JP6237040B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、高温型燃料電池を備える燃料電池システムに関する。

高温型燃料電池を備える燃料電池システムは、高温型燃料電池において、燃料極に供給される水素と、空気極に供給される空気中の酸素とが化学反応することにより、発電を行う（特許文献１参照）。このため、高温型燃料電池に供給される水素を生成する改質器は、水素を過剰に生成する必要がある。水素は、一般的に、外部から改質器に供給される燃料と水とが改質器の触媒上で反応して生成される。一方、外部からの水の供給を必要としない燃料電池システムも考えられる。例えば、ラジエーターを備える燃料電池システムにおいては、ラジエーターは、高温型燃料電池から排出される水蒸気を含むオフガスを冷却して水を生成する。生成された水は、再び改質器で利用される。

特開２００５−１８５９８９号公報

外部からの水の供給を必要としないラジエーターを備える燃料電池システムにおいては、高温型燃料電池で発電した電気が、ラジエーターを稼動するための電気として消費されるため、発電効率が悪い。

本発明は、外部からの水の供給を必要とせず、且つ発電効率の高い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、前記高温型燃料電池に空気供給ラインを介して接続され、酸素を含む空気を前記高温型燃料電池に供給する空気供給部と、前記高温型燃料電池に水素供給ラインを介して接続され、高温下において触媒上で燃料と水とを反応させて水素を生成する改質器と、前記改質器に燃料供給ラインを介して接続され、前記燃料供給ラインを通じて前記改質器に燃料を供給する燃料供給部と、前記改質器に第１水供給ラインを介して接続され、前記改質器に供給される水を貯留する水貯留部と、前記高温型燃料電池と商用電源系統とを接続する系統電気供給ラインの途中に接続された、制御部を有するパワーコンディショナと、前記パワーコンディショナに余剰電気供給ラインを介して接続され、前記高温型燃料電池から発生した余剰電力によって一部が冷却され他部が加熱される熱電変換部材と、前記高温型燃料電池にオフガスラインを介して接続されると共に、前記水貯留部に第２水供給ラインを介して接続され、前記オフガスラインを介して送られた燃焼ガスを前記熱電変換部材の一部で冷却して燃焼ガスが凝縮されることで前記水貯留部に貯留するための水を生成する凝縮部と、を備え、前記制御部は、前記高温型燃料電池から発生した電力が、前記商用電源系統で十分であると判断された場合に、前記余剰電気供給ラインを介して前記熱電変換部材へ電力を供給する高温型燃料電池システムに関する。

また、前記凝縮部において、前記熱電変換部材は、燃焼ガスの流れ方向に対して傾斜するように複数設けられ、複数の前記熱電変換部材は、前記流れ方向に視たときに重なるように設けられることが好ましい。

また、前記熱電変換部材に緊急電気供給ラインを介して接続され、前記水貯留部内の水の貯留量が一定量以下となった場合に、前記熱電変換部材に電気を供給する緊急電気供給部を備えることが好ましい。

また、前記高温型燃料電池システムは外部からの水の供給を必要としないことが好ましい。

本発明によれば、外部からの水の供給を必要とせず、且つ発電効率の高い燃料電池システムを提供することができる。

本発明の実施形態の燃料電池システムを示す概略図である。 本発明の実施形態の凝縮部２１における熱電変換部材２２の配置状態を示す概略側面図である。 本発明の実施形態の凝縮部２１における熱電変換部材２２の配置状態を示す概略斜視図である。 本発明の実施形態の凝縮部２１の第１変形例における熱電変換部材２２の配置状態を示す概略斜視図である。 図３Ａの右方向から見た正面図である。 本発明の実施形態の凝縮部２１の第２変形例における熱電変換部材２２の配置状態を示す概略斜視図である。 本発明の実施形態の凝縮部２１の第３変形例における熱電変換部材２２の配置状態を示す概略斜視図である。 本発明の実施形態の凝縮部２１における熱電変換部材２２の別の配置状態を示す概略斜視図である。

ここで、説明の便宜上、後述の凝縮部２１の背壁２１４から前壁２１３へ向かう方向（図５における左下方向）を前方向Ｄ１１と定義し、その反対の方向を後方向Ｄ１２と定義し、これらを前後方向Ｄ１と定義する。また、後述の凝縮部２１の下壁２１２から上壁２１１へ向かう方向（図５における上方向）を上方向Ｄ２１と定義し、その反対の方向を下方向Ｄ２２と定義し、これらを上下方向Ｄ２と定義する。また、後述の凝縮部２１の右壁２１７から左壁２１５へ向かう方向（図５における左上方向）を左方向Ｄ３１と定義し、その反対の方向を右方向Ｄ３２と定義し、これらを左右方向Ｄ３と定義する。

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面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を示す概略図である。図２Ａは、本発明の実施形態による凝縮部２１における熱電変換部材２２の配置を示す概略側面図である。図２Ｂは、本発明の実施形態による凝縮部２１における熱電変換部材２２の配置を示す概略斜視図である。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、高温型燃料電池１１と、改質器１３と、水貯留部１５と、燃焼器１７と、熱交換器１９と、凝縮部２１と、パワーコンディショナ２５と、燃料供給部３１と、空気供給部としてのファン３３と、緊急電気供給部３７と、弁４１と、ポンプ４３とを備える。燃料電池システム１は、商用電源系統３５（以下「系統３５」ともいう）へ電力を供給する。

また、燃料電池システム１は、燃料供給ラインＬ１と、第１水供給ラインＬ３と、水素供給ラインＬ５と、空気供給ラインＬ７と、水素オフガスラインＬ９と、酸素オフガスラインＬ１１と、第１のオフガスラインＬ１３と、第２のオフガスラインＬ１５と、排気ラインＬ１７と、第２水供給ラインＬ１９とを備える。更に、燃料電池システム１は、電気供給ラインとして、系統電気供給ラインＬ２１と、余剰電気供給ラインＬ２３と、緊急電気供給ラインＬ２５とを備える。

ここで、ラインの説明に必要な構成要件について、まず必要最小限の説明をし、詳しくは後述する。燃料供給部３１は、都市ガス等の燃料Ｇ１を貯留する。弁４１は、燃料供給ラインＬ１の開閉を行う。ポンプ４３は、水貯留部１５からの水Ｗ１を加圧する。空気供給部としてのファン３３は、燃料電池システム１に空気Ａ１を供給する。系統３５は、高温型燃料電池１１で発電した電気を消費して、稼動する。緊急電気供給部３７は、水貯留部１５内の水の貯留量が一定量以下となった場合に、凝縮部２１に電気を供給する。改質器１３は、燃料Ｇ１と水Ｗ１から水素Ｇ５を生成する。燃焼器１７は、高温型燃料電池１１から排出される水素オフガスＧ９及び酸素オフガスＧ１１を燃焼する。熱交換器１９は、燃焼器１７から供給される高温の燃焼ガス（オフガス）Ｇ１３の熱を媒体に伝達させる。凝縮部２１は、熱交換器１９から排出される燃焼ガスＧ１３を冷却して水Ｗ３を生成する。熱電変換部材２２においては、通電すると、一端部は吸熱反応を起こして冷却され、他端部は放熱反応を起こして加熱される。また、冷却される熱電変換部材２２の一端部は、燃焼ガスＧ１３の上流側に対向して設けられている。

燃料供給ラインＬ１の一端部は、都市ガス等の燃料Ｇ１を供給可能な燃料供給部３１に接続され、燃料供給ラインＬ１の他端部は、改質器１３に接続されている。燃料供給ラインＬ１の途中には燃料供給ラインＬ１の開閉を行う弁４１が、接続されている。弁４１が開くと、燃料Ｇ１は、燃料供給部３１から燃料供給ラインＬ１を流通して、改質器１３へ供給される。

第１水供給ラインＬ３の一端部は、水貯留部１５に接続され、第１水供給ラインＬ３の他端部は、改質器１３に接続されている。第１水供給ラインＬ３の途中には、改質器１３に水Ｗ１を供給するために水貯留部１５からの水Ｗ１を加圧するポンプ４３が接続されている。ポンプ４３の駆動によって、水貯留部１５内の水Ｗ１は、水貯留部１５から第１水供給ラインＬ３を流通して、改質器１３へ供給される。

水素供給ラインＬ５の一端部は、改質器１３に接続され、水素供給ラインＬ５の他端部は、高温型燃料電池１１に接続される。改質器１３において生成される水素Ｇ５は、水素供給ラインＬ５を通じて高温型燃料電池１１に供給され、発電に用いられる。

空気供給ラインＬ７の一端部は、空気Ａ１を高温型燃料電池１１に供給するための空気供給部としてのファン３３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Ｌ７の他端部は、高温型燃料電池１１に接続されている。空気供給ラインＬ７の途中には、熱交換器１９が接続されている。ファン３３からフィルタを通過した空気Ａ１は、空気供給ラインＬ７を流通して、熱交換器１９を通過した後、高温型燃料電池１１に供給される。

水素オフガスラインＬ９の一端部は、高温型燃料電池１１に接続され、水素オフガスラインＬ９の他端部は、燃焼器１７に接続されている。高温型燃料電池１１から排気される水素オフガスＧ９は、水素オフガスラインＬ９を通じて燃焼器１７に供給される。

酸素オフガスラインＬ１１の一端部は、高温型燃料電池１１に接続され、酸素オフガスラインＬ１１の他端部は、燃焼器１７に接続されている。高温型燃料電池１１から排気される酸素オフガスＧ１１は、酸素オフガスラインＬ１１を通じて燃焼器１７に供給される。

第１のオフガスラインＬ１３の一端部は、燃焼器１７に接続され、第１のオフガスラインＬ１３の他端部は、熱交換器１９に接続されている。燃焼器１７において水素オフガスＧ９及び酸素オフガスＧ１１を燃焼した後の高温の燃焼ガスＧ１３は、第１のオフガスラインＬ１３を通じて熱交換器１９に供給される。

第２のオフガスラインＬ１５の一端部は、熱交換器１９に接続され、第２のオフガスラインＬ１５の他端部は、凝縮部２１に接続されている。熱交換器１９で空気供給ラインＬ７を流通する空気Ａ１と熱交換を行った燃焼ガスＧ１３は、第２のオフガスラインＬ１５を通じて凝縮部２１に供給される。

排気ラインＬ１７の一端部は、凝縮部２１に接続され、排気ラインＬ１７の他端部は、燃料電池システム１の外部へ解放されている。凝縮部２１において、凝縮されずに残った燃焼ガスＧ１３は、排気ガスＧ１５として、排気ラインＬ１７を流通して燃料電池システム１の外部へ排気される。

第２水供給ラインＬ１９の一端部は、凝縮部２１に接続され、第２水供給ラインＬ１９の他端部は、水貯留部１５に接続されている。凝縮部２１において燃焼ガスＧ１３から生成される水Ｗ３は、第２水供給ラインＬ１９を通じて水貯留部１５に供給される。

系統電気供給ラインＬ２１の一端部は、高温型燃料電池１１に接続され、系統電気供給ラインＬ２１の他端部は、高温型燃料電池１１で発電した電気を消費する系統３５に接続されている。系統電気供給ラインＬ２１の途中には、パワーコンディショナ２５が接続される。系統３５に必要な電気は、系統電気供給ラインＬ２１を通じて系統３５に供給される。

余剰電気供給ラインＬ２３の一端部は、パワーコンディショナ２５に接続され、余剰電気供給ラインＬ２３の他端部は、凝縮部２１に接続される。パワーコンディショナ２５は、高温型燃料電池１１で発電した電気が系統３５へ十分供給されていると判断すると、高温型燃料電池１１で発電した電気を、余剰電気供給ラインＬ２３を通じて凝縮部２１へ供給する。

緊急電気供給ラインＬ２５の一端部は、緊急電気供給部３７に接続され、緊急電気供給ラインＬ２５の他端部は、凝縮部２１へ接続される。緊急電気供給部３７は、水貯留部１５の水の貯留量が一定量以下となった場合に、緊急電気供給ラインＬ２５を通じて凝縮部２１に電気を供給する。

高温型燃料電池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。高温型燃料電池１１においては、改質器１３から供給される水素Ｇ５と、空気供給ラインＬ７から供給される空気Ａ１中の酸素とが反応することにより、発電が行われる。高温型燃料電池１１において発電を行うときの温度である運転温度は、７００℃〜１０００℃と高温である。

改質器１３は、触媒を有している。第１水供給ラインＬ３を通して供給される水Ｗ１と、燃料供給ラインＬ１を通して供給される燃料Ｇ１とが、改質器１３の触媒上で反応する。この反応により、改質器１３において、水素Ｇ５が生成する。生成された水素Ｇ５は、水素供給ラインＬ５を通して高温型燃料電池１１に供給される。

燃焼器１７は、バーナーや炉等により構成される。燃焼器１７では、水素オフガスラインＬ９を通して供給された水素オフガスＧ９及び酸素オフガスラインＬ１１を通して供給された酸素オフガスＧ１１が燃焼して、高温の燃焼ガスＧ１３が生成される。生成された高温の燃焼ガスＧ１３は、第１のオフガスラインＬ１３を流通して熱交換器１９へ供給される。

熱交換器１９は、燃焼器１７から供給される高温の燃焼ガスＧ１３の熱を媒体に伝達させる。熱交換器１９は、空気供給ラインＬ７の途中に接続され、且つ第１のオフガスラインＬ１３と第２のオフガスラインＬ１５との間に接続される。空気供給ラインＬ７には、媒体としての空気Ａ１が流通する。熱交換器１９において、第１のオフガスラインＬ１３から供給される高温の燃焼ガスＧ１３の熱は、空気供給ラインＬ７を流通して熱交換器１９を通過する空気Ａ１へ伝達される。高温の燃焼ガスＧ１３から熱を吸収して高温になった空気Ａ１は、熱交換器１９を通過後、空気供給ラインＬ７を流通して高温型燃料電池１１に供給される。

凝縮部２１は、複数の熱電変換部材２２を備え、熱交換器１９から排出される燃焼ガスＧ１３を冷却して水Ｗ３を生成する。凝縮部２１の複数の熱電変換部材２２においては、電気が供給されると、一端部は吸熱反応を起こして冷却され、他端部は放熱反応を起こして加熱される。

水貯留部１５は、改質水としての水Ｗ１、Ｗ３を貯留する。水Ｗ１は、第１水供給ラインの途中に接続されるポンプ４３の駆動により、第１水供給ラインＬ３を流通して改質器１３へ供給される。水Ｗ３は、凝縮部２１で生成されて、第２水供給ラインＬ１９を流通して水貯留部１５へ供給される。

パワーコンディショナ２５は、ＤＣ／ＡＣコンバータ（図示せず）と制御部（図示せず）とを備える。パワーコンディショナ２５は、高温型燃料電池１１で発電した電気を系統３５へ供給しているときに、系統３５における電力消費量の減少（電流の減少）を検出する。パワーコンディショナ２５は、制御部から送られる電気信号に従って、高温型燃料電池１１で発電した電気を系統３５又は凝縮部２１の熱電変換部材２２へ送電する。また、制御部は、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がそれぞれ記憶されている。制御部は、パワーコンディショナ２５の検出信号に基づいて、高温型燃料電池１１で発電した電気を系統３５又は凝縮部２１へ送電するための電気信号を、パワーコンディショナ２５へ送る。更に、ＤＣ／ＡＣコンバータは、高温型燃料電池１１で発電する直流電圧の電気を、系統３５において使用可能な所定の交流電圧（例えば、ＡＣ１００Ｖ）の電気に変換して、変換した交流電圧の電気を系統３５へ出力する。

次に、本発明の実施形態に係る熱電変換部材について、図２Ａ及び図２Ｂを参照しながら説明する。

凝縮部２１は、上壁２１１、下壁２１２、前壁２１３（図示せず）、背壁２１４（図示せず）を有する。これらは、一辺が左右方向Ｄ３に長い同一の長方形状を有している。また、凝縮部２１は、左壁２１５、右壁２１７を有する。これらは、同一の四角形状を有している。上壁２１１と下壁２１２とは対向しており、前壁２１３と背壁２１４とは対向しており、左壁２１５と右壁２１７とは対向している。上壁２１１の左端、下壁２１２の左端、前壁２１３の左端、背壁２１４の左端は、全て左壁２１５に接続されている。上壁２１１の右端、下壁２１２の右端、前壁２１３の右端、背壁２１４の右端は、全て右壁２１７に接続されている。左壁２１５の下側には、凝縮部２１へ燃焼ガスＧ１３を流通させるための入口開口部２１６が設けられている。また、右壁２１７の上側には、凝縮部２１で凝縮されずに残った燃焼ガスＧ１３を排気するための出口開口部２１８が設けられている。なお、凝縮部２１は、図３Ａ、図３Ｂ、図４に示すように、左壁２１５及び右壁２１７を備えずに、左右方向Ｄ３に開放されていてもよい。

凝縮部２１は、凝縮部２１の内部に、２種類の異なる金属又は半導体から成る複数の熱電変換部材２２を備える。熱電変換部材２２は、凝縮部２１に供給される燃焼ガスＧ１３との接触を効率よく行うために、凝縮部２１において、図２Ａに示すように、燃焼ガスＧ１３の流れ方向Ｄ５に対して傾斜するように複数設けられると共に、図２Ｂに示すように、燃焼ガスＧ１３の流れ方向Ｄ５に視たときに重なるように設けられる。熱電変換部材２２は、図２Ａ、図２Ｂに示すように、燃焼ガスＧ１３の流れ方向Ｄ５に視たときに、熱電変換部材２２の平面部分の全体が重なるように複数配置されている。なお、熱電変換部材２２は、図６に示すように、燃焼ガスＧ１３の流れ方向Ｄ５に視たときに、熱電変換部材２２の平面部分の一部が重なるように複数配置されていてもよい。

以上の構成による燃料電池システムは、以下のように動作する。
先ず、本システムを稼動させる前に、所定量以上の水Ｗ１を水貯留部１５に供給する。

空気供給部としてのファン３３からフィルタを通過した空気Ａ１は、空気供給ラインＬ７を流通して、熱交換器１９に供給される。

高温型燃料電池１１が既に発電しているときは、熱交換器１９において、第１のオフガスラインＬ１３から供給される高温の燃焼ガスＧ１３の熱は、空気供給ラインＬ７を流通して熱交換器１９を通過する空気Ａ１へ伝達される。高温の燃焼ガスＧ１３から熱を吸収して高温になった空気Ａ１は、熱交換器１９を通過後、空気供給ラインＬ７を流通して高温型燃料電池１１に供給される。一方、熱交換器１９において、熱を放出した燃焼ガスＧ１３は、第２のオフガスラインＬ１５を流通して凝縮部２１に供給される。

また、燃料供給ラインＬ１の途中に接続される弁４１が開くと、燃料Ｇ１は、燃料供給部３１から燃料供給ラインＬ１を流通して、改質器１３へ供給される。

ポンプ４３の駆動によって水貯留部１５からの水Ｗ１が加圧されると、水Ｗ１は、第１水供給ラインＬ３を流通して、改質器１３に供給される。

改質器１３において、第１水供給ラインＬ３を通して供給される水Ｗ１と燃料供給ラインＬ１を通して供給される燃料Ｇ１とが、改質器１３の触媒上で反応する。この反応により、改質器１３において、水素Ｇ５が生成する。生成された水素Ｇ５は、水素供給ラインＬ５を流通して高温型燃料電池１１に供給される。

高温型燃料電池１１において、改質器１３から供給される水素Ｇ５と、空気供給ラインＬ７から供給される空気Ａ１中の酸素とが反応して、発電が行われる。発電した電気は、先ず、系統電気供給ラインＬ２１を通じてパワーコンディショナ２５へ送電される。パワーコンディショナ２５は、系統３５の電力消費量の減少値を検出する。

ここで、系統３５の電力消費量の減少値が所定値以下である場合について説明する。まず、パワーコンディショナ２５は、系統３５の電力消費量の減少値が所定値以下であることを検出する。制御部は、パワーコンディショナ２５の検出信号に基づいて、パワーコンディショナ２５に対して、系統３５へ電気を送電するための電気信号を送る。パワーコンディショナ２５は、制御部から送られる電気信号に従って、高温型燃料電池１１で発電した直流電圧の電気をＤＣ／ＡＣコンバータへ送電する。ＤＣ／ＡＣコンバータは、パワーコンディショナ２５から送電される直流電圧の電気を、系統３５において使用可能な所定の交流電圧（例えば、ＡＣ１００Ｖ）の電気に変換する。変換された交流電圧の電気は、系統電気供給ラインＬ２１を通じて系統３５へ出力される。

次に、系統３５の電力消費量の減少値が所定値超である場合について説明する。まず、パワーコンディショナ２５が系統３５の電力消費量の減少値が所定値超であることを検出する（つまり、系統３５への電気の供給が十分であると判断する）。制御部は、パワーコンディショナ２５の検出信号を基に、パワーコンディショナ２５に対して、系統３５へ電気を送電するための電気信号の送信を停止して、凝縮部２１へ電気を送電するための電気信号の送信を行う。パワーコンディショナ２５は、制御部から送られる電気信号に従って、高温型燃料電池１１で発電した直流電圧の電気を、余剰電気供給ラインＬ２３通じて凝縮部２１の熱電変換部材２２へ送電する。

直流電圧の電気が、余剰電気供給ラインＬ２３を通じて、凝縮部２１の熱電変換部材２２へ供給されると、熱電変換部材２２の一端部は、吸熱反応を起こして冷却され、熱電変換部材２２の他端部は、放熱反応を起こして加熱される。

一方、高温型燃料電池１１において、発電に用いられずに残った水素Ｇ５は、水素オフガスＧ９として排気される。水素オフガスＧ９は、水素オフガスラインＬ９を流通して燃焼器１７に供給される。また、発電に用いられずに残った空気Ａ１中の酸素は、酸素オフガスＧ１１として排気される。酸素オフガスＧ１１は、酸素オフガスラインＬ１１を流通して燃焼器１７に供給される。

燃焼器１７において、水素オフガスラインＬ９を通して供給された水素オフガスＧ９及び酸素オフガスラインＬ１１を通して供給された酸素オフガスＧ１１が燃焼して、高温の燃焼ガスＧ１３は生成される。生成された高温の燃焼ガスＧ１３には、十分な水分が含まれている。高温の燃焼ガスＧ１３は、第１のオフガスラインＬ１３を流通して熱交換器１９へ供給される。

熱交換器１９においては、第１のオフガスラインＬ１３から供給される高温の燃焼ガスＧ１３の熱は、空気供給ラインＬ７を流通して熱交換器１９を通過する空気Ａ１へ伝達される。高温の燃焼ガスＧ１３から熱を吸収して高温になった空気Ａ１は、熱交換器１９を通過後、空気供給ラインＬ７を流通して高温型燃料電池１１に供給される。また、空気供給ラインＬ７を流通する空気Ａ１と熱交換を行った燃焼ガスＧ１３は、第２のオフガスラインＬ１５を流通して凝縮部２１に供給される。

凝縮部２１においては、熱交換器１９から供給される燃焼ガスＧ１３が、冷却された複数の熱電変換部材２２の各一端部に当たり、冷却されて、燃焼ガスＧ１３に含まれる水分は、凝縮する。これにより、凝縮部２１において、水Ｗ３が生成される。水Ｗ３は、第２水供給ラインＬ１９を流通して水貯留部１５へ供給される。このとき、凝縮されなかった燃焼ガスＧ１３は、排気ガスＧ１５として、排気ラインＬ１７を流通して燃料電池システム１の外部へ排気される。また、熱電変換部材２２に電気が供給されない場合には、熱交換器１９から凝縮部２１へ供給される燃焼ガスＧ１３は、熱電変換部材２２で冷却されずに、排気ラインＬ１７を流通して排気される。

本実施形態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。
燃料電池システム１は、高温型燃料電池１１と、高温型燃料電池１１に空気供給ラインＬ７を介して接続され、酸素を含む空気Ａ１を高温型燃料電池１１に供給する空気供給部（ファン３３）と、高温型燃料電池１１に水素供給ラインＬ５を介して接続され、高温下において触媒上で燃料Ｇ１と水Ｗ１とを反応させて水素Ｇ５を生成する改質器１３と、改質器１３に燃料供給ラインＬ１を介して接続され、燃料供給ラインＬ１を通じて改質器１３に燃料Ｇ１を供給する燃料供給部３１と、改質器１３に第１水供給ラインＬ３を介して接続され、改質器１３に供給される水Ｗ１及びＷ３を貯留する水貯留部１５と、を備える。また、燃料電池システム１は、高温型燃料電池１１に第１のオフガスラインＬ１３及び第２のオフガスラインＬ１５を介して接続され、水貯留部１５に第２水供給ラインＬ１９を介して接続される凝縮部２１であって、高温型燃料電池１１から発生した余剰電力によって一端部が冷却され他端部が加熱される熱電変換部材２２を備え、第１のオフガスラインＬ１３及び第２のオフガスラインＬ１５を介して送られた燃焼ガスＧ１３を熱電変換部材２２の一端部で冷却して燃焼ガスＧ１３が凝縮されることで水貯留部１５に貯留するための水Ｗ３を生成する凝縮部２１と、を備えている。

このため、燃料電池システム１は、高温型燃料電池１１で発電した電気を凝縮部２１の熱電変換部材２２に送電することにより、高温型燃料電池１１から排出される燃焼ガスＧ１３を、凝縮部２１の熱電変換部材２２によって冷却して水Ｗ３を生成することができる。このとき、燃焼ガスＧ１３の水分と併せて、大気中の水分も、凝縮部２１の熱電変換部材２２によって冷却されて、水Ｗ３となる。凝縮部２１で生成された水Ｗ３は、水貯留部１５へ供給されて、燃料電池システム１に再び使うことができる。熱電変換部材２２は、冷却用として一般的に使われるラジエーターよりも低電力で稼動する。このため、燃料電池システム１は、外部からの水の供給を必要とすることなく、発電効率の高い発電を行うことができる。

また、凝縮部２１の複数の熱電変換部材２２は、燃焼ガスＧ１３の流れ方向Ｄ５に対して傾斜するように設けられ、且つ燃焼ガスＧ１３の流れ方向Ｄ５に視たときに重なるように設けられる。このため、凝縮部２１に供給される燃焼ガスＧ１３は、熱電変換部材２２と効率的に接することができ、燃焼ガスＧ１３から効率的に水Ｗ３を生成することができる。

また、燃料電池システム１には、パワーコンディショナ２５を備えているため、系統３５の電力消費量の減少値が所定値以下である場合には、高温型燃料電池１１で発電した電気を系統３５へ送電する。一方、燃料電池システム１は、系統３５の電力消費量の減少値が所定値超、つまり、系統３５への電気の供給が十分である場合には、余剰電気供給ラインＬ２３を通じて凝縮部２１の熱電変換部材２２に送電する。このため、燃料電池システム１の高温型燃料電池１１は、出力一定で安定した発電ができ、燃料電池の寿命を長くすることができる。

また、燃料電池システム１は、凝縮部２１と緊急電気供給ラインＬ２５で接続される緊急電気供給部３７を備える。本燃料電池システムによれば、系統３５へ電気が供給されているときは、凝縮部２１の熱電変換部材２２へ電気は供給されない。このとき、凝縮部２１は水Ｗ３を生成しない。上記の場合において、水貯留部１５への水Ｗ３の供給を必要とする際には、緊急電気供給部３７は、緊急電気供給ラインＬ２５を通じて凝縮部２１の熱電変換部材２２に電気を送電することができ、これによって凝縮部２１は水Ｗ３を生成できる。

本発明は、上述した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、図３Ａは、凝縮部２１の第１変形例を示す図であり、図３Ｂは、図３Ａを右方向Ｄ３２から見た図である。実施形態では、凝縮部２１の熱電変換部材２２は、燃焼ガスＧ１３の流れ方向Ｄ５に対して傾斜するように複数設けられると共に、燃焼ガスＧ１３の流れ方向Ｄ５に視たときに重なるように設けられている。しかし、第１変形例によれば、凝縮部２１の熱電変換部材２２は、図３Ａ、図３Ｂに示すように、凝縮部２１の上壁２１１、下壁２１２、前壁２１３、背壁２１４の内面の略全体に設けられている。

また、図４は凝縮部２１の第２変形例を示す図である。第２変形例によれば、凝縮部２１の熱電変換部材２２は、図４に示すように、凝縮部２１の上壁２１１、下壁２１２、前壁２１３、背壁２１４の内面の一部分に設けられている。

また、図５は第３変形例を示す図である。第３変形例によれば、凝縮部２１は、矩形状を有し、凝縮部２１を前後方向Ｄ１に貫通するように設けられる複数の貫通孔２１９を備える。貫通孔２１９の側面の周壁２００は、側壁内面及び側壁外面を有する側壁２０１から構成される。側壁２０１の側壁内面は、凝縮部２１の内部空間側の面であり、側壁２０１の側壁外面は、貫通孔２１９側の面である。凝縮部２１の熱電変換部材２２は、この側壁内面に設けられている。
この構成により、凝縮部２１の貫通孔２１９には、外部の空気が流入する。流入した空気は、熱電変換部材２２の他端部からの熱により加熱されるが、流入した空気が自然対流によって移動することにより放熱される。このため、凝縮部２１全体を効率よく冷却することができる。

１ 燃料電池システム
１１ 高温型燃料電池
１３ 改質器
１５ 水貯留部
１７ 燃焼器
１９ 熱交換器
２１ 凝縮部
２２ 熱電変換部材
２５ パワーコンディショナ
３１ 燃料供給部
３３ ファン（空気供給部）
３５ 系統
３７ 緊急電気供給部
Ｌ１ 燃料供給ライン
Ｌ３ 第１水供給ライン
Ｌ５ 水素供給ライン
Ｌ７ 空気供給ライン
Ｌ１３ 第１のオフガスライン
Ｌ１５ 第２のオフガスライン
Ｌ１９ 第２水供給ライン
Ｌ２３ 余剰電気供給ライン
Ｌ２５ 緊急電気供給ライン
Ｇ１ 燃料
Ｇ５ 水素
Ｇ１３ 燃焼ガス（オフガス）
Ｗ１、Ｗ３ 水
Ａ１ 空気

Claims (4)

1. 高温型燃料電池と、
   前記高温型燃料電池に空気供給ラインを介して接続され、酸素を含む空気を前記高温型燃料電池に供給する空気供給部と、
   前記高温型燃料電池に水素供給ラインを介して接続され、高温下において触媒上で燃料と水とを反応させて水素を生成する改質器と、
   前記改質器に燃料供給ラインを介して接続され、前記燃料供給ラインを通じて前記改質器に燃料を供給する燃料供給部と、
   前記改質器に第１水供給ラインを介して接続され、前記改質器に供給される水を貯留する水貯留部と、
   前記高温型燃料電池と商用電源系統とを接続する系統電気供給ラインの途中に接続された、制御部を有するパワーコンディショナと、
   前記パワーコンディショナに余剰電気供給ラインを介して接続され、前記高温型燃料電池から発生した余剰電力によって一部が冷却され他部が加熱される熱電変換部材と、
   前記高温型燃料電池にオフガスラインを介して接続されると共に、前記水貯留部に第２水供給ラインを介して接続され、前記オフガスラインを介して送られた燃焼ガスを前記熱電変換部材の一部で冷却して燃焼ガスが凝縮されることで前記水貯留部に貯留するための水を生成する凝縮部と、を備え、
   前記制御部は、前記高温型燃料電池から発生した電力が、前記商用電源系統で十分であると判断された場合に、前記余剰電気供給ラインを介して前記熱電変換部材へ電力を供給する高温型燃料電池システム。
2. 前記凝縮部において、前記熱電変換部材は、燃焼ガスの流れ方向に対して傾斜するように複数設けられ、複数の前記熱電変換部材は、前記流れ方向に視たときに重なるように設けられる、請求項１に記載の高温型燃料電池システム。
3. 前記熱電変換部材に緊急電気供給ラインを介して接続され、前記水貯留部内の水の貯留量が一定量以下となった場合に、前記熱電変換部材に電気を供給する緊急電気供給部を備える、請求項１又は２に記載の高温型燃料電池システム。
4. 外部からの水の供給を必要としない、請求項１〜３のいずれかに記載の高温型燃料電池システム。

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