本開示の第1の態様の燃料電池システムは、水素含有ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、燃料電池から排出されるアノード排ガスを燃焼させる燃焼器と、排熱を回収する排熱回収媒体が通流する排熱回収経路と、燃料電池から燃焼器へアノード排ガスを供給するアノード排ガス経路とを備えている。この燃料電池システムは、また、アノード排ガス経路の途中に配置され、アノード排ガスと排熱回収媒体との間で熱交換させることにより、アノード排ガスを冷却し、アノード排ガスに含まれる水分を凝縮させるアノード排ガス熱交換器と、アノード排ガス熱交換器で冷却されたアノード排ガスを、凝縮水成分とガス成分とに分離する気液分離部とを備えている。この燃料電池システムは、また、気液分離部で分離された凝縮水成分を貯留する凝縮水タンクと、燃焼器で発生した燃焼排ガスと排熱回収媒体との間で熱交換させることにより、燃焼排ガスから排熱を回収する燃焼排ガス熱交換器を備えている。この燃料電池システムは、また、燃料電池よりも下流側でアノード排ガス熱交換器よりも上流側に位置するアノード排ガス経路を流れるアノード排ガスと、気液分離部よりも下流側で燃焼器よりも上流側に位置するアノード排ガス経路を流れるアノード排ガスとを熱交換させる熱交換部とを備えている。
このような構成において、燃料電池から排出されたアノード排ガスは、まず、熱交換部において、気液分離部よりも下流側で燃焼器よりも上流側に位置するアノード排ガス経路を流れるアノード排ガスとの熱交換によって冷却された後に、アノード排ガス熱交換器で排熱回収媒体との熱交換によって更に冷却される。そして、アノード排ガスに含まれる水分が凝縮し、気液分離部でアノード排ガスから凝縮水成分が分離除去され、気液分離部でアノード排ガスのガス成分と分離された凝縮水成分が凝縮水タンクに貯留される。
一方、気液分離部で凝縮水成分が除去されたアノード排ガスは、熱交換部において燃料電池よりも下流側でアノード排ガス熱交換器よりも上流側に位置するアノード排ガス経路を流れるアノード排ガスとの熱交換によって加熱される。これにより、アノード排ガスに同伴する微細な水滴が確実に取り除かれた状態で、アノード排ガスが燃焼器に供給される。
よって、本開示の燃料電池システムは、アノード排ガスに同伴する水滴により燃焼器の燃焼状態を不安定にするという従来の問題に適切に対処でき、燃焼器に導かれたアノード排ガスに水滴が発生する可能性を低減し、燃焼器でのアノード排ガスの燃焼安定性を向上させることができる。
また、排熱回収媒体は、燃焼排ガス熱交換器において燃焼排ガスから排熱を回収し、アノード排ガス熱交換器においてアノード排ガスから排熱を回収することができる。
なお、アノード排ガス熱交換器でアノード排ガスから回収できる熱量は、燃料電池よりも下流側でアノード排ガス熱交換器よりも上流側に位置するアノード排ガス経路に熱交換部が設けられたことによって、熱交換部が設けられなかった場合よりも少し減る。しかしながら、気液分離部よりも下流側で燃焼器よりも上流側に位置するアノード排ガス経路に熱交換部が設けられたことによって、熱交換部が設けられなかった場合よりも、燃焼器に供給されるアノード排ガスの温度が高くなる。そのため、燃焼器で発生した燃焼排ガスの排熱は、燃焼排ガス熱交換器において排熱回収媒体に回収される。したがって、アノード排ガス熱交換器でアノード排ガスから回収できる熱量の減少は問題にならない。
また、一般的に、燃料電池から排出されるアノード排ガスの温度は、燃焼器から排出される燃焼排ガスの温度よりも低い。アノード排ガスに同伴する水滴により燃焼器の燃焼状態が不安定になるという従来の問題に適切に対処するには、アノード排ガス中の水蒸気が凝縮する温度よりも高い温度にアノード排ガスを加熱して燃焼器に供給すれば良い。仮に、アノード排ガス経路の途中で水分を分離除去しない場合であっても、燃料電池から排出されるアノード排ガスの温度以上に加熱する必要はない。
そして、燃料電池から排出されたアノード排ガスは、熱交換部およびアノード排ガス熱交換器で冷却された時に、アノード排ガスに含まれる水分が凝縮し、気液分離部でアノード排ガスから凝縮水成分が分離除去されている。また、アノード排ガス熱交換器でアノード排ガスが冷却されることにより、燃料電池よりも下流側でアノード排ガス熱交換器よりも上流側に位置するアノード排ガス経路を流れるアノード排ガスと、気液分離部よりも下流側で燃焼器よりも上流側に位置するアノード排ガス経路を流れるアノード排ガスとの間に充分な温度差が発生する。よって、燃料電池から排出されるアノード排ガスとの熱交換で燃焼器に供給されるアノード排ガスを加熱する構成であっても、燃焼器に供給されるアノード排ガスの温度をアノード排ガス中の水蒸気が凝縮する温度よりも高い温度にすることができる。
このため、燃料電池から排出されるアノード排ガスとの熱交換で燃焼器に供給されるアノード排ガスを加熱する場合は、燃焼器から排出される燃焼排ガスとの熱交換で燃焼器に供給されるアノード排ガスを加熱する場合よりも、排熱回収媒体で燃料電池システムの排熱を回収する効率が良く、熱交換部を低コストで簡単に構成することができる。
したがって、排熱回収媒体による排熱回収の効率を低下させることなく、燃焼器に導かれたアノード排ガスに水滴が発生する可能性を低減して、燃焼器でのアノード排ガスの燃焼安定性を向上させることができる。
本開示の第2の態様は、第1の態様において、熱交換部は、燃料電池よりも下流側でアノード排ガス熱交換器よりも上流側に位置するアノード排ガス経路を構成する第1配管と、気液分離部よりも下流側で燃焼器よりも上流側に位置するアノード排ガス経路を構成する第2配管とを有し、第1配管と第2配管とが接触するように構成されていてもよい。
このような構成によれば、さらに、熱交換部では、燃料電池よりも下流側でアノード排ガス熱交換器よりも上流側に位置するアノード排ガス経路を構成する第1配管と、気液分離部よりも下流側で燃焼器よりも上流側に位置するアノード排ガス経路を構成する第2配管とが接触している。これにより、熱交換部の第1配管と第2配管とを、直接的熱伝導によって熱交換させることができ、結束バンド等の結束部品を用いれば、第1配管と第2配管とが接触する状態を維持させることが可能である。よって、熱交換部の第1配管と第2配管とを熱交換させるための構成が簡単になり、燃料電池システムのコスト低減に寄与できる。
第3の態様は、第2の態様において、熱交換部は、第1配管と第2配管とを一緒に覆う断熱材を有する構成であってもよい。
このような構成により、断熱材によって、熱交換部の第1配管と第2配管とが接触する状態を維持したままで、熱交換部の第1配管(を流れるアノード排ガス)と第2配管(を流れるアノード排ガス)の熱が外気に放熱される。よって、熱交換部の第1配管(を流れるアノード排ガス)と第2配管(を流れるアノード排ガス)が外気によって冷えることを抑制できる。したがって、低コストで、より確実に無駄なく熱交換部の第1配管(を流れるアノード排ガス)の熱を第2配管(を流れるアノード排ガス)に伝え、第2配管を流れるアノード排ガスを加熱して、燃焼器に供給されるアノード排ガスに微細な水滴が発生することを抑制することができる。
また、熱交換部の第1配管と第2配管とが接触した状態で、熱交換部の第1配管と第2配管とを一緒に断熱材で覆うことにより、結束バンド等の結束部品による結束を省略したり、結束バンド等の結束部品による結束を一時的な仮結束にした場合であっても、断熱材によって熱交換部の第1配管と第2配管とが接触する状態を維持させることができる。
第4の態様は、第2の態様または第3の態様において、熱交換部は、熱交換部における第1配管内のアノード排ガスが下方に向かって流れ、熱交換部における第2配管内のアノード排ガスが上方に向かって流れるように構成されていてもよい。
このような構成により、熱交換部の第1配管内で凝縮水が発生した場合であっても、その凝縮水を、重力および第1配管内のアノード排ガスの流れによって下方に移動させることができ、凝縮水が第1配管内のアノード排ガスの流れを妨害することを防止できる。また、熱交換部の第2配管に凝縮水が流入する場合であっても、重力によって、その凝縮水が燃焼器に流入することを抑制でき、熱交換部の第2配管に留まった凝縮水を、熱交換部の第1配管からの伝熱で消滅させることができる。
また、熱交換部の第1配管と第2配管とを略平行(平行を含む)にして、熱交換部の第1配管と第2配管とが接触する長さを長くすることができる。よって、熱交換部の第1配管と第2配管とが接触している部分の長さを適切に調節することにより、熱交換部において第1配管と第2配管とを充分に熱交換させることができる。
第5の態様は、第1の態様から第4の態様までのいずれかの態様において、燃料電池および燃焼器は、気液分離部の上方に位置し、熱交換部は気液分離部の上方に位置し、アノード排ガス熱交換器は、熱交換部の下方で、かつ、気液分離部の上方に位置する構成であってもよい。
このような構成により、アノード排ガス経路で凝縮した凝縮水を、重力を利用して気液分離部に導いて、凝縮水がアノード排ガスの流れを妨害することを防止することができる。また、燃料電池よりも下流側でアノード排ガス熱交換器よりも上流側に位置するアノード排ガス経路を構成する第1配管と、気液分離部よりも下流側で燃焼器よりも上流側に位置するアノード排ガス経路を構成する第2配管とを、略鉛直方向(鉛直方向を含む)になる部分同士で容易に近接させることができるので、熱交換部を容易に構成することができる。
第6の態様は、特に第1の態様から第5の態様までのいずれかの態様において、排熱回収経路は、アノード排ガス熱交換器および燃焼排ガス熱交換器のうち、少なくともいずれかと、貯湯槽とを、排熱回収媒体が循環するように構成され、排熱回収経路において、アノード排ガス熱交換器と燃焼排ガス熱交換器とが並列に接続されている構成であってもよい。
このような構成により、アノード排ガス熱交換器に流入する排熱回収媒体の温度と、燃焼排ガス熱交換器に流入する排熱回収媒体の温度とを、略同じ温度(同じ温度を含む)にして、アノード排ガス熱交換器によるアノード排ガスの冷却、および、燃焼排ガス熱交換器による燃焼排ガスからの排熱回収の両方を効率よく行うことができる。
第7の態様は、第1の態様から第6の態様までのいずれかの態様において、燃焼器で発生する熱で加熱され、原料および水を反応させて水素含有ガスを生成する改質器を備えた構成であってもよい。
このような構成によれば、燃焼器で発生する熱で加熱される改質器によって、燃料電池の発電に用いる水素含有ガスを生成させることができる。
以下、本開示の燃料電池システムの実施の形態を、図面を参照しながら説明するが、本開示は、これらの実施の形態によって限定されるものではない。
(第1の実施の形態)
まず、本開示の第1の実施の形態について説明する。
図1は、本開示の第1の実施の形態に係る燃料電池システム100の概略構成を模式的に示すブロック図である。図2は、本開示の第1の実施の形態に係る燃料電池システム100における熱交換部9の構成の一例を示す概略図である。図3は、本開示の第1の実施の形態に係る燃料電池システム100における気液分離部6の構成の一例を示す概略図であり、図4は、本開示の第1の実施の形態に係る燃料電池システム100における気液分離部6の構成の別の例を示す概略図である。
図1に示されるように、第1の実施の形態に係る燃料電池システム100は、燃料電池1と、燃焼器2と、排熱回収経路3と、アノード排ガス経路4と、アノード排ガス熱交換器5と、気液分離部6と、凝縮水タンク7と、燃焼排ガス熱交換器8と、熱交換部9とを備えている。
燃料電池1は、水素含有ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する。燃焼器2は、燃料電池1のアノードから排出されるアノード排ガスを燃焼させる。排熱回収経路3は、排熱を回収する排熱回収媒体(貯湯槽の湯水)が通流する。アノード排ガス経路4は、燃料電池1から燃焼器2へアノード排ガスを供給する。アノード排ガス熱交換器5は、アノード排ガス経路4の途中に配置され、アノード排ガスと排熱回収媒体との間で熱交換させることにより、アノード排ガスを冷却し、アノード排ガスに含まれる水分を凝縮させる。
また、気液分離部6は、アノード排ガス熱交換器5で冷却されたアノード排ガスを、凝縮水成分とガス成分とに分離する。凝縮水タンク7は、気液分離部6でアノード排ガスのガス成分と分離された凝縮水成分を貯留する。燃焼排ガス熱交換器8は、燃焼器2で発生した燃焼排ガスと排熱回収媒体との間で熱交換させることにより、燃焼排ガスから排熱を回収する。
また、熱交換部9は、燃料電池1よりも下流側でアノード排ガス熱交換器5よりも上流側に位置するアノード排ガス経路4を流れるアノード排ガスと、気液分離部6よりも下流側で燃焼器2よりも上流側に位置するアノード排ガス経路4を流れるアノード排ガスとを熱交換させる。
熱交換部9では、燃料電池1よりも下流側でアノード排ガス熱交換器5よりも上流側に位置するアノード排ガス経路4を構成する第1配管4aと、気液分離部6よりも下流側で燃焼器2よりも上流側に位置するアノード排ガス経路4を構成する第2配管4bとが接触している。また、熱交換部9は、熱交換部9の第1配管4aと第2配管4bとを一緒に覆う断熱材10を有している。
図2に示されるように、熱交換部9は、熱交換部9における第1配管4a内のアノード排ガスが下方に向かって流れ、熱交換部9における第2配管4b内のアノード排ガスが上方に向かって流れるように構成されている。
図1に戻って、燃料電池1および燃焼器2は、気液分離部6の上方に位置し、熱交換部9は気液分離部6の上方に位置し、アノード排ガス熱交換器5は熱交換部9の下方で気液分離部6の上方に位置する。
また、排熱回収経路3は、アノード排ガス熱交換器5および燃焼排ガス熱交換器8と、貯湯槽とを、排熱回収媒体が循環するように構成され、排熱回収経路3において、アノード排ガス熱交換器5は、燃焼排ガス熱交換器8と並列に接続されている。
また、燃料電池システム100は、燃焼器2で発生する熱で加熱されるとともに、原料および水を反応させて生成された水素含有ガスを燃料電池に1に供給する改質器11を備えている。
凝縮水タンク7は気液分離部6の下方に位置し、気液分離部6と凝縮水タンク7とは、凝縮水経路12で接続されている。
気液分離部6は、図3に示されるように、アノード排ガス経路4から分岐されるドレン配管によって、ガス中の水分を凝縮水タンク7へ排出する構成であってもよい。また、図4に示されるように、アノード排ガス経路4の途中に設けられたタンクにおいて、ガス中の水分が分離される構成であってもよい。
図1に戻って、排熱回収経路3の排熱回収媒体は、排熱回収経路3に設けられた排熱回収媒体循環器13によって排熱回収経路3を循環する。
凝縮水タンク7に貯留された凝縮水は、浄化器14で浄化された後、水循環器15によって、改質器11および冷却水タンク16に供給される。冷却水タンク16に貯留された冷却水は、冷却水循環器17によって、冷却水タンク16、冷却水循環器17、燃料電池1、冷却水熱交換器18が順次環状に連接された冷却水循環経路19を循環する。
燃料電池1のカソードから排出されるカソード排ガスは、カソード排ガス熱交換器20でアノード排ガス熱交換器5から流出した排熱回収媒体と熱交換した後、凝縮水タンク7に送られる。カソード排ガスに含まれる水分は、カソード排ガス熱交換器20で凝縮水となって、凝縮水タンク7に貯留される。
燃焼器2で発生した燃焼排ガスに含まれる水分は、燃焼排ガス経路27を通じて燃焼排ガス熱交換器8で凝縮され、気液分離部21で燃焼排ガスのガス成分と分離されて凝縮水タンク7に貯留される。また、気液分離部21で凝縮水成分と分離された燃焼排ガスのガス成分は、燃料電池システム100の構成要素を収納する筐体23の外部に排出される。また、燃料電池システム100は制御器22によって制御される。
改質器11は、メタンまたはプロパン等の炭化水素系の原料と水(水蒸気)とを、アノード排ガスを燃焼させる燃焼器2の燃焼排ガスの熱で600℃〜700℃程度の温度に加熱された改質触媒によって水蒸気改質反応させて、燃料ガス(水素含有ガス)を生成する。
本実施の形態における燃料電池1は、改質器11で生成されてアノードに供給された燃料ガス(水素含有ガス)、および、カソードに供給された酸化剤ガス(空気)を電気化学的に反応(発熱反応)させて、発電および発熱する固体高分子形の燃料電池である。
本実施の形態では、改質器11で生成される水素含有ガスが、そのまま燃料電池1に供給されるよう構成されているが、改質器11の下流に、改質器11で生成された水素含有ガスに含まれる一酸化炭素をシフト反応により低減させる変成器、または、酸化反応により低減させるCO除去器を備えた形態を採用してもよい。
固体高分子形の燃料電池1は、燃料電池1の発電中の運転温度が、その反応に適した温度(例えば、70℃〜80℃程度)に維持されるように、燃料電池1の内部を冷却水循環経路19の冷却水が循環するように構成されている。
貯湯槽(図示せず)からの湯水は、排熱回収媒体循環器13により、排熱回収経路3を循環し、燃焼排ガス熱交換器8、アノード排ガス熱交換器5、カソード排ガス熱交換器20、および、冷却水熱交換器18において、燃料電池1からの排熱、および、燃焼器2から排出される燃焼排ガスの排熱を回収して、貯湯槽(図示せず)に戻る。
冷却水循環経路19の冷却水は、自給能力を持たない遠心式ポンプで構成された冷却水循環器17により、燃料電池1の冷却部、冷却水熱交換器18、浄化器14で浄化された凝縮水タンク7の水を冷却水循環経路19の冷却水として貯留する冷却水タンク16、および、冷却水循環器17の順に、冷却水循環経路19を流れる。冷却水タンク16は、冷却水循環経路19に溜まっていた空気が冷却水タンク16の上部に抜けるように冷却水循環経路19の最も高い部分に設置されている。
本実施の形態では、冷却水タンク16の流出口と燃料電池1の流入口との間の冷却水循環経路19に冷却水循環器17が配置されているが、燃料電池1の流出口と冷却水タンク16の流入口との間の冷却水循環経路19に冷却水循環器17が配置されてもよい。その場合は、冷却水循環器17に溜まった空気が冷却水タンク16に抜けるように、冷却水循環器17の流出口を上向きに設置することが好ましい。
燃焼器2から排気された燃焼排ガスは、燃焼排ガス熱交換器8において、排熱回収経路3を流れる排熱回収媒体との間で熱交換する。燃焼排ガスに含まれる水分は、燃焼排ガス熱交換器8で凝縮される。燃焼排ガス熱交換器8からの燃焼排ガスおよびその凝縮水は、気液分離部21において、凝縮水成分とガス成分とに分離され、ガス成分である燃焼排ガスは筐体23の外部に排気され、凝縮水は凝縮水タンク7に貯留される。
燃料電池1のアノードに供給された燃料ガス(水素含有ガス)の内で、発電に使用されずにアノードから排出されるアノード排ガス(水素含有ガス)は、アノード排ガス熱交換器5において、排熱回収経路3を流れる排熱回収媒体との間で熱交換する。アノード排ガスに含まれる水分は、アノード排ガス熱交換器5で凝縮される。
アノード排ガス熱交換器5からのアノード排ガスおよびその凝縮水は、気液分離部6において、凝縮水成分とガス成分とに分離され、ガス成分であるアノード排ガスは燃焼器2で燃焼され、凝縮水は凝縮水タンク7に貯留される。
燃料電池1のカソードから排出されたカソード排ガスは、カソード排ガス熱交換器20において、排熱回収経路3を流れる排熱回収媒体との間で熱交換し、カソード排ガスに含まれる水分は、カソード排ガス熱交換器20で凝縮される。
カソード排ガス熱交換器20からのカソード排ガスおよびその凝縮水は、凝縮水タンク7に送られ、ガス成分であるカソード排ガスは凝縮水タンク7から排出され、凝縮水は凝縮水タンク7に貯留される。
凝縮水タンク7に貯留された凝縮水は、水循環器15によって浄化器14を通流して、冷却水タンク16に汲み上げられる。
このとき、凝縮水は、浄化器14を通流する際に、金属イオン等の不純物が浄化され、燃料電池1の冷却部を循環させるのに好適な水質へと浄化される。冷却水タンク16は、凝縮水タンク7および燃料電池1よりも高い位置に配置されており、冷却水タンク16の上限水位を超えた水は、循環経路24を通じて凝縮水タンク7に戻される。
これらの動作を繰り返すことによって、凝縮水タンク7に貯留された水(冷却水タンク16に市水が給水される場合は、冷却水タンク16と凝縮水タンク7に貯留された水)が順次浄化される。なお、凝縮水タンク7、浄化器14、水循環器15、および冷却水タンク16は、順次環状に接続されて、循環経路24が構成されている。
改質器11で燃料ガス(水素含有ガス)が生成される時には、改質水電磁弁(図示せず)が開いて、浄化器14で浄化された水が、改質水電磁弁を備え循環経路24から分岐点26において分岐した水供給経路25から改質器11に供給される。
改質器11では、メタンまたはプロパン等の炭化水素系の原料と水(水蒸気)とを、アノード排ガスを燃焼させる燃焼器2の燃焼排ガスの熱で600℃〜700℃程度の温度に加熱された改質触媒によって水蒸気改質反応させて、燃料ガス(水素含有ガス)が生成される。
このとき、冷却水循環経路19の冷却水循環器17を動作させることにより、冷却水タンク16の内部を撹拌しながら、浄化を行うことができるので、浄化済の水と未浄化の水とが特定の場所、例えば冷却水タンク16の底部に偏ることを防止することができる。
改質器11への水供給経路25が循環経路24から分岐する分岐点26よりも下流側で冷却水タンク16よりも上流側の循環経路24には、循環電磁弁(図示せず)が備えられ、分岐点26と改質器11との間の水供給経路25には、改質水電磁弁が備えられている。
循環電磁弁は、水供給経路25を用いて改質器11に水を供給する時に閉じられ、水供給経路25を用いて改質器11に水を供給せずに循環経路24で水を循環させる時に開かれる電磁弁である。
また、改質水電磁弁は、水供給経路25を用いて改質器11に水を供給する時に開かれ、水供給経路25を用いて改質器11に水を供給せずに循環経路24で水を循環させる時に閉じられる電磁弁である。
凝縮水タンク7は、凝縮水タンク7内に貯まっている水(凝縮水)の温度を検出する水温検出器(図示せず)と、凝縮水タンク7内に貯まっている水の水位を検出する水位検出器(図示せず)と、凝縮水タンク7の水位が所定の高さを超えないように、所定の高さを超える水を凝縮水タンク7から排出するオーバーフロー経路(図示せず)とを備えている。
冷却水タンク16は、電気ヒータ等で構成され、冷却水タンク16内に貯まっている水を加熱する発熱装置(図示せず)と、冷却水タンク16内に貯まっている水の水位を検出する水位検出器(図示せず)とを備えている。冷却水タンク16において所定の高さを超える水(冷却水)は、冷却水タンク16のオーバーフロー経路として機能する循環経路24を介して凝縮水タンク7に排出される。
さらに、筐体23内には、筐体23内の気温を検出する気温検出器(図示せず)と、制御器22とが設けられている。なお、気温検出器は外気温を検出するものであってもよい。
凝縮水タンク7内の水位が下限水位以下になると、水位検出器が減水を検出して、制御器22が、図示しない給水手段により、貯湯槽の貯湯水または水道水を、凝縮水タンク7または冷却水タンク16に給水する。また、水循環器15は、凝縮水タンク7の水位検出器が下限水位より高い水位を検出している場合に、制御器22によって運転される。
図2に示されるように、熱交換部9では、燃料電池1よりも下流側でアノード排ガス熱交換器5よりも上流側に位置するアノード排ガス経路4を構成する第1配管4aと、気液分離部6よりも下流側で燃焼器2よりも上流側に位置するアノード排ガス経路4を構成する第2配管4bとが接触している。また、熱交換部9は、熱交換部9の第1配管4aと第2配管4bとを一緒に覆う断熱材10を備えている。
熱交換部9の第1配管4aおよび第2配管4bとしては、熱伝導率の高い材料で構成された配管(例えば、金属製配管)を用いることが望ましい。また、熱交換部9の第1配管4aと第2配管4bとは、できるだけ広い面積で接触するように構成することが望ましい。
なお、本実施の形態では、熱交換部9の第1配管4aと第2配管4bとを接触させることにより熱交換部9を構成したが、本開示はこれに限らず、熱交換部9を、熱交換器で構成してもよい。
改質器11は、原料および水(改質水)を用いて水素含有ガスを生成する反応器である。改質器11では、触媒の存在下で、原料と水蒸気とが改質反応して水素含有ガスが生成される。改質器11は、その触媒の適温、例えば、600〜700℃に加熱される。また、改質器11には蒸発器(図示せず)が設けられており、ここで、水供給経路25を介して供給された水(改質水)から水蒸気が生成される。
原料は、原料供給器(図示せず)から原料供給経路を介して改質器11に供給される。原料は、例えば、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、またはLPG(液化石油ガス)等の、少なくとも炭素および水素から構成される有機化合物を含むガスである。原料供給器は、原料ガスの流量を調整する機能を有する機器であり、例えば、昇圧器および流量調整弁の少なくともいずれか、または、定容積型ポンプが例示される。
燃料電池1は、水素含有ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する固体高分子形の燃料電池である。燃料電池1は、触媒の存在下で水素含有ガスが酸化剤ガスと電気化学反応して、電気および水を生成する。
燃料電池1には、セル(図示せず)、カソード流路(図示せず)およびアノード流路(図示せず)が設けられている。アノード流路には、改質器11で生成され水素含有ガス供給経路を介して供給された水素含有ガスが流通する。カソード流路には、空気供給器(図示せず)から酸化剤ガス供給経路を介して供給された空気が酸化剤ガスとして流通する。
燃料電池1のアノードに供給された燃料ガス(水素含有ガス)の内で、発電に使用されずにアノードから排出されるアノード排ガス(水素含有ガス)は、燃焼器2で燃焼され、燃焼器2の燃焼排ガスの熱により、改質器11の改質触媒は600℃〜700℃程度の温度に加熱される。
循環経路24は、燃料電池1および燃焼器2から排気される排ガス(燃焼器2から排出される燃焼排ガス、燃料電池1のアノードから排出されるアノード排ガス、および燃料電池1のカソードから排出されるカソード排ガス)中の水分が凝縮した凝縮水が循環する経路である。
循環経路24上には、凝縮水タンク7、浄化器14、水循環器15、循環電磁弁、および、冷却水タンク16が、この順で環状に接続されている。水循環器15によって、凝縮水タンク7の凝縮水が、浄化器14、水循環器15、分岐点26、循環電磁弁、および、冷却水タンク16を順に通過して、凝縮水タンク7に戻るように循環する。
また、浄化器14で浄化された凝縮水は、分岐点26から改質水電磁弁を備えた水供給経路25を介して改質器11に供給される改質水としても機能する。
燃焼排ガス熱交換器8は、燃焼排ガス経路27および排熱回収経路3の間に設けられ、燃焼器2から排気される燃焼排ガスと、排熱回収経路3を循環する貯湯槽の貯湯水(排熱回収媒体)との間で熱交換する熱交換器である。燃焼排ガス熱交換器8には、公知の熱交換器を用いることができる。高温の燃焼排ガスにより低温の貯湯水が加熱されて、貯湯水が昇温される。一方、貯湯水により燃焼排ガスが冷却される。
アノード排ガス熱交換器5は、アノード排ガス経路4および排熱回収経路3の間に設けられ、燃料電池1のアノードから排気されるアノード排ガスと、排熱回収経路3を循環する貯湯槽の貯湯水(排熱回収媒体)との間で熱交換する熱交換器である。アノード排ガス熱交換器5としては、公知の熱交換器を用いることができる。高温のアノード排ガスにより貯湯水が加熱され、貯湯水によりアノード排ガスが冷却される。
カソード排ガス熱交換器20は、カソード排ガス経路28および排熱回収経路3の間に設けられ、燃料電池1のカソードから排気されるカソード排ガスと、排熱回収経路3を循環する貯湯槽の貯湯水(排熱回収媒体)との間で熱交換する熱交換器である。カソード排ガス熱交換器20としては、公知の熱交換器を用いることができる。高温のカソード排ガスにより貯湯水が加熱され、貯湯水によりカソード排ガスが冷却される。
燃料電池1および燃焼器2の排ガス(燃焼器2から排出される燃焼排ガス、燃料電池1のアノードから排出されるアノード排ガス、および、燃料電池1のカソードから排出されるカソード排ガス)は、水分を含んでいるため、貯湯水との熱交換で、排ガスに含まれている水蒸気が凝縮して、水(凝縮水)が生成する。
そして、この凝縮水は、循環経路24を構成する凝縮水タンク7に流入して循環経路24を循環し、冷却水タンク16を介して冷却水循環経路19を循環するものは、燃料電池1を所定温度に冷却する冷却水として機能する一方で、水供給経路25に流れたものは、改質水として機能する。
凝縮水タンク7は、循環経路24に設けられ、燃料電池1および燃焼器2の排ガス(燃焼排ガス、アノード排ガス、およびカソード排ガス)が貯湯水により冷却されて生成した凝縮水を貯留するタンクである。凝縮水タンク7は、循環経路24の一部を構成し、燃焼排ガス経路27、凝縮水経路12、およびカソード排ガス経路の各配管が接続されている。
凝縮水タンク7の凝縮水の流出口は、循環経路24を循環して凝縮水タンク7に戻ってきた水の流入口、ならびに、燃焼排ガス経路27、凝縮水経路12、およびカソード排ガス経路の各配管の接続位置より下方に設けられている。本実施の形態では、凝縮水の流出口は、凝縮水タンク7の底に設けられている。なお、水の流入口および流出口の位置は特にこれらの例に限定されない。
凝縮水タンク7のオーバーフロー経路(図示せず)の上流端は、凝縮水タンク7の所定の高さに接続されている。このオーバーフロー経路が接続される流出口は、凝縮水タンク7の所定の高さに設けられる。このため、凝縮水タンク7の水(凝縮水)は、所定の高さまで達すると、オーバーフロー経路への流出口からオーバーフロー経路へ流れる。
よって、凝縮水タンク7には、所定の高さ(所定の体積)以下の水(凝縮水)が貯留され、それを超える水(凝縮水)は凝縮水タンク7からオーバーフロー経路を介して排出される。
水循環器15は、循環経路24に設けられ、凝縮水タンク7の水(凝縮水)を循環させるポンプである。この実施の形態では、水循環器15は、凝縮水タンク7および浄化器14よりも下流かつ分岐点26よりも上流の循環経路24に設けられている。凝縮水タンク7から流出した水(凝縮水)は、水循環器15により汲み上げられて、循環経路24を循環する。
浄化器14は、イオン交換樹脂フィルタで構成され、凝縮水からイオンを除去する(脱イオン化する)機器である。この除去されるイオンとしては、主に改質器11および燃料電池1の触媒を被毒するイオンが挙げられる。浄化器14は、分岐点26よりも上流かつ凝縮水タンク7よりも下流の循環経路24に設けられている。さらに、浄化器14は、凝縮水タンク7のオーバーフロー経路が接続される流出口よりも高い位置に配置されている。
冷却水タンク16は、循環経路24に設けられ、浄化器14で浄化された循環経路24の水を燃料電池1の冷却水として貯留する。冷却水タンク16の冷却水は、冷却水循環器17によって、冷却水タンク16から、冷却水循環器17、燃料電池1、および冷却水熱交換器18の順に流れた後で、冷却水タンク16に戻るように、冷却水循環経路19を循環する。そして、燃料電池1の温度は、発電の反応に適した温度(例えば、70℃〜80℃程度)に維持される。
制御器22は、燃料電池1から流出する冷却水の温度が、例えば70℃になるように、冷却水循環器17の能力を制御する。
冷却水タンク16から出た冷却水は、燃料電池1を通流して、その間に燃料電池1から排熱を回収して昇温され、その昇温された冷却水が冷却水熱交換器18で貯湯水に排熱を伝達し、冷却されて冷却水タンク16に戻る。燃料電池1の発電中、冷却水タンク16内の水(冷却水)の温度は、50℃〜60℃になる。
排熱を伝達された貯湯水は昇温して貯湯槽に貯えられる。その結果、燃料電池1は冷却水で冷却され、燃料電池1から回収された排熱が、貯湯槽に高温の貯湯水として蓄えられ、給湯等によりユーザに利用される。
排熱回収経路3の貯湯槽(図示せず)は、水(貯湯水)を貯えるタンクである。貯湯槽は、給水設備(例えば、水道)に接続されており、給水設備から貯湯槽へ水道水が貯湯水として供給される。
また、貯湯槽は、給湯設備(図示せず)にも接続されており、貯湯槽から給湯設備に、貯湯水が湯として供給される。また、貯湯槽は、循環経路24とは分離して(連通しないように)設けられ、貯湯槽の貯湯水と循環経路24の水(凝縮水)とは、それぞれ異なる系統の水となっている。
水供給経路25は、循環経路24から分岐点26で分岐し、循環経路24の水(浄化器14で浄化された凝縮水)を改質水として改質器11へ流通する経路であり、分岐点26に近接する位置に改質水電磁弁が備えられている。改質水電磁弁は、水供給経路25を用いて改質器11に水を供給する時に開かれ、水供給経路25を用いて改質器11に水を供給せずに循環経路24で水を循環させる時に閉じられるように、制御器22によって開閉制御される電磁弁である。
分岐点26は、浄化器14および水循環器15よりも下流、かつ、循環電磁弁、冷却水タンク16および凝縮水タンク7よりも上流の循環経路24に設けられている。また、水供給経路25の下流端は、改質器11に接続している。循環電磁弁は、水供給経路25を用いて改質器11に水を供給する時に閉じられ、水供給経路25を用いて改質器11に水を供給せずに循環経路24で水を循環させる時に開かれるように、制御器22によって開閉制御される電磁弁である。
よって、循環電磁弁が閉鎖状態で、かつ、改質水電磁弁が開放状態で、凝縮水タンク7に水(凝縮器)が貯まっているときに、制御器22によって水循環器15が動作すると、凝縮水タンク7の水(凝縮器)は、浄化器14で浄化された後、分岐点26で水供給経路25に流入して、改質器11に改質水として供給される。
このとき、改質器11における改質水と原料中の炭素とのモル比(S/C比)が、例えば2.5〜3.5になるように、水循環器15は、水供給経路25を流通する改質水の流量を調整する。
次に、上述した構成の本実施の形態の燃料電池システム100の動作について説明する。
燃料電池システム100において、制御器22は、改質器11への給水を開始する前に、水位検出器によって凝縮水タンク7の水位を確認する。凝縮水タンク7内の水位が下限水位以下であれば、制御器22は、図示しない給水手段により、貯湯槽の貯湯水または水道水を、凝縮水タンク7に給水する。そして、水位検出器が下限水位より高い水位を検出すると、水循環器15が、制御器22によって運転される。
水循環器15の運転開始時には、循環電磁弁が開放状態で、かつ、改質水電磁弁が閉鎖状態であるので、凝縮水タンク7の水(凝縮水)は、水循環器15により汲み上げられて、浄化器14に流入する。この浄化器14を通流する際に、凝縮水または水道水に含まれる金属イオン等の不純物が除去される。
浄化器14を通過した水は、分岐点26から開放状態の循環電磁弁を通って冷却水タンク16に貯められる。冷却水タンク16において所定の高さを超えた水が、冷却水タンク16のオーバーフロー経路として機能する循環経路24を介して凝縮水タンク7に排出される。
水循環器15によって、凝縮水タンク7の凝縮水が、浄化器14、水循環器15、分岐点26、循環電磁弁、および冷却水タンク16を順に通過して、凝縮水タンク7に戻される。これが繰り返されることにより、凝縮水タンク7に貯留された水が順次浄化される。
そして、改質器11で水素含有ガスの生成を開始するために、改質器11への給水を開始するときには、制御器22は、循環電磁弁を閉鎖すると共に、改質水電磁弁を開放する。
この場合、凝縮水タンク7の水(凝縮水)は、水循環器15により汲み上げられ、浄化器14で凝縮水タンク7の水(凝縮水)に含まれる金属イオン等の不純物が除去されて、分岐点26から水供給経路25を通流して改質器11に供給される。
改質器11では、燃焼器2の燃焼排ガスの熱を利用して、水供給経路25を介して供給された水(改質水)から水蒸気が生成される。そして、原料供給器(図示せず)から原料供給経路を介して改質器11に供給される原料(例えば、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、またはLPG等の炭化水素を含むガス)が、触媒の存在下で水蒸気と改質反応して、水素含有ガスが生成される。また、改質器11は、燃焼器2の燃焼排ガスの熱によって、その触媒の適温、例えば、600〜700℃に加熱される。
燃焼器2から排気された燃焼排ガスは、燃焼排ガス熱交換器8において、排熱回収経路3を流れる排熱回収水(貯湯水)との間で熱交換する。燃焼排ガスに含まれる水分は、燃焼排ガス熱交換器8で凝縮される。
燃焼排ガス熱交換器8からの燃焼排ガスおよびその凝縮水は、気液分離部21において、凝縮水成分とガス成分とに分離され、ガス成分である燃焼排ガスは筐体23の外部に排気され、凝縮水は凝縮水タンク7に貯留される。
燃料電池1のアノード流路には、改質器11で生成されて水素含有ガス供給経路を介して供給された水素含有ガスが流通し、燃料電池1のカソード流路には、空気供給器(図示せず)から酸化剤ガス供給経路を介して供給された空気が酸化剤ガスとして流通する。この水素含有ガスおよび酸化剤ガスが、燃料電池1のセルにおいて電気化学反応する。
燃料電池1のアノードに供給された燃料ガス(水素含有ガス)の内で、発電に使用されずにアノードから排出されるアノード排ガス(水素含有ガス)は、まず、熱交換部9の第1配管4aにおいて、気液分離部6よりも下流側で燃焼器2よりも上流側に位置するアノード排ガス経路4の第2配管4bを流れるアノード排ガスとの熱交換によって冷却される。その後、アノード排ガスは、アノード排ガス熱交換器5での排熱回収経路3を流れる排熱回収媒体との熱交換によってさらに冷却されて、アノード排ガスに含まれる水分が凝縮する。
アノード排ガス熱交換器5からのアノード排ガスおよびその凝縮水は、気液分離部6において、凝縮水成分とガス成分とに分離され、気液分離部6でアノード排ガスのガス成分と分離された凝縮水成分が、凝縮水タンク7に貯留される。
一方、気液分離部6で凝縮水成分が除去されたアノード排ガスは、熱交換部9の第2配管4bにおいて、燃料電池1よりも下流側でアノード排ガス熱交換器5よりも上流側に位置するアノード排ガス経路4の第1配管4aを流れるアノード排ガスとの熱交換によって加熱される。これにより、アノード排ガスは、同伴する微細な水滴が確実に取り除かれた状態で燃焼器2に供給され、燃焼される。
燃料電池1のカソードから排出されるカソード排ガスは、カソード排ガス熱交換器20で、排熱回収経路3を流れる排熱回収水との間で熱交換し、カソード排ガスに含まれる水分が、カソード排ガス熱交換器20で凝縮される。カソード排ガス熱交換器20からのカソード排ガスおよびその凝縮水は、凝縮水タンク7に送られ、ガス成分であるカソード排ガスは凝縮水タンク7から排出され、凝縮水が凝縮水タンク7に貯留される。
一方、貯湯槽(図示せず)からの貯湯水(排熱回収媒体)は、排熱回収媒体循環器13により排熱回収経路3を循環するが、排熱回収媒体循環器13から流出した貯湯水(排熱回収媒体)は二方向に分かれる。一方の貯湯水(排熱回収媒体)は、燃焼排ガス熱交換器8を経由して冷却水熱交換器18に流れ、他方の貯湯水(排熱回収媒体)はアノード排ガス熱交換器5とカソード排ガス熱交換器20とを経由して冷却水熱交換器18に流れる。
そして、貯湯水は、燃焼排ガス熱交換器8、アノード排ガス熱交換器5、カソード排ガス熱交換器20、および、冷却水熱交換器18において、燃料電池1および燃焼器2の排熱を回収し、70℃程度の温度になって、貯湯槽(図示せず)に戻る。
このように、凝縮水タンク7には、燃焼排ガス熱交換器8、アノード排ガス熱交換器5、およびカソード排ガス熱交換器20において生成された凝縮水が流入する。凝縮水が貯留されて、その水位が凝縮水タンク7の所定の高さに達すると、オーバーフロー経路(図示せず)から水が排出される。
また、凝縮水タンク7の水(凝縮水)は、水循環器15により汲み上げられて、浄化器14に流入する。この浄化器14で、凝縮水タンク7の水(凝縮水)は、イオンが除去されて、分岐点26から水供給経路25を通流して改質器11に供給される。この改質器11に供給される水(改質水)の流量は、水循環器15によりS/C比に応じて調整される。
貯湯槽に蓄えられた貯湯水は、必要に応じて給湯設備に供給される。これにより、貯湯槽の貯湯水が減少すると、給水設備から水(水道水)が貯湯槽に供給される。
冷却水タンク16の冷却水は、冷却水循環器17によって、冷却水循環経路19を循環し、燃料電池1の温度を、発電の反応に適した温度(例えば、70℃〜80℃程度)に維持する。
以上説明したように本実施の形態に係る燃料電池システム100は、水素含有ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池1と、燃料電池1のアノードから排出されるアノード排ガスを燃焼する燃焼器2と、排熱を回収する排熱回収媒体(貯湯槽の湯水)が通流する排熱回収経路3と、燃料電池1から燃焼器2へアノード排ガスを供給するアノード排ガス経路4とを備えている。燃料電池システム100は、また、アノード排ガス経路4の途中に配置され、アノード排ガスと排熱回収媒体との間で熱交換させることにより、アノード排ガスを冷却し、アノード排ガスに含まれる水分を凝縮させるアノード排ガス熱交換器5と、アノード排ガス熱交換器5で冷却されたアノード排ガスを、凝縮水成分とガス成分とに分離する気液分離部6とを備えている。
燃料電池システム100は、さらに、気液分離部6でアノード排ガスのガス成分と分離された凝縮水成分を貯留する凝縮水タンク7と、燃焼器2で発生した燃焼排ガスと排熱回収媒体との間で熱交換させることにより、燃焼排ガスから排熱を回収する燃焼排ガス熱交換器8を備えている。燃料電池システム100は、さらに、燃料電池1よりも下流側でアノード排ガス熱交換器5よりも上流側に位置するアノード排ガス経路4を流れるアノード排ガスと、気液分離部6よりも下流側で燃焼器2よりも上流側に位置するアノード排ガス経路4を流れるアノード排ガスとを熱交換させる熱交換部9と、を備えている。
このような構成により、燃料電池1から排出されたアノード排ガスは、まず、熱交換部9において、気液分離部6よりも下流側で燃焼器2よりも上流側に位置するアノード排ガス経路4を流れるアノード排ガスとの熱交換によって冷却された後に、アノード排ガス熱交換器5において、排熱回収媒体との熱交換によって更に冷却される。よって、アノード排ガスに含まれる水分が凝縮され、気液分離部6でアノード排ガスから凝縮水成分が分離除去され、気液分離部6でアノード排ガスのガス成分と分離された凝縮水成分が凝縮水タンク7に貯留される。
一方、気液分離部6で凝縮水成分が除去されたアノード排ガスは、熱交換部9において燃料電池1よりも下流側でアノード排ガス熱交換器5よりも上流側に位置するアノード排ガス経路4を流れるアノード排ガスとの熱交換によって加熱されることになる。これにより、アノード排ガスに同伴する微細な水滴が、確実に取り除かれた状態で、アノード排ガスが燃焼器2に供給される。
よって、本実施の形態の燃料電池システムは、アノード排ガスに同伴する水滴により燃焼器の燃焼状態を不安定にするという従来の問題に適切に対処でき、燃焼器2に導かれたアノード排ガスに水滴が発生する可能性を低減し、燃焼器2でのアノード排ガスの燃焼安定性を向上させることができる。
また、排熱回収媒体は、燃焼排ガス熱交換器8において、燃焼排ガスから排熱を回収するとともに、アノード排ガス熱交換器5において、アノード排ガスから排熱を回収することができる。
なお、アノード排ガス熱交換器5において、アノード排ガスから回収できる熱量は、燃料電池1よりも下流側でアノード排ガス熱交換器5よりも上流側に位置するアノード排ガス経路4に熱交換部9を設けたことによって、熱交換部9を設けなかった場合よりも少し減る。しかしながら、気液分離部6よりも下流側で燃焼器2よりも上流側に位置するアノード排ガス経路4に熱交換部9が設けられたことによって、熱交換部9が設けられなかった場合よりも、燃焼器2に供給されるアノード排ガスの温度が高くなる。また、燃焼器2で発生した燃焼排ガスの排熱は、燃焼排ガス熱交換器8において排熱回収媒体に回収されるので、アノード排ガス熱交換器5でアノード排ガスから回収できる熱量の減少は問題にならない。
また、一般的に、燃料電池1から排出されるアノード排ガスの温度は、燃焼器2から排出される燃焼排ガスの温度よりも低い。しかしながら、アノード排ガスに同伴する水滴により燃焼器2の燃焼状態を不安定にするという従来の問題に適切に対処するには、アノード排ガス中の水蒸気が凝縮する温度よりも高い温度にアノード排ガスを加熱して燃焼器2に供給すればよい。よって、仮に、アノード排ガス経路4の途中で水分を分離除去しない場合であっても、燃料電池1から排出されるアノード排ガスの温度以上に加熱する必要はない。
燃料電池1から排出されたアノード排ガスは、熱交換部9およびアノード排ガス熱交換器5で冷却されたときに、アノード排ガスに含まれる水分が凝縮し、気液分離部6でアノード排ガスから凝縮水成分が分離除去される。また、アノード排ガス熱交換器5でアノード排ガスが冷却されることにより、燃料電池1よりも下流側でアノード排ガス熱交換器5よりも上流側に位置するアノード排ガス経路4を流れるアノード排ガスと、気液分離部6よりも下流側で燃焼器2よりも上流側に位置するアノード排ガス経路4を流れるアノード排ガスとの間に充分な温度差が発生する。このため、燃料電池1から排出されるアノード排ガスとの熱交換によって、燃焼器2に供給されるアノード排ガスを加熱する構成であっても、燃焼器2に供給されるアノード排ガスの温度を、アノード排ガス中の水蒸気が凝縮する温度よりも高い温度にすることができる。
燃料電池1から排出されるアノード排ガスとの熱交換によって、燃焼器2に供給されるアノード排ガスを加熱する場合は、燃焼器2から排出される燃焼排ガスとの熱交換で燃焼器2に供給されるアノード排ガスを加熱する場合よりも、排熱回収媒体で燃料電池システムの排熱を回収する効率が良く、また、熱交換部9を低コストで簡単に構成することができる。
したがって、排熱回収媒体による排熱回収の効率を低下させることなく、燃焼器2に導かれたアノード排ガスに水滴が発生する可能性を低減して、燃焼器2でのアノード排ガスの燃焼安定性を向上させることができる。
また、本実施の形態の燃料電池システムでは、熱交換部9は、燃料電池1よりも下流側でアノード排ガス熱交換器5よりも上流側に位置するアノード排ガス経路4を構成する第1配管4aと、気液分離部6よりも下流側で燃焼器2よりも上流側に位置するアノード排ガス経路4を構成する第2配管4bとを有し、第1配管4aと第2配管4bとが接触するように構成されていてもよい。
これにより、熱交換部9の第1配管4aと第2配管4bとを、直接的熱伝導によって、熱交換させることができ、結束バンド等の結束部品を用いて第1配管4aと第2配管4bとが接触する状態を維持させることが可能である。よって、熱交換部9の第1配管4aと第2配管4bとを熱交換させるための構成が簡単であるため、燃料電池システムのコスト低減に寄与できる。
また、本実施の形態の燃料電池システム100では、熱交換部9は、第1配管4aと第2配管4bとを一緒に覆う断熱材10を有する構成であってもよい。
このような構成によれば、さらに、断熱材10によって、熱交換部9の第1配管4aと第2配管4bとが接触する状態を維持したままで、熱交換部9の第1配管4a(を流れるアノード排ガス)と第2配管4b(を流れるアノード排ガス)の熱が外気に放熱される。よって、熱交換部9の第1配管4a(を流れるアノード排ガス)と第2配管4b(を流れるアノード排ガス)が外気によって冷えるのを抑制できる。したがって、低コストで、より確実に無駄なく熱交換部9の第1配管4a(を流れるアノード排ガス)の熱を第2配管4b(を流れるアノード排ガス)に伝え、第2配管4bを流れるアノード排ガスを加熱して、燃焼器2に供給されるアノード排ガスに微細な水滴が発生することを抑制することができる。
また、熱交換部9の第1配管4aと第2配管4bとが接触した状態で、熱交換部9の第1配管4aと第2配管4bとを一緒に断熱材10で覆うことにより、結束バンド等の結束部品による結束を省略できる。また、結束バンド等の結束部品による結束を一時的な仮結束にした場合であっても、断熱材10によって熱交換部9の第1配管4aと第2配管4bとが接触する状態を維持させることができる。
また、本実施の形態の燃料電池システム100では、熱交換部9は、熱交換部9における第1配管4a内のアノード排ガスが下方に向かって流れ、熱交換部9における第2配管4b内のアノード排ガスが上方に向かって流れるように構成されていてもよい。
このような構成によれば、さらに、熱交換部9の第1配管4a内で凝縮水が発生した場合であっても、その凝縮水を、重力および第1配管4a内のアノード排ガスの流れによって下方に移動させることができ、凝縮水が第1配管4a内のアノード排ガスの流れを妨害することを防止できる。また、熱交換部9の第2配管4bに凝縮水が流入する場合であっても、重力によって、その凝縮水が燃焼器2に流入することを抑制でき、熱交換部9の第2配管4bに留まった凝縮水を、熱交換部9の第1配管4aからの伝熱で消滅させることができる。
また、熱交換部9の第1配管4aと第2配管4bとを略平行(平行を含む)にして、熱交換部9の第1配管4aと第2配管4bとが接触する長さを長くすることができる。よって、熱交換部9の第1配管4aと第2配管4bとが接触している部分の長さを適切に調節することにより、熱交換部9において第1配管4aと第2配管4bとを充分に熱交換させることができる。
また、本実施の形態の燃料電池システム100では、燃料電池1および燃焼器2は、気液分離部6の上方に位置し、熱交換部9は気液分離部6の上方に位置し、アノード排ガス熱交換器5は、熱交換部9の下方で、かつ、気液分離部6の上方に位置するような構成であってもよい。
このような構成によれば、さらに、アノード排ガス経路4で凝縮した凝縮水を、重力を利用して気液分離部6に導いて、凝縮水がアノード排ガスの流れを妨害することを防止することができる。また、燃料電池1よりも下流側でアノード排ガス熱交換器5よりも上流側に位置するアノード排ガス経路4を構成する第1配管4aと、気液分離部6よりも下流側で燃焼器2よりも上流側に位置するアノード排ガス経路4を構成する第2配管4bとを、略鉛直方向(鉛直方向)になる部分同士で容易に近接させることができるので、熱交換部9を容易に構成することができる。
なお、図1では、アノード排ガス熱交換器5と、燃焼排ガス熱交換器8と、カソード排ガス熱交換器20とが、それぞれ横倒し状態で示されている。しかしながら、実際には、ガスが上から下へと流れて凝縮水がガスの流れを妨害しないように、アノード排ガス熱交換器5、燃焼排ガス熱交換器8、およびカソード排ガス熱交換器20は、適宜、配置、構成されている。
また、本実施の形態の燃料電池システム100では、排熱回収経路3は、アノード排ガス熱交換器5および燃焼排ガス熱交換器8のうち、少なくともいずれかと、貯湯槽とを、排熱回収媒体が循環するように構成され、排熱回収経路3において、アノード排ガス熱交換器5と燃焼排ガス熱交換器8とが並列に接続されている構成であってもよい。
このような構成によれば、さらに、アノード排ガス熱交換器5に流入する排熱回収媒体の温度と、燃焼排ガス熱交換器8に流入する排熱回収媒体の温度とを、略同じ温度(同じ温度も含む)にして、アノード排ガス熱交換器5によるアノード排ガスの冷却、および、燃焼排ガス熱交換器8による燃焼排ガスからの排熱回収の両方を効率よく行うことができる。
また、本実施の形態の燃料電池システム100では、燃焼器2で発生する熱で加熱され、原料および水を反応させて生成した水素含有ガスを燃料電池に1に供給する改質器11を備えていてもよい。
このような構成によれば、さらに、燃焼器2で発生する熱で加熱される改質器11によって、燃料電池1の発電に用いる水素含有ガスを生成させることができる。
上記の説明から、当業者にとっては、本開示の多くの改良、および、他の実施の形態が明らかである。したがって、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本開示を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本開示の精神を逸脱することなく、その構造および機能の少なくともいずれかの詳細を実質的に変更できる。