特開 2024-126036 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024126036

(43)【公開日】2024-09-20

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04014 20160101AFI20240912BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20240912BHJP

   H01M 8/04858 20160101ALI20240912BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20240912BHJP

   H01M 8/249 20160101ALI20240912BHJP

   H01M 8/0668 20160101ALI20240912BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20240912BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04014

H01M8/04 J

H01M8/04858

H01M8/04746

H01M8/249

H01M8/0668

H01M8/12 101

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023034156

(22)【出願日】2023-03-07

(71)【出願人】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100109612

【弁理士】

【氏名又は名称】倉谷 泰孝

(74)【代理人】

【識別番号】100116643

【弁理士】

【氏名又は名称】伊達 研郎

(74)【代理人】

【識別番号】100184022

【弁理士】

【氏名又は名称】前田 美保

(72)【発明者】

【氏名】奥 正雄

【テーマコード（参考）】

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H126BB06

5H127AA07

5H127AB17

5H127AB22

5H127AC15

5H127BA05

5H127BA12

5H127BA20

5H127BA33

5H127BA34

5H127BA59

5H127BB02

5H127BB12

5H127BB17

5H127BB19

5H127BB37

5H127BB39

5H127DC12

5H127DC22

5H127DC42

(57)【要約】      （修正有）

【課題】改質ガスの生成に必要な高温状態を維持しつつ、高温の熱を必要とする熱利用設備に対して、燃料電池スタックの排ガスが持つ熱を供給できる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】改質反応させて水素を含む改質ガスを生成する改質器２０と、改質ガスと空気が供給されて直流電力を出力する燃料電池本体２と、アノード排ガスとカソード排ガスとを燃焼させ、改質器２０に改質ガス生成に必要な熱を与える燃焼器２１と、一端が燃料極２ｂに、他端が改質器２０に接続され、アノード排ガスを循環させるリサイクルガス流路６０と、リサイクルガス流路６０から分岐され、燃焼器２１に接続されるアノード排ガス分岐流路６１と、一端が空気極２ａに接続され、第１熱利用設備４１にカソード排ガスの持つ熱を与える第１熱交換器３１を経由して他端が燃焼器２１に接続されるカソード排ガス流路６２とを備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

炭化水素を含む原燃料と水蒸気とを改質反応させて水素を含む改質ガスを生成する改質器と、
前記改質器から前記改質ガスが送られる燃料極及び空気供給源から空気が送られる空気極を有する燃料電池スタックにより直流電力を出力する燃料電池本体と、
前記燃料極から排出されたアノード排ガスと前記空気極から排出されたカソード排ガスとを燃焼させ、前記改質器に前記改質ガスの生成に必要な熱を与える燃焼器と、
一端が前記燃料極に、他端が前記改質器に接続され、前記アノード排ガスを循環させるリサイクルガス流路と、
前記リサイクルガス流路から分岐され、前記燃焼器に接続されるアノード排ガス分岐流路と、
一端が前記空気極に接続され、第１熱利用設備に前記カソード排ガスの持つ熱を与える第１熱交換器を経由して他端が前記燃焼器に接続されるカソード排ガス流路と、
を備える燃料電池システム。

【請求項2】

前記燃料電池本体の発電出力を低下させて、前記アノード排ガス分岐流路に供給する水素の量を増大させる請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記空気極への前記空気の流量、前記改質器への前記原燃料の流量、前記改質器への前記水蒸気の流量、前記リサイクルガス流路への前記アノード排ガスの流量、及び前記アノード排ガス分岐流路への前記アノード排ガスの流量の少なくともいずれかを調整して、前記発電出力を低下させる請求項２に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

前記燃料電池本体は複数の前記燃料電池スタックを備え、前記空気極への前記空気及び前記燃料極への前記改質ガスの少なくともいずれかの供給を停止するか流量を減少させるかを、前記燃料電池スタック毎又は２以上の前記燃料電池スタック毎に制御して、前記発電出力を低下させる請求項２に記載の燃料電池システム。

【請求項5】

前記カソード排ガス流路は、前記カソード排ガスの流量を変化させるカソード排ガス流量調整弁を備え、前記カソード排ガス流量調整弁により前記第１熱利用設備へ供給する熱量を調整する請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項6】

前記アノード排ガス分岐流路は、前記アノード排ガスに含まれる二酸化炭素を分離回収する二酸化炭素分離回収装置を備える請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項7】

前記リサイクルガス流路は、前記アノード排ガスを冷却して前記アノード排ガス中に含まれる水分を回収する凝縮器を備え、前記凝縮器を介して前記アノード排ガスから回収した熱を、第２熱利用設備に与える請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項8】

前記燃料電池本体で発電した電力で動作するヒートポンプを備え、前記凝縮器を介して前記アノード排ガスから回収した熱を、前記ヒートポンプにより昇温して前記第１熱利用設備に与える請求項７に記載の燃料電池システム。

【請求項9】

原燃料流路を流れる前記原燃料に工場の排熱を与える第２熱交換器、及び前記アノード排ガス分岐流路を流れる前記アノード排ガスに前記排熱を与える第３熱交換器の少なくともいずれか１つを備える請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項10】

前記燃料電池本体で発電した電力で動作する電気ボイラを備え、前記第１熱利用設備に熱を与える請求項１に記載の燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池システムは、燃料極と空気極の間に電解質を挟んで構成した単セルを積層した燃料電池スタックを備える燃料電池本体に水素と酸素を送り発電させる電池システムである。燃料電池スタックは、例えば炭化水素系の原燃料を改質した水素を含む改質ガスと空気より得た酸素を、電解質を介して隔てた状態で電気化学反応を生じさせることで発電する。この反応において排出される排ガスを有効利用する例もある。

【0003】

例えば特許文献１では、ＳＯＦＣ（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）、ＭＣＦＣ（Ｍｏｌｔｅｎ－Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ）等の高温作動型燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの排ガスを燃焼させ、その燃焼排ガスを例えば一般家庭や中小規模の飲食店等の小規模設備の廃棄物を処理する減容処理装置に導くことで、生ごみ等の乾燥、減容に利用している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００６－２７８１７６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、従来の燃料電池システムにおいて、改質ガス生成に必要な高温状態を維持するために燃料電池スタックの排ガスを使用すると、例えば工場の熱風乾燥炉等の高温を必要とする熱利用設備に熱を供給できないという課題があった。

【0006】

本開示は上記のような課題を解決するためになされたものであり、改質ガスの生成に必要な高温状態を維持しつつ、燃料電池スタックの排ガスが持つ熱を燃料電池システム系外へ供給可能とする燃料電池システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示に係る燃料電池システムは、炭化水素を含む原燃料と水蒸気とを改質反応させて水素を含む改質ガスを生成する改質器と、改質器から改質ガスが送られる燃料極及び空気供給源から空気が送られる空気極を有する燃料電池スタックにより直流電力を出力する燃料電池本体と、燃料極から排出されたアノード排ガスと空気極から排出されたカソード排ガスとを燃焼させ、改質器に改質ガス生成に必要な熱を与える燃焼器と、一端が燃料極に、他端が改質器に接続され、アノード排ガスを循環させるリサイクルガス流路と、リサイクルガス流路から分岐され、燃焼器に接続されるアノード排ガス分岐流路と、一端が空気極に接続され、第１熱利用設備にカソード排ガスの持つ熱を与える第１熱交換器を経由して他端が燃焼器に接続されるカソード排ガス流路と、を備えたものである。

【発明の効果】

【0008】

本開示の燃料電池システムによれば、改質ガスの生成に必要な高温状態を維持しつつ、高温の熱を必要とする熱利用設備に対して、燃料電池スタックの排ガスが持つ熱を供給できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施の形態１に係る燃料電池システムを示すブロック図である。

【図2】実施の形態１に係る燃料電池スタックの変形例を示すブロック図である。

【図3】実施の形態２に係る燃料電池システムを示すブロック図である。

【図4】実施の形態３に係る燃料電池システムを示すブロック図である。

【図5】実施の形態４に係る燃料電池システムを示すブロック図である。

【図6】実施の形態５に係る燃料電池システムを示すブロック図である。

【図7】実施の形態６に係る燃料電池システムを示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

実施の形態１．
実施の形態１について図１を用いて詳細に説明する。図１に示すように燃料電池システム１は、燃料電池スタック３で構成された燃料電池本体２、原燃料から改質ガスを生成する改質器２０、改質器２０に熱を与える燃焼器２１、例えば熱風乾燥炉等の高温を必要とする第１熱利用設備４１の熱媒に熱を与える第１熱交換器３１、燃料電池本体２と改質器２０とを連通するリサイクルガス流路６０、リサイクルガス流路６０から分岐されて燃焼器２１に接続されるアノード排ガス分岐流路６１、及び燃料電池本体２と燃焼器２１とを連通するカソード排ガス流路６２を備える。ここで、図１中の矢印はガス又は液体の流れを示す。

【0011】

燃料電池システム１の構成及び動作を説明する。燃料電池本体２の原燃料は、原燃料供給源１１により供給される例えばメタン等の炭化水素を含む都市ガスであり、原燃料流路５１を通してミキサ２４へ送られる。ミキサ２４は、原燃料供給源１１から供給される原燃料、水蒸気発生器２２から水蒸気流路８１を通して供給される水蒸気、及び燃料電池本体２から排出されるアノード排ガスの３つのガスを混合し、改質器２０に供給する。ここで、原燃料流路５１には原燃料流量調整弁７２が、水蒸気流路８１には水蒸気流量調整弁７３がそれぞれ設けられ、ミキサ２４に供給する原燃料及び水蒸気の流量を調整できる。

【0012】

改質器２０は、図示しない触媒を備えており、上述の混合ガスを次の反応式（１）及び反応式（２）に示す改質反応により水素を主成分とする改質ガスに変換する。この改質反応は吸熱反応であるため、この反応熱を補償するため燃焼器２１により熱が供給される。生成された改質ガスは、改質ガス供給流路５２を通って燃料電池本体２へ供給される。

【0013】

ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ_２ …（１）
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２ …（２）

【0014】

燃料電池本体２は、空気極２ａと燃料極２ｂとの間に電解質２ｃを挟んで構成した単セルを積層した燃料電池スタック３を備える固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。燃料極２ｂには改質ガスが供給され、次の反応式（３）に示す酸化反応によりアノード排ガスが生成される。空気極２ａには、例えばブロワ等の空気供給源１０から供給された空気が空気加熱器３０を通過して昇温されて供給され、反応式（４）に示す還元反応によりカソード排ガスが生成される。ここで、空気流路５３には空気流量調整弁７１が設けられ、空気極２ａに供給する空気の流量を調整できる。

【0015】

Ｏ_２ ^－＋Ｈ_２→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ^－ …（３）
１／２Ｏ_２＋２ｅ^－→Ｏ_２ ^－ …（４）

【0016】

燃料極２ｂで生成された６００℃程度のアノード排ガスは、リサイクルガス流路６０へ排出され、水蒸気発生器２２及び凝縮器２３を経由した後、一部がリサイクルガス流路６０の途中で分岐したアノード排ガス分岐流路６１を通って燃焼器２１に供給される。残りのアノード排ガスは、ミキサ２４を経由して改質器２０に供給される。アノード排ガスには発電で使用されなかった水素が残留しているため、燃焼器２１では被燃焼物として利用され、改質器２０では改質ガスとして再利用される。ここで、水蒸気発生器２２では、水供給源１２から供給される液体状態の水とアノード排ガスとの熱交換により、液体状態の水を気体状態に変換する。凝縮器２３では、アノード排ガスは冷却され、アノード排ガス中に含まれる水蒸気が凝縮されて回収される。回収された水は、水供給源１２から供給する水とともに、水蒸気発生器２２に供給される。

【0017】

空気極２ａで生成された６００℃程度のカソード排ガスは、カソード排ガス流路６２に排出され、高温熱供給用として機能する第１熱交換器３１を経由して燃焼器２１へ送られる。第１熱交換器３１では、カソード排ガスと、熱媒用流路６３を流れる例えば熱媒体油等の熱媒との熱交換により、熱媒を１００～１５０℃に昇温する。この昇温された熱媒を介して燃料電池システム１の系外にある例えば熱風乾燥炉等の高温の熱を利用する第１熱利用設備４１に熱が与えられる。

【0018】

アノード排ガス分岐流路６１からアノード排ガスを、カソード排ガス流路６２からカソード排ガスを受け入れる燃焼器２１は、アノード排ガスに残留する水素を燃焼させ、反応式（１）及び反応式（２）で表される改質反応に必要な熱を改質器２０に供給する。燃焼器２１で発生した燃焼排ガスは、改質器２０に熱を与えた後、空気加熱器３０を経由して燃料電池システム１の系外に排出される。ここで空気加熱器３０は、燃焼器２１から排出された燃焼排ガスと空気供給源１０から供給された空気との熱交換により、空気を昇温する。昇温された空気は空気極２ａに供給される。

【0019】

次に、リサイクルガス流路６０を通ってミキサ２４を経由し、改質器２０に供給されるアノード排ガスに着目する。アノード排ガス全量のうち、改質器２０に供給されるアノード排ガス流量の割合をリサイクル率と定義する。リサイクル率が高い場合、改質反応に再利用されるアノード排ガス中の水素の量が増大するため原燃料の使用量を削減できる。これにより発電効率を向上させることができる。その反面、アノード排ガス分岐流路６１を通って燃焼器２１に供給される水素の量が減少するため、燃焼器２１における燃焼熱が減少する。この場合、改質反応に必要な熱が不足するため、リサイクル率は熱バランスの観点から上限値を６０％から７０％程度とするのが好ましい。ここで、リサイクルガス流路６０及びアノード排ガス分岐流路６１には、アノード排ガス第１流量調整弁７４及びアノード排ガス第２流量調整弁７５がそれぞれ設けられ、これらの流量調整弁によりアノード排ガスの流量を調整してリサイクル率を変更できる。

【0020】

次に、第１熱交換器３１で熱媒に熱を与えるカソード排ガスに着目する。カソード排ガスの熱を外部に与えると、改質器２０に供給されるカソード排ガスの温度が低下するため、改質反応に必要な熱が不足してしまう。従ってここでは、この熱不足を補うために、燃焼器２１へ供給するアノード排ガスに残留する水素の量を増大させて燃焼器２１での燃焼熱を増強させる。例えば、燃料電池本体２の発電出力を低下させて水素の消費量を低下させることで、アノード排ガスに残留する水素の量を増大させることができる。この操作により、残留する水素の量が増大したアノード排ガスがアノード排ガス分岐流路６１を通って燃焼器２１に供給されるため、発電出力が定格の場合より燃焼熱を大きくできる。このように、カソード排ガスによる熱供給量と燃料電池本体２の発電量の割合である熱電比を制御することで第１熱利用設備４１への熱熱供給を可能とする。

【0021】

具体的な発電出力の低下量について、例えば定格出力が１０ｋＷの燃料電池システム１の場合、第１熱交換器３１に、入口部での温度が６５０℃のカソード排ガスを供給し、熱媒用流路６３を流れる熱媒を介して第１熱利用設備４１へ熱を与えた後、第１熱交換器３１の出口部での温度が２５０℃のカソード排ガスを排出する条件を考える。この条件では、改質反応に必要な燃焼熱を燃焼器２１で発生させるため、燃料電池本体２の発電出力を定格の１０ｋＷから６．８ｋＷまで低下させる。この出力低下により、アノード排ガスに残留する水素の量が増大し、改質反応に必要な燃焼熱を燃焼器２１で発生できる。ここで、第１熱交換器３１の入口部及び出口部でのカソード排ガスの温度は、図示しない温度センサにより測定される。

【0022】

燃料電池本体２の発電出力を低下させるには、空気極２ａへの空気の流量、改質器２０への原燃料の流量、改質器２０への水蒸気の流量、リサイクルガス流路６０へのアノード排ガスの流量、及びアノード排ガス分岐流路６１へのアノード排ガスの流量の少なくともいずれかを調整する。例えば制御装置４は、制御線４ａから空気流量調整弁７１、原燃料流量調整弁７２、及び水蒸気流量調整弁７３に開度調整の指令を出し、燃料電池スタック３への空気、原燃料、及び水蒸気の流量を減少させる。これにより、燃料電池スタック３における発電が抑制され、燃料電池本体２の発電出力が低下する。ここで、改質反応に必要な熱が不足しないように、制御線４ａからアノード排ガス第１流量調整弁７４及びアノード排ガス第２流量調整弁７５に開度調整の指令を出し、リサイクル率を併せて調整してもよい。

【0023】

このように、アノード排ガスをリサイクルガス流路６０により改質器２０へ循環させて発電効率を向上させながら、カソード排ガスを第１熱交換器３１へ供給し、熱媒用流路６３を流れる熱媒を介してカソード排ガスの持つ熱を第１熱利用設備４１へ熱を与える構成により、改質器２０に熱を与えて改質ガスの生成に必要な高温状態を維持しつつ、例えば熱風乾燥炉等の高温の熱を必要とする第１熱利用設備４１にカソード排ガスが持つ熱を供給できる。これにより、これまで第１熱利用設備４１に熱を供給していた例えばボイラ等の設備の稼働率が低減されるため、ＣＯ２（二酸化炭素）排出量を削減できる。

【0024】

なお、本実施の形態において、カソード排ガスによる熱供給量と燃料電池本体２の発電量の割合である熱電比を制御する手段として、例えば熱媒に熱を与えるカソード排ガスの流量を調整することもできる。この場合、カソード排ガス流路６２にカソード排ガス流量調整弁７０を設け、カソード排ガス流量調整弁７０の開度を制御装置４で制御するよう構成すればよい。

【0025】

また、図２に示すように燃料電池本体２が複数の燃料電池スタック３を備え、これらの燃料電池スタック３が並列に接続される燃料電池システム１の場合、空気流量調整弁７１を空気分岐流路５４に備えてもよい。制御装置４は、制御線４ａから空気流量調整弁７１に開度調整の指令を出し、燃料電池スタック３毎又は２以上の燃料電池スタック３毎に空気極２ａへの空気の供給を停止するか流量を減少させる。同様に、改質ガス分岐流路５５に図示しない改質ガス流量調整弁を設け、空気極２ａへの空気及び燃料極２ｂへの改質ガスの少なくともいずれかの供給を停止するか流量を減少させるかを、燃料電池スタック２毎又は２以上の燃料電池スタック２毎に制御してもよい。これにより、燃料電池スタック３毎又は２以上の燃料電池スタック３毎に発電を停止又は抑制させ、燃料電池本体２の発電出力を低下させることができる。ここで、図２は燃料電池本体２が２つの燃料電池スタック３で構成された例を示しているが、燃料電池スタック３の数は２つに限られない。

【0026】

実施の形態２．
図３を用いて、実施の形態２に係る燃料電池システム１について説明する。実施の形態２では、実施の形態１のアノード排ガス分岐流路６１に二酸化炭素分離回収装置５０を設ける。その他の構成は実施の形態１と同様であり、同様の構成については説明を省略する。図３中の図１と同一符号は、同一又は相当部分を示す。また図３では、制御装置４、空気流量調整弁７１、原燃料流量調整弁７２、及び水蒸気流量調整弁７３、アノード排ガス第１流量調整弁７４、及びアノード排ガス第２流量調整弁７５を図示しないが、実施の形態１と同様に機能する。

【0027】

二酸化炭素分離回収装置５０は、例えば二酸化炭素分離膜やＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）を用いてＣＯ２を回収する。これにより、アノード排ガス分岐流路６１を通って燃焼器２１に供給されるアノード排ガスからＣＯ２を回収する。

【0028】

このように構成された燃料電池システムも同様に、改質器２０に熱を与えて改質ガスの生成に必要な高温状態を維持しつつ、例えば熱風乾燥炉等の高温の熱を必要とする第１熱利用設備４１にカソード排ガスが持つ熱を供給できる。

【0029】

さらに、燃焼器２１に供給されるアノード排ガス中からＣＯ２を回収するため、燃焼器２１から排出されるＣＯ２量を削減することができる。従って、さらにＣＯ２排出量の削減効果を大きくすることができる。

【0030】

実施の形態３．
図４を用いて、実施の形態３に係る燃料電池システム１について説明する。実施の形態３では、凝縮器２３の冷却水が流れる冷却水流路８２を、例えば貯湯槽等の低温の熱を利用する第２熱利用設備４２に接続する。その他の構成は実施の形態１と同様であり、同様の構成については説明を省略する。図４中の図１と同一符号は、同一又は相当部分を示す。また図４では、制御装置４、空気流量調整弁７１、原燃料流量調整弁７２、及び水蒸気流量調整弁７３、アノード排ガス第１流量調整弁７４、及びアノード排ガス第２流量調整弁７５を図示しないが、実施の形態１と同様に機能する。

【0031】

冷却水流路８２を循環する冷却水は、凝縮器２３を介してアノード排ガスを冷却し、アノード排ガスに含まれる水蒸気を凝縮して回収する。アノード排ガスから熱を受け取った冷却水は、６０℃程度の低温の熱を第２熱利用設備４２に与える。

【0032】

このように構成された燃料電池システムも同様に、改質器２０に熱を与えて改質ガスの生成に必要な高温状態を維持しつつ、例えば熱風乾燥炉等の高温の熱を必要とする第１熱利用設備４１にカソード排ガスが持つ熱を供給できる。

【0033】

さらに、凝縮器２３を介して冷却水がアノード排ガスから回収した低温の熱を第２熱利用設備４２に与えることができるため、供給できる合計の熱量が増加する。これにより、これまで第２熱利用設備４２に熱を供給していた例えばボイラ等の稼働率をさらに低減できるため、ＣＯ２排出量をさらに削減できる。

【0034】

実施の形態４．
図５を用いて、実施の形態４に係る燃料電池システム１について説明する。実施の形態４では、燃料電池本体２で発電した電力により動作するヒートポンプ４３を備える。その他の構成は実施の形態１と同様であり、同様の構成については説明を省略する。図５中の図１と同一符号は、同一又は相当部分を示す。また図５では、制御装置４、空気流量調整弁７１、原燃料流量調整弁７２、及び水蒸気流量調整弁７３、アノード排ガス第１流量調整弁７４、及びアノード排ガス第２流量調整弁７５を図示しないが、実施の形態１と同様に機能する。

【0035】

ヒートポンプ４３には、冷却水流路８２が接続され、凝縮器２３とヒートポンプ４３との間で冷却水が循環する。冷却水流路８２を循環する冷却水は、凝縮器２３を介してアノード排ガスを冷却し、アノード排ガスに含まれる水蒸気を凝縮して回収する。アノード排ガスから熱を受け取った冷却水は、６０℃程度の低温の熱をヒートポンプ４３に与える。ヒートポンプ４３は、出力電力ライン９１により供給された燃料電池本体２で発電した電力により動作し、冷却水の持つ低温の熱から熱媒に熱を与え、１００～１５０℃の熱媒を供給する。この熱媒を介して高温の熱を利用する第１熱利用設備４１に熱が与えられる。

【0036】

このように構成された燃料電池システムも同様に、改質器２０に熱を与えて改質ガスの生成に必要な高温状態を維持しつつ、例えば熱風乾燥炉等の高温の熱を必要とする第１熱利用設備４１にカソード排ガスが持つ熱を供給できる。

【0037】

さらに、凝縮器２３を介して冷却水がアノード排ガスから回収した低温の熱を、ヒートポンプにより昇温して高温の熱として第１熱利用設備４１に与えることができる。これにより、利用先が例えば貯湯槽等の低温の熱を利用する第２熱利用設備４２に限られていた冷却水を、熱風乾燥炉等の高温の熱を必要とする第１熱利用設備４１にも適用することができる。

【0038】

実施の形態５．
図６を用いて、実施の形態５に係る燃料電池システム１について説明する。実施の形態５では、原燃料流路５１に第２熱交換器３２を、アノード排ガス分岐流路６１に第３熱交換器３３を設け、これらに工場４４の排熱を供給する。その他の構成は実施の形態１と同様であり、同様の構成については説明を省略する。図６中の図１と同一符号は、同一又は相当部分を示す。また図６では、制御装置４、空気流量調整弁７１、原燃料流量調整弁７２、及び水蒸気流量調整弁７３、アノード排ガス第１流量調整弁７４、及びアノード排ガス第２流量調整弁７５を図示しないが、実施の形態１と同様に機能する。

【0039】

第２熱交換器３２は、工場４４の例えば２００℃程度の排熱を受け取り、原燃料流路５１を流れる原燃料との熱交換を行い、原燃料を昇温する。第３熱交換器３３は、第２熱交換器３２と同様に工場４４の排熱を受け取り、アノード排ガス分岐流路６１を流れるアノード排ガスとの熱交換を行い、アノード排ガスを昇温する。

【0040】

原燃料及びアノード排ガスを昇温すると、改質器２０に供給される熱量が増大する。これにより、反応式（１）及び反応式（２）で表される改質反応に必要な熱が余るため、燃焼器２１における燃焼を減らすことができる。従って、アノード排ガス分岐流路６１を流れて燃焼器２１に供給されるアノード排ガス流路を減らして、リサイクルガス流路６０に流れるアノード排ガス流量、つまりリサイクル率を上昇させることができる。

【0041】

このように構成された燃料電池システムも同様に、改質器２０に熱を与えて改質ガスの生成に必要な高温状態を維持しつつ、例えば熱風乾燥炉等の高温の熱を必要とする第１熱利用設備４１にカソード排ガスが持つ熱を供給できる。

【0042】

さらに、原燃料に工場４４の排熱を与える第２熱交換器３２及びアノード排ガスに工場４４の排熱を与える第３熱交換器３３を備える構成により、改質反応に必要な熱が補われてリサイクル率が向上し、発電効率を向上させることができる。

【0043】

なお、第２熱交換器３２及び第３熱交換器３３を備える例について説明したが、いずれか１つで改質反応に必要な熱を補ってリサイクル率を向上できる場合は、第２熱交換器３２又は第３熱交換器３３のいずれか１つを設けてもよい。

【0044】

実施の形態６．
図７を用いて、実施の形態６に係る燃料電池システム１について説明する。実施の形態６では、燃料電池本体２で発電した電力により動作する電気ボイラ４５を備える。その他の構成は実施の形態１と同様であり、同様の構成については説明を省略する。図７中の図１と同一符号は、同一又は相当部分を示す。また図７では、制御装置４、空気流量調整弁７１、原燃料流量調整弁７２、及び水蒸気流量調整弁７３、アノード排ガス第１流量調整弁７４、及びアノード排ガス第２流量調整弁７５を図示しないが、実施の形態１と同様に機能する。

【0045】

電気ボイラ４５は、出力電力ライン９２により供給された燃料電池本体２の電力により動作して熱媒を加熱し、１００～１５０℃に昇温する。電気ボイラ４５で生成した高温の熱媒を介して、例えば熱風乾燥炉等の高温の熱を利用する第１熱利用設備４１に熱が与えられる。

【0046】

このように構成された燃料電池システムも同様に、改質器２０に熱を与えて改質ガスの生成に必要な高温状態を維持しつつ、例えば熱風乾燥炉等の高温の熱を必要とする第１熱利用設備４１にカソード排ガスが持つ熱を供給できる。

【0047】

さらに、燃料電池本体２で発電した電力で動作する電気ボイラ４５により第１熱利用設備４１に熱を与えられるため、例えばボイラ等の設備の稼働率が低減され、ＣＯ２排出量を削減できる。また、二酸化炭素分離回収装置５０をアノード排ガス分岐流路６１に設けてアノード排ガス中からＣＯ２を回収すると、燃料電池システム１の系外排出するＣＯ２がさらに低減されるため、さらにＣＯ２排出量を削減できる。

【0048】

なお、本実施の形態において、カソード排ガスからの熱供給を減らすか、カソード排ガスからの熱供給を停止して電気ボイラ４５のみで熱利用設備４０に熱を供給してもよい。この場合、カソード排ガスからの熱の供給量が低減するため、カソード排ガスの温度が高いまま燃焼器２１に供給されるため、燃焼器２１での燃焼熱を大きくできる。

【0049】

また、実施の形態１～６において、例えばリサイクル率が６５％以上で、凝縮器２３の温度を８０～９０℃程度に設定した場合、アノード排ガスに含まれる水蒸気の凝縮が抑制され、アノード排ガスに含まれる水蒸気のみで改質反応に必要な水蒸気が賄われるため、水供給源１２、水蒸気発生器２２、水蒸気流量調整弁７３、及び水供給源１２とミキサ２４とを連通する水蒸気流路８１を省略できる。これにより、水供給源１２、水蒸気発生器２２、水蒸気流量調整弁７３、及び水蒸気流路８１を省略した簡素なシステムで、カソード排ガスの熱を熱利用設備４０に供給可能となる。

【0050】

また、複数の実施の形態を説明したが、上記の開示内容以外にも、各実施の形態に記載された特徴が矛盾しない限り、各実施の形態の自由な組み合わせ、各実施の形態の任意の構成要素の変形、又は各実施の形態の省略が可能である。

【符号の説明】

【0051】

１ 燃料電池システム、２ 燃料電池本体、３ 燃料電池スタック、４ 制御装置、２０ 改質器、２１ 燃焼器、２２ 水蒸気発生器、２３ 凝縮器、２４ ミキサ、３１ 第１熱交換器、３２ 第２熱交換器、３３ 第３熱交換器、４１ 第１熱利用設備、４２ 第２熱利用設備、４３ ヒートポンプ、４５ 電気ボイラ、５０ 二酸化炭素分離回収装置、６０ リサイクルガス流路、６１ アノード排ガス分岐流路、６２ カソード排ガス流路、７０ カソード排ガス流量調整弁、７１ 空気流量調整弁、７２ 原燃料流量調整弁、７３ 水蒸気流量調整弁、７４ アノード排ガス第１流量調整弁、７５ アノード排ガス第２流量調整弁

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】