JP5920066B2

JP5920066B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP5920066B2
Application number: JP2012152367A
Authority: JP
Inventors: 賢志安井
Original assignee: Miura Co Ltd
Current assignee: Miura Co Ltd
Priority date: 2012-07-06
Filing date: 2012-07-06
Publication date: 2016-05-18
Anticipated expiration: 2032-07-06
Also published as: JP2014017076A

Description

本発明は、燃料電池から排出されるオフガスの熱を有効利用する燃料電池システムに関する。

燃料電池においては、燃料電池の燃料極に水素ガスが供給され、空気極に空気が供給される。そして、供給された水素と空気中の酸素とが化学反応し、発電が行われる。発電を行うためには、水素及び酸素を過剰に供給する必要がある。このため、燃料電池において化学反応による発電に寄与しなかった水素は、オフガス水素となり、化学反応による発電に寄与しなかった酸素は、オフガス酸素となり、これらはオフガスとして排気される（特許文献１参照）。

特開２００７−２４８００８号公報

燃料電池がＳＯＦＣ等の高温型の燃料電池により構成される場合には、７００℃〜９００℃程度の高温のオフガスが燃料電池から排気される。高温のオフガスは熱量が大きく、このような高温のオフガスを排気することは、熱エネルギーが無駄になる。

本発明は、燃料電池からの高温のオフガスの熱エネルギーを有効利用できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、高温型燃料電池と、熱伝導性を有する材料からなり酸化カルシウム及び／又は水酸化カルシウムを収容可能なカルシウム化合物収納容器と、前記カルシウム化合物収納容器の周囲を取り囲むように形成された気体流路とを有する蓄熱器と、媒体に熱を伝達させる熱交換器と、前記高温型燃料電池から前記蓄熱器の前記気体流路へオフガスを連通させるオフガス排気ラインと、前記蓄熱器の前記カルシウム化合物収納容器に接続され、前記カルシウム化合物収納容器に水を供給可能な水供給ラインと、前記蓄熱器の前記気体流路と前記熱交換器とを連通する蓄熱器側連通ラインと、前記高温型燃料電池から前記熱交換器へオフガスを連通させる燃料電池側連通ラインと、前記高温型燃料電池からのオフガスを、前記オフガス排気ラインを通して前記気体流路に供給するか又は供給停止させる制御を行うと共に、前記水供給ラインを通して水を前記カルシウム化合物収納容器に供給するか又は供給停止させる制御を行う制御部と、を備え、前記制御部は、前記熱交換器において必要とされる熱量が、前記燃料電池側連通ラインを通して供給されるオフガスの熱量よりも多い場合、又は前記高温型燃料電池からオフガスが排気されていないときに前記熱交換器において熱を必要とする場合には、前記水供給ラインを通して前記カルシウム化合物収納容器内の酸化カルシウムに水を供給させて、酸化カルシウムから水酸化カルシウムを生成する発熱反応を行わせ、前記熱交換器において必要とされる熱量が、前記燃料電池側連通ラインを通して供給されるオフガスの熱量よりも少ない場合には、前記水供給ラインを通しての酸化カルシウムへの水の供給を停止させ、前記オフガス排気ラインを通して前記気体流路に供給されてきたオフガスの熱を利用して、水酸化カルシウムから酸化カルシウムと水とを生成する吸熱反応を行わせる高温型燃料電池システムに関する。
ここで、「酸化カルシウム及び／又は水酸化カルシウムを収容可能なカルシウム化合物収納容器」とは、酸化カルシウム、水酸化カルシウムのうちのいずれか一方を収容可能であると共に、吸熱反応又は発熱反応の途中において、酸化カルシウムと水酸化カルシウムとが混在した状態のものを収容可能なカルシウム化合物収納容器であるという意味である。

また、前記蓄熱器は、筒形状を有し互いに平行な位置関係を有する複数の前記カルシウム化合物収納容器を備え、複数の前記カルシウム化合物収納容器は、前記複数のカルシウム化合物収納容器の軸方向視で千鳥状又は碁盤目状に配置され、且つ、前記複数のカルシウム化合物収納容器の軸方向は、前記気体流路においてオフガスが流れる方向に直交していることが好ましい。

また、前記燃料電池側連通ラインには弁が接続されており、前記制御部は、前記熱交換器において必要とされる熱量が、前記燃料電池側連通ラインを通して供給されるオフガスの熱量よりも少ない場合には、前記弁を閉じることにより、前記オフガス排気ラインを通して前記気体流路にオフガスを供給することが好ましい。

また、前記熱交換器において前記媒体は、前記高温型燃料電池に供給される空気及び燃料ガスであることが好ましい。

本発明によれば、燃料電池からの高温のオフガスの熱エネルギーを有効利用できる燃料電池システムを提供することができる。

本発明の実施形態による燃料電池システム１の燃料電池１１において発電が行われると共に、蓄熱器１２において発熱反応が行われている様子を示す概略図である。本発明の実施形態による燃料電池システム１の燃料電池１１で発電が行われていないときに、蓄熱器１２において発熱反応が行われている様子を示す概略図である。本発明の実施形態による燃料電池システム１の蓄熱器１２において吸熱反応が行われている様子を示す概略図である。本発明の実施形態による燃料電池システム１の蓄熱器１２を示す断面図である。本発明の実施形態による燃料電池システム１の蓄熱器１２のカルシウム化合物収納容器１２Ｂを示す断面図である。

以下、本発明の実施形態に係る燃料電池システムについて図１〜図５を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態による燃料電池システム１の燃料電池１１において発電が行われると共に、蓄熱器１２において発熱反応が行われている様子を示す概略図である。図２は、本発明の実施形態による燃料電池システム１の燃料電池１１で発電が行われていないときに、蓄熱器１２において発熱反応が行われている様子を示す概略図である。図３は、本発明の実施形態による燃料電池システム１の蓄熱器１２において吸熱反応が行われている様子を示す概略図である。図４は、本発明の実施形態による燃料電池システム１の蓄熱器１２を示す断面図である。図５は、本発明の実施形態による燃料電池システム１の蓄熱器１２のカルシウム化合物収納容器１２Ｂを示す断面図である。以下の説明において、「ライン」とは、流路、経路、管路等の総称である。

図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池１１と、蓄熱器１２と、第１熱交換器１３と、第２熱交換器１４と、第３熱交換器１５と、改質器１６と、ファン１７と、制御部１８とを有する。
また、燃料電池システム１は、空気供給ラインＬ１と、燃料電池空気供給ラインＬ２と、蓄熱器空気供給ラインＬ３と、燃料ガス供給ラインＬ４と、改質器オフガス供給ラインＬ５と、熱交換器オフガスラインＬ６と、蓄熱器オフガスラインＬ７と、発熱供給ラインＬ８と、を有する。

空気供給ラインＬ１の一端部は、ファン１７及びフィルタ（図示せず）に接続されている。空気供給ラインＬ１の他端部は、燃料電池空気供給ラインＬ２の一端部及び蓄熱器空気供給ラインＬ３の一端部に接続されている。空気供給ラインＬ１には、ファン１７の駆動により、フィルタ（図示せず）を通過した空気Ａ１が流通する。

燃料電池空気供給ラインＬ２の他端部は、燃料電池１１に接続されている。燃料電池空気供給ラインＬ２の途中には、第１二方弁１１１と、第２熱交換器１４とが、燃料電池空気供給ラインＬ２の一端部側から他端部側に向かってこの順で接続されている。第１二方弁１１１は、電磁弁やモータバルブ等により構成されている。燃料電池空気供給ラインＬ２には、空気供給ラインＬ１から供給された空気Ａ１が流通する。

また、蓄熱器空気供給ラインＬ３の他端部は、蓄熱器１２に接続されている。蓄熱器空気供給ラインＬ３の途中には、第２二方弁１２１が接続されている。第２二方弁１２１は、電磁弁やモータバルブ等により構成されている。蓄熱器空気供給ラインＬ３には、空気供給ラインＬ１から供給された空気Ａ１が流通する。

燃料ガス供給ラインＬ４の一端部は、都市ガス等の燃料ガスＧ１を供給可能なガス供給部１１２に接続されている。燃料ガス供給ラインＬ４の他端部は、燃料電池１１に接続されている。燃料ガス供給ラインＬ４の途中には、第３熱交換器１５と、改質器１６とが、燃料ガス供給ラインＬ４の一端部側から他端部側に向かってこの順で接続されている。燃料ガス供給ラインＬ４には、ガス供給部１１２から供給された燃料ガスＧ１が流通する。

改質器オフガス供給ラインＬ５の一端部は、燃料電池１１に接続されている。改質器オフガス供給ラインＬ５の他端部は、改質器１６に接続されている。改質器オフガス供給ラインＬ５には、燃料電池１１から排気されたオフガスＧ２が流通する。改質器オフガス供給ラインＬ５は、燃料電池１１から蓄熱器１２の後述の気体流路１２ＤへオフガスＧ２を連通させるオフガス排気ラインを構成する。また、改質器オフガス供給ラインＬ５は、燃料電池１１から第１熱交換器１３、第２熱交換器１４、第３熱交換器１５へオフガスＧ２を連通させる燃料電池側連通ラインを構成する。

熱交換器オフガスラインＬ６の一端部は、改質器１６に接続されている。熱交換器オフガスラインＬ６の他端部は、第１熱交換器１３に接続されている。熱交換器オフガスラインＬ６の途中には、逆止弁１６１と、第３二方弁１６２と、第３熱交換器１５と、第２熱交換器１４とが、熱交換器オフガスラインＬ６の一端側から他端部側に向かってこの順で接続されている。第３二方弁１６２は、電磁弁やモータバルブ等により構成されている。熱交換器オフガスラインＬ６には、改質器１６を流通したオフガスＧ２が流通する。熱交換器オフガスラインＬ６は、蓄熱器１２の後述の気体流路１２Ｄと第１熱交換器１３とを連通する蓄熱器側連通ラインを構成する。また、熱交換器オフガスラインＬ６は、燃料電池１１から第１熱交換器１３、第２熱交換器１４、及び第３熱交換器１５へオフガスＧ２を連通させる燃料電池側連通ラインを構成する。

蓄熱器オフガスラインＬ７の一端部は、改質器１６に接続されている。蓄熱器オフガスラインＬ７の他端部は、蓄熱器１２に接続されている。

蓄熱器オフガスラインＬ７の途中には、逆止弁１２２と、第４二方弁１２３とが、蓄熱器オフガスラインＬ７の一端側から他端部側に向かってこの順で接続されている。第４二方弁１２３は、電磁弁やモータバルブ等により構成されている。蓄熱器オフガスラインＬ７には、改質器１６を流通したオフガスＧ２が流通する。蓄熱器オフガスラインＬ７は、燃料電池１１から蓄熱器１２の後述の気体流路１２ＤへオフガスＧ２を連通させるオフガス排気ラインを構成する。

発熱供給ラインＬ８の一端部は、蓄熱器１２に接続されている。発熱供給ラインＬ８の他端部は、熱交換器オフガスラインＬ６の部分であって第３二方弁１６２と第３熱交換器１５との間の部分に接続されている。発熱供給ラインＬ８には、改質器１６を流通し蓄熱器１２を流通したオフガスＧ２が流通するか、又は、空気供給ラインＬ１及び蓄熱器空気供給ラインＬ３を流通し後述のように蓄熱器１２により加熱された空気Ａ１が流通する。発熱供給ラインＬ８は、蓄熱器１２の後述の気体流路１２Ｄと第１熱交換器１３とを連通する蓄熱器側連通ラインを構成する。

燃料電池１１は、高温型の燃料電池であるＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）である。燃料電池１１においては、後述の改質器１６から供給された水素Ｈ１と、空気供給ラインＬ１及び燃料電池空気供給ラインＬ２から供給された空気Ａ１中の酸素とが反応することにより、発電が行われる。燃料電池１１において発電を行う時の温度である運転温度は、７００℃〜１０００℃と高温である。燃料電池１１によって発電された電気は、パワーコンディショナ（図示せず）を介してＤＣ／ＡＣコンバータ（図示せず）に送られ、ＡＣ電圧に変換される。

第１熱交換器１３には、水ラインＬ１３１、Ｌ１３２が接続されている。水ラインＬ１３１には、水送給部１３４が接続されている。また、第１熱交換器１３には、排気用ラインＬ１３３が接続されている。第１熱交換器１３は、熱交換器オフガスラインＬ６を流通してきたオフガスＧ２からの熱を、水送給部１３４から水ラインＬ１３１に流通する水Ｗ１に伝達し、水Ｗ１を加熱して水ラインＬ１３２に流通する熱湯ＨＷ１とする。即ち、第１熱交換器１３では、媒体である水Ｗ１にオフガスＧ２からの熱が伝達される。

第２熱交換器１４は、熱交換器オフガスラインＬ６を流通してきたオフガスＧ２からの熱を、燃料電池空気供給ラインＬ２を流通してきた空気Ａ１に伝達し、空気Ａ１を加熱する。即ち、第２熱交換器１４では、媒体である空気Ａ１にオフガスＧ２からの熱が伝達される。第３熱交換器１５は、熱交換器オフガスラインＬ６を流通してきたオフガスＧ２からの熱を、燃料ガス供給ラインＬ４を流通してきた燃料ガスＧ１に伝達し、燃料ガスＧ１を加熱する。即ち、第３熱交換器１５では、媒体である燃料ガスＧ１にオフガスＧ２からの熱が伝達される。

即ち、第１熱交換器１３において熱が伝達される媒体は、水Ｗ１である。第２熱交換器１４において熱が伝達される媒体は、空気Ａ１である。第３熱交換器１５において熱が伝達される媒体は、燃料ガスＧ１である。

改質器１６は、熱交換器（図示せず）を有している。改質器１６は、燃料ガスＧ１から水素Ｈ１を生成する。この際、燃料ガスＧ１を８００℃程度にまで加熱する必要があるが、この加熱は、改質器１６の熱交換器（図示せず）においてオフガスＧ２から得た熱により行われる。改質器１６によって生成された水素Ｈ１は、燃料ガス供給ラインＬ４を通して燃料電池１１へ供給される。
また、改質器１６には、燃焼器１６３が設けられており、燃焼器１６３は、加熱バーナ（図示せず）を有している。加熱バーナ（図示せず）は、改質器オフガス供給ラインＬ５を通して供給されるオフガスＧ２を燃焼する。

図４、図５に示すように、蓄熱器１２は、筐体１２Ａと、カルシウム化合物収納容器１２Ｂとを有している。
カルシウム化合物収納容器１２Ｂは、円筒形状を有し、互いに平行な位置関係を有して複数設けられている。複数のカルシウム化合物収納容器１２Ｂは、図４に示すように、複数のカルシウム化合物収納容器１２Ｂの軸方向視で千鳥状に配置されている。また、複数のカルシウム化合物収納容器１２Ｂの軸方向は、気体流路１２ＤにおいてオフガスＧ２が流れる方向、即ち、図４の右側から左側へ向かう方向に直交している。

千鳥状とは、気体流路１２Ｄ内でオフガスＧ２が流れる方向において、即ち、図４において右側から左側へ向かう方向において、一のカルシウム化合物収納容器１２Ｂ（例えば、右端から一番目のカルシウム化合物収納容器１２Ｂ−１）に隣接する他のカルシウム化合物収納容器１２Ｂ（例えば右端から二番目のカルシウム化合物収納容器１２Ｂ−２）が、同方向において対向せずに、同方向から外れた（オフセットした）位置関係となっていることを意味する。

カルシウム化合物収納容器１２Ｂは、熱伝導性を有する材料、例えば、ＳＵＳ鋼により構成されている。カルシウム化合物収納容器１２Ｂの内部には、酸化カルシウム１２Ｃが充填されている。

筐体１２Ａの一端部には、管部１２Ｅが設けられている。管部１２Ｅには、蓄熱器空気供給ラインＬ３、及び蓄熱器オフガスラインＬ７が接続されている。筐体１２Ａの他端部には、管部１２Ｆが設けられている。管部１２Ｆには、発熱供給ラインＬ８が接続されている。筐体１２Ａの内部で且つカルシウム化合物収納容器１２Ｂの外側には、気体流路１２Ｄが形成されている。従って、気体流路１２Ｄは、カルシウム化合物収納容器１２Ｂの周囲を取り囲んでいる。
なお、蓄熱器空気供給ラインＬ３の他端部と、蓄熱器オフガスラインＬ７の他端部とは、図１〜図３に示す概略図においては、説明の便宜上、蓄熱器１２の別々の部分に接続されているように図示されている。実際には、蓄熱器１２の前述の筐体１２Ａの一端部に設けられた管部１２Ｅ（図４参照）からそれぞれ分岐するようにして、蓄熱器空気供給ラインＬ３の他端部と、蓄熱器オフガスラインＬ７の他端部とは、管部１２Ｅに接続されている。

また、図５に示すように、カルシウム化合物収納容器１２Ｂには、水供給ラインＬ１２が接続されている。水供給ラインＬ１２は、水供給部１２４（図１参照）に接続されており、カルシウム化合物収納容器１２Ｂ内の酸化カルシウム１２Ｃに対して水Ｗ２を供給可能である。また、蓄熱器１２には、供給された水Ｗ２が蒸気となり、カルシウム化合物収納容器１２Ｂ内の気圧が急激に上昇したときに、当該蒸気を抜くための蒸気抜きＬ１２５が形成されている。

制御部１８は、第１二方弁１１１、第２二方弁１２１、第３二方弁１６２、第４二方弁１２３、水供給部１２４、ファン１７、水送給部１３４、及び、ガス供給部１１２に電気的に接続されており、これらを制御可能である。制御部１８は、ＣＰＵ（図示せず）と記憶媒体（図示せず）とを主として有している。記憶媒体には、各種の制御を行うためにＣＰＵを動作させるためのプログラムと、第１二方弁１１１、第２二方弁１２１、第３二方弁１６２、第４二方弁１２３、水供給部１２４、ファン１７、水送給部１３４、及び、ガス供給部１１２の後述する動作を行うプログラムとが記憶されている。

上記の構成の燃料電池システム１は、以下のように動作する。
燃料電池１１が発電するときには、制御部１８は、ガス供給部１１２から燃料ガスＧ１を供給すると共に、ファン１７を駆動させ、第１二方弁１１１を開く。これにより、改質器１６に燃料ガスＧ１が供給されて水素Ｈ１が生成され、水素Ｈ１と空気Ａ１とが燃料電池１１に供給されて発電が行われる。また、制御部１８は、水送給部１３４から水Ｗ１を供給すると共に、第３二方弁１６２を開く。これにより、燃料電池１１から排気され改質器１６において燃料ガスＧ１を加熱したオフガスＧ２は、第１熱交換器１３、第２熱交換器１４、第３熱交換器１５に供給される。オフガスＧ２の熱は、第１熱交換器１３、第２熱交換器１４、第３熱交換器１５において熱交換され、それぞれ媒体である水Ｗ１、空気Ａ１、燃料ガスＧ１に熱が伝達される。なお、第２二方弁１２１及び第４二方弁１２３は、閉じた状態とされる。

第１熱交換器１３、第２熱交換器１４、第３熱交換器１５において必要とされる熱量が、燃料電池側連通ラインを通して供給されるオフガスＧ２の熱量よりも多い場合には、制御部１８は、次のように動作する。
即ち、第１熱交換器１３、第２熱交換器１４、第３熱交換器１５において必要とされる熱量が、改質器オフガス供給ラインＬ５及び熱交換器オフガスラインＬ６を通して供給されるオフガスＧ２の熱量よりも多い場合（具体的には、第１熱交換器１３において、水ラインＬ１３１を流れる水Ｗ１に対して熱を伝達する量が多く、第１熱交換器１３、第２熱交換器１４、第３熱交換器１５において必要とされる熱量が、熱交換器オフガスラインＬ６を通して供給されるオフガスＧ２の熱量よりも多い場合）には、制御部１８は、蓄熱器オフガスラインＬ７を通しての気体流路１２Ｄへの、燃料電池１１からのオフガスＧ２の供給を停止させる制御を行うと共に、水供給ラインＬ１２を通して水Ｗ２をカルシウム化合物収納容器１２Ｂに供給する制御を行う。

具体的には、図１に示すように、制御部１８は、第１二方弁１１１、第２二方弁１２１、第３二方弁１６２を開き、第４二方弁１２３を閉じる。また、水供給部１２４を制御し、水供給ラインＬ１２を通して水Ｗ２を、カルシウム化合物収納容器１２Ｂ内の酸化カルシウム１２Ｃに対して供給する。また、ファン１７を駆動させる。

これにより、燃料電池１１から排気され改質器１６において燃料ガスＧ１を加熱したオフガスＧ２は、第１熱交換器１３、第２熱交換器１４、第３熱交換器１５に供給される。これに加えて、カルシウム化合物収納容器１２Ｂ内では、酸化カルシウム１２Ｃと水Ｗ２とが化学反応して、水酸化カルシウムが生成されるとともに、熱が発生する発熱反応が行われる。熱は、カルシウム化合物収納容器１２Ｂを伝達する。そして、熱は、ファン１７の駆動により、空気供給ラインＬ１及び蓄熱器空気供給ラインＬ３を通して気体流路１２Ｄ内に供給された空気Ａ１に伝達され、空気Ａ１が加熱される。加熱された空気Ａ１は、蓄熱器側連通ラインとしての発熱供給ラインＬ８及び熱交換器オフガスラインＬ６を通して、第１熱交換器１３、第２熱交換器１４、第３熱交換器１５に供給される。

燃料電池１１からオフガスＧ２が排気されていないときに第１熱交換器１３において熱を必要とする場合、即ち、燃料電池１１が発電していないときに、第１熱交換器１３において熱を必要とする場合には、図２に示すように、制御部１８は、第１二方弁１１１、第３二方弁１６２、第４二方弁１２３を閉じ、第２二方弁１２１を開く。また、水供給部１２４を制御し、水供給ラインＬ１２を通して水Ｗ２を、カルシウム化合物収納容器１２Ｂ内の酸化カルシウム１２Ｃに対して供給する。また、ファン１７を駆動させる。

これにより、カルシウム化合物収納容器１２Ｂ内では、酸化カルシウム１２Ｃと水Ｗ２とが化学反応して水酸化カルシウムが生成され、熱が発生する発熱反応が行われる。熱は、カルシウム化合物収納容器１２Ｂを伝達する。そして、ファン１７の駆動により、空気供給ラインＬ１及び蓄熱器空気供給ラインＬ３を通して気体流路１２Ｄ内に供給された空気Ａ１に伝達され、空気Ａ１が加熱される。加熱された空気Ａ１は、蓄熱器側連通ラインとしての発熱供給ラインＬ８及び熱交換器オフガスラインＬ６を通して、第１熱交換器１３、第２熱交換器１４、第３熱交換器１５に供給される。

燃料電池１１の発電中に、第１熱交換器１３、第２熱交換器１４、第３熱交換器１５において必要とされる熱量が、燃料電池側連通ラインを通して供給されるオフガスＧ２の熱量よりも少ない場合、即ち、第１熱交換器１３、第２熱交換器１４、第３熱交換器１５において必要とされる熱量が、改質器オフガス供給ラインＬ５及び熱交換器オフガスラインＬ６を通して供給されるオフガスＧ２の熱量よりも少ない場合には、制御部１８は、第３二方弁１６２を閉じることにより、燃料電池１１からのオフガスＧ２を、オフガス排気ラインとしての改質器オフガス供給ラインＬ５、及び蓄熱器オフガスラインＬ７を通して、気体流路１２Ｄに供給すると共に、水供給ラインＬ１２を通してのカルシウム化合物収納容器１２Ｂへの水Ｗ２の供給を停止する制御を行う。

具体的には、図３に示すように、制御部１８は、第１二方弁１１１、第４二方弁１２３を開き、第２二方弁１２１、第３二方弁１６２を閉じる。また、水供給部１２４を制御し、水供給ラインＬ１２を通しての蓄熱器１２の酸化カルシウム１２Ｃへの水Ｗ２の供給を停止させる。

これにより、以前に発熱反応により生じた水酸化カルシウムは、高温のオフガスＧ２により加熱される。このことで、蓄熱器オフガスラインＬ７を通して気体流路１２Ｄに供給されてきたオフガスＧ２の熱が利用されて、蓄熱器１２内の水酸化カルシウムから酸化カルシウム１２Ｃと水Ｗ２とが生成される吸熱反応が行われる。即ち、酸化カルシウムに化学変化することによってポテンシャルが高くなる。

上記構成の燃料電池システム１によれば以下の効果を得ることができる。
蓄熱器１２は、熱伝導性を有する材料からなり酸化カルシウム１２Ｃ及び／又は水酸化カルシウムが充填されたカルシウム化合物収納容器１２Ｂと、カルシウム化合物収納容器１２Ｂの周囲を取り囲むように形成された気体流路１２Ｄとを有する。
また、制御部１８は、燃料電池１１からのオフガスＧ２を、蓄熱器オフガスラインＬ７を通して気体流路１２Ｄに供給するか又は供給停止させる制御を行うと共に、水供給ラインＬ１２を通して水Ｗ２をカルシウム化合物収納容器１２Ｂに供給するか又は供給停止させる制御を行う。

また、制御部１８は、第１熱交換器１３、第２熱交換器１４、第３熱交換器１５において必要とされる熱量が、燃料電池側連通ライン、即ち、改質器オフガス供給ラインＬ５及び熱交換器オフガスラインＬ６を通して供給されるオフガスＧ２の熱量よりも多い場合、又は燃料電池１１からオフガスＧ２が排気されていないときに第１熱交換器１３において熱を必要とする場合には、水供給ラインＬ１２を通してカルシウム化合物収納容器１２Ｂ内の酸化カルシウム１２Ｃに水Ｗ２を供給させて、酸化カルシウム１２Ｃから水酸化カルシウムを生成する発熱反応を行わせる。

一方、制御部１８は、第１熱交換器１３、第２熱交換器１４、第３熱交換器１５において必要とされる熱量が、燃料電池側連通ラインとしての改質器オフガス供給ラインＬ５及び熱交換器オフガスラインＬ６を通して供給されるオフガスＧ２の熱量よりも少ない場合には、水供給ラインＬ１２を通しての蓄熱器１２内の酸化カルシウム１２Ｃへの水Ｗ２の供給を停止させる。そして、オフガス排気ラインとしての改質器オフガス供給ラインＬ５及び蓄熱器オフガスラインＬ７を通して気体流路１２Ｄに供給されてきたオフガスＧ２の熱を利用して、蓄熱器１２内の水酸化カルシウムから酸化カルシウム１２Ｃと水Ｗ２とを生成する吸熱反応を行わせる。

このため、第１熱交換器１３、第２熱交換器１４、第３熱交換器１５において必要とされる熱量が、燃料電池側連通ラインを通して供給されるオフガスＧ２の熱量よりも少ない場合には、酸化カルシウム１２Ｃにエネルギーを保存することができる。また、第１熱交換器１３、第２熱交換器１４、第３熱交換器１５において必要とされる熱量が、燃料電池側連通ラインを通して供給されるオフガスＧ２の熱量よりも多い場合、又は燃料電池１１からオフガスＧ２が排気されていないときに第１熱交換器１３において熱を必要とする場合には、発熱反応により生じた熱を第１熱交換器１３において利用することができる。
従って、熱エネルギーを無駄にすることなく、燃料電池１１において発電を行うことができる。

また、蓄熱器１２は、筒形状、特に円筒形状を有し互いに平行な位置関係を有する複数のカルシウム化合物収納容器１２Ｂを備え、複数のカルシウム化合物収納容器１２Ｂは、複数のカルシウム化合物収納容器１２Ｂの軸方向視で千鳥状に配置され、且つ、複数のカルシウム化合物収納容器１２Ｂの軸方向は、気体流路１２ＤにおいてオフガスＧ２が流れる方向に直交している。

このため、カルシウム化合物収納容器１２Ｂにおける発熱反応で生じた熱エネルギーを効果的に気体流路１２Ｄ中の気体に伝達させることができる。また、カルシウム化合物収納容器１２Ｂにおける吸熱反応で吸収される熱エネルギーを、効果的に気体流路１２Ｄ中の気体からカルシウム化合物収納容器１２Ｂ内に伝達させることができる。

また、燃料電池側連通ラインを構成する熱交換器オフガスラインＬ６には、第３二方弁１６２が接続されている。制御部１８は、第１熱交換器１３、第２熱交換器１４、第３熱交換器１５において必要とされる熱量が、燃料電池側連通ラインとしての改質器オフガス供給ラインＬ５及び熱交換器オフガスラインＬ６を通して供給されるオフガスＧ２の熱量よりも少ない場合には、第３二方弁１６２を閉じることにより、蓄熱器オフガスラインＬ７を通して気体流路１２ＤにオフガスＧ２を供給する。このため、簡単な制御により、容易に、気体流路１２ＤにオフガスＧ２を供給することができる。

また、第２熱交換器１４、第３熱交換器１５における媒体は、それぞれ燃料電池１１に供給される空気Ａ１、燃料ガスＧ１であるため、高温のオフガスＧ２の熱を利用して、燃料電池１１における発電に用いられる空気Ａ１及び燃料ガスＧ１を効率よく加熱することができる。

本発明は、上記実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲に記載された技術的範囲において変形が可能である。例えば、本実施形態では、カルシウム化合物収納容器１２Ｂ内には、反応前に酸化カルシウム１２Ｃが充填されていたが、酸化カルシウム１２Ｃに代えて、反応前に水酸化カルシウムが充填されていてもよい。また第１熱交換器１３、第２熱交換器１４、第３熱交換器１５で熱が伝達される媒体は、本実施形態における媒体に限定されない。

また、本実施形態では、オフガス排気ライン、蓄熱器側連通ライン、燃料電池側連通ラインの構成は、本実施形態のものに限定されない。例えば、これらのラインは、互いに別体でそれぞれ構成されていてもよい。また、第４二方弁１２３は、設けられていなくてもよい。

また、蓄熱器の構成は、本実施形態による蓄熱器１２の構成に限定されない。また、カルシウム化合物収納容器１２Ｂは、ＳＵＳ鋼により構成されていたが、熱伝導性を有する材料により構成されていればよい。また、高温型の燃料電池である燃料電池１１は、ＳＯＦＣにより構成されていたが、ＳＯＦＣに限定されず、高温型の燃料電池であればよい。また、カルシウム化合物収納容器１２Ｂは、円筒形状を有していたが、この形状に限定されず、筒形状をしていればよい。

また、本実施形態では、複数のカルシウム化合物収納容器１２Ｂは、図４に示すように、複数のカルシウム化合物収納容器１２Ｂの軸方向視で千鳥状に配置されていたが、この配置に限定されない。例えば、複数の前記カルシウム化合物収納容器は、複数のカルシウム化合物収納容器の軸方向視で、碁盤目状に配置されていてもよい。

碁盤目状とは、例えば、図４に示す気体流路１２Ｄ内でオフガスＧ２が流れる方向において、即ち、図４において右側から左側へ向かう方向において、一のカルシウム化合物収納容器１２Ｂ（例えば、右端から一番目のカルシウム化合物収納容器１２Ｂ−１）に隣接する他のカルシウム化合物収納容器１２Ｂ（例えば右端から二番目のカルシウム化合物収納容器１２Ｂ−２）が、同方向において対向し、且つ、同方向に直交する方向である図４の上下方向においても、カルシウム化合物収納容器１２Ｂ同士が対向する位置関係となっていることを意味する。

１燃料電池システム
１１燃料電池
１２蓄熱器
１２Ａ筐体
１２Ｂカルシウム化合物収納容器
１２Ｃ酸化カルシウム
１２Ｄ気体流路
１３第１熱交換器
１４第２熱交換器
１５第３熱交換器
１８制御部
１６２第３二方弁
Ｇ２オフガス
Ｌ５改質器オフガス供給ライン
Ｌ６熱交換器オフガスライン
Ｌ７蓄熱器オフガスライン
Ｌ８発熱供給ライン
Ｌ１２水供給ライン
ＨＷ１熱湯
Ｗ１水

Claims

高温型燃料電池と、
熱伝導性を有する材料からなり酸化カルシウム及び／又は水酸化カルシウムを収容可能なカルシウム化合物収納容器と、前記カルシウム化合物収納容器の周囲を取り囲むように形成された気体流路とを有する蓄熱器と、
媒体に熱を伝達させる熱交換器と、
前記高温型燃料電池から前記蓄熱器の前記気体流路へオフガスを連通させるオフガス排気ラインと、
前記蓄熱器の前記カルシウム化合物収納容器に接続され、前記カルシウム化合物収納容器に水を供給可能な水供給ラインと、
前記蓄熱器の前記気体流路と前記熱交換器とを連通する蓄熱器側連通ラインと、
前記高温型燃料電池から前記熱交換器へオフガスを連通させる燃料電池側連通ラインと、
前記高温型燃料電池からのオフガスを、前記オフガス排気ラインを通して前記気体流路に供給するか又は供給停止させる制御を行うと共に、前記水供給ラインを通して水を前記カルシウム化合物収納容器に供給するか又は供給停止させる制御を行う制御部と、を備え、
前記制御部は、前記熱交換器において必要とされる熱量が、前記燃料電池側連通ラインを通して供給されるオフガスの熱量よりも多い場合、又は前記高温型燃料電池からオフガスが排気されていないときに前記熱交換器において熱を必要とする場合には、前記水供給ラインを通して前記カルシウム化合物収納容器内の酸化カルシウムに水を供給させて、酸化カルシウムから水酸化カルシウムを生成する発熱反応を行わせ、前記熱交換器において必要とされる熱量が、前記燃料電池側連通ラインを通して供給されるオフガスの熱量よりも少ない場合には、前記水供給ラインを通しての酸化カルシウムへの水の供給を停止させ、前記オフガス排気ラインを通して前記気体流路に供給されてきたオフガスの熱を利用して、水酸化カルシウムから酸化カルシウムと水とを生成する吸熱反応を行わせる高温型燃料電池システム。
前記蓄熱器は、筒形状を有し互いに平行な位置関係を有する複数の前記カルシウム化合物収納容器を備え、
複数の前記カルシウム化合物収納容器は、前記複数のカルシウム化合物収納容器の軸方向視で千鳥状又は碁盤目状に配置され、且つ、前記複数のカルシウム化合物収納容器の軸方向は、前記気体流路においてオフガスが流れる方向に直交している請求項１に記載の高温型燃料電池システム。
前記燃料電池側連通ラインには弁が接続されており、
前記制御部は、前記熱交換器において必要とされる熱量が、前記燃料電池側連通ラインを通して供給されるオフガスの熱量よりも少ない場合には、前記弁を閉じることにより、前記オフガス排気ラインを通して前記気体流路にオフガスを供給する請求項１又は請求項２に記載の高温型燃料電池システム。
前記熱交換器において前記媒体は、前記高温型燃料電池に供給される空気及び燃料ガスである請求項１〜請求項３のいずれかに記載の高温型燃料電池システム。