JP5171103B2

JP5171103B2 - 燃料電池コージェネレーション装置

Info

Publication number: JP5171103B2
Application number: JP2007121751A
Authority: JP
Inventors: 茂戸田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2007-05-02
Filing date: 2007-05-02
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2027-05-02
Also published as: JP2008277198A

Description

この発明は燃料電池コージェネレーション装置に関し、より具体的には、燃料電池の運転状態に応じてアノードガスに含まれる水分量を最適にし、発電効率の低下を防止するようにした燃料電池コージェネレーション装置に関する。

近年、燃料電池に冷却水を供給して燃料電池で生じる排熱と熱交換させて排熱を回収するようにした燃料電池コージェネレーション装置が提案されている。その装置には、一般に固体高分子型の燃料電池が使用される。固体高分子型燃料電池で発電を行うには、固体高分子膜に水分を含有させる必要があるため、アノードガス（水素ガス）やカソードガス（反応空気）を加湿して燃料電池に水分が供給される。

一方、前記したアノードガスは、燃料ガス（例えば、都市ガス）と水蒸気を改質触媒で反応させて生成されるため、水分が多量に含まれる。そのようなアノードガスが直接燃料電池に供給されると、燃料電池の内部で水分が凝縮してガス流路が閉塞され、ガスの拡散が妨げられて燃料電池の発電効率の低下を招くという不具合がある。

そこで、例えば特許文献１に記載される技術にあっては、アノードガスを燃料電池に供給するアノードガス供給路に凝縮器を配置し、アノードガスに含まれる水分を凝縮させて除去することで、燃料電池に水分が過剰に供給されるのを防止するように構成している。
特開２００６−３０２７７９号公報（段落００２４、図１など）

しかしながら、燃料電池において必要な水分量は運転状態に応じて変化する。具体的には、燃料電池の温度は発電開始から定格運転状態に至るまで徐々に上昇するが、必要な水分量はその燃料電池の温度上昇に比例して増加する。上記した特許文献１記載の技術にあっては、燃料電池の運転状態に対する必要な水分量の変化については勘案されておらず、運転状態によってはアノードガスの水分が凝縮器で過度に除去され、燃料電池に供給される水分量が不足して発電効率の低下を招くおそれがあった。

従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、アノードガスに含まれる水分量を燃料電池の運転状態に応じて最適にし、発電効率の低下を防止するようにした燃料電池コージェネレーション装置を提供することにある。

上記の目的を解決するために、請求項１にあっては、燃料電池と、前記燃料電池に接続されてアノードガスを供給するアノードガス供給路と、前記アノードガス供給路に配置されて前記アノードガスに含まれる水分を凝縮させて除去する凝縮器と、前記燃料電池に冷却水を供給して前記燃料電池で生じる排熱と熱交換させて前記排熱を回収する排熱回収手段と、前記燃料電池で生成されるアノードオフガスを排出させるアノードオフガス排出路と、前記燃料電池で生成されるカソードオフガスを排出させるカソードオフガス排出路とを備えた燃料電池コージェネレーション装置において、前記アノードオフガス排出路と前記カソードオフガス排出路の内の少なくともいずれかに配置される熱交換器と、前記排熱回収手段と前記熱交換器を接続して前記熱交換された冷却水を前記排熱回収手段から前記熱交換器に供給する第１の冷却水供給路と、前記熱交換器と前記凝縮器を接続して前記第１の冷却水供給路を介して前記熱交換器に供給される前記冷却水を前記凝縮器に供給する第２の冷却水供給路とを備えるように構成した。

また、前記アノードオフガス排出路に接続され、前記排出されるアノードオフガスを燃焼させて改質触媒を加熱する燃焼バーナと、前記燃焼バーナに接続されて前記燃焼によって発生する燃焼排ガスを排出させる燃焼排ガス排出路と、前記燃焼排ガス排出路に配置される第２の熱交換器と、前記凝縮器と前記第２の熱交換器を接続して前記第２の冷却水供給路を介して前記凝縮器に供給された前記冷却水を前記第２の熱交換器に供給する第３の冷却水供給路と、前記第２の熱交換器と前記排熱回収手段を接続して前記第３の冷却水供給路を介して前記第２の熱交換器に供給された前記冷却水を前記排熱回収手段に供給する第４の冷却水供給路とを備えるように構成した。

請求項１に係る燃料電池コージェネレーション装置にあっては、アノードガス供給路に配置される凝縮器と、燃料電池に冷却水を供給して燃料電池で生じる排熱と熱交換させて排熱を回収する排熱回収手段と、アノードオフガス排出路とカソードオフガス排出路の内の少なくともいずれか（換言すれば、燃料電池で生成されるガス（アノードオフガスやカソードオフガス）を排出させる排出路）に配置される熱交換器とを備えると共に、排熱回収手段において熱交換された冷却水を、排熱回収手段から第１の冷却水供給路を介して熱交換器に供給した後、第２の冷却水供給路を介して凝縮器に供給するように構成、即ち、凝縮器に、熱交換器においてアノードオフガスやカソードオフガスと熱交換された排熱回収手段の冷却水を供給するように構成したので、凝縮器は、燃料電池の温度変化に即した温度でアノードガスに含まれる水分を凝縮させて除去することとなり、よってアノードガスの水分量を燃料電池の運転状態（具体的には、燃料電池の温度）に応じて最適にでき、発電効率の低下を防止することができる。

具体的には、燃料電池において必要な水分量は運転状態に応じて変化、より具体的には、発電開始から定格運転状態に至るまで徐々に上昇する燃料電池の温度に比例して増加するが、上記の如く、燃料電池から排出されたアノードオフガスやカソードオフガスと熱交換された排熱回収手段の冷却水を凝縮器に供給するように構成したので、凝縮器の温度は、燃料電池の温度上昇に伴って徐々に上昇する、即ち、凝縮器におけるアノードガスの露点が上昇することとなり、よって除去するアノードガスの水分量を徐々に減少させることができる、逆に言えば、燃料電池に供給される水分量を発電開始時に比して徐々に増加させることができる。これにより、アノードガスに含まれる水分量を燃料電池の運転状態に応じて最適にでき（具体的には、水分を多量に含むアノードガスが燃料電池に供給されて燃料電池の内部で水分が凝縮してガス流路を閉塞させることもなく、さらにアノードガスの水分が過度に除去されて燃料電池に供給される水分量が不足するのを防止することができ）、発電効率の低下を防止することができる、換言すれば、燃料電池において常に効率の良い発電を行うことができる。さらに、排熱回収手段の冷却水は、アノードオフガスあるいはカソードオフガスと熱交換されてその温度が上昇するため、燃料電池の排熱を効率良く回収することができる。

また、燃焼バーナでの燃焼によって発生する燃焼排ガスを排出させる燃焼排ガス排出路に第２の熱交換器を配置すると共に、凝縮器に供給された冷却水を第３の冷却水供給路を介して第２の熱交換器に供給した後、第４の冷却水供給路を介して排熱回収手段に供給するように構成したので、上記した効果に加え、排熱回収手段の冷却水は、燃焼排ガスと熱交換されてその温度が上昇するため、燃料電池の排熱のみならず、燃焼バーナの排熱も回収することができ、装置全体の運転効率を向上させることができる。

以下、添付図面に即してこの発明に係る燃料電池コージェネレーション装置の最良の実施の形態について説明する。

図１は、この発明の実施例に係る燃料電池コージェネレーション装置の構成を示す概略図である。

図１において、符号１０は燃料電池コージェネレーション装置を示す。燃料電池コージェネレーション装置１０は、家庭や工場などに設置される定置型の装置であり、燃料電池（スタック）１２と、燃料電池１２にアノードガス（改質ガス）を供給するアノードガス供給系１４と、燃料電池１２にカソードガス（反応空気）を供給するカソードガス供給系１６と、燃料電池１２で発生する電力を制御する電力制御系２０と、燃料電池１２で生じる排熱を回収する排熱回収系２２を備える。

燃料電池１２は、電解質膜（固体高分子膜）と、それを挟持するアノード極（燃料極）とカソード極（空気極）と、各電極の外側に配置されるセパレータ（いずれも図示せず）とから構成される単電池（セル）を複数個積層して形成された、公知の固体高分子型燃料電池からなる。

アノードガス供給系１４は、燃料ガス（例えば、メタンを主成分とする都市ガス）を改質させ、燃料電池１２のアノード極に供給されるべき水素を含有したアノードガスを生成する改質器２４を備える。改質器２４は、燃料ガスなどが流入される燃料ガス管２４ａと、燃料ガス管２４ａに接続されると共に、燃料ガスを水蒸気と反応させてアノードガスに改質する改質触媒２４ｂが充填される改質管２４ｃと、改質管２４ｃに接続されると共に、改質触媒２４ｂで生成されたアノードガスを排出させるアノードガス管２４ｄと、後述するアノードオフガスなどを燃焼させて改質触媒２４ｂなどを加熱する燃焼バーナ２４ｅと、燃焼バーナ２４ｅに接続され、前記燃焼によって発生する燃焼排ガスを流通させる燃焼排ガス管２４ｆからなる。

改質器２４の燃料ガス管２４ａには、燃料ガス供給源（図示せず）の燃料ガスを供給する第１の燃料ガス供給路２６ａと、図示しない水源の水を改質用の水（以下「改質用水」という）として供給する改質用水供給路３０が接続される。

第１の燃料ガス供給路２６ａには、燃料ガスの付臭剤、例えば有機硫黄化合物などを除去する脱硫器３２と、脱硫器３２を通過した燃料ガスを改質器２４に圧送する第１の燃料ガスポンプ３４と、第１の燃料ガスポンプ３４の下流側において第１の燃料ガス供給路２６ａを開閉する第１の開閉弁（電磁弁）３６が設けられる。また、改質用水供給路３０には、改質用水を改質器２４に圧送する送水ポンプ４０と、送水ポンプ４０の下流側において改質用水供給路３０を開閉する第２の開閉弁（電磁弁）４２が配置される。尚、この明細書において「上流」「下流」とは、そこを流れる気体あるいは液体（流体）などの流れ方向における上流、下流を意味する。

燃焼バーナ２４ｅには、燃焼用の空気（以下「燃焼空気」という）などを供給する燃焼空気供給路４４が接続される。燃焼空気供給路４４には、空気を燃焼空気として燃焼バーナ２４ｅに圧送する燃焼空気ポンプ４６と、燃焼空気に燃料ガスを混合させるミキサ（エゼクタ）５０が設けられる。

ミキサ５０は、第１の燃料ガス供給路２６ａに第２の燃料ガス供給路２６ｂを介して接続される。第２の燃料ガス供給路２６ｂは、図１に示す如く、第１の燃料ガス供給路２６ａの脱硫器３２と第１の燃料ガスポンプ３４の間から分岐され、その途中には燃料ガスをエゼクタ５０に圧送する第２の燃料ガスポンプ５２と、第２の燃料ガスポンプ５２の下流側において第２の燃料ガス供給路２６ｂを開閉する第３の開閉弁（電磁弁）５４が設置される。

燃焼排ガス管２４ｆは燃焼排ガスを排出する排出口２４ｆ１を備えると共に、排出口２４ｆ１には燃焼排ガス排出路６０が接続される。従って、燃焼排ガス排出路６０は、燃焼排ガス管２４ｆを介して燃焼バーナ２４ｅに接続されて燃焼によって発生する燃焼排ガスを排出（排気）させる。

アノードガス供給系１４はさらに、燃料電池１２と改質器２４を接続する第１のアノードガス供給路６２ａとアノードオフガス排出路６４を備える。具体的に説明すると、第１のアノードガス供給路６２ａは、その上流端が改質器２４のアノードガス管２４ｄに接続される一方、下流端は燃料電池１２のアノードガス供給口（図示せず）に接続される。また、アノードオフガス排出路６４は、その上流端が燃料電池１２のアノードオフガス排出口（図示せず）に接続される一方、下流端は改質器２４の燃焼バーナ２４ｅに接続される。これにより、第１のアノードガス供給路６２ａは、改質器２４で生成されるアノードガスを燃料電池１２に供給すると共に、アノードオフガス排出路６４は、燃料電池１２で生成されるアノードオフガスを排出させ、排出されたアノードオフガスを燃焼用の燃料として燃焼バーナ２４ｅに供給する。

第１のアノードガス供給路６２ａには３方弁（電磁弁）６６が配置される。第１のアノードガス供給路６２ａは３方弁６６を介して第２のアノードガス供給路６２ｂに接続されると共に、第２のアノードガス供給路６２ｂの下流端はアノードオフガス排出路６４に接続される。３方弁６６は、非通電時に改質器２４から排出されるアノードガスを燃料電池１２に供給し、燃料電池１２において必要なアノードガスの量が減少したとき、通電されてアノードガスを第２のアノードガス供給路６２ｂを介してアノードオフガス排出路６４に供給するように設定される。

アノードオフガス排出路６４において第２のアノードガス供給路６２ｂの接続位置よりも上流側には、アノードオフガス排出路６４を開閉する第４の開閉弁（電磁弁）７０が配置される。尚、上記した第１から第４の開閉弁３６，４２，５４，７０はいずれも電磁弁からなり、燃料電池１２の非運転時に燃料ガスなどが外部に流出するのを防止するため、燃料電池１２の運転終了時に全て閉弁されているものとする。別言すれば、第１から第４の開閉弁３６，４２，５４，７０は、いずれもノーマル・クローズ型の電磁弁（非通電時に閉弁し、通電時（励磁されるとき）に開弁する電磁弁）である。

カソードガス供給系１６は、燃料電池１２のカソード極（カソードガス供給口（図示せず））にカソードガスを供給するカソードガス供給路７２を備える。カソードガス供給路７２には、空気を吸引してカソードガスとして燃料電池１２に圧送するカソードガスポンプ７４と、カソードガスポンプ７４の下流側においてカソードガスを燃料電池１２から排出されるカソードガス（以下「カソードオフガス」という）などによって加湿する加湿器７６が設置される。

カソードガス供給系１６はさらに、その一端が燃料電池１２のカソードオフガス排出口（図示せず）に接続される一方、他端が大気に開放され、燃料電池１２で生成されるカソードオフガスを外部に排出させるカソードオフガス排出路７８を有する。カソードオフガス排出路７８の途中には、前記した加湿器７６が配置される。

上記したアノードオフガス排出路６４、カソードオフガス排出路７８、第１のアノードガス供給路６２ａおよび燃焼排ガス排出路６０には、図１に示すように、それぞれ熱交換器８０，８２，８４，８６が配置される。具体的には、アノードオフガス排出路６４において第２のアノードガス供給路６２ｂの接続位置と燃焼バーナ２４ｅの間には、アノードオフガス熱交換器（第１の熱交換器）８０が配置されると共に、カソードオフガス排出路７８において加湿器７６よりも下流側には、カソードオフガス熱交換器（第１の熱交換器）８２が配置される。また、第１のアノードガス供給路６２ａにおいて３方弁６６と燃料電池１２の間には、アノードガス熱交換器（凝縮器）８４が配置されると共に、燃焼排ガス排出路６０には燃焼排ガス熱交換器（第２の熱交換器）８６が配置される。

熱交換器８０，８２，８４，８６には、排熱回収系２２の冷却水（後述）が供給されてアノードオフガスなどと熱交換される。また、４個の熱交換器８０，８２，８４，８６の内、アノードオフガス熱交換器８０、カソードオフガス熱交換器８２およびアノードガス熱交換器８４はそれぞれ、冷却水によって熱交換されたアノードオフガス、カソードオフガスやアノードガスを凝縮させて気体成分と液体成分（凝縮水）に分離する気液分離器（図示せず）を備える。気液分離器には、分離して得られた凝縮水を排出する排出路８０ａ，８２ａ，８４ａが接続される。即ち、これらアノードオフガス熱交換器８０、カソードオフガス熱交換器８２およびアノードガス熱交換器８４は、アノードオフガス、カソードオフガスあるいはアノードガスに含まれる水分を凝縮させて除去する凝縮器として機能する。尚、排出路８０ａ，８２ａ，８４ａは加湿器７６に接続され、凝縮水はカソードガスの加湿用の水として利用される。

電力制御系２０は、マイクロ・コンピュータなどからなる電子制御ユニット（Electronic Control Unit。以下「ＥＣＵ」という）９０と、燃料電池１２で発生する電力（直流電流）を所定の周波数の交流電流に変換して電気負荷（交流電源機器）９２に出力するインバータ９４などからなり、燃料電池１２で発生した電力を出力する出力端子９６に接続される。ＥＣＵ９０は、前記した第１の燃料ガスポンプ３４や各開閉弁３６，４２，５４，７０などの補機類に信号線（図示せず）を介して接続され、それらの動作を制御する。

排熱回収系２２は、燃料電池１２に冷却水を供給して燃料電池１２で生じる排熱と熱交換させて排熱を回収する燃料電池熱交換器（排熱回収手段）１００を備える。燃料電池熱交換器１００には、燃料電池１２に１次冷却水を還流させる１次冷却水還流路１０２と、１次冷却水と熱交換された２次冷却水を流通させる２次冷却水流路１０４が接続される。

１次冷却水還流路１０２の一端は、燃料電池１２の冷却水導入口（図示せず）に接続されると共に、他端は、燃料電池１２の冷却水排出口（図示せず）に接続される。冷却水導入口と冷却水排出口は、燃料電池１２の内部に配置された冷却管（図示せず）を介して連通される。１次冷却水還流路１０２の途中には、冷却水を燃料電池１２に圧送する１次冷却水ポンプ１０６が配置される。従って、１次冷却水は、１次冷却水ポンプ１０６に圧送されることにより、燃料電池１２、１次冷却水還流路１０２、燃料電池熱交換器１００、１次冷却水還流路１０２、１次冷却水ポンプ１０６の順で循環させられる。

２次冷却水流路１０４には、燃料電池熱交換器１００において１次冷却水と熱交換された２次冷却水（温水。以下、単に「冷却水」という）を貯留する貯湯槽（貯湯タンク）１０８が配置される。貯湯槽１０８に貯留された冷却水は、熱交換器８０，８２，８４，８６に２次冷却水流路１０４を介して供給される。

具体的に説明すると、２次冷却水流路１０４は、燃料電池熱交換器１００とアノードオフガス熱交換器８０を接続（正確には、燃料電池熱交換器１００とアノードオフガス熱交換器８０を貯湯槽１０８を介して接続）して熱交換された冷却水を燃料電池熱交換器１００からアノードオフガス熱交換器８０に供給する第１の冷却水供給路１１０と、アノードオフガス熱交換器８０とカソードオフガス熱交換器８２を連結（接続）してアノードオフガス熱交換器８０に供給される冷却水をカソードオフガス熱交換器８２に供給する連結流路（第１の冷却水供給路）１１２と、カソードオフガス熱交換器８２とアノードガス熱交換器（凝縮器）８４を接続して第１の冷却水供給路１１０、連結流路１１２を介してカソードオフガス熱交換器８２に供給される冷却水をアノードガス熱交換器８４に供給する第２の冷却水供給路１１４を備える。

２次冷却水流路１０４はさらに、アノードガス熱交換器８４と燃焼排ガス熱交換器８６を接続して第２の冷却水供給路１１４を介してアノードガス熱交換器８４に供給された冷却水を燃焼排ガス熱交換器８６に供給する第３の冷却水供給路１１６と、燃焼排ガス熱交換器８６と燃料電池熱交換器１００を接続して第３の冷却水供給路１１６を介して燃焼排ガス熱交換器８６に供給された冷却水を燃料電池熱交換器１００に供給する第４の冷却水供給路１２０を備える。

第１の冷却水供給路１１０には、冷却水をアノードオフガス熱交換器８０などに向けて圧送する冷却水ポンプ１２２が配置される。従って、燃料電池熱交換器１００において熱交換された冷却水は、冷却水ポンプ１２２に圧送されることにより、図１に矢印で示す如く、第１の冷却水供給路１１０、アノードオフガス熱交換器８０、連結流路１１２、カソードオフガス熱交換器８２、第２の冷却水供給路１１４、アノードガス熱交換器８４、第３の冷却水供給路１１６、燃焼排ガス熱交換器８６、第４の冷却水供給路１２０、燃料電池熱交換器１００、第１の冷却水供給路１１０、貯湯槽１０８、冷却水ポンプ１２２の順に供給（循環）される。

貯湯槽１０８には、貯湯槽１０８の貯湯量が減少したとき、水源（図示せず）から水を供給（補給）する給水流路１２４と、貯湯槽１０８に貯留された冷却水（温水）を温水使用機器（例えば、温水シャワーなど）１２６に供給する給湯流路１３０が接続される。

次いで、上記の如く構成された燃料電池コージェネレーション装置１０の動作について概説する。

先ず燃料電池コージェネレーション装置１０の始動指示がなされると（より詳しくは、オペレータによって始動スイッチ（図示せず）がオンされると）、改質器２４においてアノードガスが生成される。具体的には、燃焼空気ポンプ４６と第２の燃料ガスポンプ５２を作動させると共に、第３の開閉弁５４を開弁させる。これにより、燃焼空気は燃焼空気ポンプ４６によって吸引され、図示しないエアフィルタで粉塵が除去された後、燃焼空気供給路４４を介してミキサ５０に供給される。また、燃料ガス供給源（図示せず）から供給される燃料ガスは、第１の燃料ガス供給路２６ａを介して脱硫器３２に供給されて付臭剤が除去され、その後第２の燃料ガス供給路２６ｂ、第２の燃料ガスポンプ５２、第３の開閉弁５４を介してミキサ５０に供給される。

ミキサ５０は燃焼空気と燃料ガスが供給されると、燃焼空気に燃料ガスを混合させて予混合ガスを生成し、それを改質器２４の燃焼バーナ２４ｅに向けて排出する。燃焼バーナ２４ｅは供給された予混合ガスを点火電極（図示せず）によって点火（着火）して燃焼させ、その燃焼によって比較的高温の燃焼排ガスが発生する。

燃焼排ガスは、図１に矢印で示す如く、燃焼排ガス管２４ｆ内を流通させられる。燃焼排ガス管２４ｆは、改質管２４ｃの外壁２４ｃ１を被覆するような形状を呈しているため、燃焼排ガス管２４ｆの燃焼排ガスは、改質管２４ｃおよびそこに充填される改質触媒２４ｂを昇温させる。燃焼排ガスはその後、燃焼排ガス管２４ｆの排出口２４ｆ１、燃焼排ガス流路６０および燃焼排ガス熱交換器８６を介して大気中に排出（排気）される。

改質触媒２４ｂが改質可能な温度（例えば、７００［℃］程度）まで加熱されると、次いで第１、第２、第４の開閉弁３６，４２，７０を開弁させると共に、第１の燃料ガスポンプ３４と送水ポンプ４０を駆動させる。これにより、改質器２４の改質管２４ｃには、燃料ガスおよび改質用水が供給され、改質動作が開始される。具体的には、改質管２４ｃの改質触媒２４ｂにおいて、改質用水は燃焼バーナ２４ｅの燃焼排ガスなどによって加熱されて蒸発し、水蒸気となる。その水蒸気は燃料ガスと混合された後、改質可能な温度まで加熱された改質触媒２４ｂに供給され、そこで水蒸気改質反応が起こる、即ち、混合された燃料ガスと水蒸気からアノードガスが生成される。

改質管２４ｃの改質触媒２４ｂで生成されたアノードガスは、アノードガス管２４ｄ、第１のアノードガス供給路６２ａ、３方弁６６およびアノードガス熱交換器８４を介して燃料電池１２のアノード極に供給される。

次いでカソードガスポンプ７４を作動させる。これによりカソードガスは、図示しないエアクリーナで粉塵が除去された後、カソードガス供給路７２を介して加湿器７６に流入させられる。カソードガスは、加湿器７６でカソードオフガスに含まれた水分などの供給を受けて所望の湿度となるまで加湿された後、燃料電池１２のカソード極に供給される。

燃料電池１２においては、アノード極に供給されたアノードガスをカソード極に供給されたカソードガスと電気化学反応させて発電動作が行われる。電気化学反応によって燃料電池１２で発生した電力（直流電流）は、出力端子９６から取り出され、その一部がＥＣＵ９０や第１の燃料ガスポンプ３４などの補機類の電源として使用されると共に、残部がインバータ９４を介して電気負荷９２に供給される。

燃料電池１２で生成されるカソードオフガスは、カソードオフガス排出路７８を介して加湿器７６に供給され、カソードガス供給路７２を流れるカソードガスを加湿した後、カソードオフガス熱交換器８２を介して大気中に排出（排気）される。このように、カソードオフガスは、発電によって生成された水分（生成水）を多く含むため、カソードガスを加湿するべく加湿器７６を通過させられた後、排気される。

燃料電池１２で生成されるアノードオフガス、正確には、燃料電池１２の発電動作において使用されずに排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス排出路６４、第４の開閉弁７０、アノードオフガス熱交換器８０を介して改質器２４の燃焼バーナ２４ｅに燃焼用の燃料として供給される。

燃料電池１２において発電動作が開始されてアノードオフガスが燃焼バーナ２４ｅに供給されると、第３の開閉弁５４を閉弁させると共に、第２の燃料ガスポンプ５２を停止させる。このように、燃料電池１２が発電動作中であるときは、アノードオフガスが燃焼用の燃料として燃焼バーナ２４ｅに供給されるため、燃焼バーナ２４ｅへの燃料ガスの供給は第４の開閉弁９２を閉弁するなどして遮断（停止）される。

燃料電池１２において発電動作が開始されると、燃料電池１２の温度は徐々に上昇するため、排熱回収系２２によって冷却される、換言すれば、燃料電池１２で生じる排熱は排熱回収系２２によって回収される。具体的には、１次冷却水ポンプ１０６と冷却水ポンプ１２２を作動させる。１次冷却水ポンプ１０６から吐出された１次冷却水は、高温となった燃料電池１２の内部を通過して燃料電池１２を冷却する。燃料電池１２を冷却することによって昇温させられた１次冷却水は、燃料電池熱交換器１００に供給され、そこで冷却水と熱の授受（熱交換）が行われる、具体的には、１次冷却水の熱が冷却水に伝達され、冷却水は昇温させられて温水となる。燃料電池熱交換器１００を通過した１次冷却水は、１次冷却水ポンプ１０６に吸入され、燃料電池１２に再度供給される。

燃料電池熱交換器１００において熱交換された冷却水は、上記した如く、冷却水ポンプ１２２によってアノードオフガス熱交換器８０などに供給される。詳説すると、燃料電池熱交換器１００で熱交換されて昇温させられた冷却水は、貯湯槽１０８に一旦貯留された後、第１の冷却水供給路１１０を介してアノードオフガス熱交換器８０に供給される。冷却水は、アノードオフガス熱交換器８０においてアノードオフガスと熱交換される、具体的には、アノードオフガスの熱が伝達されて昇温させられる。尚、アノードオフガスは発電によって生成された水分（生成水）を多く含むが、アノードオフガス熱交換器８０において冷却水と熱交換されて気液分離器に導入されることで、その水分は凝縮されて除去される。そのため、アノードオフガスが供給される燃焼バーナ２４ｅにおいて失火などを防止することができる。

冷却水はその後、連結流路１１２を介してカソードオフガス熱交換器８２に供給され、カソードオフガスと熱交換、より具体的にはカソードオフガスの熱が伝達されて昇温させられる。他方、カソードオフガスは加湿器７６において水分が既に除去されるが、カソードオフガス熱交換器８２においても冷却水と熱交換されて気液分離器に導入されることで、さらに水分が除去される。

このように、冷却水は、アノードオフガス熱交換器８０とカソードオフガス熱交換器８２において、燃料電池１２から排出されたアノードオフガスおよびカソードオフガスと熱交換されて昇温させられる、換言すれば、燃料電池１２の温度と略同一あるいは燃料電池１２の温度より僅かに低い温度まで昇温させられる。

次いで冷却水は、第２の冷却水供給路１１４を介してアノードガス熱交換器８４に供給される。冷却水は、アノードガス熱交換器８４においてアノードガスと熱交換される、正確には、アノードガスの熱が伝達されて昇温させられる。このアノードガスは、水蒸気改質反応によって生成されるため水分を多く含むが、アノードガス熱交換器８４において冷却水と熱交換されて気液分離器に導入されることで、その水分は凝縮されて除去される。そのため、燃料電池１２に水分が過剰に供給されるのを防止することができる。

また、燃料電池１２で必要な水分量は燃料電池の温度が上昇するに連れて増加するが、アノードガス熱交換器８４においては、その温度上昇に応じて除去する水分量が変化する。即ち、燃料電池１２の温度は発電開始から定格運転状態に至るまで徐々に上昇するが、それに伴ってアノードガス熱交換器８４に供給される冷却水の温度も上昇する。これにより、アノードガス熱交換器８４の温度も上昇し、アノードガス熱交換器８４におけるアノードガスの露点も上昇することとなり、よって除去できる水分量は減少させられる、逆に言えば、燃料電池１２に供給されるアノードガスの水分量は増加させられる。

冷却水はその後、第３の冷却水供給路１１６を介して燃焼排ガス熱交換器８６に供給されて燃焼排ガスと熱交換、具体的には燃焼排ガスの熱が伝達されて昇温させられる。次いで冷却水は、第４の冷却水供給路１２０を介して燃料電池熱交換器１００に供給され、前述したように、１次冷却水と熱交換されて昇温させられる。このように、冷却水は、アノードオフガス熱交換器８０、カソードオフガス熱交換器８２、アノードガス熱交換器８４、燃焼排ガス熱交換器８６、燃料電池熱交換器１００の順に供給されて徐々に昇温させられるため、燃料電池１２や燃焼バーナ２４ｅなどの排熱を効率良く回収することが可能となる。

上記した如く、この発明の実施例にあっては、燃料電池１２と、前記燃料電池に接続されてアノードガスを供給するアノードガス供給路（第１のアノードガス供給路６２ａ）と、前記アノードガス供給路に配置されて前記アノードガスに含まれる水分を凝縮させて除去する凝縮器（アノードガス熱交換器８４）と、前記燃料電池に冷却水（２次冷却水）を供給して前記燃料電池で生じる排熱と熱交換させて前記排熱を回収する排熱回収手段（燃料電池熱交換器１００）と、前記燃料電池で生成されるアノードオフガスを排出させるアノードオフガス排出路６４と、前記燃料電池で生成されるカソードオフガスを排出させるカソードオフガス排出路７８とを備えた燃料電池コージェネレーション装置１０において、前記アノードオフガス排出路と前記カソードオフガス排出路の内の少なくともいずれかに配置される熱交換器（アノードオフガス熱交換器８０、カソードオフガス熱交換器８２）と、前記排熱回収手段と前記熱交換器を接続して前記熱交換された冷却水を前記排熱回収手段から前記熱交換器に供給する第１の冷却水供給路１１０（連結流路１１２）と、前記熱交換器と前記凝縮器を接続して前記第１の冷却水供給路を介して前記熱交換器に供給される前記冷却水を前記凝縮器に供給する第２の冷却水供給路１１４とを備えるように構成した。

このように、凝縮器（アノードガス熱交換器８４）に、熱交換器においてアノードオフガスやカソードオフガスと熱交換された冷却水を供給するように構成したので、凝縮器は、燃料電池１２の温度変化に即した温度でアノードガスに含まれる水分を凝縮させて除去することとなり、よってアノードガスの水分量を燃料電池１２の運転状態（具体的には、燃料電池の温度）に応じて最適にでき、発電効率の低下を防止することができる。

具体的には、燃料電池１２において必要な水分量は運転状態に応じて変化、より具体的には、発電開始から定格運転状態に至るまで徐々に上昇する燃料電池１２の温度に比例して増加するが、上記の如く、燃料電池１２から排出されたアノードオフガスやカソードオフガスと熱交換された冷却水を凝縮器に供給するように構成したので、凝縮器の温度は、燃料電池１２の温度上昇に伴って徐々に上昇する、即ち、凝縮器におけるアノードガスの露点が上昇することとなり、よって除去するアノードガスの水分量を徐々に減少させることができる、逆に言えば、燃料電池１２に供給される水分量を発電開始時に比して徐々に増加させることができる。これにより、アノードガスに含まれる水分量を燃料電池１２の運転状態に応じて最適にでき（具体的には、水分を多量に含むアノードガスが燃料電池１２に供給されて燃料電池１２の内部で水分が凝縮してガス流路を閉塞させることもなく、さらにアノードガスの水分が過度に除去されて燃料電池１２に供給される水分量が不足するのを防止することができ）、発電効率の低下を防止することができる、換言すれば、燃料電池１２において常に効率の良い発電を行うことができる。さらに、燃料電池熱交換器１００の冷却水は、アノードオフガスあるいはカソードオフガスと熱交換されてその温度が上昇するため、燃料電池１２の排熱を効率良く回収することができる。

また、前記アノードオフガス排出路に接続され、前記排出されるアノードオフガスを燃焼させて改質触媒２４ｂを加熱する燃焼バーナ２４ｅと、前記燃焼バーナに接続されて前記燃焼によって発生する燃焼排ガスを排出させる燃焼排ガス排出路６０と、前記燃焼排ガス排出路に配置される第２の熱交換器（燃焼排ガス熱交換器８６）と、前記凝縮器と前記第２の熱交換器を接続して前記第２の冷却水供給路を介して前記凝縮器に供給された前記冷却水を前記第２の熱交換器に供給する第３の冷却水供給路１１６と、前記第２の熱交換器と前記排熱回収手段を接続して前記第３の冷却水供給路を介して前記第２の熱交換器に供給された前記冷却水を前記排熱回収手段に供給する第４の冷却水供給路１２０とを備えるように構成した。これにより、冷却水は燃焼排ガスと熱交換されてその温度が上昇するため、燃料電池１２の排熱のみならず、燃焼バーナ２４ｅの排熱も回収することができ、装置全体の運転効率を向上させることができる。

尚、上記実施例においては、アノードオフガス排出路６４とカソードオフガス排出路７８の両方に、熱交換器（アノードオフガス熱交換器８０とカソードオフガス熱交換器８２）を配置するように構成したが、要は冷却水を燃料電池から排出されるガス（アノードオフガスやカソードオフガス）と熱交換させるように構成すれば良く、その意味から、請求項１において「アノードオフガス排出路とカソードオフガス排出路の内の少なくともいずれかに配置される熱交換器」と記載した。

また、改質触媒２４ｂの改質可能な温度など具体的に示したが、それらの数値は例示であって限定されるものではない。

また、燃料ガスとして都市ガスを使用するように構成したが、それに限られるものではなく、ＬＰガスなどであってもよい。

この発明の実施例に係る燃料電池コージェネレーション装置の構成を示す概略図である。

符号の説明

１０燃料電池コージェネレーション装置、１２燃料電池、２４ｂ改質触媒、２４ｅ燃焼バーナ、６０燃焼排ガス排出路、６２ａ第１のアノードガス供給路（アノードガス供給路）、６４アノードオフガス排出路、７８カソードオフガス排出路、８０アノードオフガス熱交換器（熱交換器）、８２カソードオフガス熱交換器（熱交換器）、８４アノードガス熱交換器（凝縮器）、８６燃焼排ガス熱交換器（第２の熱交換器）、１００燃料電池熱交換器（排熱回収手段）、１１０第１の冷却水供給路、１１２連結流路（第１の冷却水供給路）、１１４第２の冷却水供給路、１１６第３の冷却水供給路、１２０第４の冷却水供給路

Claims

燃料電池と、前記燃料電池に接続されてアノードガスを供給するアノードガス供給路と、前記アノードガス供給路に配置されて前記アノードガスに含まれる水分を凝縮させて除去する凝縮器と、前記燃料電池に冷却水を供給して前記燃料電池で生じる排熱と熱交換させて前記排熱を回収する排熱回収手段と、前記燃料電池で生成されるアノードオフガスを排出させるアノードオフガス排出路と、前記燃料電池で生成されるカソードオフガスを排出させるカソードオフガス排出路とを備えた燃料電池コージェネレーション装置において、前記アノードオフガス排出路と前記カソードオフガス排出路の内の少なくともいずれかに配置される熱交換器と、前記排熱回収手段と前記熱交換器を接続して前記熱交換された冷却水を前記排熱回収手段から前記熱交換器に供給する第１の冷却水供給路と、前記熱交換器と前記凝縮器を接続して前記第１の冷却水供給路を介して前記熱交換器に供給される前記冷却水を前記凝縮器に供給する第２の冷却水供給路と、前記アノードオフガス排出路に接続され、前記排出されるアノードオフガスを燃焼させて改質触媒を加熱する燃焼バーナと、前記燃焼バーナに接続されて前記燃焼によって発生する燃焼排ガスを排出させる燃焼排ガス排出路と、前記燃焼排ガス排出路に配置される第２の熱交換器と、前記凝縮器と前記第２の熱交換器を接続して前記第２の冷却水供給路を介して前記凝縮器に供給された前記冷却水を前記第２の熱交換器に供給する第３の冷却水供給路と、前記第２の熱交換器と前記排熱回収手段を接続して前記第３の冷却水供給路を介して前記第２の熱交換器に供給された前記冷却水を前記排熱回収手段に供給する第４の冷却水供給路とを備えることを特徴とする燃料電池コージェネレーション装置。