JP5519357B2 - 固体酸化物形燃料電池システム及びこれを備えたコージェネレーションシステム - Google Patents

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Description

本発明は、炭化水素系燃料ガスを改質して生成された燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元によって発電を行う固体酸化物形燃料電池システム及びこれを備えたコージェネレーションシステムに関する。
従来から、酸素イオンを伝導する膜として固体電解質を用いた燃料電池セルを燃料電池ハウジング内に収容した固体酸化物形燃料電池システムが知られている。この固体酸化物形燃料電池システムでは、一般的に、固体電解質としてイットリアをドープしたジルコニアが用いられており、この固体電解質の片側に燃料ガスを酸化するための燃料極が設けられ、その他側に空気中の酸素（酸化材）を還元するための酸素極が設けられ、７００〜１０００℃の高温で、燃料ガスを改質した改質燃料ガス中の水素、一酸化炭素、炭化水素と酸化材としての酸素とを電気化学反応させて発電が行われる。このような固体酸化物形燃料電池システムは、他の燃料電池システムやガスエンジンなどに比べて、特に高発電効率での発電が可能なことから、有望な発電技術として開発が行われている。
この固体酸化物形燃料電池システムにおいては、燃料電池セルでの作動温度が高いために、この燃料電池セルにて発電に用いない余剰の燃料ガスを燃焼室で燃焼させ、この燃焼で得られる燃焼熱を気化器における水（改質用水）の気化及び改質器における改質反応に利用することができる（例えば、特許文献１参照）。
この固体酸化物形燃料電池システムでは、電気化学反応後の排気ガスに残留する余剰の燃料ガスが燃焼室で燃焼されるので、この燃焼室付近に気化器及び改質器が配設され、燃焼熱を直接的に利用して気化器にて水蒸気が生成され、また改質器にて水蒸気を用いた改質反応が行われる。
このような固体酸化物形燃料電池システムでは、また、燃料電池セルが発電可能な温度に上昇するまで、燃料ガスの燃焼反応やオートサーマルリフォーミング反応を用いて加熱することが知られている（例えば、特許文献２参照）。この固体酸化物形燃料電池システムの定常発電運転中においては、燃料電池セルでの発電（電気化学反応）に使用されなかった余剰の燃料ガスは燃焼室で燃焼され、その燃焼熱が気化器での気化熱及び改質器での改質熱に利用され、残りの熱は排気ガスとなって外部に排出され、この排出の際に酸化材としての空気との間で熱交換され、熱交換により加熱された空気が燃料電池セルの空気極側に送給される。
また、このような固体酸化物形燃料電池システムからの排熱を温水として回収するための排熱回収手段を備えたコージェネレーションシステムも提案されている。このようなコージェネレーションシステムでは、排熱回収手段は温水を貯湯する貯湯タンクを含み、酸化材としての空気との間で熱交換された後の排気ガスの排熱が温水として貯湯されるように構成され、このように排熱回収された後の排気ガスが外部に排出される。
このコージェネレーションシステムに用いられる固体酸化物形燃料電池システムでは、燃料ガスの価電子の消費速度（この消費速度は、燃料ガスの流量に比例する）に対してどれだけの発電電流を取り出すかの割合を燃料利用率といい、この燃料利用率が高いほど燃料電池セルの発電効率が高くなる。一般に、この燃料利用率が高いということは、発電（電気化学反応）に使用しない余剰の燃料ガスの量が少なくなり、燃焼室での燃焼で得られる燃焼熱が少なくなる。それ故に、この燃料利用率が高くなり過ぎると、燃料電池ハウジング（一般に、その内面が断熱材で覆われている）内の温度を一定に保つための熱量が不足し、燃料電池セルの作動温度の低下をまねき、その発電性能が低下するという問題が生じる。このようなことから、この燃料利用率は、定格発電能力などにもよるが、ある値以上に大きくすることが難しい。
また、発電量を絞る場合（即ち、部分負荷発電の場合）には、定格発電時と同じ燃料利用率で発電を行うと、余剰の燃料ガスの量が低下することから、温度が下がり過ぎて内部抵抗の増加（即ち、発電効率の低下）を招くおそれがある。そのため、部分負荷発電の場合においては、定格発電時よりも燃料利用率を下げる（換言すると、余剰燃料を増加させる）ようにして温度の低下を抑制しているが、このように燃料利用率を下げることは、発電効率を低下させる要因であり、部分負荷時の発電効率を画期的に高めることはできない。
特開２００６−１９０８４号公報 特開２００８−２４３５９７号公報
従来の固体酸化物形燃料電池システムでは、上述したように、吸熱反応である気化反応及び水蒸気改質反応を行う気化器及び改質器が、燃料電池セルを収容する燃料電池ハウジング内に収容されているために、燃料電池セルの熱自立運転を行うためには発電（電気化学反応）後の余剰の燃料ガスを燃焼室で燃焼させ、この燃焼熱を利用して加熱する必要があるが、このように定常発電運転中における余剰の燃料ガスの燃焼量を多くすることは、燃料電池セルにおける発電効率（即ち、燃料利用率）が低下することになる。
この余剰の燃料ガス量を少なくして発電効率を高めるためには、吸熱反応である気化反応を行う気化器を燃料電池セルの吸熱に関わらない個所、例えば燃料電池ハウジングの外部に移設し、燃料電池セルから外部に排出される排気ガスの排熱を利用して気化することも考えられるが、気化器を燃料電池ハウジング外に設けると、固体酸化物形燃料電池システムの起動初期においては、余熱が不充分であるために、気化器にて水蒸気改質反応に必要な量の水蒸気を得ることが難しく、改質器に送給される水蒸気の濃度が低くなるという問題が生じる。
また、部分負荷時においては、燃料電池ハウジング内の温度が下がるために、電解質等の内部抵抗が増大して発電効率が低下し、従来のように単純に燃料利用率を下げて運転する場合には、発電効率を画期的に高めることができない。
本発明の目的は、起動初期から通常発電運転において水蒸気の供給不足が発生せず、通常発電運転においては高い発電効率を得ることができる固体酸化物形燃料電池システム及びこれを備えたコージェネレーションシステムを提供することである。
本発明の請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システムは、炭化水素系燃料ガスと水蒸気とで改質反応させるための改質器と、該改質器にて改質して生成された燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元により発電を行うための複数個の燃料電池セルを備えた燃料電池セルスタックと、該燃料電池セルスタックにおいて発電に寄与しない余剰の燃料ガスを燃焼させるための燃焼室と、前記改質器、前記燃料電池セルスタック及び前記燃焼室を収容するために断熱材で覆われた燃料電池ハウジングと、を備えた固体酸化物形燃料電池システムであって、
水を気化させて前記改質器へ送給する水蒸気を生成するための第１気化器及び第２気化器が設けられ、前記第１気化器は、前記燃焼室における余剰の燃料ガスの燃焼により加熱されるように前記燃料電池ハウジング内に収容され、前記第２気化器は、前記燃焼室における余剰の燃料ガスの燃焼により生成されて前記燃料電池ハウジングから排出される排気ガスにより加熱されるように前記燃料電池ハウジング外に配設されていることを特徴とする。
また、本発明の請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記燃料電池セルスタックに酸化材を送給するための酸化材送給手段が設けられ、前記燃料電池ハウジング内に、前記酸化材送給手段によって送給される酸化材と前記燃焼室から排出される排気ガスとの間で熱交換を行なうための熱交換器が設けられていることを特徴とする。
また、本発明の請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、起動初期においては、前記水が前記第１気化器に送給され、該第１気化器にて気化された水蒸気が前記改質器に送給され、また起動後に前記第２気化器の温度が所定温度に達すると、前記水が前記第２気化器に送給され、該第２気化器にて気化された水蒸気が前記改質器に送給されることを特徴とする。
また、本発明の請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記第１気化器及び前記第２気化器への前記水の送給を切り換えるための切換手段が設けられ、該切換手段は前記第２気化器の温度に基づいて切換制御されることを特徴とする。
また、本発明の請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記炭化水素系燃料ガスを前記改質器に送給するための燃料ガス送給手段が設けられ、該燃料ガス送給手段より送給される前記炭化水素系燃料ガスは、前記第２気化器を用いて水蒸気を生成するときの前記燃料電池セルスタックでの燃料利用率が、前記第１気化器を用いて水蒸気を生成するときの前記燃料電池セルスタックでの燃料利用率よりも高くなるように送給されることを特徴とする。
また、本発明の請求項６に記載のコージェネレーションシステムは、炭化水素系燃料ガスと水蒸気とで改質反応させるための改質器と、該改質器にて改質して生成された燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元により発電を行うための複数個の燃料電池セルを備えた燃料電池セルスタックと、該燃料電池セルスタックにおいて発電に寄与しない余剰の燃料ガスを燃焼させるための燃焼室と、前記改質器、前記燃料電池セルスタック及び前記燃焼室を収容するために断熱材で覆われた燃料電池ハウジングと、前記燃焼室における余剰の燃料ガスの燃焼により生成されて前記燃料電池ハウジングから排出される排気ガスの排熱を温水として回収するための排熱回収手段と、を備え、該排熱回収手段は、前記燃料電池ハウジングから排出される排気ガスの排熱と水とで熱交換するための排熱回収用熱交換器と、該排熱回収用熱交換器での熱交換後の温水を貯湯する貯湯タンクと、前記排熱回収用熱交換器と前記貯湯タンクとの間で水を循環させるための循環ラインとを含むコージェネレーションシステムであって、
水を気化させて前記改質器へ送給する水蒸気を生成するための第１気化器及び第２気化器が設けられ、前記第１気化器は、前記燃焼室における余剰の燃料ガスの燃焼により加熱されるように前記燃料電池ハウジング内に収容され、前記第２気化器は、前記燃焼室における余剰の燃料ガスの燃焼により生成されて前記燃料電池ハウジングから排出される排気ガスにより加熱されるように前記燃料電池ハウジング外に配設されていることを特徴とする。
また、本発明の請求項７に記載のコージェネレーションシステムでは、前記燃料電池セルスタックに酸化材を送給するための酸化材送給手段が設けられ、前記燃料電池ハウジング内に、前記酸化材送給手段によって送給される酸化材と前記燃焼室から排出される排気ガスとの間で熱交換を行なうための熱交換器が設けられていることを特徴とする。
また、本発明の請求項８に記載のコージェネレーションシステムでは、前記排熱回収用熱交換器は、前記燃料電池ハウジングより排出され、前記第２気化器を通った後の排気ガスと、前記循環ラインを通して流れる水との間で熱交換するように設けられていることを特徴とする。
また、本発明の請求項９に記載のコージェネレーションシステムでは、前記炭化水素系燃料ガスを前記改質器に送給するため燃料ガス送給手段が設けられ、該燃料ガス送給手段より送給される前記炭化水素系燃料ガスは、前記第２気化器を用いて水蒸気を生成するときの前記燃料電池セルスタックでの燃料利用率が、前記第１気化器を用いて水蒸気を生成するときの前記燃料電池セルスタックでの燃料利用率よりも高くなるように送給されることを特徴とする。
また、本発明の請求項１０に記載のコージェネレーションシステムでは、前記第１気化器及び前記第２気化器への前記水の送給を切り換えるための切換手段が設けられ、該切換手段は前記排熱回収手段の前記貯湯タンクの貯湯状況に基づいて切換制御されることを特徴とする。
また、本発明の請求項１１に記載の固体酸化物形燃料電池システムは、炭化水素系燃料ガスと水蒸気とで改質反応させるための改質器と、該改質器にて改質して生成された燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元により発電を行うための複数個の燃料電池セルを備えた燃料電池セルスタックと、該燃料電池セルスタックにおいて発電に寄与しない余剰の燃料ガスを燃焼させるための燃焼室と、前記改質器、前記燃料電池セルスタック及び前記燃焼室を収容するために断熱材で覆われた燃料電池ハウジングと、を備えた固体酸化物形燃料電池システムであって、
水を気化させて前記改質器へ送給する水蒸気を生成するための第１気化器及び第２気化器が設けられ、前記第１気化器は、前記燃焼室における余剰の燃料ガスの燃焼により加熱されるように前記燃料電池ハウジング内に収容され、前記第２気化器は、前記燃焼室における余剰の燃料ガスの燃焼により生成されて前記燃料電池ハウジングから排出される排気ガスにより加熱されるように前記燃料電池ハウジング外に配設され、前記水が前記第２気化器を通して前記第１気化器に送給された後に前記改質器に送給されることを特徴とする。
また、本発明の請求項１２に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記第２気化器には、前記第２気化器内の温度を検知するための温度検知手段が設けられ、該温度検知手段の検知温度に基づき、前記改質器に送給される前記炭化水素系燃料ガスの送給量を制御することにより、前記燃料電池セルスタックの運転における燃料利用率を変化させる制御を行なうことを特徴とする。
また、本発明の請求項１３に記載のコージェネレーションシステムは、炭化水素系燃料ガスと水蒸気とで改質反応させるための改質器と、該改質器にて改質して生成された燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元により発電を行うための複数個の燃料電池セルを備えた燃料電池セルスタックと、該燃料電池セルスタックにおいて発電に寄与しない余剰の燃料ガスを燃焼させるための燃焼室と、前記改質器、前記燃料電池セルスタック及び前記燃焼室を収容するために断熱材で覆われた燃料電池ハウジングと、前記燃焼室における余剰の燃料ガスの燃焼により生成されて該燃料電池ハウジングから排出される排気ガスの排熱を温水として回収するための排熱回収手段と、を備え、該排熱回収手段は、前記燃料電池ハウジングから排出される排気ガスの排熱と水とで熱交換するための排熱回収用熱交換器と、該排熱回収用熱交換器での熱交換後の温水を貯湯する貯湯タンクと、前記排熱回収用熱交換器と前記貯湯タンクとの間で水を循環させるための循環ラインとを含むコージェネレーションシステムであって、
水を気化させて前記改質器へ送給する水蒸気を生成するための第１気化器及び第２気化器が設けられ、前記第１気化器は、前記燃焼室における余剰の燃料ガスの燃焼により加熱されるように前記燃料電池ハウジング内に収容され、前記第２気化器は、前記燃焼室における余剰の燃料ガスの燃焼により生成されて前記燃料電池ハウジングから排出される排気ガスにより加熱されるように前記燃料電池ハウジング外に配設され、前記水が前記第２気化器を通して前記第１気化器に送給された後に前記改質器に送給されることを特徴とする。
更に、本発明の請求項１４に記載のコージェネレーションシステムでは、前記貯湯タンクに関連して、該貯湯タンクにおける温水の貯湯状態を検知するための貯湯量検知手段が設けられ、該貯湯量検知手段の検知貯湯状態に基づき、前記改質器に送給される前記炭化水素系燃料ガスの送給量を制御することにより、前記燃料電池セルスタックの運転における燃料利用率を変化させる制御を行なうことを特徴とする。
本発明の請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、改質器へ送給する水蒸気を生成するための気化器として第１気化器及び第２気化器が設けられ、燃焼室における余剰の燃料ガスの燃焼により加熱されるように、第１気化器は燃料電池ハウジング内に収容され、第２気化器は、燃焼室における余剰の燃料ガスの燃焼により生成されて燃料電池ハウジングから排出される排気ガスにより加熱されるように、燃料電池ハウジング外に配設されている。第１気化器を用いるときには、余剰の燃料ガスの燃焼熱を利用するので、燃料電池セルスタックでの燃料ガスの燃料利用率が低くなるが、第１気化器を早期に高温状態にすることができ、また第２気化器を用いるときには、第１気化器を利用するときよりも燃料電池ハウジング内の温度が高くなり、そのために余剰の燃料ガスの割合を少なくすることが可能となり、その結果、燃料電池セルスタックでの燃料利用率を高くすることができ、高い発電効率を達成することが可能となる。
また、本発明の請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、酸化材送給手段により燃料電池セルスタックに供給される酸化材は、熱交換器により燃焼室から排出される排気ガスとで熱交換されることから、温度の高い酸化材を燃料電池セルスタックに送給することができ、高い発電効率を達成することが可能となる。
また、本発明の請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、起動初期においては、水が第１気化器に送給され、第１気化器にて気化された水蒸気が改質器に送給されるので、燃焼室における余剰の燃料ガスの燃焼熱により第１気化器を早期に高温状態にして水を気化する（水蒸気にする）ことができ、これによって、燃料電池システムの起動時間の短縮を図ることができる。また、起動後第２気化器の温度が所定温度に達すると、水が第２気化器に送給され、第２気化器にて気化された水蒸気が改質器に送給されるので、燃料電池ハウジング内の温度が高くなり、これによって、燃料電池セルスタックでの燃料利用率を高めることができる。
また、本発明の請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、第１気化器及び第２気化器への水（改質用水）の送給を切り換えるための切換手段は、第２気化器の温度に基づいて切換制御され、例えば第２気化器の温度が所定温度以上に達したときに水（改質用水）を第２気化器に送給するように切り換え制御され、このように切換制御することにより、排気ガスの排熱を有効利用して第２気化器にて水を気化することにより、ハウジング内の温度が高くなり、燃料電池システムを高発電効率で運転することができる。
また、本発明の請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、炭化水素系燃料ガスを改質器に送給するための燃料ガス送給手段が設けられ、燃料ガス送給手段より送給される炭化水素系燃料ガスは、第２気化器を用いて改質器へ送給する水蒸気を生成するときの燃料電池セルスタックでの燃料利用率が、第１気化器を用いて改質器へ送給する水蒸気を生成するときの燃料電池セルスタックでの燃料利用率よりも高くなるように送給されるので、燃料電池システムの定常発電運転中に第２気化器を利用して水（改質用水）を気化することにより、定常発電運転中における燃料電池セルスタックの燃料利用率を高めて高効率で発電することができる。
また、本発明の請求項６に記載のコージェネレーションシステムによれば、水（改質用水）を気化する気化器として第１気化器及び第２気化器が用いられ、燃料電池ハウジング内の第１気化器は、燃焼室における余剰の燃料ガスの燃焼により加熱されるように、燃料電池ハウジング内に収容され、また燃料電池ハウジング外の第２気化器は、燃焼室における余剰の燃料ガスの燃焼により生成されて燃料電池ハウジングから排出される排気ガスにより加熱されるように、燃料電池ハウジング外に配設されている。これら第１気化器及び第２気化器を備えたコージェネレーションシステムにおいても、第１気化器を用いるときには、余剰の燃料ガスの燃焼を利用するので、第１気化器を早期に高温状態に保ってシステムの立上げ時間を短縮することができ、第２気化器を用いるときには、燃料電池ハウジング内の温度が高くなり、そのために余剰の燃料ガスの割合を少なくすることができ、燃料電池セルスタックでの燃料利用率を高めることができる。
また、本発明の請求項７に記載のコージェネレーションシステムによれば、酸化材送給手段により燃料電池セルスタックに供給される酸化材は、熱交換器により燃焼室から排出される排気ガスとで熱交換されることから、温度の高い酸化材を燃料電池セルスタックに送給することができ、高い発電効率を達成することが可能となる。
また、本発明の請求項８に記載のコージェネレーションシステムによれば、排熱回収用熱交換器は、燃料電池ハウジングより排出され、第２気化器を通った後の排気ガスと、循環ラインを通して流れる水との間で熱交換するように設けられているので、第２気化器においては高温の排気ガスの排熱を利用して水（改質用水）を気化させることができ、また第２気化器にて排熱回収した後の排気ガスの排熱を排熱回収用熱交換器にて回収して温水として貯えることができ、排気ガス中の排熱の回収を効率よく行うことができる。
また、本発明の請求項９に記載のコージェネレーションシステムによれば、炭化水素系燃料ガスを改質器に送給するための燃料ガス送給手段が設けられ、燃料ガス送給手段より送給される炭化水素系燃料ガスは、第２気化器を用いて水蒸気を生成するときの燃料電池セルスタックでの燃料利用率が、第１気化器を用いて水蒸気を生成するときの燃料電池セルスタックでの燃料利用率よりも高くなるように送給されるので、燃料電池システムの定常発電運転中に第２気化器を利用して水（改質用水）を気化することにより、定常発電運転中における燃料電池セルスタックの燃料利用率を高めて高効率で発電することができる。
また、本発明の請求項１０に記載のコージェネレーションシステムによれば、第１気化器及び第２気化器への水（改質用水）の送給を切り換えるための切換手段が設けられ、この切換手段は排熱回収手段の貯湯タンクの貯湯状況に基づいて切換制御され、例えば排熱の利用状況が余剰気味である（又は排熱の利用状況が不足気味である）ときには水（改質用水）を第２気化器（又は第１気化器）に送給するように切り換え制御され、このように切換制御することにより、第２気化器（又は第１気化器）にて水（改質用水）を気化させて排熱回収用熱交換器を流れる排気ガス中の排熱量を少なくする（又は多くする）ことができ、余剰気味（又は不足気味）な排熱を抑える（又は増やす）ことができる。そして、切換手段により、第１気化器及び第２気化器への水の送給を排熱の利用状況に基づいて切り換えることにより、コージェネレーションシステムを熱需要に適合するように最適に運転することができる。
また、本発明の請求項１１に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、改質器へ送給する水蒸気を生成するための気化器として、燃料電池ハウジング内に収容された第１気化器と、燃料電池ハウジング外に配設された第２気化器とが用いられ、これら第１気化器及び第２気化器が直列的に配設される。従って、水（改質用水）は第２気化器を通して第１気化器に送給された後に改質器に送給され、例えば起動初期などにおいては主として第１気化器における熱交換によって、また例えば定格運転状態においては主として第２気化器における熱交換によって水が気化され、これら第１気化器及び第２気化器における熱交換によって水を所要の通りに気化して改質器に送給することができ、このように第１気化器及び第２気化器の熱交換を利用することによって発電効率の高い運転を行うことができる。
また、本発明の請求項１２に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、第２気化器に設けられた温度検知手段の検知温度に基づき改質器に送給される炭化水素系燃料ガスの送給量を制御することにより、燃料電池セルスタックの運転における燃料利用率を変化させる制御を行なうので、燃料電池システムを高発電効率で運転することができる。
また、本発明の請求項１３に記載のコージェネレーションシステムによれば、水（改質用水）を気化する気化器として、燃料電池ハウジング内に収容された第１気化器と、燃料電池ハウジング外に配設された第２気化器とが用いられ、第１気化器及び第２気化器が直列的に配設されている。これら第１気化器及び第２気化器を備えたコージェネレーションシステムにおいても、水（改質用水）は第２気化器を通して第１気化器に送給された後に改質器に送給され、例えば起動初期などにおいては主として第１気化器における熱交換によって、また例えば定格運転状態においては主として第２気化器における熱交換によって水が気化され、このように第１気化器及び第２気化器の熱交換を利用することによって発電効率の高い運転を行うことができる。
更に、本発明の請求項１４に記載のコージェネレーションシステムによれば、貯湯量検知手段の検知貯湯量に基づいて改質器に送給される炭化水素系燃料ガスの送給量を制御することにより、燃料電池セルスタックの運転における燃料利用率を変化させる制御を行なうので、第２気化器にて水（改質用水）を気化させて排熱回収用熱交換器を流れる排気ガス中の排熱量を少なくする（又は多くする）ことができ、余剰気味（又は不足気味）な排熱を抑える（又は増やす）ことができ、このように運転制御することにより、コージェネレーションシステムを熱需要に適合するように最適に運転することができる。
本発明の固体酸化物形燃料電池システムの第１の実施形態を示す簡略図。 図１の固体酸化物形燃料電池システムにおいて第２気化器を使用するときの燃料ガス及び水の流れを示す簡略図。 図１の固体酸化物形燃料電池システムの制御の流れを示すフローチャート。 本発明のコージェネレーションシステムの第１の実施形態を示す簡略図。 図４のコージェネレーションシステムにおいて第２気化器を使用するときの燃料ガス及び水の流れを示す簡略図。 図４のコージェネレーションシステムの制御の流れを示すフローチャート。 本発明の固体酸化物形燃料電池システムの第２の実施形態を示す簡略図。 本発明のコージェネレーションシステムの第２の実施形態を示す簡略図。
以下、添付図面を参照して、本発明の固体酸化物形燃料電池システム及びこれを備えたコージェネレーションシステムの実施形態について説明する。
〔固体酸化物形燃料電池システム〕
図１〜図３を参照して、第１の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムについて説明する。図１において、図示の固体酸化物形燃料電池２は、燃料ガスとして例えばメタンを主成分とする炭化水素系燃料ガス、例えば天然ガス（都市ガス）を消費して発電を行うものであり、炭化水素系燃料ガスを改質して燃料ガスを生成するための改質器４と、改質器４にて生成された燃料ガス及び酸化材としての空気の酸化及び還元によって発電を行う固体酸化物形の燃料電池セルスタック６と、空気を燃料電池セルスタック６に送給するための酸化材送給手段８と、を備えている。なお、以下の説明において、改質器４に供給される炭化水素系燃料ガスを原燃料ガスという場合がある。
燃料電池セルスタック６は、燃料電池反応によって発電を行うための複数の固体酸化物形燃料電池セルを集電部材を介して積層して構成されており、図示していないが、酸素イオンを伝導する固体電解質と、この固体電解質の一方側に設けられた燃料極と、固体電解質の他方側に設けられた酸素極とを備え、固体電解質として例えばイットリアをドープしたジルコニアが用いられる。
この固体酸化物形燃料電池システム２では、水（以下、改質用水という場合がある。）を気化して改質器４に供給するための気化器として２つの気化器、即ち第１気化器１２及び第２気化器１４を備えている。燃料電池セルスタック６の燃料極の導入側は、改質燃料ガス送給ライン１０を介して改質器４に接続され、この改質器４は、ガス・水蒸気送給ライン１６を介して第１気化器１２に接続され、この第１気化器１２は、第１分岐ライン１８を介して切換手段２０に接続されている。また、改質器４は、水蒸気送給ライン２２を介して第２気化器１４に接続され、この第２気化器１４は第２分岐ライン２４を介して切換手段２０に接続されている。
この実施形態では、切換手段２０は三方弁から構成されている。切換手段２０の流入側は水供給ライン２６を介して改質用水供給源２８（例えば、水道管、水タンクなど）に接続され、この水供給ライン２６には、水を供給するための水供給ポンプ３０が配設されている。切換手段２０（例えば、三方弁）が図１に示す第１の切換状態にあるときには、水供給ライン２６と第１分岐ライン１８とが連通され、改質用水供給源２８からの改質用水は水供給ライン２６及び第１分岐ライン１８を通して第１気化器１２に送給され、また切換手段２０が図２に示す第２の切換状態にあるときには、水供給ライン２６と第２分岐ライン２４とが連通され、改質用水供給源２８からの改質用水は水供給ライン２６及び第２分岐ライン２４を通して第２気化器１４に送給される。なお、この形態では、切換手段２２として三方弁を用いているが、このような構成に代えて、この切換手段２２を２つの開閉弁（例えば、電磁弁）から構成するようにしてもよい。或いは、２系統の水供給ライン（水供給源、水供給ポンプ、水供給弁などを含む）を設け、片方の水供給ラインからの水を第１気化器１２に送給し、他方の水供給ラインからの水を第２気化器１４に送給するようにしてもよい。
また、第１気化器１２は、燃料ガス供給ライン３２を介して原燃料ガスを供給するための燃料ガス供給源３４に接続されている。燃料ガス供給ライン３２には、脱硫器３５、燃料ガス供給用ポンプ３６及び流量センサ３８が配設されている。脱硫器３５は原燃料ガスに含まれる硫黄成分を除去し、燃料ガス供給用ポンプ３６は燃料ガス供給源３４からの原燃料ガスを燃料ガス供給ライン３２を通して第１気化器１２に送給し、流量センサ３８は燃料ガス供給ライン３２を通して送給される原燃料ガスの流量を計測する。この燃料ガス供給ライン３２には、さらに、２連の開閉弁４０及び４２が配設されている。２連の開閉弁４０及び４２は燃料ガス供給ライン３２を開閉して燃料ガスの供給、供給停止を行い、燃料昇圧ポンプ３６は、燃料ガス供給ライン３２を流れる燃料ガスを昇圧し、燃料流量センサ３８の流量が設定の値となるように、燃料ガス供給ライン３２を流れる原燃料ガスの流量を制御する。これらの構成により燃料ガス供給手段が構成されている。
改質器４は、改質触媒として例えばアルミナにルテニウムを担持させたものを備え、この改質触媒によって燃料ガスを水蒸気改質する。また、第１気化器１２は、第１分岐ライン１８を通して送給される水を気化させて水蒸気を発生し、第２気化器１４は第２分岐ライン２４を通して送給される水を気化させて水蒸気を発生する。これら第１及び第２気化器１２，１４の気化については、後に詳述する。
この実施形態では、改質器４と第１気化器１２とを別体に構成しているが、これら改質器４及び第１気化器１２を一体的に構成するようにしてもよい。また、燃料ガス供給ライン３２を第１気化器１２に接続しているが、このような構成に代えて、この燃料ガス供給ライン３２を改質器４に接続し、燃料ガス供給源３４からの原燃料ガスを改質器４に直接的に送給するようにしてもよい。また、第２気化器１４からの水蒸気を水蒸気送給ライン２２を介して改質器４に送給しているが、このような構成に代えて、この水蒸気送給ライン２２を第１気化器１２に接続し、第２気化器１４からの水蒸気を第１気化器１２を介して改質器４に送給するようにしてもよい。
この燃料電池セルスタック６の酸素極の導入側は、空気送給ライン４６を介して空気（酸化材）を予熱するための空気予熱器４８（熱交換器から構成される）に接続され、この空気予熱器４８は、空気供給ライン５０を介して酸化材送給手段８に接続されている。酸化材送給手段８は、例えば送風ブロアから構成され、この送風ブロアの回転数を制御することによって、空気供給ライン５０を通して供給される空気の送給量が制御される。
燃料電池セルスタック６の燃料極及び酸素極の各排出側には燃焼室５２が設けられ、燃料電池セルスタック６の一端から排出された余剰の燃料ガスと酸素極側から排出された空気（酸素を含んでいる）とがこの燃焼室５２に送給されて燃焼される。この燃焼室５２は排気ガス送給ライン５４を介して空気予熱器４８に接続され、空気予熱器４８を流れる排ガスは、排気ガス排出ライン５５を介し第２気化器１４を通して大気に排出される。空気余熱器４８においては、空気供給ライン５０を通して供給される空気と排気ガス送給ライン５４を通して送給される排気ガスとの間で熱交換が行われ、この熱交換によって加温された空気が空気送給ライン４６を通して燃料電池セルスタック６に送給される。また、第２気化器１４においては、排気ガス排出ライン５５を流れる排気ガスと第２分岐ライン２４を流れる水との間で熱交換され、熱交換によって発生した水蒸気が水蒸気送給ライン２２を通して改質器４に送給される。なお、第２気化器１４からの水蒸気を改質器４に導く水蒸気送給ライン２２は、空気余熱器４８に近接して配設することができ、このように配設することによって、空気余熱器４８からの熱を利用して水蒸気を加温することができる。
第２気化器１４に関連して温度センサ５６が配設されている。この形態では、温度センサ５６は第２気化器１４内に配設され、第２気化器１４内の温度を検知し、この温度センサ５６からの検知信号に基づいて固体酸化物形燃料電池システム２が後述するように制御される。
この実施形態では、改質器４、燃料電池セルスタック６、第１気化器１２及び空気予熱器４８が燃料電池ハウジング５８に収容され、燃料電池ハウジング５８の内壁面が断熱材で覆われて高温室６０を規定し、改質器４、燃料電池セルスタック６、第１気化器１２及び空気予熱器４８が高温室６０内で高温状態に保たれる。また、第２気化器１４は、燃料電池ハウジング５８外に配設され、このように構成することによって、第２気化器１４における水の気化には、排気ガス排出ライン５５を流れる排気ガスの排熱が利用され、燃料電池ハウジング５８内の熱が利用されることがない。
この実施形態では、固体酸化物形燃料電池システム２の各種装置（例えば、酸化材送給手段８、切換手段２２、水供給ポンプ３０、燃料ガス供給用ポンプ３６など）の作動を制御するためのコントローラ６２が配設されており、このコントローラ６２は後述する如く上記各種装置を作動制御する。なお、図１においては、このコントローラ６２は、燃料ガス供給用ポンプ３６、水供給用ポンプ３０、酸化材送給手段８及び切換手段２０を制御する例を示しているが（図中において鎖線にて示す）、それ以外にも２連の開閉弁４０及び４２や燃料昇圧ポンプ３６なども作動制御し、また温度センサ５６からの検知信号はこのコントローラ６２に送給される。
この固体酸化物形燃料電池システム２の発電運転は、例えば次のようにして行われる。図２及び図３をも参照して、固体酸化物形燃料電池システム２を起動するには、操作装置（図示せず）を起動操作すればよく、起動操作する（ステップＳ１）と、燃料電池セルスタック６の酸素極側への空気の供給が行われ（ステップＳ２）、また燃料電池スタック６の燃料極側への燃料ガスの供給が行われ（ステップＳ３）、さらに燃焼室５２に配設された点火装置（図示せず）が点火作動し、このようにして燃焼室５４にて燃料ガスの燃焼が行われる（ステップＳ４）。
即ち、このように起動操作すると、コントローラ６２は酸化材送給手段８を作動させ、図１に矢印で示すように、空気供給ライン５０及び空気送給ライン４６を通して燃料電池セルスタック６の酸素極側に空気が供給され、この酸素極側を通して燃焼室５２に流れる。また、コントローラ６２は、開閉弁４０を開状態にするとともに、燃料ガス供給用ポンプ３６を作動させ、図１に矢印で示すように、燃料ガス供給源３４からの原燃料ガス中に含まれた硫黄成分が脱硫器３５にて除去された後、燃料ガス供給ライン３２を通して第１気化器１２に送給される。なお、第１気化器１２に送給される原燃料ガスの流量は燃料昇圧ポンプ３６により制御され、燃料流量センサ３８の流量が設定の値となるよう燃料昇圧ポンプ３６の出力が調整される。第１気化器１２に供給された原燃料ガスはさらにガス・水蒸気送給ライン１６、改質器４及び改質燃料ガス送給ライン１０を通して燃料電池セルスタック６の燃料極側に供給され、この燃料極側を通して燃焼室５２に流れる。そして、このような供給状態においてコントローラ６２は点火装置（図示せず）を点火作動させ、これによって、酸化材送給手段８からの空気を燃焼用空気として利用して、燃料ガス供給源３４から供給され、燃料電池セルスタック６の一端から排出された余剰の燃料ガスが燃焼され、この燃焼熱を利用して燃料電池セルスタック６、改質器４及び第１気化器１２が加熱される。このように余剰の燃料ガスの燃焼熱を利用するので、第１気化器１２及び改質器４を急速に加熱することができる。
この燃焼室５２での余剰の燃料ガスの燃焼熱によって第１気化器１２の温度が上昇する（例えば、第１気化器１２に配設された温度センサ（図示せず）の検知温度が例えば２００℃に達する）と、切換手段２０が図１に示す第１切換状態に保持され（ステップＳ５）、水供給源２８からの水の供給が行われる（ステップＳ６）。即ち、図１に矢印で示すように、水供給源２８からの改質用水が、第１分岐ライン１８を通して第１気化器１２に供給され、この第１気化器１２においては、燃焼室５２の燃焼熱によって水が気化されて水蒸気となり、加熱された燃料ガスと発生した水蒸気がガス・水蒸気送給ライン１６を介して改質器４に送給される。
改質器４においては、原燃料ガスと水蒸気とで水蒸気改質反応が行なわれ、改質して生成された燃料ガス（改質燃料ガス）が改質燃料ガス送給ライン１０を通して燃料電池セルスタック６の燃料極側に送給される。また、酸化材送給手段８からの空気は、空気供給ライン５０を通して空気予熱器４８（熱交換器）に供給され、この空気予熱器４８において燃焼室５２より排出されて排気ガス送給ライン５４を通して流れる排気ガスとの間で熱交換され、熱交換により加温された後に空気送給ライン４６を通して燃料電池セルスタック６の酸素極側に送給される。そして、燃料電池セルスタック６の一端から排出された余剰の燃料ガスは、燃料電池セルスタック６の酸素極側を通った空気（燃焼用空気）で燃焼される。
このようにして燃料電池セルスタック６の温度が作動温度に達する（例えば、燃料電池セルスタック６の近傍に配設された温度センサの検知温度が例えば６５０℃に達する）と、ステップＳ７からステップＳ８に移り、固体酸化物形燃料電池システム２の定常発電運転が行われる。この定常発電運転においては、燃料ガス供給源３４からの原燃料ガスは、燃料昇圧ポンプ３６の昇圧制御によって第１の供給状態で供給される（ステップＳ９）。即ち、この第１の供給状態においては、水供給源２８からの水（改質用水）が、水供給ライン２６及び第１分岐ライン１８を通して第１気化器１２に供給され、この第１気化器１２において水が気化されて水蒸気となり、加熱された原燃料ガスと水蒸気がガス・水蒸気送給ライン１６を介して改質器４に送給され、この改質器４において水蒸気改質反応が行なわれ、改質して生成された燃料ガス（改質燃料ガス）が改質燃料ガス送給ライン１０を通して燃料電池セルスタック６の燃料極側に送給される。また、酸化材送給手段８からの空気は、空気供給ライン５０を通して空気予熱器４８（熱交換器）に供給され、この空気予熱器４８において排気ガス送給ライン５４を通して流れる排気ガスとの間で熱交換され、熱交換により加温された後に空気送給ライン４６を通して燃料電池セルスタック６の酸素極側に送給される。
そして、燃料電池セルスタック６の燃料極側は改質して生成された燃料ガスを酸化し、またその酸素極側は空気中の酸素を還元し、燃料極側の酸化及び酸素極側の還元による電気化学反応により発電が行われる。燃料電池セルの一端より排出される燃料ガス及び酸素極側に送給された空気の一部は燃焼室５２に送給され、空気中の酸素を利用して燃料ガス（余剰の燃料ガス）が燃焼され、この燃料ガスの燃焼熱を利用して改質器４及び第１気化器１２が加熱される。燃焼室５２での燃焼反応に伴って生じる排気ガスは排気ガス送給ライン５４を通して空気予熱器４８に送給され、この空気予熱器４８において酸化材送給手段８から供給される空気との熱交換に利用された後に、排気ガス排出ライン５５を通して大気に排出される。
このような定常発電運転において、排気ガス排出ライン５５を流れる排気ガスの熱によって第２気化器１４の温度（即ち、温度センサ５６の検知温度）が第１設定温度（例えば、１１０℃程度に設定される）に達すると、ステップＳ１０からステップＳ１１に移り、コントローラ６２は、切換手段２０を第２の切換状態に切換保持し、また燃料昇圧ポンプ３６の昇圧制御によって燃料ガス供給源３４からの原燃料ガスを第２の供給状態で供給する（ステップＳ１２）。
切換手段２０が第２の切換状態に保持されると、図２に矢印で示すように、水供給源２８からの水（改質用水）は、水供給ライン２６及び第２分岐ライン２４を通して第２気化器１４に供給され、この第２気化器１４において水が気化されて水蒸気となり、発生した水蒸気が水蒸気送給ライン２２を通して改質器４に送給され、この改質器４において燃料供給源３４から燃料供給ライン３２及び第１気化器１２を通して送給された原燃料ガスとで水蒸気改質反応が行なわれ、改質して生成された燃料ガス（改質燃料ガス）が改質燃料ガス送給ライン１０を通して燃料電池セルスタック６の燃料極側に送給され、この燃料電池セルスタック６にて上述したと同様にして電気化学反応により発電が行われる。
この第２の切換状態においては、燃料電池ハウジング５８外に配置された第２気化器１４にて水蒸気が生成されるので、水の気化に燃料電池ハウジング５８内の熱を利用することがなく、従って、燃料電池ハウジング５８内を高温状態に保つことが可能となり、その結果、余剰の燃料ガスの割合、即ち燃焼室５２で燃焼させて燃焼熱として利用する燃料ガスの割合を少なくすることができる。このようなことから、燃料ガス供給手段を制御して、第２気化器１４にて水蒸気を発生する運転状態、即ち燃料ガスの第２の供給状態での定常発電運転においては、燃料ガスの燃料利用率が例えば７５％となるように燃料ガスの送給量を設定し、また第１気化器１２にて水蒸気を発生する運転状態、即ち燃料ガスの第１の供給状態での定常発電運転においては、燃料ガスの燃料利用率が例えば７０％となるように燃料ガスの送給量を設定することができる。すなわち、燃料ガス供給手段より送給される燃料ガスは、第２の供給状態の燃料利用率が、第１の供給状態の燃料利用率よりも高くなるように送給される。ここで、燃料利用率とは、燃料電池セルスタック６に供給される燃料ガスのうちこの燃料電池セルスタック６で発電に消費される燃料ガスの割合であって、この燃料利用率が大きくなると、燃料電池セルスタック６にて発電に消費される燃料ガスの割合が多くなり、燃料電池セルスタック６の発電効率が高くなる。
このように構成することによって、定常発電運転中に第２気化器１４を用いて水蒸気を生成しているときには、燃料ガスの燃料利用率を高くすることができ、これによって、高い発電効率でもって固体酸化物形燃料電池システム２を運転することができる。
この定常発電運転中において、第２気化器１４の温度（温度センサ５６の検知温度）が第２設定温度（例えば、１００℃程度に設定される）以下になると、ステップＳ１３からステップＳ１４に移り、コントローラ６２は切換手段２０を第１の切換状態に切換保持し、また流量制御弁４２を制御して燃料ガスを第１の供給状態で供給する（ステップＳ１５）。このように第２気化器１４の温度が低下すると、この第２気化器１４にて充分量の水蒸気を生成できなくなるが、この水蒸気不足を解消するために、水蒸気の発生が第２気化器１４から第１気化器１２に切り換えられる。この第１気化器１２は燃料電池ハウジング５８内に収容されて高温状態に保たれており、それ故に、改質用水を気化して充分な水蒸気を発生することができ、発生した水蒸気が改質器４に送給され、上述したと同様にして燃料電池セルスタック６にて発電が行われる。
この燃料ガスの第１の供給状態においては、燃料ガスの燃料利用率が例えば７０％程度に設定されるので、余剰の燃料ガスの割合が高く、従って燃焼室５２での燃焼により発生する燃焼熱が大きくなり、かかる燃焼熱の一部が第１気化器１２での水蒸気発生に消費されるが、第２の燃料供給状態のときよりも多くの排気熱が排気ガス排出ライン５５を流れる排気ガスに含まれており、従って、この排気ガス中の排気熱によって第２気化器１４が加熱されるようになる。
この定常発電運転において、第２気化器１４の温度（温度センサ５６の検知温度）が第１設定温度（例えば、１１０℃）に達すると、ステップＳ１５から再びステップＳ１１に戻り、切換手段２０が第１の切換状態から第２の切換状態に切換保持され、また燃料昇圧ポンプ３６の昇圧制御により原燃料ガスが第２の供給状態となり（ステップＳ１２）、上述したと同様にして固体酸化物形燃料電池システム２の運転が行われる。そして、定常発電運転中においては、第２気化器１４の温度に基づいてステップＳ１０〜ステップＳ１５が繰り返し行なわれる。
〔コージェネレーションシステム〕
次に、図４〜図６を参照して、第１の実施形態のコージェネレーションシステムについて説明する。尚、以下の実施形態において、上述した第１の実施形態と実質上同一のものには同一の参照番号を付し、その説明を省略する。
このコージェネレーションシステムでは、上述した第１の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムに排気ガス中の排熱を回収するための排熱回収手段が設けられている。図４を参照してさらに説明すると、図示の排熱回収手段７２は、排気ガス排出ライン５５に関連して設けられ、排気ガスの排熱と水とで熱交換するための排熱回収用熱交換器７８と、排熱回収用熱交換器７８での熱交換後の温水を貯湯するための貯湯タンク７４と、排熱回収用熱交換器７８と貯湯タンク７４との間で水を循環させるための循環ライン７６とを含んでおり、循環ライン７６に循環ポンプ８０が配設されている。循環ポンプ８０が作動すると、貯湯タンク７４の下端部内の水が循環ライン７６を通して流れ、排熱回収用熱交換器７８にて循環ライン７６を流れる水と排気ガス排出ライン５５を流れる排気ガスとの間で熱交換され、熱交換により加温された温水が循環ライン７６を通して貯湯タンク７４の上端部内に流入し、このようにして排気ガスの排熱が温水として貯湯タンク７４の上端側から貯えられる。
この実施形態では、排熱回収手段７２の排熱回収用熱交換器７８は、排気ガス排出ライン５５における第２気化器１４の配設部位より下流側に設けるのが好ましく、このように構成することにより、第２気化器１４を流れる排気ガスの温度が高く、この第２気化器１４にて排気ガスの排熱を水（改質用水）の気化に用いることができるとともに、第２気化器１４にて熱交換に利用された後の排気ガスの排熱をこの排熱回収用熱交換器７８にて効果的に温水として回収することができる。
このコージェネレーションシステムでは、また、貯湯タンク７４内に貯えられた温水の貯湯量を検知するための貯湯量検知手段８２が、この貯湯タンク７４に装備されている。貯湯量検知手段８２は、貯湯タンク７４内に上下方向に間隔をおいて配設された４つの温度センサ８４，８６，８８，９０から構成され、最上位の温度センサ８４は、温水の貯えがないことを検知し、最下位の温度センサ９０は温水が満水であることを検知する。この貯湯量検知手段８２からの検知信号はコントローラ６２Ａに伝送され、コントローラ６２Ａはかかる検知信号に基づいて後述する如く固体酸化物形燃料電池システム２Ａを制御する。このコージェネレーションシステムにおける固体酸化物形燃料電池システム２Ａのその他の構成は、上述した第１実施形態と実質上同一である。
この固体酸化物形燃料電池システム２Ａの発電運転は、例えば次のようにして行われる。図５及び図６をも参照して、固体酸化物形燃料電池システム２Ａの起動は、上述した第１の実施形態と同様に行うことができ、この固体酸化物形燃料電池システム２Ａにおける発電運転制御におけるステップＳ２１〜Ｓ３２は、上述した第１の実施形態における発電運転制御のステップＳ１〜ステップＳ１２と同様に行われ、第２気化器１４の温度（温度センサ５６の検知温度）が第１設定温度（例えば１１０℃）に達すると、図５に示すように、コントローラ６２Ａが切換手段２０を第２の切換状態に切換保持し、また燃料昇圧ポンプ３６の昇圧制御によって原燃料ガスが第２の供給状態で供給される。
このような定常発電運転中において、排熱回収手段７２の貯湯タンク７４の温水が少なくなって不足状態になる（例えば、温度センサ８４は温水を検知するが、他の温度センサ８６〜８８が水を検知する状態になる）と、ステップＳ３３からステップＳ３４に移り、コントローラ６２Ａは切換手段２０を第１の切換状態に切換保持し、また燃料昇圧ポンプ３６を制御して原燃料ガスを第１の供給状態で供給する（ステップＳ３５）。このように貯湯タンク７４の温水が不足すると、貯湯タンク７４からの温水の供給ができなくなるが、この貯湯温水の不足を解消するために、水（改質用水）の気化が第２気化器１４から第１気化器１２に切り換えられる。
この原燃料ガスの第１の供給状態においては、例えば、燃料ガスの燃料利用率が例えば７０％程度（第２の供給状態よりも低く）に設定されており、それ故に、余剰の燃料ガスの割合が高く、従って燃焼室５２での燃焼により発生する燃焼熱も大きくなり、かかる燃焼熱の一部が第１気化器１２での水（改質用水）の気化に消費されるが、第２の燃料供給状態のときよりも多くの排気熱が排気ガス排出ライン５５を流れる排気ガスに含まれ、加えて第２気化器１４にて水（改質用水）の気化が行われないことから、多くの排気熱を含む排気ガスとともに排気ガス排出ライン５５を通して流れるようになる。従って、排熱回収用熱交換器７８における排熱回収が高くなり、この排熱回収用熱交換器７８にてより多くの温水が生成され、貯湯タンク７４の貯湯量が増え、貯湯タンク７４における温水不足が解消される。
このようにして貯湯タンク７４における温水の貯湯量が増えて不足状態が解消される（例えば、温度センサ８４及び８６が温水を検知し、残りの温度センサ８８及び９０が水を検知する状態になる）と、ステップＳ３６から再びステップＳ３１に戻り、切換手段２０が第１の切換状態から第２の切換状態に切換保持され、また燃料昇圧ポンプ３６の昇圧制御により原燃料ガスが第２の供給状態となり（ステップＳ３２）、上述したのと同様にして固体酸化物形燃料電池システム２Ａの運転が行われる。この運転状態（原燃料ガスの第２の供給状態）においては、燃料ガスの燃料利用率が例えば７５％程度に設定されており、それ故に、余剰の燃料ガスの割合が少なく、従って燃焼室５２での燃焼により発生する燃焼熱も少なくなり、加えてこの排気ガス中の排気熱の一部が第２気化器１４にて水（改質用水）の気化に消費されることから、排熱回収用熱交換器７８における排熱回収が少なくなる。従って、排熱回収用熱交換器７８における温水の生成が少なくなり、貯湯タンク７４の貯湯量の増加割合が少なくなり、貯湯タンク７４の温水が過剰状態となることを抑えることができる。そして、定常発電運転中においては、貯湯タンク７４に設けられた貯湯量検知手段８２の検知信号に基づいてステップＳ３１〜ステップＳ３６が繰り返し行なわれる。
このコージェネレーションシステムでは、貯湯量検知手段８２を４つの温度センサ８４〜９０から構成しているが、このような構成に限定されず、３つ又は５つ以上の温度センサから構成することもできる。
また、この実施形態では、最上位の温度センサ８４が温水を検知し、残りの３つの温度センサ８６〜９０が水を検知した状態になると、貯湯タンク７４の温水が不足した状態として制御しているが、このような制御に代えて、全ての温度センサ８４〜９０が水を検知した状態になったときに貯湯タンク７４の温水不足として上述したように制御するようにしてもよい。また、上側の２つの温度センサ８４及び８６が温水を検知し、下側の２つの温度センサ８８及び９０が水を検知した状態になると、貯湯タンク７４の温水不足が解消したとして制御しているが、このような制御に代えて、上側の３つの温度センサ８４〜８８が温水を検知し、最下位の温度センサ９０が水を検知したときに貯湯タンク７４の温水不足が解消したとして上述したように制御するようにしてもよい。このように貯湯量検知手段８２の温度センサの数、また温水不足の検知、温水不足解消の検知については、排熱回収手段７２の形態などに応じて適宜設定することができる。
上述した実施形態の固体酸化物形燃料電池システム及びこれを用いたコージェネレーションシステムでは、第１気化器及び第２気化器を切り換えて使用するように構成しているが、必ずしもこのように切り換えて使用する必要はない。
〔他の実施形態のシステム〕
次に、図７を参照して、固体酸化物形燃料電池システムの第２の実施形態について説明する。の第２の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムでは、第１気化器１２と第２気化器１４とが直列的に配設され、分岐ラインを切り換えるための切換手段が省略されている。
図７において、改質用水供給源２８からの水供給ライン２６が第２気化器１４に接続され、この水供給ライン２６に水供給ポンプ３０が配設されている。また、第２気化器１４からの水蒸気送給ライン２２が第１気化器１２に接続され、第２気化器１４からの水蒸気が第１気化器１２に送給される（後に説明するように、第２気化器１４の温度が低いときには水が送給される）。また、燃料ガス供給源３４からの燃料ガス供給ライン３２は第１気化器１２に接続され、燃料ガス供給源３４からの原燃料ガスが第１気化器１２に供給される。尚、この実施形態においても、燃料ガス供給ライン３２を改質器４に接続し、燃料ガス供給源３４からの原燃料ガスを改質器４に供給するようにしてもよい。この第２の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムＢのその他の構成は、図１〜図３に示す実施形態と実質上同一でよい。
この第２の実施形態の固体酸化物形燃料電池システム２の発電運転は、例えば次のようにして行われる。固体酸化物形燃料電池システム２を起動するには、操作装置（図示せず）を起動操作すればよく、かく起動操作すると、第１の実施形態と同様に、燃料電池セルスタック６の酸素極側への空気の供給が行われ、また燃料電池スタック６の燃料極側への燃料ガスの供給が行われ、さらに燃焼室５２に配設された点火装置（図示せず）が点火作動し、このようにして燃焼室５４にて余剰の燃料ガスの燃焼が行われる。即ち、酸化材送給手段８が作動して燃料電池セルスタック６の酸素極側に空気が供給され、また開閉弁４０が開状態になるとともに、燃料ガス供給用ポンプ３６が作動し、燃料ガス供給源３４からの原燃料ガスが第１気化器１２に送給され、更にガス・水蒸気送給ライン１６、改質器４及び改質燃料ガス送給ライン１０を通して燃料電池セルスタック６の燃料極側に供給される。そして、このような供給状態において点火装置（図示せず）が点火作動すると、酸化材送給手段８からの空気を利用して、燃料電池セルスタック６の一端から排出された余剰の燃料ガスが燃焼され、この燃焼熱を利用して燃料電池セルスタック６、改質器４及び第１気化器１２が加熱される。
この燃焼室５２での余剰の燃料ガスの燃焼熱によって第１気化器１２の温度が上昇する（例えば、第１気化器１２に配設された温度センサ（図示せず）の検知温度が例えば２００℃に達する）と、水供給ポンプ３０が作動し、水供給源２８からの水の供給が行われる。即ち、水供給源２８からの水（改質用水）が、水供給ライン２６を通して第２気化器１４に供給され、更に水蒸気送給ライン２２を通して第１気化器１２に送給される。このとき、第２気化器１４の温度は低く、水の気化に充分な熱を与えることができず、水供給源２８からの水は第２気化器１４において気化されずにそのまま水蒸気送給ライン２２を通して第１気化器１２に送給される。この第１気化器１２においては、燃焼室５２の燃焼熱によって直接的に加熱されるために温度が上昇しており、送給された水が気化されて水蒸気となり、加熱された原燃料ガスと発生した水蒸気がガス・水蒸気送給ライン１６を介して改質器４に送給される。
改質器４においては、原燃料ガスと水蒸気とで水蒸気改質反応が行なわれ、改質して生成された燃料ガス（改質燃料ガス）が燃料電池セルスタック６の燃料極側に送給され、また酸化材送給手段８からの空気が、空気供給ライン５０を通して空気予熱器４８（熱交換器）に供給され、この空気予熱器４８において熱交換により加温された後に燃料電池セルスタック６の酸素極側に送給される。そして、燃料電池セルスタック６の一端から排出された余剰の燃料ガスは、燃料電池セルスタック６の酸素極側を通った空気を利用して燃焼される。
このようにして燃料電池セルスタック６の温度が作動温度に達すると、固体酸化物形燃料電池システム２Ｂの定常発電運転が行われる。この定常発電運転においては、燃料ガス供給源３４からの原燃料ガスは、燃料昇圧ポンプ３６の昇圧制御によって燃料流量センサ３８の流量が目標の値となるよう第１の供給状態で供給される。即ち、この第１の供給状態においては、水供給源２８からの水（改質用水）が、水供給ライン２６を通して第２気化器に１４に送給され、更に水蒸気送給ライン２２を通して第１気化器１２に供給される。ここで、第２気化器１４の温度が充分に上昇していないことから、水供給源２８からの水は主として第１気化器１２において気化されて水蒸気となり、加熱された原燃料ガスと水蒸気とがガス・水蒸気送給ライン１６を介して改質器４に送給され、この改質器４において水蒸気改質反応が行なわれて生成された燃料ガス（改質燃料ガス）が燃料電池セルスタック６の燃料極側に送給される。また、酸化材送給手段８からの空気は、空気供給ライン５０を通り、空気予熱器４８において加温された後に燃料電池セルスタック６の酸素極側に送給される。
そして、燃料電池セルスタック６の燃料極側は改質して生成された燃料ガスを酸化し、またその酸素極側は空気中の酸素を還元し、燃料極側の酸化及び酸素極側の還元による電気化学反応により発電が行われる。
このような定常発電運転において、第２気化器１４の温度（即ち、温度センサ５６の検知温度）が第１設定温度（例えば、１３０℃程度に設定される）に達すると、コントローラ６２Ｂは、燃料昇圧ポンプ３６の出力を調整し、燃料流量センサ３８の流量が目標の値となるよう燃料ガス供給源３４からの原燃料ガスを第２の供給状態で供給する。このように第２気化器１４の温度が上昇すると、水を気化するに充分な温度となり、水供給源２８からの水（改質用水）は、主として第２気化器１４において気化して水蒸気となり、発生した水蒸気が水蒸気送給ライン２２及び第１気化器１２を通して改質器４に送給され、この改質器４において燃料供給源３４から第１気化器１２を通して送給された原燃料ガスとで水蒸気改質反応が行なわれ、改質して生成された燃料ガス（改質燃料ガス）が燃料電池セルスタック６の燃料極側に送給されて上述したと同様にして電気化学反応により発電が行われる。
この運転状態（第２気化器１４の温度が第１設定温度を超えた運転状態）においては、燃料電池ハウジング５８外に配置された第２気化器１４にて水蒸気が生成され、第１気化器１２は水蒸気発生に実質上寄与せず、水の気化に燃料電池ハウジング５８内の熱を利用することを抑制できる。従って、燃料電池ハウジング５８内を高温状態に保つことが可能となり、その結果、余剰の燃料ガスの割合、即ち燃焼室５２で燃焼させて燃焼熱として利用する燃料ガスの割合を少なくすることができる。このようなことから、燃料ガス供給手段を制御して、主として第２気化器１４にて水蒸気を発生する運転状態（換言すると、第２気化器１４の温度が第１設定温度を超えた運転状態）、即ち原燃料ガスの第２の供給状態での定常発電運転においては、燃料ガスの燃料利用率が例えば７５％となるように原燃料ガスの送給量を設定し、また主として第１気化器１２にて水蒸気を発生する運転状態、即ち原燃料ガスの第１の供給状態での定常発電運転においては、燃料ガスの燃料利用率が例えば７０％となるように原燃料ガスの送給量を設定することによって、高い発電効率でもって固体酸化物形燃料電池システム２Ｂを運転することができる。
この定常発電運転中において、第２気化器１４の温度（温度センサ５６の検知温度）が第２設定温度（例えば、１２０℃程度に設定される）以下になると、コントローラ６２Ｂは燃料昇圧ポンプ３６の出力を調整し、原燃料ガスを第１の供給状態で供給する。このように第２気化器１４の温度が低下すると、この第２気化器１４にて充分量の水蒸気を生成できなくなるが、この水蒸気不足を解消するために、第１気化器１２にて水の気化を行ない、主として第１気化器１２にて水蒸気の発生が行われる。原燃料ガスの第１の供給状態においては、燃料ガスの燃料利用率が例えば７０％程度に設定されるので、余剰の燃料ガスの割合が高く、従って燃焼室５２での燃焼により発生する燃焼熱が大きくなり、かかる燃焼熱の一部を利用して第１気化器１２にて気化が行われ、このように第１気化器１２にて水を気化することによって充分な水蒸気を改質器４に送給することができる。また、このとき、第１気化器１２にて燃焼熱の一部を消費しているが、原燃料ガスの第２の燃料供給状態のときよりも多くの排気熱が排気ガス排出ライン５５を流れる排気ガスに含まれており、従って、この排気ガス中の排気熱によって第２気化器１４も加熱されるようになる。
この定常発電運転において、第２気化器１４の温度（温度センサ５６の検知温度）が再び第１設定温度（例えば、１３０℃）に達すると、燃料昇圧ポンプ３６の出力を制御して原燃料ガスを第２の供給状態とし、上述した運転と同様にして固体酸化物形燃料電池システム２Ｂの運転が行われる。
次に、図８を参照して、第２の実施形態のコージェネレーションシステムについて説明する。このコージェネレーションシステムでは、図４及び図５に示すコージェネレーションシステムに、図７に示す固体酸化物形燃料電池システムが適用されている。
図８において、改質用水供給源２８からの水供給ライン２６が第２気化器１４に接続され、この水供給ライン２６に水供給ポンプ３０が配設されている。また、第２気化器１４からの水蒸気送給ライン２２が第１気化器１２に接続され、第２気化器１２からの水蒸気が第１気化器１２に送給される。このコージェネレーションシステムのその他の構成は、上述した第１の実施形態のものと実質上同一である。
このコージェネレーションシステムにおける固体酸化物形燃料電池システム２Ｃの起動は、上述した第２の実施形態と同様に行うことができ、第２気化器１４の温度（温度センサ５６の検知温度）が第１設定温度（例えば１３０℃）に達すると、コントローラ６２Ｃが燃料昇圧ポンプ３６の出力を制御して原燃料ガスが第２の供給状態（例えば、燃料利用率が例えば７５％に設定される）で供給されるようになる。
このような定常発電運転中において、排熱回収手段７２の貯湯タンク７４の温水が少なくなって不足状態になると、コントローラ６２Ｃは燃料昇圧ポンプ３６の出力を制御して原燃料ガスが第１の供給状態で供給される。この原燃料ガスの第１の供給状態においては、例えば、燃料ガスの燃料利用率が例えば７０％程度（第２の供給状態よりも低い燃料利用率）に設定されており、それ故に、余剰の燃料ガスの割合が高く、従って燃焼室５２での燃焼により発生する燃焼熱も大きくなり、かかる燃焼熱の一部が第１気化器１２での水（改質用水）の気化に消費されるが、原燃料ガスの第２の燃料供給状態のときよりも多くの排気熱が排気ガス排出ライン５５を流れる排気ガスに含まれ、従って、排熱回収用熱交換器７８における排熱回収が高くなり、貯湯タンク７４の貯湯量が増え、貯湯タンク７４における温水不足を解消することができる。
このようにして貯湯タンク７４における温水の貯湯量が増えて不足状態が解消されると、コントローラ６２Ｃは流量制御弁４２を制御して原燃料ガスを再び第２の供給状態で供給し、上述したのと同様にして固体酸化物形燃料電池システム２Ｃの運転が行われる。この運転状態においては、燃料ガスの燃料利用率が例えば７５％程度に設定されており、それ故に、余剰の燃料ガスの割合が少なくなる。従って燃焼室５２での燃焼により発生する燃焼熱が少なく、排熱回収用熱交換器７８における温水の生成が少なくなり、貯湯タンク７４の温水が過剰状態となることを抑えることができる。そして、定常発電運転中においては、貯湯タンク７４に設けられた貯湯量検知手段８２の検知信号に基づいて上述した運転制御が繰り返し行なわれる。
以上、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システム及びこれを備えたコージェネレーションシステムの実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形乃至修正が可能である。
２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ 固体酸化物形燃料電池システム
４ 改質器
６ 燃料電池セルスタック
８ 酸化材送給手段
１２ 第１気化器
１４ 第２気化器
１８ 第１分岐ライン
２０ 切換手段
２４ 第２分岐ライン
２８ 水供給源
３４ 燃料ガス供給源
３５ 脱硫器
３６ 燃料昇圧ポンプ
３８ 燃料流量センサ
４８ 空気予熱器
５２ 燃焼室
５５ 排気ガス排出ライン
５６ 温度センサ
６２，６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃ コントローラ

Claims (14)

  1. 炭化水素系燃料ガスと水蒸気とで改質反応させるための改質器と、該改質器にて改質して生成された燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元により発電を行うための複数個の燃料電池セルを備えた燃料電池セルスタックと、該燃料電池セルスタックにおいて発電に寄与しない余剰の燃料ガスを燃焼させるための燃焼室と、前記改質器、前記燃料電池セルスタック及び前記燃焼室を収容するために断熱材で覆われた燃料電池ハウジングと、を備えた固体酸化物形燃料電池システムであって、
    水を気化させて前記改質器へ送給する水蒸気を生成するための第１気化器及び第２気化器が設けられ、前記第１気化器は、前記燃焼室における余剰の燃料ガスの燃焼により加熱されるように前記燃料電池ハウジング内に収容され、前記第２気化器は、前記燃焼室における余剰の燃料ガスの燃焼により生成されて前記燃料電池ハウジングから排出される排気ガスにより加熱されるように前記燃料電池ハウジング外に配設されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
  2. 前記燃料電池セルスタックに酸化材を送給するための酸化材送給手段が設けられ、前記燃料電池ハウジング内に、前記酸化材送給手段によって送給される酸化材と前記燃焼室から排出される排気ガスとの間で熱交換を行なうための熱交換器が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
  3. 起動初期においては、前記水が前記第１気化器に送給され、該第１気化器にて気化された水蒸気が前記改質器に送給され、起動後に前記第２気化器の温度が所定温度に達すると、前記水が前記第２気化器に送給され、該第２気化器にて気化された水蒸気が前記改質器に送給されることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
  4. 前記第１気化器及び前記第２気化器への前記水の送給を切り換えるための切換手段が設けられ、該切換手段は前記第２気化器の温度に基づいて切換制御されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池システム。
  5. 前記炭化水素系燃料ガスを前記改質器に送給するための燃料ガス送給手段が設けられ、該燃料ガス送給手段より送給される前記炭化水素系燃料ガスは、前記第２気化器を用いて水蒸気を生成するときの前記燃料電池セルスタックでの燃料利用率が、前記第１気化器を用いて水蒸気を生成するときの前記燃料電池セルスタックでの燃料利用率よりも高くなるように送給されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池システム。
  6. 炭化水素系燃料ガスと水蒸気とで改質反応させるための改質器と、該改質器にて改質して生成された燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元により発電を行うための複数個の燃料電池セルを備えた燃料電池セルスタックと、該燃料電池セルスタックにおいて発電に寄与しない余剰の燃料ガスを燃焼させるための燃焼室と、前記改質器、前記燃料電池セルスタック及び前記燃焼室を収容するために断熱材で覆われた燃料電池ハウジングと、前記燃焼室における余剰の燃料ガスの燃焼により生成されて前記燃料電池ハウジングから排出される排気ガスの排熱を温水として回収するための排熱回収手段と、を備え、該排熱回収手段は、前記燃料電池ハウジングから排出される排気ガスの排熱と水とで熱交換するための排熱回収用熱交換器と、該排熱回収用熱交換器での熱交換後の温水を貯湯する貯湯タンクと、前記排熱回収用熱交換器と前記貯湯タンクとの間で水を循環させるための循環ラインとを含むコージェネレーションシステムであって、
    水を気化させて前記改質器へ送給する水蒸気を生成するための第１気化器及び第２気化器が設けられ、前記第１気化器は、前記燃焼室における余剰の燃料ガスの燃焼により加熱されるように前記燃料電池ハウジング内に収容され、前記第２気化器は、前記燃焼室における余剰の燃料ガスの燃焼により生成されて前記燃料電池ハウジングから排出される排気ガスにより加熱されるように前記燃料電池ハウジング外に配設されていることを特徴とするコージェネレーションシステム。
  7. 前記燃料電池セルスタックに酸化材を送給するための酸化材送給手段が設けられ、前記燃料電池ハウジング内に、前記酸化材送給手段によって送給される酸化材と前記燃焼室から排出される排気ガスとの間で熱交換を行なうための熱交換器が設けられていることを特徴とする請求項６に記載のコージェネレーションシステム。
  8. 前記排熱回収用熱交換器は、前記燃料電池ハウジングより排出され、前記第２気化器を通った後の排気ガスと、前記循環ラインを通して流れる水との間で熱交換するように設けられていることを特徴とする請求項６又は７に記載のコージェネレーションシステム。
  9. 前記炭化水素系燃料ガスを前記改質器に送給するため燃料ガス送給手段が設けられ、該燃料ガス送給手段より送給される前記炭化水素系燃料ガスは、前記第２気化器を用いて水蒸気を生成するときの前記燃料電池セルスタックでの燃料利用率が、前記第１気化器を用いて水蒸気を生成するときの前記燃料電池セルスタックでの燃料利用率よりも高くなるように送給されることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載のコージェネレーションシステム。
  10. 前記第１気化器及び前記第２気化器への前記水の送給を切り換えるための切換手段が設けられ、該切換手段は前記排熱回収手段の前記貯湯タンクの貯湯状況に基づいて切換制御されることを特徴とする請求項９に記載のコージェネレーションシステム。
  11. 炭化水素系燃料ガスと水蒸気とで改質反応させるための改質器と、該改質器にて改質して生成された燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元により発電を行うための複数個の燃料電池セルを備えた燃料電池セルスタックと、該燃料電池セルスタックにおいて発電に寄与しない余剰の燃料ガスを燃焼させるための燃焼室と、前記改質器、前記燃料電池セルスタック及び前記燃焼室を収容するために断熱材で覆われた燃料電池ハウジングと、を備えた固体酸化物形燃料電池システムであって、
    水を気化させて前記改質器へ送給する水蒸気を生成するための第１気化器及び第２気化器が設けられ、前記第１気化器は、前記燃焼室における余剰の燃料ガスの燃焼により加熱されるように前記燃料電池ハウジング内に収容され、前記第２気化器は、前記燃焼室における余剰の燃料ガスの燃焼により生成されて前記燃料電池ハウジングから排出される排気ガスにより加熱されるように前記燃料電池ハウジング外に配設され、前記水が前記第２気化器を通して前記第１気化器に送給された後に前記改質器に送給されることを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
  12. 前記第２気化器には、前記第２気化器内の温度を検知するための温度検知手段が設けられ、該温度検知手段の検知温度に基づき、前記改質器に送給される前記炭化水素系燃料ガスの送給量を制御することにより、前記燃料電池セルスタックの運転における燃料利用率を変化させる制御を行なうことを特徴とする請求項１１に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
  13. 炭化水素系燃料ガスと水蒸気とで改質反応させるための改質器と、該改質器にて改質して生成された燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元により発電を行うための複数個の燃料電池セルを備えた燃料電池セルスタックと、該燃料電池セルスタックにおいて発電に寄与しない余剰の燃料ガスを燃焼させるための燃焼室と、前記改質器、前記燃料電池セルスタック及び前記燃焼室を収容するために断熱材で覆われた燃料電池ハウジングと、前記燃焼室における余剰の燃料ガスの燃焼により生成されて該燃料電池ハウジングから排出される排気ガスの排熱を温水として回収するための排熱回収手段と、を備え、該排熱回収手段は、前記燃料電池ハウジングから排出される排気ガスの排熱と水とで熱交換するための排熱回収用熱交換器と、該排熱回収用熱交換器での熱交換後の温水を貯湯する貯湯タンクと、前記排熱回収用熱交換器と前記貯湯タンクとの間で水を循環させるための循環ラインとを含むコージェネレーションシステムであって、
    水を気化させて前記改質器へ送給する水蒸気を生成するための第１気化器及び第２気化器が設けられ、前記第１気化器は、前記燃焼室における余剰の燃料ガスの燃焼により加熱されるように前記燃料電池ハウジング内に収容され、前記第２気化器は、前記燃焼室における余剰の燃料ガスの燃焼により生成されて前記燃料電池ハウジングから排出される排気ガスにより加熱されるように前記燃料電池ハウジング外に配設され、前記水が前記第２気化器を通して前記第１気化器に送給された後に前記改質器に送給されることを特徴とするコージェネレーションシステム。
  14. 前記貯湯タンクに関連して、該貯湯タンクにおける温水の貯湯状態を検知するための貯湯量検知手段が設けられ、該貯湯量検知手段の検知貯湯状態に基づき、前記改質器に送給される前記炭化水素系燃料ガスの送給量を制御することにより、前記燃料電池セルスタックの運転における燃料利用率を変化させる制御を行なうことを特徴とする請求項１３に記載のコージェネレーションシステム。
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