JP6523841B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、燃料電池システムに関する。

図１６は、従来の燃料電池システムの構成の第１の例を示す模式図である。

図１６の燃料電池システムは、送気ポンプ（ブロワ）１と、燃料電池３と、燃焼器４と、送気ポンプ５と、都市ガス送気ポンプ６−１と、脱硫器６と、改質器７と、送水ポンプ７−１と、変成器８と、一酸化炭素除去器９と、送気ポンプ９−１とを具備している。

燃焼電池３は、複数のセルが積層されたセルスタック３ａを具備している。各セルは、電解質膜と、燃料極と、空気極とを具備している。燃料電池３の例は、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）である。ＰＥＦＣの各セルは、電解質膜として固体高分子膜を有している。

図１６の燃料電池システムは、燃料として都市ガスを使用する。一般に、都市ガスは、燃料成分としてメタンとその他の炭化水素を含有しているが、都市ガスの燃料成分のほとんどはメタンである。そのため、以下の説明では、簡単のために、都市ガスは燃料成分としてメタンのみを含有しているとする。

送気ポンプ１は、燃料電池３に空気を供給する。一方、都市ガス送気ポンプ６−１は、都市ガスラインから脱硫器６に都市ガスを供給する。

脱硫器６は、都市ガス中の付臭剤に含まれる硫黄化合物を除去し、脱硫後の都市ガスを改質器７に排出する。

改質器７には、脱硫器６から都市ガスが供給され、送水ポンプ７−１から水が供給される。改質器７は、水を加熱して水蒸気を生成し、都市ガスと水蒸気を混合しながら、都市ガス中のメタンと水蒸気を適切な温度に加熱する。その結果、式（１）に示すように、水蒸気改質反応によりメタンと水蒸気から一酸化炭素と水素が生成される。生成された一酸化炭素と水素は、変成器８に排出される。なお、メタン以外の炭化水素もメタンと同様に水蒸気と反応し、一酸化炭素と水素に変化する。
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ → ＣＯ＋３Ｈ_２ ・・・（１）

変成器８は、式（２）に示すように、改質器７からのガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変化させる。その結果、このガス中の一酸化炭素濃度が低下する。このガスは、一酸化炭素除去器９に排出される。
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２＋Ｈ_２ ・・・（２）

一酸化炭素除去器９には、送気ポンプ９−１から空気が供給される。一酸化炭素除去器９は、式（３）に示すように、変成器８からのガス中に残存する一酸化炭素をこの空気中の酸素と反応させる。その結果、一酸化炭素の選択酸化反応により、このガス中の一酸化炭素濃度がさらに低下する。
２ＣＯ＋Ｏ_２ → ２ＣＯ_２ ・・・（３）

燃料電池３には、一酸化炭素除去器９からこのガスが供給され、送気ポンプ１から空気が供給される。燃料電池３は、式（４）に示すように、このガス中の水素を空気中の酸素と反応させる。この反応の際に、電気が発生する。
２Ｈ_２＋Ｏ_２ → ２Ｈ_２Ｏ ・・・（４）

ただし、このガス中の水素の全量が完全に反応する事はなく、燃料電池３から排出されるオフガスは水素を含有している。燃焼器４は、オフガス中の水素を、送気ポンプ５から供給された空気中の酸素を用いて燃焼させる。なお、燃料電池３の空気極からのオフガスを燃焼器４に流入させてもよい。この場合には、送気ポンプ５が不要になるが、送気ポンプ１からの送風空気量を増やす必要がある。燃焼器４での燃焼により発生した熱は、改質器７での加熱に用いられる。可燃成分である水素は、式（５）に示すように、酸素と反応して水となる。
２Ｈ_２＋Ｏ_２ → ２Ｈ_２Ｏ ・・・（５）

一方、燃焼器４からの燃焼排ガスは不燃ガスとなる。そのため、この燃焼排ガスは大気放出しても問題ない。このように、本システムは、完全には使い切れない水素を有効利用している。

なお、燃料電池３での反応は発熱反応である。この熱は、冷水を用いて冷却され、この冷水は温水に変化する。また、改質器７に熱を渡した後の燃焼排ガスは依然として温度が高いため、この燃焼排ガスの熱で水道水を加熱して温水製造を行ってもよい。

本システムが家庭用である場合には、この温水が入浴用温水などとして利用される。

図１７は、従来の燃料電池システムの構成の第２の例を示す模式図である。図１８は、従来の燃料電池システムの構成の第３の例を示す模式図である。

図１７の燃料電池システムは、送気ポンプ１と、水素タンク２と、燃料電池３と、燃焼器４と、送気ポンプ５とを具備している。図１８の燃料電池システムは、図１７に示す構成要素に加えて、水素送気ポンプ２−１を具備している。

図１７及び図１８の燃料電池システムは、燃料として水素ガスを使用する。これらのシステムは例えば、災害避難向け公園に設置される。以下、図１７のシステムについて説明するが、以下の説明は図１８のシステムにも当てはまる。

図１７のシステムにて、送気ポンプ１は、燃料電池３に空気を供給する。一方、水素タンク２は、水素ガスを貯蔵し、燃料電池３に水素ガスを供給する。そのため、本システムは、都市ガス送気ポンプ６−１、脱硫器６、改質器７、変成器８、一酸化炭素除去器９等を具備していない。燃料電池３には、送気ポンプ１から空気が供給され、水素タンク２から水素が供給される。燃料電池３は、この水素を空気中の酸素と反応させる。この反応の際に、電気が発生する。

ここで、図１７のシステムと図１８のシステムを比較する。図１７では、水素タンク２内の圧力が充分高いため、水素タンク２からの水素ガスは、不図示の減圧調整弁を通して燃料電池３に供給される。一方、図１８では、水素タンク２からの水素ガスが、水素送気ポンプ２−１により燃料電池３に供給される。図１８の場合、水素タンク２内の圧力が高くなくても、水素ガスを燃料電池３に供給できる。

図１７や図１８のシステムにて、燃焼器４は、オフガス中の水素を、送気ポンプ５から供給された空気中の酸素を用いて燃焼させる。これにより、本システムでは可燃性ガスを大気中に放出する事は防がれる。本システムは改質器７を具備していないため、燃焼器４での燃焼により発生した熱は、改質器７での加熱に用いられる事がないので、大量に温水が製造される。

しかしながら、本システムでは、温水を製造する需要は多くない。例えば、本システムが災害避難向け公園に設置される場合、温水をこの公園やその周囲で使用する需要は多くない。また、燃料電池３を冷水で冷却する際に、この冷水が温水に変化するため、燃焼器４でも温水を製造する必要はない場合が多い。よって、燃焼器４で発生する熱を温水製造以外に有効利用する事が望ましい。

特開平４−２８０４８４号公報

本発明は、燃料電池からのオフガスを燃焼させて発生した熱を有効利用する事が可能な燃料電池システムを提供する事を課題とする。

一の実施形態による燃料電池システムは、酸素と水素を反応させて電気を発生させ、未反応の水素を含むオフガスを排出する燃料電池を具備する。前記システムはさらに、前記オフガスに含まれる前記未反応の水素を燃焼させ、燃焼排ガスを排出する燃焼器を具備する。前記システムはさらに、温熱源と冷熱源の温度差を用いて発電する熱電変換素子を含み、前記燃焼排ガスを前記温熱源として使用する、または前記燃焼排ガスから回収された第１の熱により６０℃より高温に加熱された第１の熱媒体を、前記温熱源として使用する熱電モジュールを具備する。

第１実施形態の燃料電池システムの構成を示す模式図である。 第２実施形態の燃料電池システムの構成を示す模式図である。 第３実施形態の燃料電池システムの構成を示す模式図である。 第４実施形態の燃料電池システムの構成を示す模式図である。 第５実施形態の燃料電池システムの構成を示す模式図である。 第６実施形態の燃料電池システムの構成を示す模式図である。 第７実施形態の燃料電池システムの構成を示す模式図である。 第８実施形態の燃料電池システムの構成を示す模式図である。 第９実施形態の燃料電池システムの構成を示す模式図である。 第１０実施形態の燃料電池システムの構成を示す模式図である。 第１１実施形態の燃料電池システムの構成を示す模式図である。 第１２実施形態の燃料電池システムの構成を示す模式図である。 第１３実施形態の燃料電池システムの構成を示す模式図である。 第１４実施形態の燃料電池システムの構成を示す模式図である。 第１５実施形態の燃料電池システムの構成を示す模式図である。 従来の燃料電池システムの構成の第１の例を示す模式図である。 従来の燃料電池システムの構成の第２の例を示す模式図である。 従来の燃料電池システムの構成の第３の例を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

図１〜図１５の燃料電池システムは、図１７の燃料電池システムと同様に、燃料として水素ガスを使用する。図１〜図１５において、図１７に示す構成要素と同一または類似の構成要素には同一の符号を付し、図１７の説明と重複する説明は省略する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の燃料電池システムの構成を示す模式図である。

図１の燃料電池システムは、送気ポンプ１と、水素タンク２と、燃料電池３と、燃焼器４と、送気ポンプ５とを具備している。燃焼電池３は、複数のセルが積層されたセルスタック３ａを具備している。燃料電池３の例は、ＰＥＦＣである。

図１の燃料電池システムはさらに、加熱器１１と、高温チャンバ１２と、低温チャンバ１３と、熱電モジュール１４と、送水ポンプ１５と、送水ポンプ１６と、温水タンク１７とを具備している。熱電モジュール１４は、温熱源と冷熱源の温度差を用いて発電する熱電変換素子１４ａと、熱電変換素子１４ａと温熱源との間に介在する板部材１４ｂと、熱電変換素子１４ａと冷熱源との間に介在する板部材１４ｃとを具備している。

送気ポンプ１は、燃料電池３に空気を供給する。一方、水素タンク２は、燃料電池３に水素ガスを供給する。燃料電池３は、この水素を空気中の酸素と反応させる。この反応の際に、電気が発生する。燃料電池３は、未反応の水素を含有するオフガスを燃焼器４に排出する。燃焼器４は、オフガス中の水素を、送気ポンプ５から供給された空気中の酸素を用いて燃焼させて、高温の燃焼排ガスを加熱器１１に排出する。

本実施形態では、水素タンク２内の圧力が充分高いため、水素タンク２からの水素ガスは、不図示の減圧調整弁を通して燃料電池３に供給される。ただし、図１８のように、水素タンク２からの水素ガスを水素送気ポンプ２−１により燃料電池３に供給すれば、水素タンク２内の圧力が高くなくても、水素ガスを燃料電池３に供給できる。これは、後述する第２〜第１５実施形態でも同様である。よって、第２〜第１５実施形態では、水素送気ポンプ２−１の有無に関する説明を省略する事にする。

加熱器１１は、送水ポンプ１６から送られた冷水により燃焼排ガスの熱を回収する。即ち、加熱器１１は、燃焼排ガスの熱により冷水を加熱する。その結果、冷水が温水に変化し、加熱器１１から高温チャンバ１２に温水が排出される。燃焼排ガスの熱は、第１の熱の例である。この冷水及び温水は、第１の熱媒体の例である。この冷水は、例えば水道水または工業用水である。本実施形態の加熱器１１は、燃焼排ガスと冷水との熱交換により冷水を加熱する。本実施形態では、冷水が６０℃より高温の温水に加熱される。

高温チャンバ１２には、加熱器１１から温水が供給される。低温チャンバ１３には、送水ポンプ１５から冷水が供給される。この冷水は、第１の熱媒体と異なる第３の熱媒体の例である。この冷水は、例えば水道水または工業用水である。この冷水は、熱媒油に置き換えてもよい。

熱電モジュール１４は、高温チャンバ１２と低温チャンバ１３の間に配置されている。本実施形態の熱電モジュール１４は、高温チャンバ１２内の温水を温熱源として使用し、低温チャンバ１３内の冷水を冷熱源として使用する。その結果、熱電変換素子１４ａから熱電変換により電気が発生する。本実施形態の高温チャンバ１２に供給される温水は、６０℃より高温であり、例えば９０℃である。温水の流量を増やせば温水の温度は低くなり、温水の流量を減らせば温水の温度は高くなるので、温水の温度は燃焼器４における燃焼排ガスの温度まで高くできるが、本実施形態の温水の温度は、大気圧付近の沸点より低い温度が望ましい。一方、本実施形態の低温チャンバ１３に供給される冷水は、２０℃より低温であり、例えば１５℃である。高温チャンバ１２から排出された温水は、温水タンク１７に貯留される。

本実施形態では、温熱源の温水の温度を６０℃より高く設定する。その理由は、以下の通りである。

燃焼排ガスの熱は、入浴用温水や食器洗浄用温水などを製造するために使用される事が多い。また、これらの温水は一般に、６０℃の温水を使用前に冷水と混ぜて適温まで冷やした温水である。理由は、温水の温度を６０℃より高く設定すると、温水の配管に肌が触れた際にやけどする可能性があるからである。また、不必要に６０℃より高温にした場合の温水は、放熱量が多く、熱の利用効率が悪いからである。温水を実際に使用する際には、温水の温度を６０℃から４０℃程度に低下させる。

一方、本実施形態では、燃焼排ガスの熱を熱電変換素子１４ａによる発電用（熱電変換用）に使用する。熱電変換素子１４ａの発電効率は、温熱源と冷熱源の温度差が大きいほど高くなる。よって、温熱源の温水の温度は、なるべく高い事が望ましい。例えば、温熱源の温水として６０℃の温水を使用すると、熱電変換素子１４ａの発電効率が低くなってしまう。

そのため、本実施形態では、温熱源の温水の温度を６０℃より高く設定する。これにより、温水の温度を熱電変換に適した温度に設定する事ができ、熱電変換素子１４ａの発電効率を向上させる事ができる。例えば、温水の温度を６０℃、冷水の温度を２０℃に設定すると、発電効率が低く、熱電変換素子１４ａを現実的に使用する事が期待できない。一方、本実施形態のように、温水の温度を９０℃、冷水の温度を１５℃に設定すれば、高い発電効率を実現する事ができる。

また、燃料として都市ガスを使用する燃料電池システムでは、燃焼排ガスの熱を改質器に使用するため、改質器での加熱により温度低下した燃焼排ガスの熱から製造する温水の温度を高く設定する事が難しい事が多い。理由は、改質器では都市ガスや常温の水を加熱するので、燃焼排ガスは常温近くまで温度低下しているからである。一方、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料として水素ガスを使用するため、燃焼排ガスの熱から製造する温水の温度を高く設定しても問題ない。よって、本実施形態では、温水の温度を高く設定する事ができ、これにより熱電変換素子１４ａの発電効率を向上させる事ができる。

なお、改質器の加熱源が別途設けられている等の理由により、燃料として都市ガスを使用しても問題ない場合には、本実施形態の燃料電池システムの燃料として都市ガスを使用してもよい。この場合、図１の水素タンク２は、図１６の都市ガス送気ポンプ６−１、脱硫器６、改質器７、変成器８、一酸化炭素除去器９等に置き換えられ、都市ガスラインから都市ガス送気ポンプ６−１により都市ガスが供給される。

なお、燃料電池３がＰＥＦＣである場合、燃料電池３の作動に適正な温度が約８０℃であるため、燃料電池３の冷却水は８０℃より充分に低い温度の温水にしかならない。

以上のように、本実施形態の燃料電池システムは、燃焼排ガスから回収された熱により６０℃より高温に加熱された温水を、熱電変換素子１４ａの温熱源として使用する。よって、本実施形態によれば、燃料電池３からのオフガスを燃焼させて発生した熱を、温水製造よりも有用な発電に有効利用する事が可能となる。

なお、本実施形態の温熱源や冷熱源は、水以外の液体（例えば油）でもよいし、液体以外の流体（例えば気体）でもよい。例えば、熱電モジュール１４の板部材１４ｃを低温チャンバ１３に取り付ける代わりに空気にさらし、空気を冷熱源としてもよい。これは、後述する第２〜第１５実施形態でも同様である。

また、本実施形態では、燃料電池３の空気極からのオフガスを燃焼器４に流入させてもよい。これは、後述する第２〜第１５実施形態でも同様である。

（第２実施形態）
図２は、第２実施形態の燃料電池システムの構成を示す模式図である。

図２の燃料電池システムは、図１に示す構成要素に加え、熱供給部１８を具備している。温水タンク１７に貯留された温水は、熱供給部１８に排出される。熱供給部１８は、温水の熱を熱利用先に供給し、熱供給後の水を排出する。熱供給部１８から排出された水は、送水ポンプ１６により再び加熱器１１に供給される。このように、本実施形態では、加熱器１１と高温チャンバ１２の間で水を循環させている。

本実施形態によれば、加熱器１１と高温チャンバ１２の間で水を循環させる事で、水の補給を不要とする事ができる。さらに、本実施形態によれば、第２の従来例と同様の構成を採用する事で改質器に水を供給する必要がなくなっているため、水を全量循環させる事ができる。

一方、水の補給を不要とする事よりも、熱供給部１８による熱供給を省略する事が望ましい場合には、第１実施形態のように水を循環させない構成を採用してもよい。

（第３実施形態）
図３は、第３実施形態の燃料電池システムの構成を示す模式図である。

図３の燃料電池システムは、図１の送水ポンプ１６と温水タンク１７の代わりに、送油ポンプ２１と、油タンク２２と、熱供給部２３とを具備している。第１実施形態では、温熱源が温水、冷熱源が冷水である。一方、本実施形態では、温熱源が熱媒油、冷熱源が冷水である。この熱媒油は、第１の熱媒体の例である。

加熱器１１は、送油ポンプ２１から送られた熱媒油により燃焼排ガスの熱を回収する。即ち、加熱器１１は、燃焼排ガスの熱により熱媒油を加熱する。本実施形態では、熱媒油が６０℃より高温に加熱され、加熱器１１から高温チャンバ１２に排出される。

高温チャンバ１２には、加熱器１１から熱媒油が供給される。低温チャンバ１３には、送水ポンプ１５から冷水が供給される。本実施形態の熱電モジュール１４は、高温チャンバ１２内の熱媒油を温熱源として使用し、低温チャンバ１３内の冷水を冷熱源として使用する。本実施形態の高温チャンバ１２に供給される熱媒油は、６０℃より高温であり、例えば２００℃である。本実施形態では、大気圧付近での沸点が１００℃より高い熱媒油を使用する事で、熱媒油の温度を１００℃以上に設定する事ができる。一方、本実施形態の低温チャンバ１３に供給される冷水は、２０℃より低温であり、例えば１５℃である。

高温チャンバ１２から排出された熱媒油は、油タンク２２に貯留され、油タンク２２から熱供給部２３に排出される。熱供給部２３は、熱媒油の熱を熱利用先に供給し、熱供給後の熱媒油を排出する。この熱の利用方法の例は、温水製造や暖房などである。熱供給部２３から排出された熱媒油は、送油ポンプ２１により再び加熱器１１に供給される。このように、本実施形態では、加熱器１１と高温チャンバ１２との間で熱媒油を循環させる。

以上のように、本実施形態の燃料電池システムは、温熱源として温水の代わりに熱媒油を使用する。よって、本実施形態によれば、熱媒油の温度を水の沸点（１００℃）以上に設定する事で、熱電変換素子１４ａの発電効率を向上させる事ができる。

一方、第１実施形態のように温熱源として温水を使用する事には、温熱源を安価で容易に用意できるという利点や可燃物を使用しないですむという利点がある。

なお、本実施形態では、熱媒油の流量を増やせば熱媒油の温度は低くなり、熱媒油の流量を減らせば熱媒油の温度は高くなるので、熱媒油の温度は燃焼器４における燃焼排ガスの温度まで高くできるが、本実施形態の熱媒油の温度は、安全のため引火点より低い温度が望ましい。このような温度の例は、数百℃である。

（第４実施形態）
図４は、第４実施形態の燃料電池システムの構成を示す模式図である。

図４の燃料電池システムは、図１に示す構成要素に加え、熱供給部１８と、加熱器３１と、送油ポンプ３２とを具備している。本実施形態では、温熱源が温水、冷熱源が冷水である。この温水は、第１の熱媒体の例である。また、本実施形態では、加熱器１１と加熱器３１の間を熱媒油が循環する。この熱媒油は、第２の熱媒体の例である。

加熱器１１は、送油ポンプ３２から送られた熱媒油により燃焼排ガスの熱を回収する。即ち、加熱器１１は、燃焼排ガスの熱により熱媒油を加熱する。本実施形態では、熱媒油が６０℃より高温に加熱され、加熱器１１から加熱器３１に排出される。

加熱器３１は、送水ポンプ１６から送られた水により熱媒油の熱を回収する。即ち、加熱器３１は、熱媒油の熱により水を加熱する。この熱は、燃焼排ガスの熱に由来し、第１の熱の例に相当する。本実施形態の加熱器３１は、熱媒油と水との熱交換により水を加熱する。本実施形態では、この水が６０℃より高温の温水に加熱され、加熱器３１から高温チャンバ１２に排出される。一方、加熱器３１から排出された熱媒油は、送油ポンプ３２により再び加熱器１１に供給される。このように、本実施形態では、加熱器１１と加熱器３１との間で熱媒油を循環させる。

高温チャンバ１２には、加熱器３１から温水が供給される。低温チャンバ１３には、送水ポンプ１５から冷水が供給される。本実施形態の熱電モジュール１４は、高温チャンバ１２内の温水を温熱源として使用し、低温チャンバ１３内の冷水を冷熱源として使用する。本実施形態の高温チャンバ１２に供給される温水は、６０℃より高温であり、例えば９０℃である。一方、本実施形態の低温チャンバ１３に供給される冷水は、２０℃より低温であり、例えば１５℃である。

高温チャンバ１２から排出された温水は、温水タンク１７に貯留され、温水タンク１７から熱供給部１８に排出される。熱供給部１８は、温水の熱を熱利用先に供給し、熱供給後の水を排出する。この熱の利用方法の例は、温水製造や暖房などである。熱供給部１８から排出された水は、送水ポンプ１６により再び加熱器３１に供給される。このように、本実施形態では、加熱器３１と高温チャンバ１２との間で水を循環させる。

以上のように、本実施形態の燃料電池システムは、燃焼排ガスの熱により熱媒油を介して水を加熱する。燃焼排ガスから水により熱回収すると、局所的に水が沸騰しやすくなる事があるが、本実施形態では熱媒油を用いる事でこのような沸騰を避ける事ができる。また、本実施形態によれば、第３実施形態に比べて可燃物である熱媒油の使用量や流路を縮小しつつ、熱媒油を使用する事ができる。

（第５実施形態）
図５は、第５実施形態の燃料電池システムの構成を示す模式図である。

図５の燃料電池システムは、図１の燃料電池システムと類似の構成を有している。ただし、本実施形態の熱電モジュール１４は、加熱器１１で加熱される前の冷水を冷熱源として使用する。本実施形態では、送水ポンプ１５からの冷水が、低温チャンバ１３内で低熱源として使用され、低温チャンバ１３から加熱器１１に排出され、温水に変化する。この温水は、加熱器１１から高温チャンバ１２に排出され、高温チャンバ１２内で温熱源として使用され、高温チャンバ１２から温水タンク１７に排出される。この冷水及び温水は、第１の熱媒体の例である。本実施形態によれば、温熱源と冷熱源の熱媒体を共通化し、１つにする事ができる。

（第６実施形態）
図６は、第６実施形態の燃料電池システムの構成を示す模式図である。

図６の燃料電池システムは、図５に示す構成要素に加え、熱供給部１８と、冷却塔１９とを具備している。温水タンク１７に貯留された温水は、熱供給部１８に排出される。熱供給部１８は、温水の熱を熱利用先に供給し、熱供給後の水を排出する。熱供給部１８から排出された水は、冷却塔１９内で冷却されて冷水となる。この冷水は、送水ポンプ１５により再び低温チャンバ１３に供給される。

このように、本実施形態では、加熱器１１、高温チャンバ１２、及び低温チャンバ１３の間で水を循環させている。本実施形態によれば、加熱源及び冷熱源となる水の減少量は、冷却塔１９にて大気へ逃げるわずかな水の量のみとなるため、水の補給を不要またはわずかとする事ができる。また、本実施形態によれば、冷却塔１９により水を冷却する事で、熱利用先がない場合にも水を容易に冷却して循環させる事ができる。さらに、本実施形態によれば、第２の従来例と同様の構成を採用する事で改質器に水を供給する必要がなくなるため、水を全量循環させる事ができる。

一方、水の使用量を低減する事よりも、冷却塔１９による冷却を省略する事が望ましい場合には、第５実施形態のように水を循環させない構成を採用してもよい。

（第７実施形態）
図７は、第７実施形態の燃料電池システムの構成を示す模式図である。

図７の燃料電池システムは、図６の送水ポンプ１５、温水タンク１７、熱供給部１８、及び冷却塔１９の代わりに、送油ポンプ２１と、油タンク２２と、熱供給部２３とを具備している。第６実施形態では、温熱源及び冷熱源が水である。一方、本実施形態では、温熱源及び冷熱源が熱媒油である。この熱媒油は、第１の熱媒体の例である。

油タンク２２に貯留された熱媒油は、熱供給部２３に排出される。熱供給部２３は、熱媒油の熱を熱利用先に供給し、熱供給後の熱媒油を排出する。熱供給部２３から排出された熱媒油は、送油ポンプ２１により再び低温チャンバ１３に供給される。このように、本実施形態では、加熱器１１、高温チャンバ１２、及び低温チャンバ１３の間で熱媒油を循環させる。高温チャンバ１２内の熱媒油の温度は、例えば２００℃である。低温チャンバ１３内の熱媒油の温度は、例えば２０℃である。なお、熱供給部２３と送油ポンプ２１の間には、熱媒油を冷却する冷却器と、冷却器の冷却水を大気により冷却する冷却塔を設置してもよい。

本実施形態によれば、温熱源の熱媒油の温度を大気圧付近での水の沸点（１００℃）以上に設定する事ができ、熱電変換素子１４ａの発電効率を向上させる事ができる。熱媒油の温度は、安全のため印火点より低い温度が望ましい。このような温度の例は、数百℃である。一方、第６実施形態によれば、熱媒体として水を使用する事で、熱媒体を安価で容易に用意する事ができる。

（第８実施形態）
図８は、第８実施形態の燃料電池システムの構成を示す模式図である。

図８の燃料電池システムは、図５の燃料電池システムと類似の構成を有している。ただし、本実施形態の低温チャンバ１３から排出された冷水は、燃料電池３を冷却する事で燃料電池３の発生熱を回収した後、加熱器１１に供給される。よって、高温チャンバ１２には、燃料電池３の発生熱と燃焼排ガスの熱により６０℃より高温に加熱された温水が供給される。燃焼排ガスの発生熱は、第１の熱の例である。燃料電池３の発生熱は、第２の熱の例である。燃料電池３の熱は主に、酸素と水素による発熱反応に由来する。

本実施形態によれば、燃料電池３の発生熱も熱電変換素子１４ａによる発電に有効利用する事が可能となる。本実施形態では、第６及び第７実施形態のように、熱媒体を循環させてもよい。

（第９実施形態）
図９は、第９実施形態の燃料電池システムの構成を示す模式図である。

図８の燃料電池システムでは、燃料電池３と加熱器１１が冷水の流路に対して直列に配置されている。一方、図９の燃料電池システムでは、燃料電池３と加熱器１１が冷水の流路に対して並列に配置されている。本実施形態の冷水は、燃料電池３と加熱器１１の上流の地点Ｐ１で分流され、一方の冷水が燃料電池３に供給され、他方の冷水が加熱器１１に供給される。そして、前者の水は、燃料電池３を冷却した後、加熱器１１内の地点Ｐ２で後者の水と合流する。合流後の水は、６０℃より高温の温水として高温チャンバ１２に供給される。

本実施形態によれば、第８実施形態と同様に、燃料電池３の発生熱も熱電変換素子１４ａによる発電に有効利用する事が可能となる。本実施形態では、第６及び第７実施形態のように、熱媒体を循環させてもよい。

（第１０実施形態）
図１０は、第１０実施形態の燃料電池システムの構成を示す模式図である。

図１０の燃料電池システムは、送気ポンプ１と、水素タンク２と、燃料電池３と、燃焼器４と、送気ポンプ５と、高温チャンバ４１と、低温チャンバ４２と、熱電モジュール４３と、送水ポンプ４４と、熱供給部４５とを具備している。高温チャンバ４１は、燃焼排ガスを流通させるガス流路の例である。熱電モジュール４３は、温熱源と冷熱源の温度差を用いて発電する熱電変換素子４３ａと、熱電変換素子４３ａと温熱源との間に介在する板部材４３ｂと、熱電変換素子４３ａと冷熱源との間に介在する板部材４３ｃとを具備している。

図１〜図９の熱電変換素子１４ａは、燃焼排ガスから回収された熱により加熱された熱媒体を温熱源として使用する。一方、図１０の熱電変換素子４３ａは、燃焼排ガスそのものを温熱源として使用する。即ち、図１〜図９の熱電変換素子１４ａは、燃焼排ガスの熱を熱媒体を介して間接的に回収するのに対し、図１０の熱電変換素子４３ａは、燃焼排ガスの熱を直接的に回収する。

高温チャンバ４１には、燃焼器４から高温の燃焼排ガスが供給される。低温チャンバ４２には、送水ポンプ４４から水が供給される。低温チャンバ４２には、水以外の熱媒体を供給してもよい。

熱電モジュール４３は、高温チャンバ４１と低温チャンバ４２の間に配置されている。本実施形態の熱電モジュール４３は、高温チャンバ４１内の燃焼排ガスを温熱源として使用し、低温チャンバ４２内の水を冷熱源として使用する。その結果、熱電変換素子４３ａから熱電変換により電気が発生する。低温チャンバ４２から排出された水は、熱供給部４５に供給される。熱供給部４５は、この水の熱を熱利用先に供給し、熱供給後の水を排出する。

本実施形態によれば、高温チャンバ４１内に燃焼排ガスを供給する事で、高温チャンバ４１内の温度を充分に高温に設定する事ができる。さらに、本実施形態によれば、熱電変換素子４３ａがこの燃焼排ガスの熱を直接的に回収する事で、板部材４３ｂをより高温にする事ができ、熱電変換素子４３ａの発電効率を向上させる事ができる。

一方、第１〜第９実施形態では、熱電変換素子１４ａが燃焼排ガスの熱を熱媒体を介して間接的に回収する。よって、これらの実施形態によれば、温熱源に適した熱媒体を高温チャンバ１２に供給するようにする事で、高温チャンバ１２の構造や製造工程を単純化する事が可能となる。

なお、本実施形態では、水の流量を増やせば水の温度は低くなり、水の流量を減らせば水の温度は高くなるので、水の温度は燃焼器４における燃焼排ガスの温度まで高くできるが、本実施形態の水の温度は、大気圧付近の沸点より低い温度が望ましい。これは、水の代わりに熱媒油を使用する場合でも同様である。熱媒油を使用する場合の熱媒油の温度は、安全のため印火点より低い温度が望ましい。このような温度の例は、数百℃である。

（第１１実施形態）
図１１は、第１１実施形態の燃料電池システムの構成を示す模式図である。

図１１の燃料電池システムは、図１０に示す構成要素に加え、水タンク４６を具備している。低温チャンバ４２から排出された水は、水タンク４６に貯留され、水タンク４６から熱供給部４５に排出される。熱供給部４５は、この水の熱を熱利用先に供給し、熱供給後の水を排出する。熱供給部４５から排出された水は、送水ポンプ４４により再び低温チャンバ４２に供給される。このように、本実施形態では、低温チャンバ４２、送水ポンプ４４、熱供給部４５、及び水タンク４６の間で水を循環させる。本実施形態によれば、このように水を循環させる事で、水の補給を不要にする事ができる。

（第１２実施形態）
図１２は、第１２実施形態の燃料電池システムの構成を示す模式図である。

図１２の燃料電池システムは、図１０の燃料電池システムと類似の構成を有している。ただし、本実施形態の水は、送水ポンプ４４と低温チャンバ４２との間の地点Ｐ３で分流され、一方の水が燃料電池３に供給され、他方の水が低温チャンバ４２に供給される。そして、前者の水は、燃料電池３を冷却した後、低温チャンバ４２内の地点Ｐ４で後者の水と合流する。合流後の水は、低温チャンバ４２から熱供給部４５に排出される。本実施形態の水は、第４の熱媒体の例である。この水は、図１１のように循環するのならば、熱媒油に置き換えてもよい。

以上のように、本実施形態の燃料電池システムは、熱電モジュール４３の冷熱源として使用される前の水の少なくとも一部を、燃料電池３の冷却用に使用する。よって、本実施形態によれば、低温チャンバ４２の熱に加えて燃料電池３の発生熱も熱供給部４５で有効利用する事が可能となる。

（第１３実施形態）
図１３は、第１３実施形態の燃料電池システムの構成を示す模式図である。

図１３の燃料電池システムは、図１０の高温チャンバ４１の代わりに、加熱器の機能も有する高温チャンバ４７を具備している。図１３の燃料電池システムはさらに、図５の燃料電池システムと同様に、高温チャンバ１２と、低温チャンバ１３と、熱電モジュール１４と、送水ポンプ１５とを具備している。高温チャンバ４７は、燃焼排ガスを流通させるガス流路の例である。熱電モジュール４３は、第１の熱電モジュールの例である。熱電モジュール１４は、第２の熱電モジュールの例である。

図１３の燃料電池システムは、図１〜図９の燃料電池システムのいずれかと、図１０〜図１２の燃料電池システムのいずれかとを組み合わせた構成を有している。熱電変換素子４３ａは、高温チャンバ４７内の燃焼排ガスの熱を直接的に回収する。熱電変換素子１４ａは、燃焼排ガスの熱を熱媒体（水）を介して間接的に回収する。なお、高温チャンバ４７内の燃焼排ガスの温度や、高温チャンバ１２内の水の温度は、６０℃より高温である。

以下、熱電モジュール４３、１４について説明する。本実施形態の燃料電池システムが熱電モジュール４３のみを具備する場合には、燃焼排ガスが十分に冷却されない可能性がある。一方、本実施形態の燃料電池システムが熱電モジュール１４のみを具備して、同じ熱量を回収する場合には、高温チャンバ４７内の熱回収部分が大きくなり、燃焼排ガスの圧損が増大しすぎる可能性がある。本実施形態によれば、これらの両方の問題を解消する事が可能となる。一方、熱電モジュール４３、１４の両方を設置するコストを抑制する事が望ましい場合には、第１〜第１２実施形態の構成を採用する事が望ましい。

（第１４実施形態）
図１４は、第１４実施形態の燃料電池システムの構成を示す模式図である。

図１４の燃料電池システムは、図６に示す構成要素に加え、バイパス流路５１と、弁５２とを具備している。バイパス流路５１は、熱媒体が熱電モジュール１４の温熱源として使用される地点（即ち、高温チャンバ１２）をバイパスして熱媒体を流通させるために使用される。よって、パイパス流路５１は、加熱器１１と高温チャンバ１２の間の地点Ｐ５と、高温チャンバ１２と温水タンク１７の間の地点Ｐ６とに接続されている。本実施形態の熱媒体は、水である。本実施形態のバイパス流路５１を流れる水は、熱電モジュール１４の温熱源として使用されない。

弁５２は、バイパス流路５１に設けられている。弁５２は、バイパス流路５１における水の流通と停止を制御可能な開閉弁でもよいし、バイパス流路５１における水の流量を調整可能な流量調整弁でもよい。本実施形態によれば、弁５２の開閉や開度を制御する事により、熱電モジュール１４の発電量や、熱供給部１８の熱供給量や、発電量と熱供給量の比率を調整する事が可能となる。

（第１５実施形態）
図１５は、第１５実施形態の燃料電池システムの構成を示す模式図である。

図１５の燃料電池システムは、図９に示す構成要素に加え、バイパス流路５１と、弁５２と、温水タンク１７と、熱供給部１８とを具備している。バイパス流路５１は、燃料電池３により加熱された熱媒体を高温チャンバ１２をバイパスして流通させるために使用される。よって、パイパス流路５１は、燃料電池３と加熱器１１の間の地点Ｐ５と、高温チャンバ１２の下流の地点Ｐ６とに接続されている。本実施形態の熱媒体は、水である。本実施形態のバイパス流路５１を流れる水は、熱電モジュール１４の温熱源として使用されない。

弁５２は、バイパス流路５１に設けられている。弁５２は、バイパス流路５１における水の流通と停止を制御可能な開閉弁でもよいし、バイパス流路５１における水の流量を調整可能な流量調整弁でもよい。本実施形態によれば、弁５２の開閉や開度を制御する事により、熱電モジュール１４の発電量や、熱供給部１８の熱供給量や、発電量と熱供給量の比率を調整する事が可能となる。

なお、第１４及び第１５実施形態のパイパス流路５１と弁５２は、第６及び第９実施形態以外の高温チャンバ１２にも適用可能である。

以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定する事を意図したものではない。本明細書で説明した新規なシステムは、その他の様々な形態で実施する事ができる。また、本明細書で説明したシステムの形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行う事ができる。添付の特許請求の範囲及びこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。

１：送気ポンプ、２：水素タンク、２−１：水素送気ポンプ、
３：燃料電池、３ａ：セルスタック、４：燃焼器、５：送気ポンプ、
６−１：都市ガス送気ポンプ、６：脱硫器、７：改質器、７−１：送水ポンプ、
８：変成器、９：一酸化炭素除去器、９−１：送気ポンプ、
１１：加熱器、１２：高温チャンバ、１３：低温チャンバ、１４：熱電モジュール、
１４ａ：熱電変換素子、１４ｂ、１４ｃ：板部材、１５、１６：送水ポンプ、
１７：温水タンク、１８：熱供給部、１９：冷却塔、
２１：送油ポンプ、２２：油タンク、２３：熱供給部、
３１：加熱器、３２：送油ポンプ、
４１：高温チャンバ、４２：低温チャンバ、４３：熱電モジュール、
４３ａ：熱電変換素子、４３ｂ、４３ｃ：板部材、４４：送水ポンプ、
４５：熱供給部、４６：水タンク、４７：高温チャンバ（加熱器）、
５１：バイパス流路、５２：弁

Claims (16)

1. 酸素と、予め貯蔵された水素とを反応させて電気を発生させ、未反応の水素を含むオフガスを排出する燃料電池と、
   前記オフガスに含まれる前記未反応の水素を燃焼させ、燃焼排ガスを排出する燃焼器と、
   温熱源と冷熱源の温度差を用いて発電する熱電変換素子を含み、前記燃焼排ガスを前記温熱源として使用する、または前記燃焼排ガスから回収された第１の熱により６０℃より高温に加熱された第１の熱媒体を、前記温熱源として使用する熱電モジュールと、
   を具備する事を特徴とする燃料電池システム。
2. 前記第１の熱により前記第１の熱媒体を加熱する加熱器を具備する事を特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記加熱器は、前記燃焼排ガスと前記第１の熱媒体との熱交換、または前記第１の熱により加熱された第２の熱媒体と前記第１の熱媒体との熱交換により、前記第１の熱媒体を加熱する事を特徴とする、請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記温熱源として使用された前記第１の熱媒体は、前記加熱器に供給される事を特徴とする、請求項２または３に記載の燃料電池システム。
5. 前記温熱源として使用された前記第１の熱媒体は、前記第１の熱媒体の熱を熱利用先に供給した後に、前記加熱器に供給される事を特徴とする、請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記熱電モジュールは、前記第１の熱媒体と異なる第３の熱媒体を、前記冷熱源として使用する事を特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記熱電モジュールは、前記第１の熱により加熱される前の前記第１の熱媒体を、前記冷熱源として使用する事を特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
8. 前記熱電モジュールは、前記燃焼排ガスから回収された前記第１の熱と、前記燃料電池を冷却する事で回収された第２の熱により６０℃より高温に加熱された前記第１の熱媒体を、前記温熱源として使用する事を特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
9. 前記熱電モジュールは、前記第１及び第２の熱により加熱される前の前記第１の熱媒体を、前記冷熱源として使用する事を特徴とする、請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記燃焼排ガスを流通させるガス流路を具備し、
    前記熱電モジュールは、前記ガス流路内の前記燃焼排ガスを前記温熱源として使用する事を特徴とする、請求項１から９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
11. 前記熱電モジュールは、前記冷熱源として第４の熱媒体を使用し、
    前記冷熱源として使用される前の前記第４の熱媒体の少なくとも一部は、前記燃料電池の冷却用に使用される事を特徴とする、請求項１０に記載の燃料電池システム。
12. 前記熱電モジュールは、前記燃焼排ガスを前記温熱源として使用する第１の熱電モジュールと、前記第１の熱により６０℃より高温に加熱された前記第１の熱媒体を前記温熱源として使用する第２の熱電モジュールと、を具備する事を特徴とする、請求項１から１１のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
13. 前記第１の熱媒体が前記温熱源として使用される地点をバイパスして前記第１の熱媒体を流通させるバイパス流路と、前記バイパス流路に設けられた弁と、を具備する事を特徴とする、請求項１から１２のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
14. 前記第１、第２、第３、及び前記第４の熱媒体の少なくとも１つは、水より沸点の高い物質である事を特徴とする、請求項１から１３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
15. 前記燃焼器は、前記オフガスに含まれる未反応の酸素を用いて、前記未反応の水素を燃焼させる事を特徴とする、請求項１から１４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
16. 前記燃料電池は、固体高分子型燃料電池である事を特徴とする、請求項１から１５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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