JP3997264B2 - 燃料電池コージェネレーションシステム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力供給と給湯を併用供給する燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、燃料電池のアノード極オフガスをオフガス燃焼器により燃焼させ、第１の熱交換器によりオフガス燃焼熱を温水として熱回収するとともに、前記オフガス燃焼器によって燃焼させて残ったオフガスを通路により改質器燃焼バーナに供給して、前記改質器燃焼バーナによって前記オフガス燃焼器から供給された前記残ったオフガスを燃焼させて排気する燃料電池コージェネレーションシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池用燃料改質器（特開平７−１９２７４２）は、図５に示されるように燃料電池Ｆのオフガス排出系Ｅに触媒燃焼器Ｓを配設して、オフガスを燃焼させて排気されていた。
【０００３】
従来の燃料電池プラント（特開平５−２０５７５９）は、図６に示されるように改質器Ｋの燃焼部Ｂから排出される排ガス中の残留酸素成分を触媒燃焼器Ｓにおいて消費して低濃度もしくは酸素成分を含まないパージガスとして格納容器Ｖへ供給するものであった。
【０００４】
従来の燃料電池給湯コージュネレーションシステム（特開２００１−１７６５２７）は、図７に示されるように燃料電池Ｆの下流部位に配設されたオフガスバーナＳによって、燃料電池Ｆの酸素極および水素極の各排ガスを燃焼させて排出するものであった。
【０００５】
従来の固体高分子型燃料電池発電装置（特開２００１−９３５５０）は、図８に示されるように燃料極ＦＰからの残余の水素および未改質燃料などの可燃物質を含む排気ガスが、排気ガスバーナーＳに送られ、ここで酸化剤極ＯＰの排気ガスの一部と混合されて燃焼され、その排気ガスを水蒸気加熱器ＶＨ、燃料混合ガス余熱器ＰＨ、水蒸発器ＷＶ、水凝縮器ＷＧの順に通過させるものであった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の燃料電池用燃料改質器は、燃料電池Ｆのオフガス排出系Ｅに配設された触媒燃焼器Ｓによって、オフガスを燃焼させて排気されるものであるので、オフガスをオフガスバーナーのみで処理するものであるため、オフガスバーナーの構成上未改質のオフガスが排気ガスと共に放出されてしまうという問題があった。
【０００７】
また上記従来の燃料電池プラントは、改質器Ｋの燃焼部Ｂから排出される排ガス中の残留酸素成分を前記触媒燃焼器Ｓにおいて消費して低濃度もしくは酸素成分を含まないパージガスとして格納容器Ｖへ供給するものであるので、単に前記残留酸素成分を前記触媒燃焼器において消費するにすぎないものであるため、前記残留成分からの熱的なエネルギー回収が出来ないという問題があった。
【０００８】
さらに上記従来の燃料電池給湯コージュネレーションシステムは、燃料電池Ｆの下流部位に配設されたオフガスバーナＳによって、燃料電池Ｆの酸素極および水素極の各排ガスを燃焼させて排出するものであるので、前記各排ガスからの熱的なエネルギー回収が出来ないという問題があった。
【０００９】
また上記従来の固体高分子型燃料電池発電装置は、燃料極ＦＰからの残余の水素および未改質燃料などの可燃物質を含む排気ガスが、排気ガスバーナーＳに送られ、ここで酸化剤極ＯＰの排気ガスの一部と混合されて燃焼され、その排気ガスを水蒸気加熱器ＶＨ、燃料混合ガス余熱器ＰＨ、水蒸発器ＷＶ、水凝縮器ＷＧの順に通過させるものであるので、排気ガスからの熱的なエネルギー回収は行われるが、最終的には放出されてしまうという問題があった。
【００１０】
そこで本発明者は、電力供給と給湯を併用供給する燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、オフガス燃焼器における燃料電池のアノード極オフガスの燃焼に伴うオフガス燃焼熱を、スタック冷却部の下流側に設置された前記第１の熱交換器によって温水として熱回収するとともに、前記オフガス燃焼器によって燃焼させて残ったオフガスを前記通路を介して前記改質器燃焼バーナに供給して、前記改質器燃焼バーナによって供給された前記残ったオフガスを燃焼させて排気するという本発明の技術的思想に着眼し、更に研究開発を重ねた結果、オフガスからの熱的なエネルギー回収を可能にするとともに、オフガス中の未燃成分を充分燃焼させた後排出するという目的を達成する本発明に到達した。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明（請求項１に記載の第１発明）の燃料電池コージェネレーションシステムは、
電力供給と給湯を併用供給する燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、
燃料電池のアノード極オフガスを燃焼させるためのオフガス燃焼器と、
オフガス燃焼熱を温水として熱回収するためにスタック冷却部の下流側に設置された第１の熱交換器と、
前記オフガス燃焼器によって燃焼させて残ったオフガスを改質器燃焼バーナに供給する通路を備え、
前記オフガス燃焼器と前記改質器燃焼バーナを連絡する前記通路に、前記オフガス燃焼器によって燃焼させて残ったオフガスの前記改質器燃焼バーナへの供給または排気を可能にするように供給方向を切り換える第１の方向切換弁が配設され、
前記改質器燃焼バーナによって前記オフガス燃焼器から供給された前記残ったオフガスを燃焼させて排気する
ものである。
【００１２】
本発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、
前記第１発明において、
前記オフガスを燃焼させる前記オフガス燃焼器に供給するオフガスエア量を制御するオフガスエア制御弁を備えている
ものである。
【００１３】
本発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、
前記第１発明または前記本発明において、
前記第１の熱交換器によりオフガス燃焼熱によって熱回収した温水が、貯湯槽の熱交換器を介して電池スタックに供給されるように構成されている
ものである。
【００１５】
本発明（請求項２に記載の第２発明）の燃料電池コージェネレーションシステムは、
前記第１発明において、
システムの運転状態と温水の需要に応じて改質器からの改質ガスを供給する供給先を切り換えるために供給方向を切り換える第２の方向切換弁を備えている
ものである。
【００１６】
本発明（請求項３に記載の第３発明）の燃料電池コージェネレーションシステムは、
前記第２発明において、
暖気運転中において、前記第２の方向切換弁を介して供給された前記改質ガスを前記オフガス燃焼器に供給する第３の方向切換弁を備え、
該オフガス燃焼器の燃焼熱を利用してスタック冷却部の冷却水を昇温する
ものである。
【００１７】
本発明（請求項４に記載の第４発明）の燃料電池コージェネレーションシステムは、
前記第３発明において、
定常時の給湯の需要が高い時において、前記改質ガスを前記オフガス燃焼器に供給して、該オフガス燃焼器の燃焼熱を利用してスタック冷却部の冷却水を昇温する
ものである。
【００１８】
本発明（請求項５に記載の第５発明）の燃料電池コージェネレーションシステムは、
前記第２発明において、
定常時の電力需要が高い時には、前記改質ガスを前記改質器燃焼バーナに供給するものである。
【００１９】
本発明（請求項６に記載の第６発明）の燃料電池コージェネレーションシステムは、
前記第３発明において、
前記第１ないし第３の方向切換弁が、３方向の連絡関係を切換制御して前記改質器と前記改質器燃焼バーナと前記オフガス燃焼器との連絡関係を制御する三方弁によって構成されている
ものである。
【００２０】
【発明の作用および効果】
上記構成より成る第１発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、電力供給と給湯を併用供給する燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、オフガス燃焼器における燃料電池のアノード極オフガスの燃焼に伴うオフガス燃焼熱を、スタック冷却部の下流側に設置された前記第１の熱交換器によって温水として熱回収するとともに、前記オフガス燃焼器によって燃焼させて残ったオフガスを前記通路を介して前記改質器燃焼バーナに供給して、前記改質器燃焼バーナによって供給された前記残ったオフガスを燃焼させて排気するので、オフガスからの熱的なエネルギー回収を可能にするとともに、オフガス中の未燃成分を充分燃焼させた後排出するという効果を奏する。
上記構成より成る第１発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、前記オフガス燃焼器と前記改質器燃焼バーナを連絡する前記通路に配設された前記第１の方向切換弁によって、前記オフガス燃焼器によって燃焼させて残ったオフガスの前記改質器燃焼バーナへの供給または排気を可能にするように供給方向を切り換えるので、前記改質器燃焼バーナの温度異常がある場合には前記オフガスの供給を停止して排気することを可能にするという効果を奏する。
【００２１】
上記構成より成る本発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、前記第１発明において、前記オフガスエア制御弁によって、前記オフガスを燃焼させる前記オフガス燃焼器に供給するオフガスエア量を制御するので、熱回収量を制御出来るという効果を奏する。
【００２２】
上記構成より成る本発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、前記第１発明または前記本発明において、前記第１の熱交換器によりオフガス燃焼熱によって熱回収した温水が、貯湯槽の熱交換器を介して電池スタックに供給されるので、給湯能力を高めるとともに、前記電池スタックのスタック冷却部の冷却水を昇温するという効果を奏する。
【００２４】
上記構成より成る第２発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、前記第１発明において、前記第２の方向切換弁によって、システムの運転状態と温水の需要に応じて供給方向を切り換えることにより、改質器からの改質ガスを供給する供給先を切り換えることを可能にするという効果を奏する。
【００２５】
上記構成より成る第３発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、前記第２発明において、暖気運転中において、前記第３の方向切換弁によって前記第２の方向切換弁を介して供給された前記改質ガスを前記オフガス燃焼器に供給するので、該オフガス燃焼器の燃焼熱を利用してスタック冷却部の冷却水の昇温を可能にするという効果を奏する。
【００２６】
上記構成より成る第４発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、前記第３発明において、定常時の給湯の需要が高い時において、前記改質ガスを前記オフガス燃焼器に供給して、該オフガス燃焼器の燃焼熱を利用してスタック冷却部の冷却水を昇温するので、スタック冷却水の昇温を有効に行うという効果を奏する。
【００２７】
上記構成より成る第５発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、前記第２発明において、定常時の電力需要が高い時には、前記改質ガスを前記改質器燃焼バーナに供給するので、定常時の高い電力需要への対応を可能にするという効果を奏する。
【００２８】
上記構成より成る第６発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、前記第３発明において、前記第１ないし第３の方向切換弁を構成する前記三方弁によってが、３方向の連絡関係を切換制御して前記改質器と前記改質器燃焼バーナと前記オフガス燃焼器との連絡関係を制御するので、オフガスからの熱的なエネルギーの有効な回収を可能にするとともに、オフガス中の未燃成分を充分燃焼させた後排出することを可能にするという効果を奏する。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態につき、図面を用いて説明する。
【００３０】
（実施形態）
本実施形態の燃料電池コージェネレーションシステムは、図１ないし図４に示されるように電力供給と給湯を併用供給する燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、燃料電池スタック４のアノード極４１のオフガスを燃焼させるためのオフガス燃焼器５と、オフガス燃焼熱を温水として熱回収するためにスタック冷却部４２の下流側に設置された第１の熱交換器６と、前記オフガス燃焼器５によって燃焼させて残ったオフガスを改質器燃焼バーナ２に供給する通路２５を備え、前記改質器燃焼バーナ２によって前記オフガス燃焼器５から供給された前記残ったオフガスを燃焼させて排気するように構成されている。
【００３１】
本実施形態における前記オフガス燃焼器５は、一例として触媒燃焼器によって構成されている。
【００３２】
前記オフガスを燃焼させる前記オフガス燃焼器５に２次空気を供給する２次空気通路にオフガスエア制御弁５１が配設され、熱回収量を制御するために前記オフガス燃焼器５に供給する前記２次空気としてのオフガスエア量を制御するものである。
【００３３】
前記第１の熱交換器６は、配管を介して貯湯槽６０の熱交換器６２に連絡しており、該熱交換器６２は、配管を介して前記燃料電池スタック４の前記スタック冷却部４２に連絡しており、前記電池スタック４からのオフガスの燃焼熱によって熱回収された温水が、前記貯湯槽６０の前記熱交換器６２を介して電池スタック４の前記スタック冷却部４２に供給され、スタック冷却水が昇温されるように構成されている。
【００３４】
第１の方向切換弁は、前記オフガス燃焼器５と前記改質器燃焼バーナ２を連絡する前記通路２５に配設され、前記オフガス燃焼器５によって燃焼させて残ったオフガスの改質器燃焼バーナ２への供給または排気を可能にするように供給方向を切り換える３方弁１０によって構成されている。
【００３５】
第２の方向切換弁は、前記改質器１と前記電池スタック４とを連絡する通路１４に配設され、システムの運転状態と温水の需要に応じて前記改質器１からの改質ガスを供給する供給先を切り換えるために供給方向を切り換える３方弁８によって構成されている。
【００３６】
第３の方向切換弁は、前記通路１４と前記通路２５とを連絡する通路９０に配設され、暖気運転中において、前記第２の方向切換弁としての３方弁８を介して供給された前記改質ガスを前記オフガス燃焼器５または前記改質器燃焼バーナ２に供給する３方弁９によって構成され、該オフガス燃焼器の燃焼熱を利用してスタック冷却部の冷却水を昇温するものである。
【００３７】
シャット弁３は、前記通路９０と電池スタック４のアノードとの間の通路９１に配設され、アノード極４１のオフガスの前記通路９０を介して前記燃焼バーナ２または前記オフガス燃焼器５への供給を開閉制御するものである。
【００３８】
コントローラ５０は、前記オフガスエア制御弁５１、前記シャット弁３、前記３方弁８、前記３方弁９および前記３方弁１０に接続され、開閉、流量、供給方向を制御することにより、オフガスのエネルギーを熱回収して有効に利用するとともに、オフガス中の未燃成分を充分燃焼させた後排出するための制御信号を出力するように構成されている。
【００３９】
すなわち定常時の給湯の需要が高い時においては、前記改質ガスを前記オフガス燃焼器５に供給するように前記シャット弁３が開とされ、前記３方弁９がａ方向に制御され、該オフガス燃焼器５の燃焼熱を利用して前記第１の熱交換器６によって冷却水に熱交換され、スタック冷却部の冷却水を昇温するものである。
【００４０】
定常時の電力需要が高い時においては、前記改質ガスを前記３方弁８、３方弁９および３方弁１０を介して前記改質器燃焼バーナ２に供給するものである。
【００４１】
本実施形態におけるシステムの運転方法の詳細について、図３および図４のフローチャートに従って説明する。
図３に示されるようにシステムの起動により、改質器１が改質の準備を始める。このときシャット弁３は閉、３方弁８の連絡方向はａ、３方弁９の連絡方向はｂである。
【００４２】
改質反応を開始すると改質ガスが水素リッチになる。この段階で前記３方弁９の連絡方向をａに切り替えると同時に前記オフガス燃焼器５に２次エアを供給し、改質ガスを燃焼させる。スタック冷却水が発電可能な状態になるまで、改質ガスにより冷却水温度を上昇させる。
【００４３】
発電準備が整ったら前記シャット弁３を開き、３方弁８の連絡方向をｂに切り替えて、モード切替えが行われる。
【００４４】
お湯（給湯）が欲しい給湯（主体）モードにおいては、３方弁９の連絡方向をａとし、前記オフガス燃焼器５に２次エアを供給して、発電開始出力を上昇させ、水素利用率が一定割合（％）以上かどうかを判定し、一定割合（％）以上の場合は前記オフガス燃焼器５への２次エアの供給を停止する。
【００４５】
電気が欲しい発電主体モードにおいては、スタック冷却水の温度を設定温度と比較し、設定温度より高い場合は３方弁９の連絡方向をｂとし、前記オフガス燃焼器５への２次エアの供給を停止して、発電開始出力を上昇させ、水素利用率が一定割合（％）以上かどうかを判定し、一定割合（％）以上の場合は前記オフガス燃焼器５への２次エアの供給を停止する。
【００４６】
前記スタック冷却水の温度が、設定温度より低い場合は３方弁９の連絡方向をａとし、上述の給湯モードと同様の制御が行われる。
【００４７】
給湯モードおよび発電主体モードにおいても、前記水素利用率が一定割合（％）以上の場合は前記オフガス燃焼器５への２次エアの供給を停止すると、図４に示される定常運転となり、モード切替えが行なわれる。
【００４８】
お湯（給湯）が欲しい給湯（主体）モードにおいては、オフガスを前記オフガス燃焼器５に供給するように制御され、オフガスを前記オフガス燃焼器５に供給して、前記３方弁９の連絡方向をａとし、水素利用率が一定割合（％）以上かどうかを判定し、一定割合（％）以上の場合は前記オフガス燃焼器５への２次エアの供給を停止する。一定割合（％）以下の場合は前記オフガス燃焼器５に２次エアを供給する。
【００４９】
電気が欲しい発電主体モードにおいては、スタック冷却水の温度を設定温度と比較し、設定温度より高い場合は前記オフガスを前記燃焼バーナー２に供給するために前記３方弁９の連絡方向をｂとし、前記オフガス燃焼器５への２次エアの供給を停止する。
【００５０】
スタック冷却水の温度が、設定温度より低い場合は、オフガスを前記オフガス燃焼器５に供給して、前記３方弁９の連絡方向をａとし、水素利用率が一定割合（％）以上かどうかを判定し、一定割合（％）以上の場合は前記オフガス燃焼器５への２次エアの供給を停止する。一定割合（％）以下の場合は前記オフガス燃焼器５に２次エアを供給する。
【００５１】
前記スタック冷却水の温度が、設定温度より低い場合は３方弁９の連絡方向をａとし、上述の給湯モードと同様の制御が行われる。
【００５２】
本実施形態の燃料電池コージェネレーションシステムは、前記オフガス燃焼器５における燃料電池のアノード極４１におけるオフガスの燃焼に伴うオフガス燃焼熱を、スタック冷却部４２の下流側に設置された前記第１の熱交換器６による熱交換によって温水として熱回収するとともに、前記オフガス燃焼器５によって燃焼させて残ったオフガスを前記通路２５を介して前記改質器燃焼バーナ２に供給して、前記改質器燃焼バーナ２によって前記残ったオフガスを燃焼させて排気するので、オフガスからの熱的なエネルギー回収を可能にするとともに、オフガス中の未燃成分を充分燃焼させた後排出するという効果を奏する。
【００５３】
前記燃料電池スタック（ＦＣ）４から発生したオフガスを、本実施形態のシステム内において燃焼処理するのに改質バーナー２とオフガスバーナー５を併用して制御することにより、オフガス中の未燃成分を充分燃焼させた後排出するという利点を有する。
【００５４】
熱回収が必要な場合は、前記オフガスバーナー５にエアーを混合して、オフガスバーナーにおいて、Ｈ2 を燃焼させることにより、熱回収を行うものであり、熱回収を行う量は、オフガスエアー量を調整することでコントロールできる利点を有する。
【００５５】
残Ｈ2 と残メタンを前記改質バーナー２によってさらに燃焼させ排気するものであるため、オフガス中の未燃成分を充分燃焼させた後排出するという利点を有する。
【００５６】
熱回収しない場合は、前記オフガスバーナー５をバイパスして全て前記改質バーナー２によって処理するように制御されるとともに、改質バーナーの温度が上がりすぎた場合は、オフガスバーナー５において全量Ｈ2 を処理するか、異常時は全て放出するように制御される。
【００５７】
本実施形態のＦＣ発電機システムにおけるオフガスを処理する方法としては、前記オフガスバーナー５と前記改質器バーナー２を直列化することで熱回収量の調整と残メタンの処理を行える様になっているので、前記オフガス燃焼器５においては、触媒燃焼においてはＨ2 を燃焼させ熱回収を行うとともに、混合するエアー量を調整することで熱回収量をコントロールして、さらに残ったオフガスを前記改質バーナー２において、燃焼させ排気するものである。
【００５８】
本実施形態のシステムは、前記オフガス燃焼器５に全く流さない回路も備えており、全量改質バーナー２で燃焼させることを可能にする。
【００５９】
また本実施形態のシステムは、前記改質バーナー２の温度異常等がある場合には、前記改質バーナー２に前記オフガスを供給しないで排出する回路も備えており、前記改質バーナー２の温度異常を助長することを回避するという利点を有する。
【００６０】
さらに本実施形態のシステムは、システムの起動時に燃料電池スタック４の冷却水の温度を、燃料電池のアノード極４１における前記オフガスによる廃熱によって、早く効率よく暖めることを可能にするという利点を有する。
【００６１】
上述したように本実施形態のシステムは、従来におけるオフガスをオフガスバーナーのみで処理する場合は、オフガスバーナーの構成上未改質の改質ガスが排気ガスと共に放出されてしまうという問題を回避するものである。
【００６２】
またオフガスを改質バーナー２のみで処理する場合は、負荷変動時オフガス量が変化して場合によっては処理できない程の量が発生してしまい改質バーナーが高温異常になってしまうことがあり、かかる事態を回避するものである。
【００６３】
上述の実施形態および実施例は、説明のために例示したもので、本発明としてはそれらに限定されるものでは無く、特許請求の範囲、発明の詳細な説明および図面の記載から当業者が認識することができる本発明の技術的思想に反しない限り、変更および付加が可能である。
【００６４】
上述の実施形態および実施例においては、一例として熱交換器を用いる例について説明したが、本発明としてはそれらに限定されるものでは無く、燃料電池のアノード極オフガスを燃焼させるための触媒燃焼器と、前記オフガス燃焼器によって燃焼させて残ったオフガスを改質器バーナに供給する通路を備え、前記改質器燃焼バーナによって前記触媒燃焼器から供給された前記残ったオフガスを燃焼させて排気する燃料電池コージュネレーションシステムの変形例を採用することが出来る。
【００６５】
本変形例においては、触媒燃焼器で燃えなかった分を確実に改質器バーナ（火炎燃焼）で燃やすことができること、触媒燃焼器は可燃空燃比の範囲が広く、特に空燃比制御をする必要がなくオフガスを流すだけで燃焼することができるため制御性に優れている等の利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の燃料電池コージェネレーションシステムを示すブロック回路図である。
【図２】本実施形態のシステムにおけるオフガスの流れを示す回路図である。
【図３】本実施形態システムの起動時の制御手順を示すチャート図である。
【図４】本実施形態システムの定常運転時の制御手順を示すチャート図である。
【図５】従来の燃料電池用燃料改質器示す全体ブロック図である。
【図６】従来の燃料電池プラントを示すブロック回路図である。
【図７】従来の燃料電池給湯コージュネレーションシステムを示すブロック回路図である。
【図８】従来の固体高分子型燃料電池発電装置を示すブロック回路図である。
【符号の説明】
２ 改質器燃焼バーナ
４ 燃料電池スタック
５ オフガス燃焼器
６ 第１の熱交換器
８、９、１０ ３方向切換弁
２５ 通路
４１ アノード極
４２ スタック冷却部
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力供給と給湯を併用供給する燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、燃料電池のアノード極オフガスをオフガス燃焼器により燃焼させ、第１の熱交換器によりオフガス燃焼熱を温水として熱回収するとともに、前記オフガス燃焼器によって燃焼させて残ったオフガスを通路により改質器燃焼バーナに供給して、前記改質器燃焼バーナによって前記オフガス燃焼器から供給された前記残ったオフガスを燃焼させて排気する燃料電池コージェネレーションシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池用燃料改質器（特開平７−１９２７４２）は、図５に示されるように燃料電池Ｆのオフガス排出系Ｅに触媒燃焼器Ｓを配設して、オフガスを燃焼させて排気されていた。
【０００３】
従来の燃料電池プラント（特開平５−２０５７５９）は、図６に示されるように改質器Ｋの燃焼部Ｂから排出される排ガス中の残留酸素成分を触媒燃焼器Ｓにおいて消費して低濃度もしくは酸素成分を含まないパージガスとして格納容器Ｖへ供給するものであった。
【０００４】
従来の燃料電池給湯コージュネレーションシステム（特開２００１−１７６５２７）は、図７に示されるように燃料電池Ｆの下流部位に配設されたオフガスバーナＳによって、燃料電池Ｆの酸素極および水素極の各排ガスを燃焼させて排出するものであった。
【０００５】
従来の固体高分子型燃料電池発電装置（特開２００１−９３５５０）は、図８に示されるように燃料極ＦＰからの残余の水素および未改質燃料などの可燃物質を含む排気ガスが、排気ガスバーナーＳに送られ、ここで酸化剤極ＯＰの排気ガスの一部と混合されて燃焼され、その排気ガスを水蒸気加熱器ＶＨ、燃料混合ガス余熱器ＰＨ、水蒸発器ＷＶ、水凝縮器ＷＧの順に通過させるものであった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の燃料電池用燃料改質器は、燃料電池Ｆのオフガス排出系Ｅに配設された触媒燃焼器Ｓによって、オフガスを燃焼させて排気されるものであるので、オフガスをオフガスバーナーのみで処理するものであるため、オフガスバーナーの構成上未改質のオフガスが排気ガスと共に放出されてしまうという問題があった。
【０００７】
また上記従来の燃料電池プラントは、改質器Ｋの燃焼部Ｂから排出される排ガス中の残留酸素成分を前記触媒燃焼器Ｓにおいて消費して低濃度もしくは酸素成分を含まないパージガスとして格納容器Ｖへ供給するものであるので、単に前記残留酸素成分を前記触媒燃焼器において消費するにすぎないものであるため、前記残留成分からの熱的なエネルギー回収が出来ないという問題があった。
【０００８】
さらに上記従来の燃料電池給湯コージュネレーションシステムは、燃料電池Ｆの下流部位に配設されたオフガスバーナＳによって、燃料電池Ｆの酸素極および水素極の各排ガスを燃焼させて排出するものであるので、前記各排ガスからの熱的なエネルギー回収が出来ないという問題があった。
【０００９】
また上記従来の固体高分子型燃料電池発電装置は、燃料極ＦＰからの残余の水素および未改質燃料などの可燃物質を含む排気ガスが、排気ガスバーナーＳに送られ、ここで酸化剤極ＯＰの排気ガスの一部と混合されて燃焼され、その排気ガスを水蒸気加熱器ＶＨ、燃料混合ガス余熱器ＰＨ、水蒸発器ＷＶ、水凝縮器ＷＧの順に通過させるものであるので、排気ガスからの熱的なエネルギー回収は行われるが、最終的には放出されてしまうという問題があった。
【００１０】
そこで本発明者は、電力供給と給湯を併用供給する燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、オフガス燃焼器における燃料電池のアノード極オフガスの燃焼に伴うオフガス燃焼熱を、スタック冷却部の下流側に設置された前記第１の熱交換器によって温水として熱回収するとともに、前記オフガス燃焼器によって燃焼させて残ったオフガスを前記通路を介して前記改質器燃焼バーナに供給して、前記改質器燃焼バーナによって供給された前記残ったオフガスを燃焼させて排気するという本発明の技術的思想に着眼し、更に研究開発を重ねた結果、オフガスからの熱的なエネルギー回収を可能にするとともに、オフガス中の未燃成分を充分燃焼させた後排出するという目的を達成する本発明に到達した。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明（請求項１に記載の第１発明）の燃料電池コージェネレーションシステムは、
電力供給と給湯を併用供給する燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、
燃料電池のアノード極オフガスを燃焼させるためのオフガス燃焼器と、
オフガス燃焼熱を温水として熱回収するためにスタック冷却部の下流側に設置された第１の熱交換器と、
前記オフガス燃焼器によって燃焼させて残ったオフガスを改質器燃焼バーナに供給する通路を備え、
前記オフガス燃焼器と前記改質器燃焼バーナを連絡する前記通路に、前記オフガス燃焼器によって燃焼させて残ったオフガスの前記改質器燃焼バーナへの供給または排気を可能にするように供給方向を切り換える第１の方向切換弁が配設され、
前記改質器燃焼バーナによって前記オフガス燃焼器から供給された前記残ったオフガスを燃焼させて排気する
ものである。
【００１２】
本発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、
前記第１発明において、
前記オフガスを燃焼させる前記オフガス燃焼器に供給するオフガスエア量を制御するオフガスエア制御弁を備えている
ものである。
【００１３】
本発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、
前記第１発明または前記本発明において、
前記第１の熱交換器によりオフガス燃焼熱によって熱回収した温水が、貯湯槽の熱交換器を介して電池スタックに供給されるように構成されている
ものである。
【００１５】
本発明（請求項２に記載の第２発明）の燃料電池コージェネレーションシステムは、
前記第１発明において、
システムの運転状態と温水の需要に応じて改質器からの改質ガスを供給する供給先を切り換えるために供給方向を切り換える第２の方向切換弁を備えている
ものである。
【００１６】
本発明（請求項３に記載の第３発明）の燃料電池コージェネレーションシステムは、
前記第２発明において、
暖気運転中において、前記第２の方向切換弁を介して供給された前記改質ガスを前記オフガス燃焼器に供給する第３の方向切換弁を備え、
該オフガス燃焼器の燃焼熱を利用してスタック冷却部の冷却水を昇温する
ものである。
【００１７】
本発明（請求項４に記載の第４発明）の燃料電池コージェネレーションシステムは、
前記第３発明において、
定常時の給湯の需要が高い時において、前記改質ガスを前記オフガス燃焼器に供給して、該オフガス燃焼器の燃焼熱を利用してスタック冷却部の冷却水を昇温する
ものである。
【００１８】
本発明（請求項５に記載の第５発明）の燃料電池コージェネレーションシステムは、
前記第２発明において、
定常時の電力需要が高い時には、前記改質ガスを前記改質器燃焼バーナに供給するものである。
【００１９】
本発明（請求項６に記載の第６発明）の燃料電池コージェネレーションシステムは、
前記第３発明において、
前記第１ないし第３の方向切換弁が、３方向の連絡関係を切換制御して前記改質器と前記改質器燃焼バーナと前記オフガス燃焼器との連絡関係を制御する三方弁によって構成されている
ものである。
【００２０】
【発明の作用および効果】
上記構成より成る第１発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、電力供給と給湯を併用供給する燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、オフガス燃焼器における燃料電池のアノード極オフガスの燃焼に伴うオフガス燃焼熱を、スタック冷却部の下流側に設置された前記第１の熱交換器によって温水として熱回収するとともに、前記オフガス燃焼器によって燃焼させて残ったオフガスを前記通路を介して前記改質器燃焼バーナに供給して、前記改質器燃焼バーナによって供給された前記残ったオフガスを燃焼させて排気するので、オフガスからの熱的なエネルギー回収を可能にするとともに、オフガス中の未燃成分を充分燃焼させた後排出するという効果を奏する。
上記構成より成る第１発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、前記オフガス燃焼器と前記改質器燃焼バーナを連絡する前記通路に配設された前記第１の方向切換弁によって、前記オフガス燃焼器によって燃焼させて残ったオフガスの前記改質器燃焼バーナへの供給または排気を可能にするように供給方向を切り換えるので、前記改質器燃焼バーナの温度異常がある場合には前記オフガスの供給を停止して排気することを可能にするという効果を奏する。
【００２１】
上記構成より成る本発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、前記第１発明において、前記オフガスエア制御弁によって、前記オフガスを燃焼させる前記オフガス燃焼器に供給するオフガスエア量を制御するので、熱回収量を制御出来るという効果を奏する。
【００２２】
上記構成より成る本発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、前記第１発明または前記本発明において、前記第１の熱交換器によりオフガス燃焼熱によって熱回収した温水が、貯湯槽の熱交換器を介して電池スタックに供給されるので、給湯能力を高めるとともに、前記電池スタックのスタック冷却部の冷却水を昇温するという効果を奏する。
【００２４】
上記構成より成る第２発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、前記第１発明において、前記第２の方向切換弁によって、システムの運転状態と温水の需要に応じて供給方向を切り換えることにより、改質器からの改質ガスを供給する供給先を切り換えることを可能にするという効果を奏する。
【００２５】
上記構成より成る第３発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、前記第２発明において、暖気運転中において、前記第３の方向切換弁によって前記第２の方向切換弁を介して供給された前記改質ガスを前記オフガス燃焼器に供給するので、該オフガス燃焼器の燃焼熱を利用してスタック冷却部の冷却水の昇温を可能にするという効果を奏する。
【００２６】
上記構成より成る第４発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、前記第３発明において、定常時の給湯の需要が高い時において、前記改質ガスを前記オフガス燃焼器に供給して、該オフガス燃焼器の燃焼熱を利用してスタック冷却部の冷却水を昇温するので、スタック冷却水の昇温を有効に行うという効果を奏する。
【００２７】
上記構成より成る第５発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、前記第２発明において、定常時の電力需要が高い時には、前記改質ガスを前記改質器燃焼バーナに供給するので、定常時の高い電力需要への対応を可能にするという効果を奏する。
【００２８】
上記構成より成る第６発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、前記第３発明において、前記第１ないし第３の方向切換弁を構成する前記三方弁によってが、３方向の連絡関係を切換制御して前記改質器と前記改質器燃焼バーナと前記オフガス燃焼器との連絡関係を制御するので、オフガスからの熱的なエネルギーの有効な回収を可能にするとともに、オフガス中の未燃成分を充分燃焼させた後排出することを可能にするという効果を奏する。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態につき、図面を用いて説明する。
【００３０】
（実施形態）
本実施形態の燃料電池コージェネレーションシステムは、図１ないし図４に示されるように電力供給と給湯を併用供給する燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、燃料電池スタック４のアノード極４１のオフガスを燃焼させるためのオフガス燃焼器５と、オフガス燃焼熱を温水として熱回収するためにスタック冷却部４２の下流側に設置された第１の熱交換器６と、前記オフガス燃焼器５によって燃焼させて残ったオフガスを改質器燃焼バーナ２に供給する通路２５を備え、前記改質器燃焼バーナ２によって前記オフガス燃焼器５から供給された前記残ったオフガスを燃焼させて排気するように構成されている。
【００３１】
本実施形態における前記オフガス燃焼器５は、一例として触媒燃焼器によって構成されている。
【００３２】
前記オフガスを燃焼させる前記オフガス燃焼器５に２次空気を供給する２次空気通路にオフガスエア制御弁５１が配設され、熱回収量を制御するために前記オフガス燃焼器５に供給する前記２次空気としてのオフガスエア量を制御するものである。
【００３３】
前記第１の熱交換器６は、配管を介して貯湯槽６０の熱交換器６２に連絡しており、該熱交換器６２は、配管を介して前記燃料電池スタック４の前記スタック冷却部４２に連絡しており、前記電池スタック４からのオフガスの燃焼熱によって熱回収された温水が、前記貯湯槽６０の前記熱交換器６２を介して電池スタック４の前記スタック冷却部４２に供給され、スタック冷却水が昇温されるように構成されている。
【００３４】
第１の方向切換弁は、前記オフガス燃焼器５と前記改質器燃焼バーナ２を連絡する前記通路２５に配設され、前記オフガス燃焼器５によって燃焼させて残ったオフガスの改質器燃焼バーナ２への供給または排気を可能にするように供給方向を切り換える３方弁１０によって構成されている。
【００３５】
第２の方向切換弁は、前記改質器１と前記電池スタック４とを連絡する通路１４に配設され、システムの運転状態と温水の需要に応じて前記改質器１からの改質ガスを供給する供給先を切り換えるために供給方向を切り換える３方弁８によって構成されている。
【００３６】
第３の方向切換弁は、前記通路１４と前記通路２５とを連絡する通路９０に配設され、暖気運転中において、前記第２の方向切換弁としての３方弁８を介して供給された前記改質ガスを前記オフガス燃焼器５または前記改質器燃焼バーナ２に供給する３方弁９によって構成され、該オフガス燃焼器の燃焼熱を利用してスタック冷却部の冷却水を昇温するものである。
【００３７】
シャット弁３は、前記通路９０と電池スタック４のアノードとの間の通路９１に配設され、アノード極４１のオフガスの前記通路９０を介して前記燃焼バーナ２または前記オフガス燃焼器５への供給を開閉制御するものである。
【００３８】
コントローラ５０は、前記オフガスエア制御弁５１、前記シャット弁３、前記３方弁８、前記３方弁９および前記３方弁１０に接続され、開閉、流量、供給方向を制御することにより、オフガスのエネルギーを熱回収して有効に利用するとともに、オフガス中の未燃成分を充分燃焼させた後排出するための制御信号を出力するように構成されている。
【００３９】
すなわち定常時の給湯の需要が高い時においては、前記改質ガスを前記オフガス燃焼器５に供給するように前記シャット弁３が開とされ、前記３方弁９がａ方向に制御され、該オフガス燃焼器５の燃焼熱を利用して前記第１の熱交換器６によって冷却水に熱交換され、スタック冷却部の冷却水を昇温するものである。
【００４０】
定常時の電力需要が高い時においては、前記改質ガスを前記３方弁８、３方弁９および３方弁１０を介して前記改質器燃焼バーナ２に供給するものである。
【００４１】
本実施形態におけるシステムの運転方法の詳細について、図３および図４のフローチャートに従って説明する。
図３に示されるようにシステムの起動により、改質器１が改質の準備を始める。このときシャット弁３は閉、３方弁８の連絡方向はａ、３方弁９の連絡方向はｂである。
【００４２】
改質反応を開始すると改質ガスが水素リッチになる。この段階で前記３方弁９の連絡方向をａに切り替えると同時に前記オフガス燃焼器５に２次エアを供給し、改質ガスを燃焼させる。スタック冷却水が発電可能な状態になるまで、改質ガスにより冷却水温度を上昇させる。
【００４３】
発電準備が整ったら前記シャット弁３を開き、３方弁８の連絡方向をｂに切り替えて、モード切替えが行われる。
【００４４】
お湯（給湯）が欲しい給湯（主体）モードにおいては、３方弁９の連絡方向をａとし、前記オフガス燃焼器５に２次エアを供給して、発電開始出力を上昇させ、水素利用率が一定割合（％）以上かどうかを判定し、一定割合（％）以上の場合は前記オフガス燃焼器５への２次エアの供給を停止する。
【００４５】
電気が欲しい発電主体モードにおいては、スタック冷却水の温度を設定温度と比較し、設定温度より高い場合は３方弁９の連絡方向をｂとし、前記オフガス燃焼器５への２次エアの供給を停止して、発電開始出力を上昇させ、水素利用率が一定割合（％）以上かどうかを判定し、一定割合（％）以上の場合は前記オフガス燃焼器５への２次エアの供給を停止する。
【００４６】
前記スタック冷却水の温度が、設定温度より低い場合は３方弁９の連絡方向をａとし、上述の給湯モードと同様の制御が行われる。
【００４７】
給湯モードおよび発電主体モードにおいても、前記水素利用率が一定割合（％）以上の場合は前記オフガス燃焼器５への２次エアの供給を停止すると、図４に示される定常運転となり、モード切替えが行なわれる。
【００４８】
お湯（給湯）が欲しい給湯（主体）モードにおいては、オフガスを前記オフガス燃焼器５に供給するように制御され、オフガスを前記オフガス燃焼器５に供給して、前記３方弁９の連絡方向をａとし、水素利用率が一定割合（％）以上かどうかを判定し、一定割合（％）以上の場合は前記オフガス燃焼器５への２次エアの供給を停止する。一定割合（％）以下の場合は前記オフガス燃焼器５に２次エアを供給する。
【００４９】
電気が欲しい発電主体モードにおいては、スタック冷却水の温度を設定温度と比較し、設定温度より高い場合は前記オフガスを前記燃焼バーナー２に供給するために前記３方弁９の連絡方向をｂとし、前記オフガス燃焼器５への２次エアの供給を停止する。
【００５０】
スタック冷却水の温度が、設定温度より低い場合は、オフガスを前記オフガス燃焼器５に供給して、前記３方弁９の連絡方向をａとし、水素利用率が一定割合（％）以上かどうかを判定し、一定割合（％）以上の場合は前記オフガス燃焼器５への２次エアの供給を停止する。一定割合（％）以下の場合は前記オフガス燃焼器５に２次エアを供給する。
【００５１】
前記スタック冷却水の温度が、設定温度より低い場合は３方弁９の連絡方向をａとし、上述の給湯モードと同様の制御が行われる。
【００５２】
本実施形態の燃料電池コージェネレーションシステムは、前記オフガス燃焼器５における燃料電池のアノード極４１におけるオフガスの燃焼に伴うオフガス燃焼熱を、スタック冷却部４２の下流側に設置された前記第１の熱交換器６による熱交換によって温水として熱回収するとともに、前記オフガス燃焼器５によって燃焼させて残ったオフガスを前記通路２５を介して前記改質器燃焼バーナ２に供給して、前記改質器燃焼バーナ２によって前記残ったオフガスを燃焼させて排気するので、オフガスからの熱的なエネルギー回収を可能にするとともに、オフガス中の未燃成分を充分燃焼させた後排出するという効果を奏する。
【００５３】
前記燃料電池スタック（ＦＣ）４から発生したオフガスを、本実施形態のシステム内において燃焼処理するのに改質バーナー２とオフガスバーナー５を併用して制御することにより、オフガス中の未燃成分を充分燃焼させた後排出するという利点を有する。
【００５４】
熱回収が必要な場合は、前記オフガスバーナー５にエアーを混合して、オフガスバーナーにおいて、Ｈ2 を燃焼させることにより、熱回収を行うものであり、熱回収を行う量は、オフガスエアー量を調整することでコントロールできる利点を有する。
【００５５】
残Ｈ2 と残メタンを前記改質バーナー２によってさらに燃焼させ排気するものであるため、オフガス中の未燃成分を充分燃焼させた後排出するという利点を有する。
【００５６】
熱回収しない場合は、前記オフガスバーナー５をバイパスして全て前記改質バーナー２によって処理するように制御されるとともに、改質バーナーの温度が上がりすぎた場合は、オフガスバーナー５において全量Ｈ2 を処理するか、異常時は全て放出するように制御される。
【００５７】
本実施形態のＦＣ発電機システムにおけるオフガスを処理する方法としては、前記オフガスバーナー５と前記改質器バーナー２を直列化することで熱回収量の調整と残メタンの処理を行える様になっているので、前記オフガス燃焼器５においては、触媒燃焼においてはＨ2 を燃焼させ熱回収を行うとともに、混合するエアー量を調整することで熱回収量をコントロールして、さらに残ったオフガスを前記改質バーナー２において、燃焼させ排気するものである。
【００５８】
本実施形態のシステムは、前記オフガス燃焼器５に全く流さない回路も備えており、全量改質バーナー２で燃焼させることを可能にする。
【００５９】
また本実施形態のシステムは、前記改質バーナー２の温度異常等がある場合には、前記改質バーナー２に前記オフガスを供給しないで排出する回路も備えており、前記改質バーナー２の温度異常を助長することを回避するという利点を有する。
【００６０】
さらに本実施形態のシステムは、システムの起動時に燃料電池スタック４の冷却水の温度を、燃料電池のアノード極４１における前記オフガスによる廃熱によって、早く効率よく暖めることを可能にするという利点を有する。
【００６１】
上述したように本実施形態のシステムは、従来におけるオフガスをオフガスバーナーのみで処理する場合は、オフガスバーナーの構成上未改質の改質ガスが排気ガスと共に放出されてしまうという問題を回避するものである。
【００６２】
またオフガスを改質バーナー２のみで処理する場合は、負荷変動時オフガス量が変化して場合によっては処理できない程の量が発生してしまい改質バーナーが高温異常になってしまうことがあり、かかる事態を回避するものである。
【００６３】
上述の実施形態および実施例は、説明のために例示したもので、本発明としてはそれらに限定されるものでは無く、特許請求の範囲、発明の詳細な説明および図面の記載から当業者が認識することができる本発明の技術的思想に反しない限り、変更および付加が可能である。
【００６４】
上述の実施形態および実施例においては、一例として熱交換器を用いる例について説明したが、本発明としてはそれらに限定されるものでは無く、燃料電池のアノード極オフガスを燃焼させるための触媒燃焼器と、前記オフガス燃焼器によって燃焼させて残ったオフガスを改質器バーナに供給する通路を備え、前記改質器燃焼バーナによって前記触媒燃焼器から供給された前記残ったオフガスを燃焼させて排気する燃料電池コージュネレーションシステムの変形例を採用することが出来る。
【００６５】
本変形例においては、触媒燃焼器で燃えなかった分を確実に改質器バーナ（火炎燃焼）で燃やすことができること、触媒燃焼器は可燃空燃比の範囲が広く、特に空燃比制御をする必要がなくオフガスを流すだけで燃焼することができるため制御性に優れている等の利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の燃料電池コージェネレーションシステムを示すブロック回路図である。
【図２】本実施形態のシステムにおけるオフガスの流れを示す回路図である。
【図３】本実施形態システムの起動時の制御手順を示すチャート図である。
【図４】本実施形態システムの定常運転時の制御手順を示すチャート図である。
【図５】従来の燃料電池用燃料改質器示す全体ブロック図である。
【図６】従来の燃料電池プラントを示すブロック回路図である。
【図７】従来の燃料電池給湯コージュネレーションシステムを示すブロック回路図である。
【図８】従来の固体高分子型燃料電池発電装置を示すブロック回路図である。
【符号の説明】
２ 改質器燃焼バーナ
４ 燃料電池スタック
５ オフガス燃焼器
６ 第１の熱交換器
８、９、１０ ３方向切換弁
２５ 通路
４１ アノード極
４２ スタック冷却部
Claims (6)
- 電力供給と給湯を併用供給する燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、
燃料電池のアノード極オフガスを燃焼させるためのオフガス燃焼器と、
オフガス燃焼熱を温水として熱回収するためにスタック冷却部の下流側に設置された第１の熱交換器と、
前記オフガス燃焼器によって燃焼させて残ったオフガスを改質器燃焼バーナに供給する通路を備え、
前記オフガス燃焼器と前記改質器燃焼バーナを連絡する前記通路に、前記オフガス燃焼器によって燃焼させて残ったオフガスの前記改質器燃焼バーナへの供給または排気を可能にするように供給方向を切り換える第１の方向切換弁が配設され、
前記改質器燃焼バーナによって前記オフガス燃焼器から供給された前記残ったオフガスを燃焼させて排気する
ことを特徴とする燃料電池コージェネレーションシステム。 - 請求項１において、
システムの運転状態と温水の需要に応じて改質器からの改質ガスを供給する供給先を切り換えるために供給方向を切り換える第２の方向切換弁を備えている
ことを特徴とする燃料電池コージェネレーションシステム。 - 請求項２において、
暖気運転中において、前記第２の方向切換弁を介して供給された前記改質ガスを前記オフガス燃焼器に供給する第３の方向切換弁を備え、
該オフガス燃焼器の燃焼熱を利用してスタック冷却部の冷却水を昇温する
ことを特徴とする燃料電池コージェネレーションシステム。 - 請求項３において、
定常時の給湯の需要が高い時において、前記改質ガスを前記オフガス燃焼器に供給して、該オフガス燃焼器の燃焼熱を利用してスタック冷却部の冷却水を昇温する
ことを特徴とする燃料電池コージェネレーションシステム。 - 請求項２において、
定常時の電力需要が高い時には、前記改質ガスを前記改質器燃焼バーナに供給することを特徴とする燃料電池コージェネレーションシステム。 - 請求項３において、
前記第１ないし第３の方向切換弁が、３方向の連絡関係を切換制御して前記改質器と前記改質器燃焼バーナと前記オフガス燃焼器との連絡関係を制御する三方弁によって構成されている
ことを特徴とする燃料電池コージェネレーションシステム。
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