JP5227100B2 - 燃料電池発電システムおよび発電方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池発電システムおよび発電方法に関する。

近年、燃料と酸化剤とから電力を生成する燃料電池を用いて発電を行う様々な燃料電池発電システムが考えられている。
例えば、図４に示すような構成を有する一般的な燃料電池発電システム３００が考えられている（例えば、非特許文献１参照。）。この燃料電池発電システム３００は、燃料制御弁３１と、脱硫器３２と、エジェクタ３３と、改質器３４と、固体酸化物形の燃料電池３５と、酸化剤予熱器３６と、予熱バーナ３７と、出力調整装置３８と、酸化剤制御弁３９と、酸化剤吸入器３１０とで構成される。

燃料制御弁３１は、燃料電池３５発電用の燃料ＦＬ（例えば、天然ガス）を外部から吸入し、吸入した燃料ＦＬを脱硫器３２へ送出する。また、燃料制御弁３１は、燃料ＦＬの流量を制御する。なお、燃料電池３５へ供給する燃料ＦＬの量は、あらかじめ設定された燃料電池３５が生成する直流電力Ｐｄと燃料制御弁３１の開度（燃料ＦＬの供給量）との関係に基づいて、燃料制御弁３１の開度を制御することにより直流電力Ｐｄを生成するために好適な値に設定する。

脱硫器３２は、燃料ＦＬに腐臭剤として添加されている硫黄分（例えば、メルカプタンなど）を吸着し、燃料ＦＬから硫黄分を除去する。当該除去は、改質器３４の改質触媒、または、燃料電池３５が具備する燃料極３５１での電極触媒が硫黄分により劣化することを防ぐために行われる。

エジェクタ３３は、脱硫器３２によって硫黄分が除去された燃料ＦＬを吸引し、吸引した燃料ＦＬを改質器３４へ吐出する。

なお、エジェクタ３３において、脱硫器３２から吸引された燃料ＦＬは、燃料電池３５の燃料極３５１から排出された燃料ＦＬ（以下、「燃料極排出ガスＥＸ−Ｆ」という）と混合される。燃料極排出ガスＥＸ−Ｆには、燃料電池３５の電池反応によって生成された水蒸気が含まれている。

改質器３４は、当該改質器３４に充填された改質触媒（ニッケル系触媒、ルテニウム系触媒）によって、燃料ＦＬに含まれる炭化水素の水蒸気改質反応を行わせる。これにより、水素リッチな改質ガスＨＲが生成される。燃料ＦＬの主成分であるメタンの水蒸気改質反応は、以下の（式１）で表わされる。

（メタンの水蒸気改質反応）

上述した（式１）に示したメタン（炭化水素）の水蒸気改質反応は、吸熱反応である。そのため、該水蒸気改質反応により水素を効率的に生成する場合、改質器３４の外部から水蒸気改質反応を維持するための反応熱を供給し、改質器３４の温度を７００℃〜７５０℃に維持する必要がある。このため、発電温度（一般的に、８００℃〜１，０００℃）で電力を生成する燃料電池３５から排出された熱を、炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として改質器３４へ供給する。なお、改質器３４と燃料電池３５とは互いに近傍に設置される。

燃料電池３５は、燃料極３５１と、固体酸化物電解質３５２と、酸化剤極３５３（空気極）とで構成される単セルを有する。燃料電池３５は、セパレータ（図示せず）を用いて複数の単セルを積層したセルスタックにより構成してもよい。燃料電池３５をセルスタックで構成することにより、負荷機器４００へ供給する電力が有する電圧値を高くすることが可能である。

改質器３４で生成された水素リッチな改質ガスＨＲは、燃料電池３５が具備する燃料極３５１に供給する。

一方、燃料電池３５の酸化剤極３５３には、酸化剤を含む気体ＡＲ（例えば、空気）が供給される。図４に示した例では、酸化剤吸入器３１０により外部から吸入した気体ＡＲの温度を酸化剤予熱器３６を用いて上昇させ、燃料電池３５の酸化剤極３５３に供給する。酸化剤極３５３へ供給される気体ＡＲの量は、あらかじめ設定した燃料制御弁３１の開度（燃料ＦＬの供給量）と、酸化剤制御弁３９の開度（気体ＡＲの供給量）との関係に基づいて、酸化剤制御弁３９の開度を制御することにより、燃料極３５１へ供給される燃料ＦＬと気体ＡＲとが好適に化学反応するように設定する。

燃料電池３５が具備する酸化剤極３５３では、金属酸化物系の電極触媒により、気体ＡＲに含まれている酸化剤（酸素Ｏ₂）が、以下の（式２）に示す酸化剤極反応により電子と反応し、酸化物イオンＯ^2-となる。

（酸化剤極反応）

酸化剤極３５３で生成した酸化物イオンＯ^2-は、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などの固体酸化物電解質３５２のなかを移動し、燃料極３５１に到達する。

燃料極３５１では、金属系電極触媒により、酸化剤極３５３から燃料極３５１へ移動してきた酸化物イオンＯ^2-と、改質ガスＨＲに含まれる水素Ｈ₂とが、以下の（式３）に示す反応を起こす。

また、酸化剤極３５３から燃料極３５１へ移動してきた酸化物イオンＯ^2-と、改質ガスＨＲに含まれる一酸化炭素ＣＯとは、以下の（式４）に示す反応を起こす。

（燃料極反応）

（式３）に示した反応の結果、燃料極３５１において、水蒸気Ｈ₂Ｏと電子ｅ^-とが生成される。また、（式４）に示した反応の結果、燃料極３５１において、二酸化炭素ＣＯ₂と電子ｅ^-とが生成される。なお、燃料極３５１にて、上述した（式３）または（式４）の反応に用いる金属系電極触媒は、例えば、ニッケル−ＹＳＺサーメット、ルテニウム−ＹＳＺサーメットなどでよい。

燃料極３５１にて生成された電子ｅ^-は、外部回路（図示せず）を移動し、酸化剤極３５３に到達する。その後、当該電子ｅ^-は、（式２）に示した酸化剤極反応により、酸素Ｏ₂と反応する。この電子ｅ^-が外部回路を移動する過程で、上述した（式３）および（式４）により発生した電気エネルギーを、燃料電池３５から出力される直流電力Ｐｄとして取り出すことができる。

なお、（式２）と（式３）、および、（式２）と（式４）それぞれをまとめると、燃料電池３５の電池反応は、以下の（式５）および（式６）として表すことができる。

（電池反応）

ここで、（式５）に示した反応は、水Ｈ₂Ｏの電気分解の逆反応、つまり、水素Ｈ₂と酸素Ｏ₂とから水蒸気を生成する反応である。また、（式６）に示した反応は、一酸化炭素ＣＯと酸素Ｏ₂とから二酸化炭素ＣＯ₂を生成する反応である。

その後、出力調整装置３８は、負荷機器４００が動作可能なよう、燃料電池３５の発電によって得られた直流電力Ｐｄについて電圧値の変換または直流から交流への変換を行う。さらに、出力調整装置３８は、変換した電力を、送電端交流出力（動作用電力Ｐｏ）として負荷機器４００へ供給する。なお、負荷機器４００が直流電力で動作する場合、出力調整装置３８は、直流から交流への変換を行うことなく、負荷機器４００が動作可能な電圧値への変換のみを行い、該電圧値の動作用電力Ｐｏを負荷機器４００へ供給する。

燃料電池３５の発電温度は、一般的に８００℃〜１，０００℃であり、電池反応によって発生する熱により発電温度に維持されている。このため、燃料電池３５から排出された熱は、改質器３４における炭化水素の水蒸気改質反応の反応熱として利用することが可能である。

実際、従来の燃料電池３５を用いた燃料電池発電システム３００では、燃料電池３５の電池反応によって発生する熱量が大きなものとなる。そのため、多量の気体ＡＲ（例えば、空気）を燃料電池３５の酸化剤極３５３に供給し、燃料電池３５の冷却を行っている。なお、酸化剤極３５３における酸素Ｏ₂の利用率は２０％程度である。

燃料電池３５の燃料極３５１から排出された燃料極排出ガスＥＸ−Ｆには、燃料極３５１における電池反応によって生成された水蒸気Ｈ₂Ｏが含まれている。当該燃料極排出ガスＥＸ−Ｆの一部は、改質器３４にて再利用するために、脱硫器３２により硫黄分が除去された燃料ＦＬと混合される。なお、燃料極排出ガスＥＸ−Ｆを再利用する目的は、（式１）に示した炭化水素の水蒸気改質反応に必要な水蒸気を供給することである。

燃料極３５１から排出された高温の燃料極排出ガスＥＸ−Ｆと、酸化剤極３５３から排出された酸化剤（以下、「酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏ」という）とは、予熱バーナ３７に供給される。

予熱バーナ３７では、燃料極排出ガスＥＸ−Ｆに含まれている未反応の燃料ＦＬ、未反応の水素Ｈ₂および未反応の一酸化炭素ＣＯが、酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏに含まれている未反応の酸素Ｏ₂と化学反応（燃焼）を起こす。当該燃焼により、酸化剤吸入器３１０から吸入され酸化剤予熱器３６に供給された気体ＡＲの温度を上昇させる。なお、水素Ｈ₂および一酸化炭素ＣＯの各燃焼反応を、以下の（式７）および（式８）にそれぞれ示す。

（水素の燃焼反応）

（一酸化炭素の燃焼反応）

酸化剤予熱器３６の予熱により温度が上昇した気体ＡＲは、酸化剤極３５１へ供給され、燃料電池３５の発電に用いられる。なお、予熱バーナ３７では、燃料極排出ガスＥＸ−Ｆと酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏとの化学反応（燃焼）によって発生した燃焼ガスＢＲを排出する。
電気学会・燃料電池発電次世代システム技術調査専門委員会編、「燃料電池の技術」、オーム社、第２０３頁〜第２０８頁、２００２年

しかしながら、上述した一般的な燃料電池発電システム３００では、燃料電池３５を所定の発電温度に維持するために、電池反応に用いられる気体ＡＲのみならず、燃料電池３５の冷却に用いる多量の気体ＡＲを外部から吸入しなければならないという問題点がある。

また、上述した燃料電池発電システム３００では、発電を行うため高温状態にある燃料電池３５に、外部から吸入した気体ＡＲを常温のまま供給した場合、燃料電池３５が破壊してしまうおそれがある。そのため、外部から取り込んだ気体ＡＲを酸化剤予熱器３６を用いて予熱した上で、燃料電池３５へ供給する必要がある。このため、気体ＡＲの予熱に消費されるエネルギーが大きく、燃料電池発電システム３００の発電効率を高くすることができないという問題点がある。

さらに、上述した燃料電池発電システム３００では、大型の酸化剤予熱器３６が必要となるため、燃料電池発電システム３００のコストが上昇したり、燃料電池発電システム３００設置用のスペースが大きなものとなってしまうという問題点がある。

本発明は、上述した課題を解決する燃料電池発電システムおよび発電方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池発電システムは、燃料極へ供給された燃料と酸化剤極へ供給された酸化剤とから電力を生成する燃料電池を用いて発電を行う燃料電池発電システムにおいて、前記酸化剤極から排出された酸化剤が有する熱量を排出させる排熱器と、前記熱量を排出した前記酸化剤極から排出された酸化剤を用いて前記燃料電池を冷却する冷却器とを有する。

また、本発明の燃料電池発電システムの前記排熱器は、外部から吸入された酸化剤と、前記酸化剤極から排出された酸化剤との熱交換を行う熱交換器で構成され、前記冷却器は、前記熱交換が行われた前記酸化剤極から排出された酸化剤を用いて前記燃料電池を冷却してもよい。

また、本発明の燃料電池発電システムは、前記熱交換が行われた前記酸化剤極から排出された酸化剤を回収する回収器を有し、前記冷却器は、前記回収器が回収した酸化剤を用いて、前記燃料電池の冷却を行ってもよい。

また、本発明の燃料電池発電システムは、前記熱交換が行われた前記外部から吸入された酸化剤を予熱し、該酸化剤を前記酸化剤極へ供給する酸化剤予熱器を有してもよい。

また、本発明の燃料電池発電システムでは、前記酸化剤極へ供給される酸化剤は、空気または純酸素でもよい。

また、上記課題を解決するために、本発明の発電方法は、燃料極へ供給された燃料と酸化剤極へ供給された酸化剤とから電力を生成する燃料電池を用いて発電を行う燃料電池発電システムにおける発電方法であって、前記酸化剤極から排出された酸化剤が有する熱量を排出させる排熱処理と、前記熱量を排出した前記酸化剤極から排出された酸化剤を前記燃料電池を冷却する冷却器に供給することにより前記燃料電池を冷却する冷却処理とを有する。

また、本発明の発電方法の前記排熱処理では、外部から吸入された酸化剤と、前記酸化剤極から排出された酸化剤との熱交換を行い、前記冷却処理では、前記熱交換が行われた前記酸化剤極から排出された酸化剤を前記冷却器に供給して前記燃料電池を冷却してもよい。

また、本発明の発電方法は、前記熱交換が行われた前記酸化剤極から排出された酸化剤を回収する処理を行い、前記冷却処理では、前記回収された前記酸化剤極から排出された酸化剤を前記冷却器に供給して、前記燃料電池の冷却を行ってもよい。

また、本発明の発電方法は、前記熱交換が行われた前記外部から吸入された酸化剤を予熱し、該酸化剤を前記酸化剤極へ供給する処理を有してもよい。

本発明によれば、燃料極へ供給された燃料と酸化剤極へ供給された酸化剤とから電力を生成する燃料電池を用いて発電を行う燃料電池発電システムにおいて、酸化剤極から排出された酸化剤が有する熱量を排出させ、熱量を排出した酸化剤極から排出された酸化剤を用いて燃料電池を冷却する。

このような構成としたため、燃料電池の冷却用に外部から吸入する酸化剤の量を低減できる。また、外部から吸入した酸化剤の予熱に必要とされるエネルギーを低減できるため、発電効率を高くすることができる。

以下、本発明の実施形態に従った燃料電池発電システム（発電方法を含む）を説明する。まず、本燃料電池発電システム１の全体構成を説明する。

図1に示すように、燃料電池発電システム１は、燃料電池１５を用いて生成した電力を負荷機器２へ供給する。

なお、燃料電池発電システム１が、負荷機器２に供給する電力は、負荷機器２が動作可能な「動作用電力Ｐｏ」（直流電力または交流電力）である。

負荷機器２は、動作用電力Ｐｏを用いて所定動作を実行する所定の電気機器である。ここで、負荷機器２は、燃料電池発電システム１から出力された電力に対する出力負荷としての役割を果たす機器であれば、任意の機器でよい。また、以下では、負荷機器２の台数が「１」である場合を例に挙げて説明するが、台数については「２」以上でもよい。

つぎに、本実施形態の燃料電池発電システム１の構成について詳細に説明する。

燃料電池発電システム１は、燃料制御弁１１と、脱硫器１２と、エジェクタ１３と、改質器１４と、燃料電池１５と、酸化剤予熱器１６と、予熱バーナ１７と、熱交換器１８と、冷却器１９と、冷却用送風器１１０と、出力調整装置１１１と、酸化剤吸入器１１２と、酸化剤制御弁１１３と、各種の配管（図示せず）とを有する。

なお、ここでいう配管は、例えば、燃料電池１５の発電に用いられる燃料ＦＬ（例えば、天然ガス）や気体ＡＲ、燃料電池１５から排出された燃料極排出ガスＥＸ−Ｆや酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏなどを燃料電池発電システム１にて還流させる役割を果たす。

燃料制御弁１１は、燃料ＦＬを外部から吸入し、吸入した燃料ＦＬを脱硫器１２へ送出する。また、燃料制御弁１１は、燃料ＦＬの流量を制御する。

脱硫器１２は、燃料ＦＬに腐臭剤として添加されている硫黄分を吸着し、燃料ＦＬに含まれている硫黄分を除去する。

エジェクタ１３は、脱硫器１２によって硫黄分が除去された燃料ＦＬを吸引し、吸引した燃料ＦＬをノズル（図示せず）を通じて改質器１４へ吐出する。

なお、エジェクタ１３において、脱硫器１２から吸引された燃料ＦＬは、燃料電池１５の燃料極１５１から排出された燃料極排出ガスＥＸ−Ｆと混合される。燃料極排出ガスＥＸ−Ｆは、燃料電池１５の電池反応によって生成された水蒸気を含んでいる。

改質器１４は、（式１）に示したような、エジェクタ１３から吐出された燃料ＦＬに含まれる炭化水素（例えば、メタンＣＨ₄）の水蒸気改質反応を行わせる。当該水蒸気改質反応により、改質器１４は、水素リッチな改質ガスＨＲを生成し、該改質ガスＨＲを燃料電池１５の燃料極１５１へ供給する。

燃料電池１５は、燃料ＦＬと、酸化剤（例えば、酸素Ｏ₂）を含む気体ＡＲ（例えば、空気）との化学反応により直流電力Ｐｄを生成する。

なお、燃料電池１５は、複数の単セルを積層したセルスタックで構成してもよい。この場合、単セルごとに1対１に対応するように冷却器１９を設けてもよく、また、任意の数の単セルごとに１つの冷却器１９を設けるようにしてもよい。

燃料電池１５は、燃料極１５１と、固体酸化物電解質１５２と、酸化剤極１５３とを有する。

図２に示すように、燃料極１５１は、改質器１４から供給された水素リッチな改質ガスＨＲを用いて電子を生成し、当該電子による直流電力Ｐｄを出力調整装置１１１へ出力する。

なお、図２に示したように、燃料極１５１では、（式３）に示した反応による水Ｈ₂Ｏと、（式４）に示した反応による二酸化炭素ＣＯ₂と、改質ガスＨＲに含まれる未反応の水素Ｈ₂を含む燃料極排出ガスＥＸ−Ｆとが生成される。

図２に示したように、固体酸化物電解質１５２は、酸化剤極１５３にて生成された酸化物イオンＯ^2-を燃料極１５１へ伝導する役割を果たす。なお、固体酸化物電解質１５２は、例えば、酸素イオン伝導性のセラミックスなどでよい。

図２に示したように、酸化剤極１５３は、酸化剤予熱器１６から供給された酸化剤を含む気体ＡＲを用いて、（式２）に示した酸化物イオンＯ^2-生成用の反応を行わせる。

また、図２に示したように、酸化剤極１５３では、酸化剤予熱器１６から供給された気体ＡＲを、酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏとして、熱交換器１８と予熱バーナ１７とへ排出する。該酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏは、未反応の酸化剤（Ｏ₂）を含んでいる。

図１に示した酸化剤予熱器１６は、例えば、予熱器で構成される。酸化剤予熱器１６には、熱交換器１８における熱交換により温度が上昇した気体ＡＲが供給される。

予熱バーナ１７は、例えば、バーナで構成される。予熱バーナ１７は、燃料極１５１からの燃料極排出ガスＥＸ−Ｆと、酸化剤極１５３からの酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏとの化学反応（燃焼）により発生した熱を用いて、熱交換器１８により温度が上昇した気体ＡＲを予熱する。

熱交換器１８は、「排熱器」として機能する。

当該排熱器は、酸化剤極１５３から排出された酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏが有する熱量を排出させる「排熱処理」により、当該酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏの温度を低くさせる役割を果たすものであればよい。

ここで、酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏが有する熱量を排出させることとは、酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏと、冷却媒体として作用する物質（例えば、空気や水など）との間で熱交換を行わせることである。

そのため、排熱器を、例えば、蛇腹構造に形成した良好な熱伝導体の配管、または、水冷式の排熱器で構成してもよい。

しかしながら、以下の説明例では、排熱器（熱交換器１８）が、熱交換器で構成される場合を例に挙げて説明する。

熱交換器１８は、酸化剤極１５３から排出された酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏと、外部から吸入された気体ＡＲとがそれぞれ有する熱量を互いに交換させる。

この例では、酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏが有する熱量を、酸化剤吸入器１１２により外部から吸入された気体ＡＲに与える。そのため、酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏは冷却されてその温度が低下する。一方、外部から吸入された気体ＡＲは暖められてその温度が上昇する。

熱交換器１８における熱交換により温度が低下した酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏは、冷却用送風器１１０を介して、冷却器１９へ再度送出される。

冷却器１９は、「冷却処理」を実行し、熱交換器１８にて温度が低下した酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏを用いて、燃料電池１５を冷却する。

ここでいう「燃料電池１５の冷却」とは、燃料電池１５が直流電力Ｐｄを生成可能なように、該燃料電池１５を所定の発電温度（例えば、８００℃〜１，０００℃）に保つことである。

冷却器１９による燃料電池１５の冷却は、熱交換器１８にて冷却された酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏと、燃料電池１５の酸化剤極１５３に含まれている気体ＡＲとの熱交換により行われる。なお、冷却器１９による燃料電池１５の冷却後、該冷却に用いられた酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏは、予熱バーナ１７へ供給される。

冷却用送風器１１０は、「回収器」である。冷却用送風器１１０は、例えば、ブロワまたはファンで構成される。

冷却用送風器１１０は、熱交換器１８にて温度が低下した酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏを吸入側から吸入することにより酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏを回収して、冷却器１９へ送出する。また、冷却用送風器１１０は、その回転数を制御することにより、冷却器１９へ送出する酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏの量を制御することが可能である。

出力調整装置１１１は、燃料電池１５が生成した直流電力Ｐｄを動作用電力Ｐｏに変換し、該動作用電力Ｐｏを負荷機器２へ出力する。

なお、負荷機器２が交流電力で動作する場合、出力調整装置１１１は、インバータを備えるものでもよい。該インバータを用いて、出力調整装置１１１は、燃料電池１５が生成した直流電力Ｐｄを、負荷機器２の動作用の交流電力へ変換する。

酸化剤吸入器１１２は、例えば、ブロワまたはファンで構成される。酸化剤吸入器１１２は、酸化剤を含む気体ＡＲを外部から吸入し、該吸入した気体ＡＲを酸化剤制御弁１１３へ送出する。

酸化剤制御弁１１３は、酸化剤吸入器１１２から送出された気体ＡＲの流量を制御する。

つぎに、上記構成を有する燃料電池発電システム１が、燃料電池１５により発生した直流電力Ｐｄに基づいて、動作用電力Ｐｏを負荷機器２へ供給する動作を説明する。

燃料電池発電システム１が具備する燃料制御弁１１は、燃料ＦＬを外部から吸入して、該燃料ＦＬを脱硫器１２へ送出する。

脱硫器１２は、燃料制御弁１１から送出されてきた燃料ＦＬに含まれている硫黄分を除去する。その後、燃料ＦＬをエジェクタ１３へ送出する。

エジェクタ１３は、脱硫器１２からの燃料ＦＬを吸入し、ノズル（図示せず）を通じて該燃料ＦＬを改質器１４へ吐出する。なお、エジェクタ１３では、脱硫器１２からの燃料ＦＬと、燃料極１５１からの燃料極排出ガスＥＸ−Ｆとが混合される。

改質器１４は、水蒸気改質用の触媒（例えば、ニッケル系触媒やルテニウム系触媒など）を用いて、エジェクタ１３からの燃料ＦＬから水素リッチな改質ガスＨＲを生成する。その後、改質器１４は、該改質ガスＨＲを燃料電池１５が具備する燃料極１５１へ供給する。

一方、酸化剤吸入器１１２は、酸化剤を含む気体ＡＲを外部から吸入し、該気体ＡＲを熱交換器１８へ送出する。なお、酸化剤制御弁１１３は、酸化剤吸入器１１２から熱交換器１８へ送出される気体ＡＲの流量を制御する。

熱交換器１８では、酸化剤吸入器１１２から送出されてきた気体ＡＲと、燃料電池１５の酸化剤極１５３から排出された酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏとの熱交換が行われる。

当該熱交換により、酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏの温度は低下するとともに、酸化剤吸入器１１２からの気体ＡＲの温度は上昇する。熱交換器１８にて温度が低下した酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏは、冷却用送風器１１０によって回収された後に、冷却器１９へ送出される。

また、熱交換器１８にて温度が上昇した気体ＡＲは、酸化剤予熱器１６へ供給される。このため、酸化剤予熱器１６が、気体ＡＲを発電温度に予熱する際のエネルギー消費を抑制することができる。

さらに、予熱バーナ１７は、燃料極１５１から排出された燃料極排出ガスＥＸ−Ｆと、酸化剤極１５３から排出された酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏとを化学反応（燃焼）させる。予熱バーナ１７は、当該化学反応によって生成された熱量を用いて、熱交換器１８にて温度が上昇した気体ＡＲを予熱する。当該予熱された気体ＡＲは、酸化剤予熱器１６から燃料電池１５の酸化剤極１５３へ供給される。また、予熱バーナ１７は、燃焼により生成された燃焼ガスＢＲを外部へ排出する。

燃料電池１５においては、改質器１４から燃料極１５１へ供給された改質ガスＨＲ、および、酸化剤予熱器１６から酸化剤極１５３へ供給された気体ＡＲにより、図２に示した反応が行われる。当該反応により直流電力Ｐｄが生成され、該直流電力Ｐｄが出力調整装置１１１へ出力される。

出力調整装置１１１は、燃料電池１５から出力されてきた直流電力Ｐｄを動作用電力Ｐｏへ変換し、該動作用電力Ｐｏを負荷機器２へ出力する。負荷機器２は、出力調整装置１１１からの動作用電力Ｐｏを入力し、所定の動作を実行する。以上で、燃料電池発電システム１が、燃料電池１５により生成した電力を負荷機器２へ供給する一連の動作が終了する。

以上説明したように、本発明によれば、燃料電池発電システム１は、燃料電池１５の酸化剤極１５３にて生成された酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏの一部または全部を、熱交換器１８へ排出する。熱交換器１８では、酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏと、酸化剤吸入器１１２によって外部から吸入された気体ＡＲとの熱交換が行われる。当該熱交換により、酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏの温度が低下する。冷却器１９は、熱交換器１８にて温度が低下した酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏを用いて、酸化剤極１５３を冷却する。

そのため、燃料電池１５の冷却用に外部から吸入する気体ＡＲの量を低減することができる。

また、本発明によれば、熱交換器１８における熱交換により、酸化剤吸入器１１２によって外部から吸入された気体ＡＲの温度が上昇する。そのため、当該気体ＡＲを予熱するために酸化剤予熱器１６で消費されるエネルギーを低減することができる。

なお、図３に示すように、燃料ＦＬの化学反応（燃焼）によって発生するエネルギーは、直流電力Ｖｄの発電と、燃料ＦＬの改質と、気体ＡＲ（空気）の予熱と、損失とに分配される。

本発明の燃料電池発電システム１によれば、図３に示した各エネルギーのうち、気体ＡＲの予熱に用いるエネルギーを低減することができる。そのため、気体ＡＲの予熱に伴って発生する損失も低減させることが可能となり、燃料電池発電システム１の発電効率を向上させることができる。なお、燃料ＦＬの温度上昇に必要なエネルギーについては、燃料ＦＬの供給量が気体ＡＲの供給量に比べて非常に少ないため、発電効率に及ぼす影響を無視することが可能である。

さらに、本発明によれば、予熱バーナ１７は、燃料極１５１からの燃料極排出ガスＥＸ−Ｆと、酸化剤極１５３からの酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏとの化学反応によって生成された熱量を用いて、熱交換器１８にて温度が上昇した気体ＡＲを予熱する。そのため、外部から吸入した気体ＡＲの温度を上昇させる際に酸化剤予熱器１６が消費するエネルギーも、図４に示した一般的な燃料電池発電システム３００と比べて少なくなる。また、気体ＡＲの温度を上昇させるためのエネルギーを抑制できることにより、酸化剤予熱器１６の小型化も可能となる。

なお、本発明の要旨を逸脱しない範囲で各種の変形が可能である。

燃料電池１５冷却用に冷却器１９へ供給される酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏの量は、例えば、直流電力Ｐｄと動作用電力Ｖｏと燃料電池１５から通流される電流値との少なくとも１つと、酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏの流量とに基づいて制御してもよい。

燃料電池１５は、固体酸化物形の燃料電池に限らず、例えば、溶融炭酸塩形の燃料電池で構成してもよい。溶融炭酸塩形の燃料電池を用いて燃料電池１５を構成する場合、固体酸化物電解質１５２に代えて、溶融した炭酸塩（炭酸リチウム、炭酸カリウムなど）を電解質として用いればよい。

燃料ＦＬの水蒸気改質反応は、改質器１４を用いて行うに限られない。例えば、燃料電池１５の燃料極１５１にて、燃料ＦＬの水蒸気改質反応を直接行わせ、燃料電池１５の電池反応に必要な水素と一酸化炭素ＣＯとを燃料極１５１にて生成するようにしてもよい。

酸化剤吸入器１１２が外部から取り込む気体ＡＲは、空気に限らず、純酸素でもよい。

以上、上記実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が理解し得る各種の変形が可能である。

本発明の実施形態に従った燃料電池発電システムの構成を示す図である。 図１に示した燃料電池の構成を示す図である。 燃料電池にて発電を行う際の、燃料の化学反応により発生したエネルギーの分配を示す模式図である。 一般的な燃料電池発電システムの構成の一例を示す図である。

符号の説明

１ 燃料電池発電システム
２ 負荷機器
１１ 燃料制御弁
１２ 脱硫器
１３ エジェクタ
１４ 改質器
１５ 燃料電池
１５１ 燃料極
１５２ 固体酸化物電解質
１５３ 酸化剤極
１６ 酸化剤予熱器
１７ 予熱バーナ
１８ 熱交換器
１９ 冷却器
１１０ 冷却用送風器
１１１ 出力調整装置
１１２ 酸化剤吸入器
１１３ 酸化剤制御弁

Claims (9)

1. 燃料極へ供給された燃料と酸化剤極へ供給された酸化剤とから電力を生成する燃料電池を用いて発電を行う燃料電池発電システムにおいて、
   前記酸化剤極から排出された酸化剤が有する熱量を排出させる排熱器と、
   前記熱量を排出した前記酸化剤極から排出された酸化剤を用いて前記燃料電池を冷却する冷却器とを有することを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池発電システムにおいて、
   前記排熱器は、外部から吸入された酸化剤と、前記酸化剤極から排出された酸化剤との熱交換を行う熱交換器で構成され、
   前記冷却器は、前記熱交換が行われた前記酸化剤極から排出された酸化剤を用いて前記燃料電池を冷却することを特徴とする燃料電池発電システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池発電システムにおいて、
   前記熱交換が行われた前記酸化剤極から排出された酸化剤を回収する回収器を有し、
   前記冷却器は、前記回収器が回収した酸化剤を用いて、前記燃料電池の冷却を行うことを特徴とする燃料電池発電システム。
4. 請求項２または３に記載の燃料電池発電システムにおいて、
   前記熱交換が行われた前記外部から吸入された酸化剤を予熱し、該酸化剤を前記酸化剤極へ供給する酸化剤予熱器を有することを特徴とする燃料電池発電システム。
5. 請求項１乃至４のいずれか1項に記載の燃料電池発電システムにおいて、
   前記酸化剤極へ供給される酸化剤は、空気または純酸素であることを特徴とする燃料電池発電システム。
6. 燃料極へ供給された燃料と酸化剤極へ供給された酸化剤とから電力を生成する燃料電池を用いて発電を行う燃料電池発電システムにおける発電方法であって、
   前記酸化剤極から排出された酸化剤が有する熱量を排出させる排熱処理と、
   前記熱量を排出した前記酸化剤極から排出された酸化剤を前記燃料電池を冷却する冷却器に供給することにより前記燃料電池を冷却する冷却処理とを有する発電方法。
7. 請求項６に記載の発電方法において、
   前記排熱処理では、外部から吸入された酸化剤と、前記酸化剤極から排出された酸化剤との熱交換を行い、
   前記冷却処理では、前記熱交換が行われた前記酸化剤極から排出された酸化剤を前記冷却器に供給して前記燃料電池を冷却することを特徴とする発電方法。
8. 請求項７に記載の発電方法において、
   前記熱交換が行われた前記酸化剤極から排出された酸化剤を回収する処理を行い、
   前記冷却処理では、前記回収された前記酸化剤極から排出された酸化剤を前記冷却器に供給して、前記燃料電池の冷却を行うことを特徴とする発電方法。
9. 請求項７または８に記載の発電方法において、
   前記熱交換が行われた前記外部から吸入された酸化剤を予熱し、該酸化剤を前記酸化剤極へ供給する処理を有することを特徴とする発電方法。

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