特開 2024-46539 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】P2024046539

(43)【公開日】2024-04-03

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20240327BHJP

   H01M 8/12 20160101ALI20240327BHJP

   H01M 8/14 20060101ALI20240327BHJP

   H01M 8/04014 20160101ALI20240327BHJP

   H01M 8/04029 20160101ALI20240327BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 Z

H01M8/12 101

H01M8/14

H01M8/04014

H01M8/04029

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022151978

(22)【出願日】2022-09-22

(71)【出願人】

【識別番号】000220262

【氏名又は名称】東京瓦斯株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100141092

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 英生

(71)【出願人】

【識別番号】000175272

【氏名又は名称】三浦工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110004082

【氏名又は名称】弁理士法人北大阪特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100141092

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 英生

(72)【発明者】

【氏名】中島 達哉

(72)【発明者】

【氏名】赤羽 俊之輔

(72)【発明者】

【氏名】藤木 広志

(72)【発明者】

【氏名】中西 志歩

(72)【発明者】

【氏名】中村 和郎

(72)【発明者】

【氏名】正生 明宏

(72)【発明者】

【氏名】大内 崇史

【テーマコード（参考）】

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H126BB06

5H127AA04

5H127AA07

5H127AB16

5H127AB17

5H127AC15

5H127AC16

5H127BA05

5H127BA13

5H127BA34

5H127BA37

5H127BA44

5H127BA47

5H127BA57

5H127BB02

5H127BB12

5H127BB19

5H127BB27

5H127BB37

(57)【要約】

【課題】アノードオフガスの冷却で得られる排熱を活用して、原料ガスの水蒸気改質に用いる改質水を効率よく予熱することができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】固体酸化物形または溶融炭酸塩形の燃料電池システムであって、原料ガスの水蒸気改質を行って改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガスが供給される第１燃料極を有し、当該改質ガスを用いて発電を行う前段側セルスタックと、前記第１燃料極から排出された第１アノードオフガスが供給される第２燃料極を有し、当該第１アノードオフガスを用いて発電を行う後段側セルスタックと、前記第１アノードオフガスと冷却用流体とを熱交換させる熱交換器と、を備え、前記冷却用流体は、少なくとも前記水蒸気改質に用いる改質水を含む燃料電池システムとする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

固体酸化物形または溶融炭酸塩形の燃料電池システムであって、
原料ガスの水蒸気改質を行って改質ガスを生成する改質器と、
前記改質ガスが供給される第１燃料極を有し、当該改質ガスを用いて発電を行う前段側セルスタックと、
前記第１燃料極から排出された第１アノードオフガスが供給される第２燃料極を有し、当該第１アノードオフガスを用いて発電を行う後段側セルスタックと、
前記第１アノードオフガスと冷却用流体とを熱交換させる熱交換器と、を備え、
前記冷却用流体は、少なくとも前記水蒸気改質に用いる改質水を含むことを特徴とする燃料電池システム。

【請求項2】

前記熱交換器は、前記第１アノードオフガスと、第１冷却用流体と、第２冷却用流体とを同時に熱交換させる多流体熱交換器を含んで構成され、
前記第１冷却用流体は、前記改質水であり、
前記第２冷却用流体は、前記原料ガスまたは前記発電に用いる空気であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記熱交換器は、前記第１アノードオフガスと第１冷却用流体とを熱交換させる一の熱交換器と、前記第１アノードオフガスと第２冷却用流体とを熱交換させる他の熱交換器と、を別個に含んで構成され、
前記第１冷却用流体は、前記改質水であり、
前記第２冷却用流体は、前記原料ガスまたは前記発電に用いる空気であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

前記熱交換器を通過後の前記第１アノードオフガスと冷却用空気とを熱交換させる放熱器を備えたことを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の燃料電池システム。

【請求項5】

前記熱交換器で生成した凝縮水を分離して前記改質水として回収する水タンクと、
前記熱交換器へ流入する前の前記第１アノードオフガスと、前記凝縮水を分離後の前記第１アノードオフガスとを熱交換させる自己再熱型熱交換器と、を備えたことを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の燃料電池システム。

【請求項6】

前記第２燃料極から排出された第２アノードオフガスを燃焼させるバーナと、
前記改質水を蒸発させて前記改質器側へ送る蒸発器を備え、
前記蒸発器は、前記バーナから排出された燃焼ガスと、前記熱交換器で予熱後の前記改質水とを熱交換させることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか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】

本発明は、固体酸化物形燃料電池または溶融炭酸塩形燃料電池を用いた燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、発電効率が良く環境にも優しい電源として、各種方式の燃料電池が開発されている。特に、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は５０％以上の高い発電効率が得られるため、家庭用から産業用まで、広範な出力範囲の燃料電池システムに利用されている。

【0003】

一方で、６０％を超える発電効率を目指して、セルスタックの多段化やアノードオフガス（以下、単に「オフガス」と称することがある。）の再循環といった燃料利用率を高める技術開発も進められている。例えば特許文献１には、固体酸化物形燃料電池のセルスタックを多段化するとともに、前段側のセルスタックから排出されたオフガスが後段側のセルスタックへ供給されるようにした多段式燃料電池システムの一例が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１５－１３８５７３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

都市ガス等の炭化水素燃料を原燃料とする燃料電池システムでは、外部からの熱供給なしに水蒸気改質（水蒸発および改質反応）や供給ガス予熱に必要な熱量を賄う「熱自立」と、外部からの水供給なしに水蒸気改質に必要な水量を賄う「水自立」を同時に成立させることが要求される。

【0006】

熱自立に着目すると、システム内の排熱から得られる熱量は、通常、水素と酸素の発電反応に伴って発生する熱量と、未利用燃料の燃焼時に発生する熱量の２つである。しかし固体酸化物形燃料電池の燃料利用率を高めていくと、未利用燃料の燃焼時に得られる熱量が少なくなる。そのため、セルスタックの多段化やオフガスの再循環を利用するシステムでは、システム内の排熱を無駄なく活用して熱自立させることが課題となっている。

【0007】

ここで、セルスタックを多段化したシステムに着目すると、オフガス中の未反応の燃料成分を後段側のセルスタックで効率良く利用するためには、オフガスを一旦露点温度以下まで冷却し、オフガス中の水蒸気を凝縮させて除去する必要がある（燃料再生）。このオフガスの冷却（熱交換）の際には除熱によって排熱が発生するが、システムの熱自立の観点から、このような排熱も極力無駄にせず有効に活用することが重要である。

【0008】

また水蒸気改質を行う燃料電池システムにおいては、水蒸気改質に用いる改質水を予熱しておくことにより、蒸発器において改質水を蒸発させるために要する熱量を抑えることができ、蒸発器を小型化することも可能となる。そのため上述した排熱を活用して、改質水を効率よく予熱できることが望まれる。

【0009】

本発明は上記課題に鑑み、アノードオフガスの冷却で得られる排熱を活用して、原料ガスの水蒸気改質に用いる改質水を効率よく予熱することができる燃料電池システムの提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明に係る燃料電池システムは、固体酸化物形または溶融炭酸塩形の燃料電池システムであって、原料ガスの水蒸気改質を行って改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガスが供給される第１燃料極を有し、当該改質ガスを用いて発電を行う前段側セルスタックと、前記第１燃料極から排出された第１アノードオフガスが供給される第２燃料極を有し、当該第１アノードオフガスを用いて発電を行う後段側セルスタックと、前記第１アノードオフガスと冷却用流体とを熱交換させる熱交換器と、を備え、前記冷却用流体は、少なくとも前記水蒸気改質に用いる改質水を含む構成とする。本構成によれば、アノードオフガスの冷却で得られる排熱を活用して、原料ガスの水蒸気改質に用いる改質水を効率よく予熱することが可能となる。なおここでの「第１アノードオフガス」は、凝縮させた水を分離した後の第１アノードオフガスも含む概念である。

【0011】

上記構成としてより具体的には、前記熱交換器は、前記第１アノードオフガスと、第１冷却用流体と、第２冷却用流体とを同時に熱交換させる多流体熱交換器を含んで構成され、前記第１冷却用流体は、前記改質水であり、前記第２冷却用流体は、前記原料ガスまたは前記発電に用いる空気である構成としても良い。

【0012】

上記構成としてより具体的には、前記熱交換器は、前記第１アノードオフガスと第１冷却用流体とを熱交換させる一の熱交換器と、前記第１アノードオフガスと第２冷却用流体とを熱交換させる他の熱交換器と、を別個に含んで構成され、前記第１冷却用流体は、前記改質水であり、前記第２冷却用流体は、前記原料ガスまたは前記発電に用いる空気である構成としても良い。

【0013】

上記構成としてより具体的には、前記熱交換器を通過後の前記第１アノードオフガスと冷却用空気とを熱交換させる放熱器を備えた構成としても良い。また上記構成としてより具体的には、前記熱交換器で生成した凝縮水を分離して前記改質水として回収する水タンクと、前記熱交換器へ流入する前の前記第１アノードオフガスと、前記凝縮水を分離後の前記第１アノードオフガスとを熱交換させる自己再熱型熱交換器と、を備えた構成としても良い。

【0014】

上記構成としてより具体的には、前記第２燃料極から排出された第２アノードオフガスを燃焼させるバーナと、前記改質水を蒸発させて前記改質器側へ送る蒸発器を備え、前記蒸発器は、前記バーナから排出された燃焼ガスと、前記熱交換器で予熱後の前記改質水とを熱交換させる構成としても良い。

【発明の効果】

【0015】

本発明に係る燃料電池システムによれば、アノードオフガスの冷却で得られる排熱を活用して、原料ガスの水蒸気改質に用いる改質水を効率よく予熱することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】第１実施形態に係る燃料電池システムの概略的な構成図である。

【図2】第２実施形態に係る燃料電池システムの概略的な構成図である。

【図3】第３実施形態に係る燃料電池システムの概略的な構成図である。

【図4】第４実施形態に係る燃料電池システムの概略的な構成図である。

【図5】第５実施形態に係る燃料電池システムの概略的な構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

本発明の各実施形態に係る燃料電池システムについて、各図面を参照しながら以下に説明する。

【0018】

１．第１実施形態
まず本発明の第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係る燃料電池システム１ａの概略的な構成図である。なお図１では流体の経路に関して、燃料ガスに関連する経路（ガス経路）を実線矢印で示し、改質水に関連する経路（水経路）を破線矢印で示し、空気に関連する経路（空気経路）を点線矢印で示し、その他の経路を一点鎖線の矢印で示している。また図１に示す白抜き矢印は、各経路を通る流体を示している。

【0019】

図１に示すように燃料電池システム１ａには、改質器１１、蒸発器１２、前段側セルスタック１３、水回収装置１４、後段側セルスタック１５、バーナ１６、空気予熱器１７、自己再熱型熱交換器１８、および多流体熱交換器（三流体熱交換器）１９を備えている。

【0020】

各セルスタック１３，１５は、燃料極（アノード）と空気極（カソード）を有する固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）であり、発電時の動作温度は例えば５００～７００℃程度である。各セルスタック１３，１５は、燃料極に水素を含む燃料ガスが供給され、空気極に酸素を含む空気が供給されることにより、電気化学反応を発生させて発電することが可能である。

【0021】

上述した燃料極および空気極として、前段側セルスタック１３は第１燃料極１３ａと第１空気極１３ｂを有しており、後段側セルスタック１５は第２燃料極１５ａと第２空気極１５ｂを有している。本実施形態では一例として、前段側セルスタック１３および後段側セルスタック１５は一つずつ設けられているが、これらの一方または両方を並列に複数個設けるようにしても良い。

【0022】

水回収装置１４等を除く燃料電池システム１ａの大部分の要素は、図１に示す断熱領域ＴＡ内に配置されている。断熱領域ＴＡは断熱材等で覆われており、外部への熱放出が極力抑えられるよう配慮されている。これにより燃料電池システム１ａは、熱自立の点で有利な構成となっている。

【0023】

燃料電池システム１ａには、原料ガス（本実施形態では一例として、メタンを含む都市ガスとする）を受入れる原料ガス受入部Ｐｇ、および、空気を受入れる空気受入部Ｐａが設けられている。なお、原料ガスや空気は基本的に燃料電池システム１ａの外部から供給される。

【0024】

原料ガス受入部Ｐｇは、第１ガス経路Ｌｇ１を介して改質器１１に繋がっている。第１ガス経路Ｌｇ１の途中には、前段側から順に、第１ブロワＢ１、多流体熱交換器１９、および蒸発器１２が設けられている。

【0025】

改質器１１は、第２ガス経路Ｌｇ２を介して、前段側セルスタック１３の第１燃料極１３ａに繋がっている。第１燃料極１３ａは、第３ガス経路Ｌｇ３を介して水回収装置１４に繋がっている。第３ガス経路Ｌｇ３の途中には、前段側から順に、自己再熱型熱交換器１８、および多流体熱交換器１９が設けられている。水回収装置１４は、第４ガス経路Ｌｇ４を介して後段側セルスタック１５の第２燃料極１５ａに繋がっている。第４ガス経路Ｌｇ４の途中には、自己再熱型熱交換器１８が設けられている。

【0026】

第２燃料極１５ａは、第５ガス経路Ｌｇ５を介してバーナ１６に繋がっている。バーナ１６からは燃焼ガス経路Ｌｘが伸びており、燃焼ガス経路Ｌｘの後端は燃料電池システム１ａの外部に繋がっている。燃焼ガス経路Ｌｘの途中には、前段側から順に、空気予熱器１７、および蒸発器１２が設けられている。

【0027】

空気受入部Ｐａは第１空気経路Ｌａ１を介して前段側セルスタック１３の第１空気極１３ｂに繋がっている。第１空気経路Ｌａ１の途中には、前段側から順に、第２ブロワＢ２および空気予熱器１７が設けられている。第１空気極１３ｂは、第３空気経路Ｌａ３を介して後段側セルスタック１５の第２空気極１５ｂに繋がっている。第２空気極１５ｂは、第４空気経路Ｌａ４を介してバーナ１６に繋がっている。

【0028】

なお第１空気経路Ｌａ１～第４空気経路Ｌａ４は、空気予熱器１７で予熱後の空気Ａａが、第１空気極１３ｂおよび第２空気極１５ｂに対して並列に供給・排出されるように構成されていてもよい。

【0029】

水回収装置１４には水タンク１４ａと放熱器１４ｂ（熱交換器の一形態）が設けられている。放熱器１４ｂは、外部から常温（例えば２５℃程度）の冷却用空気が供給されるようになっており、当該冷却用空気との熱交換により後述する第１オフガスＧｃ１を冷却することができる。

【0030】

この冷却用空気の流路は、密閉型であってもよいし、開放型であってもよい。前者の場合、プレート式、シェルアンドプレート式、シェルアンドチューブ式等の熱交換器を使用することができ、ブロワにより冷却用空気を伝熱面に送り込む。後者の場合、空冷式のラジエーターを使用することができ、第１オフガスＧｃ１が内部流通する熱交換コアの表面にファンにより冷却用空気を通風させる。なお、ラジエーターは、冷却用空気の供給時の圧力損失が低いうえ、空気流量の調節も容易であるので、燃料電池システム１ａの補機電力を低減できるメリットがある。

【0031】

水タンク１４ａは、水経路Ｌｗを介して第１ガス経路Ｌｇ１の所定位置（多流体熱交換器１９と蒸発器１２の間の位置）に繋がっている。水経路Ｌｗの途中には、前段側から順に、水ポンプＷ１、および多流体熱交換器１９が設けられている。水ポンプＷ１を設けたことにより、水タンク１４ａ内の水を改質水Ｗａとして第１ガス経路Ｌｇ１へ継続的に供給することが可能である。これにより燃料電池システム１ａは、水自立を実現させることが可能である。

【0032】

空気予熱器１７は、第１空気経路Ｌａ１の所定位置（第２ブロワＢ２と第１空気極１３ｂの間の位置）を通る流体と、燃焼ガス経路Ｌｘの所定位置（バーナ１６と蒸発器１２の間の位置）を通る流体との間で、熱交換が行われるようにする。自己再熱型熱交換器１８は、第３ガス経路Ｌｇ３の所定位置（第１燃料極１３ａと多流体熱交換器１９の間の位置）を通る流体と、第４ガス経路Ｌｇ４の所定位置（水回収装置１４と第２燃料極１５ａの間の位置）を通る流体との間で、熱交換が行われるようにする。

【0033】

多流体熱交換器１９は、第１ガス経路Ｌｇ１の所定位置（第１ブロワＢ１と蒸発器１２の間の位置）を通る流体と、第３ガス経路Ｌｇ３の所定位置（自己再熱型熱交換器１８と水回収装置１４の間の位置）を通る流体と、水経路Ｌｗの所定位置（水ポンプＷ１より後段側の位置）を通る流体との間で、熱交換が行われるようにする。

【0034】

次に、燃料電池システム１の動作概要について説明する。原料ガス受入部Ｐｇから第１ガス経路Ｌｇ１内に供給された原料ガスＧａは、第１ブロワＢ１の作用により後段側へ送られる。この原料ガスＧａは、多流体熱交換器１９での熱交換によって加熱された後、蒸発器１２に流入する。

【0035】

原料ガスＧａの供給に並行して、水ポンプＷ１によって水タンク１４ａから水経路Ｌｗ内に供給された改質水Ｗａが、多流体熱交換器１９での熱交換によって加熱された後に第１ガス経路Ｌｇ１へ流入し、原料ガスＧａとともに蒸発器１２に流入する。蒸発器１２においては、熱交換による改質水Ｗａの加熱によって水蒸気（過熱蒸気）が生成し、これが原料ガスＧａに混合する。このようにして生成された原料ガスＧａと水蒸気の混合気体は、改質器１１へ流入する。

【0036】

改質器１１は、蒸発器１２から受けた水蒸気を用いて原料ガスＧａを改質し、改質ガスＧｂを生成して後段側へ送出する。改質器１１から送出された改質ガスＧｂは、第２ガス経路Ｌｇ２を介して第１燃料極１３ａに流入する。

【0037】

一方、上述した原料ガスＧａおよび改質水Ｗａの供給に並行して、空気受入部Ｐａから第１空気経路Ｌａ１内に空気Ａａが供給される。第１空気経路Ｌａ１内の空気Ａａは、第２ブロワＢ２の作用により後段側へ送られる。この空気Ａａは、空気予熱器１７での熱交換によって加熱された後、第１空気極１３ｂに流入する。

【0038】

前段側セルスタック１３は、第１燃料極１３ａに流入した改質ガスＧｂと第１空気極１３ｂに流入した空気Ａａを用いて発電するとともに、第１燃料極１３ａから第１オフガスＧｃ１（第１アノードオフガス）を排出する。なお第１空気極１３ｂからは、第１空気極１３ｂにおいて未反応であった酸素等を含む残りの空気Ａｘ（カソードオフガス）が、第３空気経路Ｌａ３を介して第２空気極１５ｂへ排出される。

【0039】

第１燃料極１３ａから排出された第１オフガスＧｃ１は第３ガス経路Ｌｇ３を通り、水回収装置１４に流入する。第１オフガスＧｃ１は、自己再熱型熱交換器１８を通る際に再生オフガスＧｄと熱交換されて冷却され、更に、多流体熱交換器１９を通る際に原料ガスＧａおよび改質水Ｗａと熱交換されて冷却される。水回収装置１４において、放熱器１４ｂは、多流体熱交換器１９を通過後の第１オフガスＧｃ１と冷却用空気とを熱交換させて、第１オフガスＧｃ１を露点温度以下まで冷却し、第１オフガスＧｃ１に含まれる水蒸気を凝縮させる。

【0040】

放熱器１４ｂを通過した第１オフガスＧｃ１は水タンク１４ａで気水分離され、凝縮水が水タンク１４ａに回収される一方、凝縮しなかった残りの部分は再生オフガスＧｄとして第４ガス経路Ｌｇ４へ流入する。

【0041】

水タンク１４ａに回収された凝縮水は、水経路Ｌｗと第１ガス経路Ｌｇ１を介して蒸発器１２に供給され、改質水Ｗａとして再利用される。なお、第１オフガスＧｃ１から水蒸気を除去して再生オフガスＧｄを生成することにより、第１オフガスＧｃ１中の未反応の燃料成分を後段側セルスタック１５で効率良く利用することが可能となる。

【0042】

第４ガス経路Ｌｇ４に流入した再生オフガスＧｄは、自己再熱型熱交換器１８を通って第２燃料極１５ａに流入する。なお再生オフガスＧｄは、自己再熱型熱交換器１８を通る際に第１オフガスＧｃ１と熱交換され、温度が上昇する。

【0043】

後段側セルスタック１５は、第２燃料極１５ａに流入した再生オフガスＧｄと第２空気極１５ｂに流入した空気Ａｘを用いて発電するとともに、第２燃料極１５ａから第２オフガスＧｃ２（第２アノードオフガス）を排出する。この発電で得られた電力は、前段側セルスタック１３の発電電力と共に不図示の電力供給ラインを介して外部の負荷機器へ供給される。なお第２空気極１５ｂからは、第２空気極１５ｂにおいて未反応であった酸素等を含む残りの空気Ａｂが、第４空気経路Ｌａ４を介してバーナ１６へ排出される。

【0044】

バーナ１６は、第２空気極１５ｂから排出された空気Ａｂと第２燃料極１５ａから排出された第２オフガスＧｃ２の混合気体を燃焼させて熱を発生させるとともに、燃焼によって生じた燃焼ガスＧｆを燃焼ガス経路Ｌｘに排出する。この燃焼ガスＧｆは、燃焼ガス経路Ｌｘを通って燃料電池システム１の外部へ排出されることになる。

【0045】

燃焼ガス経路Ｌｘを通る燃焼ガスＧｆは、空気予熱器１７を通過する際に空気Ａａと熱交換される。空気予熱器１７における熱交換により、空気Ａａの温度が上昇するとともに、燃焼ガスＧｆの温度が下降する。更に燃焼ガスＧｆは、蒸発器１２を通過する際に改質水Ｗａと熱交換された上で、燃料電池システム１の外部へ排出される。蒸発器１２は、燃焼ガスＧｆとの熱交換により改質水Ｗａを加熱して、先述したとおり水蒸気を生成することになる。

【0046】

ここで燃料の利用形態に着目すると、燃料電池システム１ａはセルスタックを多段化した構成となっており、第１オフガスＧｃ１から水蒸気を除去して再生オフガスＧｄを生成し、これを後段側セルスタック１５へ供給するようになっている。これにより燃料電池システム１ａは、前段側セルスタック１３で未反応であった燃料成分を効率良く利用して、後段側セルスタック１５を発電させることが可能である。

【0047】

また第１オフガスＧｃ１から水蒸気を除去するため、燃料電池システム１ａは、第１オフガスＧｃ１を一旦露点温度以下まで冷却して、第１オフガスＧｃ１中の水蒸気を凝縮させる。第１オフガスＧｃ１の冷却（熱交換）の際には除熱による排熱が発生するが、燃料電池システム１ａは、システムの熱自立の観点から、このような排熱を極力無駄にせず有効活用できるよう配慮されている。

【0048】

より具体的に説明すると、燃料電池システム１ａにおいては、自己再熱型熱交換器１８において第１オフガスＧｃ１を再生オフガスＧｄと熱交換させた後、更に多流体熱交換器１９において、第１オフガスＧｃ１を改質水Ｗａおよび原料ガスＧａと熱交換させるようにしている。その後、放熱器１４ｂにおいて第１オフガスＧｃ１は更に冷却され、第１オフガスＧｃ１の温度は露点温度以下にまで下がる。

【0049】

このように本実施形態では、前段側セルスタック１３から排出された高温の第１オフガスＧｃ１を、再生オフガスＧｄや原料ガスＧａを燃料電池システム１ａの動作温度へ近づけるための熱交換の熱源に利用する。そして更に、当該熱交換によって既に温度が下がった第１オフガスＧｃ１であっても、蒸発器１２へ流入する前の改質水Ｗａに比べれば温度が高いことに着目し、この第１オフガスＧｃ１を改質水Ｗａの温度を上げるための熱交換の熱源に利用するようにしている。

【0050】

これにより、第１オフガスＧｃ１の冷却で得られる排熱を極力無駄にせず有効活用し、改質水Ｗａを予熱しておくことで、蒸発器１２での水蒸発をより確実に行うことが可能となっている。また、第１オフガスＧｃ１の熱を無駄にすることなく第１オフガスＧｃ１を効率よく冷却し、凝縮水の生成を促進することが可能となっている。また本実施形態では予熱された改質水Ｗａを用いるため、その分、蒸発器１２において改質水Ｗａを蒸発させるために要する熱量を抑えることができ、蒸発器１２を小型化することも可能である。

【0051】

なお、改質水Ｗａと熱交換させる段階の第１オフガスＧｃ１は、再生オフガスＧｄや原料ガスＧａとの熱交換によって適度に温度が下がっており、改質水Ｗａが沸点以上に加熱される事態は回避される。そのため、水と蒸気の気液二相流の流入によって蒸発器１２内で蒸気圧力の脈動が起きないようにし、改質器１１での改質ガスＧｂの生成が不安定となることを未然に防ぐことが可能となっている。

【0052】

２．第２実施形態
次に、本発明の第２実施形態について説明する。以下の説明では、第１実施形態と異なる事項の説明に重点をおき、第１実施形態と共通する事項については説明を省略することがある。

【0053】

図２は、第２実施形態の燃料電池システム１ｂの概略的な構成図である。本図に示すように燃料電池システム１ｂは、多流体熱交換器１９の設置が省略されており、その代わりに第１熱交換器Ｈ１および第２熱交換器Ｈ２が別個に設置されている点で第１実施形態と異なっている。

【0054】

第１熱交換器Ｈ１は、第１ガス経路Ｌｇ１の所定位置（第１ブロワＢ１と蒸発器１２の間の位置）を通る流体と、第３ガス経路Ｌｇ３の所定位置（自己再熱型熱交換器１８と第２熱交換器Ｈ２の間の位置）を通る流体との間で、熱交換が行われるように配置されている。第２熱交換器Ｈ２は、第３ガス経路Ｌｇ３の所定位置（第１熱交換器Ｈ１と水回収装置１４の間の位置）を通る流体と、水経路Ｌｗの所定位置（水ポンプＷ１より後段側の位置）を通る流体との間で、熱交換が行われるように配置されている。

【0055】

第２実施形態において第１オフガスＧｃ１は、自己再熱型熱交換器１８において再生オフガスＧｄと熱交換されて冷却された後、第１熱交換器Ｈ１において原料ガスＧａと熱交換されて冷却され、更に、第２熱交換器Ｈ２において改質水Ｗａと熱交換されて冷却される。また放熱器１４ｂは、第１熱交換器Ｈ１および第２熱交換器Ｈ２を通過後の第１オフガスＧｃ１と冷却用空気とを熱交換させる役割を果たす。

【0056】

なお、第１オフガスＧｃ１が第１熱交換器Ｈ１で露点以下まで冷却される場合は、第１熱交換器Ｈ１は主に凝縮器として作用し、第２熱交換器Ｈ２は過冷却器として作用する。この場合、第１オフガスＧｃ１に含まれる水蒸気の大部分が予め凝縮するため、放熱器１４ｂの駆動は不要となる。

【0057】

一方、第１オフガスＧｃ１が第１熱交換器Ｈ１で露点以下まで冷却されない場合は、第１熱交換器Ｈ１は主に予冷器として作用し、第２熱交換器Ｈ２は第１オフガスＧｃ１に含まれる水蒸気を凝縮させるための凝縮器として作用する。この場合、第２熱交換器Ｈ２での凝縮量が十分でなければ、凝縮を促進させるため放熱器１４ｂの駆動が必要となる。

【0058】

３．第３実施形態
次に、本発明の第３実施形態について説明する。以下の説明では、第２実施形態と異なる事項の説明に重点をおき、第２実施形態と共通する事項については説明を省略することがある。

【0059】

図３は、第３実施形態の燃料電池システム１ｃの概略的な構成図である。本図に示すように燃料電池システム１ｃにおいては、第１熱交換器Ｈ１および第２熱交換器Ｈ２を通る流体の種類が第２実施形態の燃料電池システム１ｂとは異なっている。

【0060】

第３実施形態では、第１熱交換器Ｈ１は、第３ガス経路Ｌｇ３の所定位置（自己再熱型熱交換器１８と第２熱交換器Ｈ２の間の位置）を通る流体と、水経路Ｌｗの所定位置（水ポンプＷ１より後段側の位置）を通る流体との間で、熱交換が行われるように配置されている。また第２熱交換器Ｈ２は、第３ガス経路Ｌｇ３の所定位置（第１熱交換器Ｈ１と水回収装置１４の間の位置）を通る流体と、第１ガス経路Ｌｇ１の所定位置（第１ブロワＢ１と蒸発器１２の間の位置）を通る流体との間で、熱交換が行われるように配置されている。

【0061】

そのため第３実施形態において第１オフガスＧｃ１は、自己再熱型熱交換器１８において再生オフガスＧｄと熱交換されて冷却された後、第１熱交換器Ｈ１において改質水Ｗａと熱交換されて冷却され、更に、第２熱交換器Ｈ２において原料ガスＧａと熱交換されて冷却される。このように第１オフガスＧｃ１は、第２実施形態では原料ガスＧａと熱交換された後に改質水Ｗａと熱交換されるのに対し、第３実施形態では改質水Ｗａと熱交換された後に原料ガスＧａと熱交換されるようにしている。

【0062】

第１オフガスＧｃ１との熱交換について、例えば改質水Ｗａよりも原料ガスＧａの加熱を優先させる場合には、第２実施形態の燃料電池システム１ｂの構成を採用して、改質水Ｗａとの熱交換によって冷却される前の第１オフガスＧｃ１を、原料ガスＧａとの熱交換に用いることができる。一方、例えば原料ガスＧａよりも改質水Ｗａの加熱を優先させる場合には、第３実施形態の燃料電池システム１ｃの構成を採用して、原料ガスＧａとの熱交換によって冷却される前の第１オフガスＧｃ１を、改質水Ｗａとの熱交換に用いることができる。

【0063】

４．第４実施形態
次に、本発明の第４実施形態について説明する。以下の説明では、第２実施形態と異なる事項の説明に重点をおき、第２実施形態と共通する事項については説明を省略することがある。

【0064】

図４は、第４実施形態の燃料電池システム１ｄの概略的な構成図である。本図に示すように燃料電池システム１ｄにおいては、第１熱交換器Ｈ１および第２熱交換器Ｈ２を通る流体の種類が第２実施形態の燃料電池システム１ｂとは異なっている。

【0065】

第４実施形態では、第１熱交換器Ｈ１は、第３ガス経路Ｌｇ３の所定位置（自己再熱型熱交換器１８と第２熱交換器Ｈ２の間の位置）を通る流体と、第１空気経路Ｌａ１の所定位置（第２ブロワＢ２と空気予熱器１７の間の位置）を通る流体との間で、熱交換が行われるように配置されている。また第２熱交換器Ｈ２は、第３ガス経路Ｌｇ３の所定位置（第１熱交換器Ｈ１と水回収装置１４の間の位置）を通る流体と、水経路Ｌｗの所定位置（水ポンプＷ１より後段側の位置）を通る流体との間で、熱交換が行われるように配置されている。

【0066】

そのため第４実施形態において第１オフガスＧｃ１は、自己再熱型熱交換器１８において再生オフガスＧｄと熱交換されて冷却された後、第１熱交換器Ｈ１において空気Ａａと熱交換されて冷却され、更に、第２熱交換器Ｈ２において改質水Ｗａと熱交換されて冷却される。このように第１オフガスＧｃ１は、第２実施形態では原料ガスＧａと熱交換された後に改質水Ｗａと熱交換されるのに対し、第４実施形態では空気Ａａと熱交換された後に改質水Ｗａと熱交換されるようにしている。

【0067】

第２実施形態と第４実施形態の何れにおいても、第１オフガスＧｃ１との熱交換により、改質水Ｗａを加熱することが可能である。そして更に空気Ａａと原料ガスＧａの加熱について、空気Ａａよりも原料ガスＧａの加熱を優先させる場合には、第２実施形態の燃料電池システム１ｂの構成を採用し、第１オフガスＧｃ１との熱交換によって原料ガスＧａを加熱することも可能である。一方、空気Ａａと原料ガスＧａの加熱について、原料ガスＧａよりも空気Ａａの加熱を優先させる場合には、第４実施形態の燃料電池システム１ｄの構成を採用し、第１オフガスＧｃ１との熱交換によって空気Ａａを加熱することも可能である。

【0068】

５．第５実施形態
次に、本発明の第５実施形態について説明する。以下の説明では、第４実施形態と異なる事項の説明に重点をおき、第４実施形態と共通する事項については説明を省略することがある。

【0069】

図５は、第５実施形態の燃料電池システム１ｅの概略的な構成図である。本図に示すように燃料電池システム１ｅにおいては、第１熱交換器Ｈ１および第２熱交換器Ｈ２を通る流体の種類が第４実施形態の燃料電池システム１ｄとは異なっている。

【0070】

第５実施形態では、第１熱交換器Ｈ１は、第３ガス経路Ｌｇ３の所定位置（自己再熱型熱交換器１８と第２熱交換器Ｈ２の間の位置）を通る流体と、水経路Ｌｗの所定位置（水ポンプＷ１より後段側の位置）を通る流体との間で、熱交換が行われるように配置されている。また第２熱交換器Ｈ２は、第３ガス経路Ｌｇ３の所定位置（第１熱交換器Ｈ１と水回収装置１４の間の位置）を通る流体と、第１空気経路Ｌａ１の所定位置（第２ブロワＢ２と空気予熱器１７の間の位置）を通る流体との間で、熱交換が行われるように配置されている。

【0071】

そのため第５実施形態において第１オフガスＧｃ１は、自己再熱型熱交換器１８において再生オフガスＧｄと熱交換されて冷却された後、第１熱交換器Ｈ１において改質水Ｗａと熱交換されて冷却され、更に、第２熱交換器Ｈ２において空気Ａａと熱交換されて冷却される。このように第１オフガスＧｃ１は、第４実施形態では空気Ａａと熱交換された後に改質水Ｗａと熱交換されるのに対し、第５実施形態では改質水Ｗａと熱交換された後に空気Ａａと熱交換されるようにしている。

【0072】

第４実施形態と第５実施形態の何れにおいても、第１オフガスＧｃ１との熱交換により、改質水Ｗａを加熱することが可能である。そして更に第１オフガスＧｃ１との熱交換について、例えば改質水Ｗａよりも空気Ａａの加熱を優先させる場合には、第４実施形態の燃料電池システム１ｄの構成を採用して、改質水Ｗａとの熱交換によって冷却される前の第１オフガスＧｃ１を、空気Ａａとの熱交換に用いることができる。一方、例えば空気Ａａよりも改質水Ｗａの加熱を優先させる場合には、第５実施形態の燃料電池システム１ｅの構成を採用して、空気Ａａとの熱交換によって冷却される前の第１オフガスＧｃ１を、改質水Ｗａとの熱交換に用いることができる。

【0073】

なお第２～第５実施形態のそれぞれにおいて、第１熱交換器Ｈ１と第２熱交換器Ｈ２は、第３ガス経路Ｌｇ３（第１オフガスＧｃ１の経路）に関して直列に配置されているが、第３ガス経路Ｌｇ３に関して並列に配置するようにしても良い。例えば、第３ガス経路Ｌｇ３を二本に分岐させるとともに、その後段側でこれらを一本に統合させるようにしておき、分岐された一方の第３ガス経路Ｌｇ３の途中に第１熱交換器Ｈ１を配置し、他方の第３ガス経路Ｌｇ３の途中に第２熱交換器Ｈ２を配置するようにしても良い。

【0074】

６．その他
以上に説明した各実施形態の燃料電池システム１ａ～１ｅは、原料ガスＧａの水蒸気改質を行って改質ガスＧｂを生成する改質器１１と、改質ガスＧｂが供給される第１燃料極１３ａを有し、改質ガスＧｂを用いて発電を行う前段側セルスタック１３と、第１燃料極１３ａから排出された再生オフガスＧｄ（凝縮させた水を分離した後の第１オフガスＧｃ１）が供給される第２燃料極１５ａを有し、再生オフガスＧｄを用いて発電を行う後段側セルスタック１５と、第１オフガスＧｃ１と冷却用流体とを熱交換させる熱交換器Ｘとを備え、この冷却用流体は、少なくとも改質器１１での水蒸気改質に用いる改質水Ｗａを含む。

【0075】

そのため各実施形態の燃料電池システム１ａ～１ｅによれば、第１オフガスＧｃ１の冷却で得られる排熱を活用して、原料ガスＧａの水蒸気改質に用いる改質水Ｗａを効率よく予熱することができ、蒸発器１２を小型化することも可能となる。また更に、第１オフガスＧｃ１の冷却で得られる排熱を無駄にすることなく第１オフガスＧｃ１を効率よく冷却し、凝縮水の生成を促進することも可能となる。

【0076】

特に第１実施形態の場合、上記の熱交換器Ｘは、第１オフガスＧｃ１と、改質水Ｗａ（第１冷却用流体）と、原料ガスＧａ（第２冷却用流体）とを同時に熱交換させる多流体熱交換器１９を含んで構成される。なお、この第２冷却用流体として、原料ガスＧａの代わりに、各セルスタック１３，１５での発電に用いる空気Ａａを採用しても良い。すなわち、本実施形態では多流体熱交換器１９に原料ガスＧａを通過させるようにしているが、その代わりに、空気Ａａ（空気予熱器１７を通る前のカソード空気）を通過させるようにしても良い。この場合は多流体熱交換器１９において、第１オフガスＧｃ１を改質水Ｗａおよび空気Ａａと熱交換させるようにして、第１オフガスＧｃ１を冷却させることが可能となる。

【0077】

多流体熱交換器１９は、第１オフガスＧｃ１に対して、図１に示すように第１冷却用流体と第２冷却用流体とを並列に流す方式でも良いが、第１冷却用流体と第２冷却用流体とを直列に流す方式でも良い。直列に流す方式の場合、好ましくは、第１オフガスＧｃ１の流れに対して、第１冷却用流体（改質水Ｗａ）を先に流して熱交換した後、第２冷却用流体（原料ガスＧａまたは発電に用いる空気Ａａ）を後に流して熱交換する。これにより、改質水Ｗａをより高温に加熱することができる。

【0078】

また第２～第５実施形態の場合、上記の熱交換器Ｘは、第１オフガスＧｃ１と改質水Ｗａ（第１冷却用流体）とを熱交換させる一の熱交換器Ｘ１と、第１オフガスＧｃ１と原料ガスＧａまたは空気Ａａ（第２冷却用流体）とを熱交換させる他の熱交換器Ｘ２と、を別個に含んで構成される。

【0079】

より具体的に説明すると、第２実施形態の場合、第１オフガスＧｃ１と改質水Ｗａとを熱交換させる第２熱交換器Ｈ２が熱交換器Ｘ１に該当し、第１オフガスＧｃ１と原料ガスＧａとを熱交換させる第１熱交換器Ｈ１が熱交換器Ｘ２に該当する。また第３実施形態の場合、第１オフガスＧｃ１と改質水Ｗａとを熱交換させる第１熱交換器Ｈ１が熱交換器Ｘ１に該当し、第１オフガスＧｃ１と原料ガスＧａとを熱交換させる第２熱交換器Ｈ２が熱交換器Ｘ２に該当する。また第４実施形態の場合、第１オフガスＧｃ１と改質水Ｗａとを熱交換させる第２熱交換器Ｈ２が熱交換器Ｘ１に該当し、第１オフガスＧｃ１と空気Ａａとを熱交換させる第１熱交換器Ｈ１が熱交換器Ｘ２に該当する。また第５実施形態の場合、第１オフガスＧｃ１と改質水Ｗａとを熱交換させる第１熱交換器Ｈ１が熱交換器Ｘ１に該当し、第１オフガスＧｃ１と空気Ａａとを熱交換させる第２熱交換器Ｈ２が熱交換器Ｘ２に該当する。

【0080】

また各実施形態の燃料電池システム１ａ～１ｅは、上記の熱交換器Ｘで生成した凝縮水を分離して改質水Ｗａとして回収する水タンク１４ａを備えるとともに、熱交換器Ｘへ流入する前の第１オフガスＧｃ１と再生オフガスＧｄ（当該凝縮水を分離後の第１オフガスＧｃ１）とを熱交換させる自己再熱型熱交換器１８を備える。そのため第１オフガスＧｃ１の熱を利用して、再生オフガスＧｄを加熱することが可能となっている。

【0081】

更に各実施形態の燃料電池システム１ａ～１ｅは、第２燃料極１５ａから排出された第２オフガスＧｃ２を燃焼させるバーナ１６と、改質水Ｗａを蒸発させて改質器１１側へ送る蒸発器１２を備えており、蒸発器１２は、バーナ１６から排出された燃焼ガスＧｆと、熱交換器Ｘで予熱後の改質水Ｗａとを熱交換させる。そのため、高温の燃焼ガスＧｆを利用して、熱自立を実現させつつ改質水Ｗａを蒸発させることが可能となっている。

【0082】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の構成は上記実施形態に限られず、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。すなわち上記実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。例えば、セルスタック１３，１５は、溶融炭酸塩形燃料電池に置き換えることができる。
本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。

【産業上の利用可能性】

【0083】

本発明は、固体酸化物形燃料電池または溶融炭酸塩形燃料電池を用いた燃料電池システムに利用可能である。

【符号の説明】

【0084】

１ａ～１ｅ 燃料電池システム
１１ 改質器
１２ 蒸発器
１３ 前段側セルスタック
１３ａ 第１燃料極
１３ｂ 第１空気極
１４ 水回収装置
１４ａ 水タンク
１４ｂ 放熱器
１５ 後段側セルスタック
１５ａ 第２燃料極
１５ｂ 第２空気極
１６ バーナ
１７ 空気予熱器
１８ 自己再熱型熱交換器
１９ 多流体熱交換器
Ａａ、Ａｂ、Ａｘ 空気
Ｂ１ 第１ブロワ
Ｂ２ 第２ブロワ
Ｇａ 原料ガス
Ｇｂ 改質ガス
Ｇｃ１ 第１オフガス
Ｇｃ２ 第２オフガス
Ｇｄ 再生オフガス
Ｇｆ 燃焼ガス
Ｈ１ 第１熱交換器
Ｈ２ 第２熱交換器
Ｌａ１ 第１空気経路
Ｌａ３ 第３空気経路
Ｌａ４ 第４空気経路
Ｌｇ１ 第１ガス経路
Ｌｇ２ 第２ガス経路
Ｌｇ３ 第３ガス経路
Ｌｇ４ 第４ガス経路
Ｌｇ５ 第５ガス経路
Ｌｘ 燃焼ガス経路
Ｌｗ 水経路
Ｐａ 空気受入部
Ｐｇ 原料ガス受入部
ＴＡ 断熱領域
Ｗ１ 水ポンプ
Ｗａ 改質水

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】