
CO選択酸化部34は、図示しない配管による空気の供給を受けて水素の存在下で一酸化炭素を選択して酸化する一酸化炭素選択酸化触媒(例えば白金とルテニウムの合金による触媒)により、改質ガス中の一酸化炭素を選択酸化して一酸化炭素濃度が極めて低い(本実施形態では数ppm程度)水素リッチな燃料ガスとする。なお、本実施形態の改質器30及びCO選択酸化部34が本発明の燃料ガス生成部に相当する。
【0021】
燃料電池40は、単セル410(図2参照)を複数積層してなる固体高分子型の燃料電池として構成されており、単セル410は、図2に示すように、電解質膜412と、この電解質膜412を狭持するアノード414及びカソード416と、このアノード414に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路415を有するセパレータ418及びカソード416に酸化ガスを供給する酸化ガス供給路417を有するとセパレータ420とから構成され、セパレータ418,420は隣り合う単セル410との隔壁をなす。また、アノード414は触媒電極414aとガス拡散電極414bとからなり、カソード416は触媒電極416aとガス拡散電極416bとからなる。そして、各単セル410のアノード414にはCO選択酸化部34から燃料ガスが供給され、各単セル410のカソード416にはブロア41から酸化ガスとしての空気が供給されることにより、燃料ガス中の水素と酸化ガス中の酸素との電気化学反応によって発電する。燃料電池40の図示しない出力端子は、インバータ49を介して外部に接続されており、燃料電池40からの直流電力が交流電力に変換されて図示しない負荷に供給される。
【0022】
熱交換媒体循環経路50は、貯湯槽52に貯留された熱交換媒体54がこの貯湯槽52からアノードオフガス熱交換器42、カソードオフガス熱交換器44、燃焼排ガス熱交換器45、冷却水熱交換器46をこの順に経たのち再び貯湯槽52に戻るという循環経路である。循環ポンプ51は、本発明の熱交換媒体循環部に相当するものであり、熱交換媒体循環経路50の途中に設けられ、貯湯槽52から熱交換媒体循環経路50に熱交換媒体54を循環させる。また、貯湯槽52に貯留された熱交換媒体54としてのお湯は、図示しない給湯経路を通じて所定箇所に供給され、お湯が供給されたあと貯湯槽52には満水になるように水道水が補給される。
【0023】
アノードオフガス熱交換器42は、起動時(運転開始直後)には、図示しない制御装置によってバルブ61及びバルブ63が開放されバルブ62及びバルブ64が閉鎖されるため、CO選択酸化部34から送り込まれた初期の燃料ガスと熱交換媒体循環経路50を通過する熱交換媒体54との間で熱交換を行う。このアノードオフガス熱交換器42において、熱交換媒体54は初期の燃料ガスの凝縮潜熱を奪うことにより熱を回収し、燃料ガスは凝縮潜熱が奪われることにより水分が凝縮し低湿度化する。また、アノードオフガス熱交換器42は、熱交換後の燃料ガスを初期オフガス燃焼器57に供給する。初期オフガス燃焼器57に送り込まれた燃料ガスは、この初期オフガス燃焼器57にて触媒燃焼したあと初期オフガス熱交換器58を経て外部へ放出される。このように初期オフガス燃焼器57には低湿度化した燃料ガスが送られるため、触媒燃焼する初期オフガス燃焼器57の機能を保ち、傷み等の不具合が生じにくい。なお、初期オフガス熱交換器58及び初期オフガス燃焼器57は冷却水循環経路43に組み込まれており、燃料電池40を通過したあとの冷却水が初期オフガス熱交換器58及び初期オフガス燃焼器57をこの順で通過する。
【0024】
一方、アノードオフガス熱交換器42は、定常運転時には、図示しない制御装置によってバルブ61及びバルブ63が閉鎖されバルブ62及びバルブ64が開放されるため、CO選択酸化部34から燃料電池40のアノード414を経て排出されたアノードオフガスと熱交換媒体循環経路50を通過する熱交換媒体54との間で熱交換を行う。このアノードオフガス熱交換器42において、熱交換媒体54はアノードオフガスの凝縮潜熱を奪うことにより熱を回収し、アノードオフガスは凝縮潜熱が奪われることにより水分が凝縮し低湿度化する。また、アノードオフガス熱交換器42は、熱交換後のアノードオフガスを燃焼部32に供給すると共に、アノードオフガス中の水分が凝縮して得られた凝縮水を水タンク26へ供給する。
【0025】
カソードオフガス熱交換器44は、燃料電池40のカソード416から排出されたカソードオフガスと熱交換媒体循環経路50を通過する熱交換媒体54との間で熱交換を行う。このカソードオフガス熱交換器44において、熱交換媒体54はカソードオフガスの凝縮潜熱を奪うことにより熱を回収し、カソードオフガスは凝縮潜熱が奪われることにより水分が凝縮する。また、カソードオフガス熱交換器44は、熱交換後のカソードオフガスを大気中に放出すると共に、カソードオフガス中の水分が凝縮して得られた凝縮水を水タンク26へ供給する。
【0026】
燃焼排ガス熱交換器45は、燃焼部32で発生する燃焼排ガスと熱交換媒体循環経路50を通過する熱交換媒体54との間で熱交換を行う。この燃焼排ガス熱交換器45において、熱交換媒体54は燃焼排ガスから熱を奪って回収する。なお、燃焼排ガスとは、都市ガス又はアノードオフガス熱交換器42を経た後のアノードオフガスと空気中の酸素とが燃焼し、改質器30を囲うように設けられた図示しないジャケットを通過したあと排出されるガスである。
【0027】
冷却水熱交換器46は、冷却水循環経路43の途中に設けられている。ここで、冷却水循環経路43は、循環ポンプ48によってリザーバタンク47に貯留された冷却水がこのリザーバタンク47から燃料電池40の図示しない冷却水通路を経たのち初期オフガス熱交換器58、初期オフガス燃焼器57の図示しない冷却水通路、冷却水熱交換器46をこの順に通過して再びリザーバタンク47に戻るという循環経路である。但し、冷却水循環経路43のうち冷却水熱交換器46とリザーバタンク47との間には、ファンによる強制冷却を行う冷却器55を備えたバイパス経路が設けられており、冷却水が予め設定した温度を越えないときにはバイパス経路の分岐点に設けられたサーモスタット56が作動せず、冷却水を冷却水熱交換器46から直ちにリザーバタンク47へ導き、一方、冷却水が所定温度を越えたときにはサーモスタット56が作動し、冷却水をバイパス経路へ導いて冷却器55にて強制的に冷やしたあとリザーバタンク47へ導く。冷却水熱交換器46は、燃料電池40、初期オフガス熱交換器58及び初期オフガス燃焼器57を通過したあとの冷却水と熱交換媒体循環経路50を通過する熱交換媒体54との間で熱交換を行う。燃料電池40における電気化学反応は発熱反応であるが、このように冷却水を循環させることにより、燃料電池40は適温(本実施形態では80〜90℃)に保持される。
【0028】
次に、こうして構成された燃料電池発電システム10における定常運転時の熱の回収や高純度水の回収について説明する。燃料電池発電システム10では、循環ポンプ51が駆動することにより、貯湯槽52の熱交換媒体54が熱交換媒体循環経路50を循環する。
【0029】
まず、熱交換媒体54は、貯湯槽52の下方からアノードオフガス熱交換器42へ送り込まれ、このアノードオフガス熱交換器42にてアノードオフガスの凝縮潜熱を回収する。一方、アノードオフガスは、凝縮潜熱を奪われることによりアノードオフガス中の水分が凝縮し低湿度化したあと、改質器30を加熱するための燃焼部32にて燃焼されるが、低湿度のため燃焼部32に失火や傷み等の不具合を生じさせることはない。また、ここで得られた凝縮水は、比較的高純度の水であるため、水タンク26へ送られ、改質器30において都市ガスと反応させる水として有効利用される。
【0030】
次いで、アノードオフガス熱交換器42を通過した熱交換媒体54は、カソードオフガス熱交換器44へ送り込まれ、このカソードオフガス熱交換器44にてカソードオフガスの凝縮潜熱を回収する。一方、カソードオフガスは、凝縮潜熱を奪われることによりカソードオフガス中の水分が凝縮する。また、燃料電池40における電気化学反応によってカソード側には大量の水が生成するため、カソードから排出されたカソードオフガスは大量の水分が含まれている。このため、カソードオフガス熱交換器44からは大量の凝縮水が発生する。そして、ここで得られた凝縮水は高純度の水であるため、水タンク26へ送られ、改質器30において都市ガスと反応させる水として有効利用される。水タンク26には、アノードオフガス熱交換器42で発生した凝縮水と、カソードオフガス熱交換器44で発生した多量の凝縮水が供給されるが、不足分についてはバルブ29を開いて水精製器25からの精製水で補う。なお、バルブ29の開閉制御は図示しない制御装置によって行う。
【0031】
続いて、カソードオフガス熱交換器44を通過した熱交換媒体54は、燃焼排ガス熱交換器45へ送り込まれ、この燃焼排ガス熱交換器45にて燃焼排ガスの熱を回収する。この燃焼排ガス熱交換器45においても凝縮水が発生するが、この燃焼排ガス熱交換器45には脱硫していない都市ガスが燃焼したあとの排ガスも通過することから、ここでの凝縮水は硫黄分が含まれるため水タンク26に供することなく放出される。
【0032】
そして最後に、燃焼排ガス熱交換器45を通過した熱交換媒体54は、冷却水熱交換器46へ送り込まれ、この冷却水熱交換器46にて冷却水の熱を回収したあと、再び貯湯槽52の上方に戻される。冷却水熱交換器46に供給される冷却水の温度は、本実施形態では70〜80℃であり、アノードオフガス熱交換器42に導入されるアノードオフガスや、カソードオフガス熱交換器44に導入されるカソードオフガスや、燃焼排ガス熱交換器45に導入される燃焼排ガスに比べて高温である。このため、各熱交換器42,44,45で熱を回収したあとの熱交換媒体54であっても、冷却水熱交換器46において冷却水から熱を回収することができる。
【0033】
以上詳述した本実施形態の燃料電池発電システム10によれば、熱交換媒体循環経路50は、各熱交換器42,44,45,46を直列に繋ぐため複雑化せず、また、一つの貯湯槽52からの熱交換媒体54がアノードオフガスの熱及びカソードオフガスの熱を回収するため効率的に熱回収を行うことができる。特に本実施形態では回収した熱をお湯として貯めるため、有用性が高い。また、アノードオフガス中の水蒸気顕熱分の排気(熱)損失が減るため、燃焼部32に供給する都市ガスを減らすことができ、高効率化している。
【0034】
また、アノードオフガス熱交換器42を通過した後のアノードオフガスは燃焼部32に供給されるが、このガスは低湿度化されているため、燃焼部32において失火や傷み等の不具合が生じにくい。
【0035】
更に、アノードオフガス熱交換器42から得られる凝縮水とカソードオフガス熱交換器44から得られる凝縮水はいずれも高純度水であるため、改質器30での水蒸気改質反応に有効利用することができる。また、水タンク26による高純度水が不足したときに消耗品である水精製器25を稼働すればよいため、水精製器25のみで浄化水を改質器30での水蒸気改質反応に供する場合に比べて、水精製器25の使用頻度が少なくて済み、水精製器25の寿命が長くなる。
【0036】
更にまた、熱交換媒体循環経路50には、アノードオフガス熱交換器42がカソードオフガス熱交換器44の上流に配置されているため、燃焼部32へ供給されるアノードオフガスの湿度を低下させて燃焼部32の不具合発生を防止することを、カソードオフガスから得られた高純度水を有効に利用することよりも優先させることができる。なお、ここではアノードオフガス熱交換器42が最上流のため、燃焼部32の不具合発生を防止することが最優先となっている。
【0037】
そしてまた、熱交換媒体循環経路50には、アノードオフガス熱交換器42及びカソードオフガス熱交換器44の下流に、燃焼排ガス熱交換器45が配置され、更に最下流に冷却水熱交換器46が配置されているため、一つの貯湯槽52からの熱交換媒体54がアノードオフガスの熱、カソードオフガスの熱のほかに燃焼部排ガスの熱や燃料電池40の冷却水の熱も回収するため、システム全体として効率的に熱回収を行うことができる。
【0038】
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【0039】
例えば、上述した実施形態において、燃料電池40のカソード416から排出されたカソードオフガスの熱でもってブロア41から燃料電池40のカソード416に供給される空気を予熱するように構成し、カソードオフガスは空気の予熱を行った後にカソードオフガス熱交換器44を通過するようにしてもよい。
【0040】
また、上述した実施形態では、熱交換媒体循環経路50においてアノードオフガス熱交換器42をカソードオフガス熱交換器44の上流に設けたが、逆に、カソードオフガス熱交換器44をアノードオフガス熱交換器42の上流に設けてもよい。こうすれば、カソードオフガスに含まれる凝縮水をより効率よく回収することができ、水精製器25の負担をより軽くすることができる。
【0041】
更に、上述した実施形態では、アノードオフガス熱交換器42にてアノードオフガスから得た凝縮水やカソードオフガス熱交換器44にてカソードオフガスから得た凝縮水を水タンク26に貯め込み精製することなく改質器30へ供給する構成を採用したが、図3に示す構成を採用してもよい。図3では、改質器30に供給される水の経路以外は図1と同様の構成である。即ち、調整弁20を介して適宜補給される水道水や、アノードオフガス熱交換器42にてアノードオフガスから得た凝縮水や、カソードオフガス熱交換器44にてカソードオフガスから得た凝縮水を水タンク26に貯め込み、この水タンク26内の水をポンプ21によりイオン交換樹脂が充填された水精製器25へ送り込んで精製し、精製したあとの水を蒸発器27等を介して改質器30へ供給する構成を採用してもよい。この構成は、各オフガスから回収した凝縮水中に不純物が溶出している場合に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態である燃料電池発電システムの構成の概略を示す構成図である。
【図2】燃料電池を構成する単セルの断面図である。
【図3】本発明の他の実施形態である燃料電池発電システムの構成の概略を示す構成図である。
【符号の説明】
10…燃料電池発電システム、22…ガス配管、24…脱硫器、25…水精製器、26…水タンク、27…蒸発器、28…混合器、30…改質器、32…燃焼部、34…CO選択酸化部、40…燃料電池、41…ブロア、42…アノードオフガス熱交換器、43…冷却水循環経路、44…カソードオフガス熱交換器、45…燃焼排ガス熱交換器、46…冷却水熱交換器、47…リザーバタンク、48…循環ポンプ、49…インバータ、50…熱交換媒体循環経路、51…循環ポンプ、52…貯湯槽、54…熱交換媒体、410…単セル、412…電解質膜、414…アノード、415…燃料ガス供給路、416…カソード、417…酸化ガス供給路、418,420…セパレータ。
Claims (10)
- アノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記アノードから排出されたアノードオフガスの熱を熱交換媒体により回収するアノードオフガス熱交換部と、
前記カソードから排出されたカソードオフガスの熱を前記熱交換媒体により回収するカソードオフガス熱交換部と、
前記熱交換媒体を貯留する熱交換媒体貯留部と、
前記熱交換媒体貯留部から直列に並んだ前記アノードオフガス熱交換部及び前記カソードオフガス熱交換部を経て前記熱交換媒体貯留部へ戻るという循環経路に前記熱交換媒体を循環させる熱交換媒体循環部と、
炭化水素系燃料と水との反応により得られる水素リッチなガスを前記燃料ガスとして前記アノードへ供給する燃料ガス生成部と、
燃焼用ガスを燃焼することにより前記燃料ガス生成部を加熱する燃焼部と
を備え、
前記アノードオフガス熱交換部は、凝縮器の機能も有し、前記熱交換媒体により熱及び凝縮水を回収したあとのアノードオフガスを前記燃焼用ガスとして前記燃焼部に供給し、
前記循環経路には、上流側から前記アノードオフガス熱交換部、前記カソードオフガス熱交換部、前記燃料電池を冷却する冷却媒体の熱を前記熱交換媒体により回収する冷却媒体熱交換部がこの順に配置されている、
燃料電池発電システム。 - 前記循環経路は、最上流に前記アノードオフガス熱交換部が配置されている
請求項1記載の燃料電池発電システム。 - 請求項1又は2に記載の燃料電池発電システムであって、
炭化水素系燃料と水との反応により得られる水素リッチなガスを前記燃料ガスとして前記アノードへ供給する燃料ガス生成部に、凝縮器の機能も有する前記カソードオフガス熱交換部でカソードオフガス中の水分が凝縮して得られた高純度水を前記炭化水素系燃料と反応させるために供給する凝縮水供給部
を備えた燃料電池発電システム。 - 前記凝縮水供給部は、前記アノードオフガス熱交換部でアノードオフガス中の水分が凝縮して得られた高純度水を前記炭化水素系燃料と反応させるために前記燃料ガス生成部へ供給する
請求項3記載の燃料電池発電システム。 - 請求項3又は4記載の燃料電池発電システムであって、
水道水を浄化する水精製部を備え、
前記水精製部は、前記燃料ガス生成部へ供給する前記高純度水の不足分を前記凝縮水供給部へ補給する
燃料電池発電システム。 - 請求項1又は2に記載の燃料電池発電システムであって、
凝縮器の機能も有する前記カソードオフガス熱交換部でカソードオフガス中の水分が凝縮して得られた水を精製する凝縮水精製部と、
炭化水素系燃料と水との反応により得られる水素リッチなガスを前記燃料ガスとして前記アノードへ供給する燃料ガス生成部に、前記凝縮水精製部で精製された精製水を前記炭化水素系燃料と反応させるために供給する精製水供給部と
を備えた燃料電池発電システム。 - 請求項6記載の燃料電池発電システムであって、
前記凝縮水精製部は、前記アノードオフガス熱交換部でアノードオフガス中の水分が凝縮して得られた水も精製する
を備えた燃料電池発電システム。 - 前記熱交換媒体は水又は湯であり、前記熱交換媒体貯留部は貯湯槽である
請求項1〜7のいずれかに記載の燃料電池発電システム。 - 前記循環経路には、上流側から前記アノードオフガス熱交換部、前記カソードオフガス熱交換部、炭化水素系燃料と水との反応により得られる水素リッチなガスを前記燃料ガスとして前記アノードへ供給する燃料ガス生成部を燃焼用ガスを燃焼することにより加熱する燃焼部から排出された燃焼排ガスの熱を前記熱交換媒体により回収する燃焼排ガス熱交換部、前記冷却媒体熱交換部がこの順に配置されている
請求項1〜8のいずれかに記載の燃料電池発電システム。 - 前記循環経路は、最下流に前記冷却媒体熱交換部が配置されている
請求項1〜9のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
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