JP2004247084A - 燃料電池発電システム - Google Patents
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Abstract
【課題】この発明は、システム停止後の改質器の熱を回収し、総合熱効率を高める燃料電池発電システムを得る。
【解決手段】燃料電池３からの廃熱および改質器１の排ガスからの廃熱を熱回収する第２熱回収系統１０と、第２熱回収系統１０で熱回収された熱を温水として蓄熱する貯湯槽７と、改質器１の本体の熱を熱回収する第２熱回収回路２とを備えている。そして、制御部２６が、システムの運転中では、第２熱回収系統１０に水７ａを循環させて燃料電池３からの廃熱および改質器１の排ガスからの廃熱を熱回収させ、システムの停止後では、第１熱回収系統９に熱媒体を循環させて改質器１の本体の熱を熱回収させるように構成されている。
【選択図】 図１
【解決手段】燃料電池３からの廃熱および改質器１の排ガスからの廃熱を熱回収する第２熱回収系統１０と、第２熱回収系統１０で熱回収された熱を温水として蓄熱する貯湯槽７と、改質器１の本体の熱を熱回収する第２熱回収回路２とを備えている。そして、制御部２６が、システムの運転中では、第２熱回収系統１０に水７ａを循環させて燃料電池３からの廃熱および改質器１の排ガスからの廃熱を熱回収させ、システムの停止後では、第１熱回収系統９に熱媒体を循環させて改質器１の本体の熱を熱回収させるように構成されている。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池発電システムに関し、特に、改質器の冷却機構を備えた燃料電池発電システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池発電システムは、システム運転中において、燃料電池からの廃熱や改質器から排出されるガスから廃熱を回収し、熱回収された廃熱を蓄熱タンクに蓄熱し、この蓄熱を利用して給湯や暖房に行うように構成されていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−９７０４４号公報（図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この従来の燃料電池発電システムでは、運転中のシステム廃熱のみを回収・利用しているので、システム停止後の改質器の熱が放熱されてしまい、起動停止を含めた総合熱効率が低下するという課題があった。
【０００５】
この発明は、上記の課題を解消するためになされたもので、システム停止後の改質器の熱を回収し、総合熱効率を高めた燃料電池発電システムを提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る燃料電池発電システムは、炭化水素系燃料又はアルコール類から水素を主成分とする改質ガスを生成する改質器と、上記改質ガス中の水素と別途供給された酸素との化学反応によって電気を出力する燃料電池と、上記改質器に設置された熱交換器により熱を回収する第１熱回収系統と、システムの停止後に、上記第１熱回収系統に熱媒体を循環させて上記改質器を冷却しながら熱を回収させる制御部とを備えたものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る燃料電池発電システムを説明するための模式図である。
【０００８】
図１において、改質器１は、原燃料とスチームとから水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成するように構成されている。そして、この水蒸気改質反応には高温での触媒反応が必要となるため、燃焼器２で燃料を燃焼させ、改質器１を加熱するようになっている。ここで、原燃料としては、炭化水素系の気体、液体や固体、またメタノール系のアルコール燃料が用いられる。
燃料電池３は、改質ガスが改質器１から燃料極に供給され、空気が空気極に供給されて、電力を発生するように構成されている。そして、燃料極に供給された改質ガスの排ガスが燃焼器２に供給され、燃焼器２で燃焼されて、改質器１を加熱するようになっている。
【０００９】
第１熱交換器４は、燃料電池３に配設され、燃料電池３の廃熱を回収するためのものであり、例えば燃料電池３を構成する冷却板等により構成されている。第２熱交換器５は、改質器１の排ガス配管に配設され、改質器１の排ガスから廃熱を回収するためのものであり、例えば改質器１の排ガス配管に巻き付けられたパイプ等により構成されている。第３熱交換器６は、改質器１の本体に配設され、改質器１の熱を回収するためのものであり、例えば改質器１の本体に巻き付けられたパイプ等により構成されている。
貯湯槽７は、水７ａを充填して構成され、改質器１および燃料電池３から回収された熱をお湯として蓄熱するものである。また、第４熱交換器８が貯湯槽７内に配設されている。
【００１０】
第１熱回収系統９は、第３熱交換器６および第４熱交換器８を配管により連結して閉回路に構成されている。そして、第２循環ポンプ１２が、第１熱回収系統９の回路中に配設され、熱媒体を第１熱回収系統９内に循環させるようになっている。ここで、熱媒体には、例えばエチレングリコールやプロピレングリコール等が用いられる。
第２熱回収系統１０は、貯湯槽７、第１熱交換器４および第２熱交換器５を配管により連結して閉回路に構成されている。そして、第１循環ポンプ１１が、第２熱回収系統１０の回路中に配設され、水７ａを第２熱回収系統１０内に循環させるようになっている。
制御部２６は、システムの運転状態をモニターし、かつ、改質器１の温度を温度計２５を介してモニターし、システムが運転中の時にのみ、第１循環ポンプ１１を駆動するとともに、システムの停止後、改質器１の温度が所定温度（Ｔ１）以下となるまで第２循環ポンプ１２を駆動するように構成されている。
【００１１】
つぎに、このように構成された燃料電池発電システムの動作について説明する。
まず、燃料及び空気が燃焼器２に供給・燃焼される。これにより、改質器１が触媒反応に必要な温度まで加熱される。そこで、炭化水素およびスチームが改質器１に供給され、炭化水素が水素リッチな改質ガスに改質される。
ついで、改質ガスが燃料電池３の燃料極に供給され、空気が燃料電池３の空気極に供給されて、電力が発生される。そして、燃料極に供給された改質ガスの排ガスが燃焼器２に供給され、燃焼器２で燃焼されて、改質器１の加熱に供せられる。
【００１２】
そして、制御部２６が、システムの運転を認識すると、第１循環ポンプ１１を駆動し、水７ａを第２熱回収系統１０内に循環させる。そこで、水７ａは第１熱交換器４で燃料電池３と熱交換されて暖められ、さらに第２熱交換器５で改質器１の排ガスと熱交換して暖められた後、貯湯槽７に戻される。これにより、燃料電池３および改質器１の廃熱が熱回収され、貯湯槽７内の水７ａを温水とすることで蓄熱される。
また、制御部２６が、システムの停止を認識すると、第１循環ポンプ１１の駆動を停止し、第２循環ポンプ１２を駆動して、熱媒体を第１熱回収系統９内に循環させる。そこで、熱媒体は第３熱交換器６で改質器１と熱交換されて暖められた後、貯湯槽７に戻され、第４熱交換器８で水７ａと熱交換して冷やされる。これにより、改質器１の本体の熱が熱回収され、貯湯槽７内の水７ａを温水とすることで蓄熱される。この時、制御部２６は、温度計２５を介して改質器１の温度をモニターし、改質器１の温度が所定温度（Ｔ１）に下がるまで第２循環ポンプ１２を駆動する。
そして、この貯湯槽７に蓄熱されている温水は、給湯や暖房に供せられる。
【００１３】
さらに、システムの起動時には、制御部２６は、第２循環ポンプ１２を逆方向駆動して、熱媒体を第１熱回収系統９内に逆向きに循環させる。第４熱交換器８は貯湯槽７の高温部（上方）から低温部（下方）まで付設されており、改質器１からの熱回収時には、熱媒体が貯湯槽７に高温部から入り低温部から出るが、これが逆向きとなることにより、高温の熱媒体を貯湯槽７から取り出すことが可能となる。これにより、貯湯槽７に蓄熱されている熱が熱媒体を介して改質器１の本体に供給され、改質器１の温度を上昇させることができる。そこで、改質器１の起動時間を短縮することができ、起動が速やかに行われるようになる。なお、システムの停止とは発電の停止を意味し、改質器の停止とほぼ同じである。また、システムの起動とは改質器の起動とほぼ同じである。
【００１４】
このように、この実施の形態１では、システム停止後に、改質器１の本体の熱を回収するようにしているので、従来無駄に放熱されていた改質器１の本体の熱を有効に利用でき、総合効率が高くなる。
また、システム運転中に、燃料電池３からの廃熱および改質器１から排出される排ガスから廃熱を回収し、システム停止後に、改質器１の本体の熱を回収するようにしているので、総合熱効率の高い燃料電池発電システムが実現される。
また、システムの起動時に、貯湯槽７に蓄熱されている熱を改質器１の本体に供給するようにしているので、システムの起動が速やかに行われる。
【００１５】
ここで、１ｋＷ級のシステムの場合、起動時にシステムに投入する都市ガスの熱量は約１．３ｋＷであり、毎日起動・停止を繰り返して８時間の定格動作（廃熱回収を１．３ｋＷと仮定）をする運用を想定すると、この燃料電池発電システムを採用することにより、廃熱回収熱量は１０．４ｋＷから１１．７ｋＷに増加することになる。その結果、廃熱海流効率を１３％高く運用できることになる。
【００１６】
なお、上記実施の形態１では、制御部２６は、改質器１の本体の温度が所定温度（Ｔ１）まで下がるまで第２循環ポンプ１２を駆動するように制御するものとしているが、所定温度（Ｔ１）は燃料電池発電システムの運転パターンによって変更可能となっている。つまり、システムが停止してから数日経過後に再起動されるような場合には、改質器１の本体の熱を十分に熱回収できるように、所定温度（Ｔ１）を低く設定することになる。一方、システムが停止して直ぐに再起動されるような場合には、所定温度（Ｔ１）を高く設定することになる。これにより、熱回収が抑えられ、改質器１の本体の温度が高く維持され、改質器１の再起動が速やかに行われることになる。
【００１７】
また、上記実施の形態１では、改質器１の本体の温度が所定温度（Ｔ１）まで下がるまで駆動するように第２循環ポンプ１２を制御するものとしているが、貯湯槽７内の水７ａの温度が所定温度（Ｔ２）まで上昇するまで駆動するように第２循環ポンプ１２を制御してもよい。この場合、貯湯槽７内に温度計を配設し、制御部２６がこの温度計を介して貯湯槽７内の水７ａの温度をモニターするようにすればよい。この時、温度計を貯湯槽７内に複数配設すれば、貯湯槽７内の温度分布を考慮した熱回収を行うことができる。また、所定温度（Ｔ２）は燃料電池発電システムの運転パターンによって変更可能としてもよい。
【００１８】
また、上記実施の形態１では、改質器１の本体の温度が所定温度（Ｔ１）まで下がるまで駆動するように第２循環ポンプ１２を制御するものとしているが、システム停止後から所定時間（ｔ１）の間駆動するように第２循環ポンプ１２を制御してもよい。この場合、第２循環ポンプ１２の制御が容易となる。また、所定時間（ｔ１）は燃料電池発電システムの運転パターンによって変更可能としてもよい。
【００１９】
また、上記実施の形態１では、第４熱交換器８が貯湯槽７内に設置されるものとしているが、第４熱交換器８は必ずしも貯湯槽７内に設置される必要はなく、例えば暖房機内に設置されてもよい。
また、上記実施の形態１では、第２熱回収系統１０は燃料電池３および改質器１の排ガスから熱を回収するものとしているが、第２熱回収系統１０は燃料電池３および改質器１の排ガスの一方から熱を回収するように構成してもよい。
【００２０】
実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２に係る燃料電池発電システムを説明するための模式図である。
図２において、第１および第２三方弁１３、１４が第１熱回収系統９Ａの経路中に配設されている。そして、熱媒体タンク１５が第１および第２三方弁１３、１４に配管を介して連結されている。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００２１】
この実施の形態２では、制御部２６は、システムの起動・運転を認識すると、第１三方弁１３の第３熱交換器６側と熱媒体タンク１５側とを開弁するように制御し、かつ、第２三方弁１４の第４熱交換器８側と熱媒体タンク１５側とを開弁するように制御する。これにより、熱媒体１５ａは第１熱回収系統９Ａから熱媒体タンク１５内に流れ込み、第１熱回収系統９Ａ内は空になる。
また、制御部２６は、システムの停止を認識すると、第２循環ポンプ１２を駆動する。これにより、熱媒体タンク１５内に貯液されている熱媒体１５ａが第１熱回収系統９Ａ内に導入される。そして、制御部２６は、第２循環ポンプ１２の駆動後、所定時間経過した後、第１三方弁１３および第２三方弁１４の熱媒体タンク１５ｂ側を閉弁するように制御する。これにより、熱媒体１５ａが、第１熱回収系統９Ａ内に充満され、第１熱回収系統９Ａ内を循環され、改質器１の本体の熱を回収する。そして、改質器１の温度が所定温度（Ｔ１）まで下がると、第２循環ポンプ１２の駆動が停止される。
なお、第２熱回収系統１０は、上記実施の形態１と同様に動作する。
【００２２】
従って、この実施の形態２によれば、上記実施の形態１の効果に加えて、システムの起動・運転中において、熱媒体が第１熱回収系統９Ａ内から排出されているので、熱媒体が第１熱回収系統９Ａ内に充填されていることに起因する改質器１の熱容量の増大が抑えられる。そこで、起動後の改質器１の昇温に必要な熱量の増大が抑えられ、少ない熱量で改質器１を所望温度まで速やかに昇温させることができる。また、システム運転時においても、改質器１と熱媒体との間の熱交換がなく、改質器１の温度の低下が抑えられる。その結果、燃焼器２に供給される燃料を低減することができ、低コスト化が図られる。
【００２３】
実施の形態３．
図３はこの発明の実施の形態３に係る燃料電池発電システムを説明する模式図である。
図３において、第１熱回収系統９Ｂは、貯湯槽７および第３熱交換器６を配管により連結して閉回路に構成されている。そして、熱媒体として水７ａを用いている。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００２４】
この実施の形態３では、システムの運転中では、水７ａが第１循環ポンプ１１により第２熱回収系統１０内を循環して熱回収し、システムの停止後では、水７ａが第２循環ポンプ１２により第１熱回収系統９Ｂ内を循環して熱回収する。さらに、システムの起動時には、水７ａが第２循環ポンプ１２により第１熱回収系統９Ｂ内を循環して、改質器１の本体が加熱される。
【００２５】
従って、この実施の形態３によれば、上記実施の形態１の効果に加えて、熱媒体として水７ａを用いているので、第４熱交換器８が不要となり、構成が簡略化され、低コスト化が図られる。
【００２６】
なお、この実施の形態３では、システムの起動時には、水７ａを第２循環ポンプ１２により第１熱回収系統９Ｂ内を循環させるものとしているが、第１熱回収系統９Ｂの第３熱交換器６と第２循環ポンプ１２との経路中に例えば三方弁を設置し、システムの起動・運転の際に、三方弁の第３熱交換器６側および外部側を開弁し、第１熱回収系統９Ｂの第３熱交換器６内の水７ａ（熱媒体）を排出するようにしてもよい。これにより、システムの起動・運転中に、水７ａが第１熱回収系統９Ｂの第３熱交換器６内に充填されていることに起因する改質器１の熱容量の増大が抑えられるので、上記実施の形態２と同様に効果が得られる。この場合、システムの停止時に、三方弁の第３熱交換器６側および第２循環ポンプ１２側を開弁し、水７ａを第２循環ポンプ６により第１熱回収系統９Ｂ内を循環させて熱回収させることになる。そして、三方弁からの水７ａの排出分を貯湯槽７に給水するようにすればよい。
【００２７】
実施の形態４．
図４はこの発明の実施の形態４に係る燃料電池発電システムを説明する模式図である。
図４において、第１循環ポンプ１１が第２熱回収系統１０の貯湯槽７と第１熱交換器４と間の経路中に配設され、流路切替弁としての三方弁１６が第１循環ポンプ１１と第１熱交換器４との間の経路中に配設されている。つまり、第２熱回収系統１０Ａが、貯湯槽７、第１循環ポンプ１１、三方弁１６、第１熱交換器４および第２熱交換器５を配管により連結して閉回路に構成されている。また、第１熱回収系統９Ｃが、貯湯槽７、第１循環ポンプ１１、三方弁１６および第３熱交換器６を配管により連結して閉回路に構成されている。
なお、他の構成は上記実施の形態３と同様に構成されている。
【００２８】
この実施の形態４では、制御部２６は、システムの運転中では、三方弁１６の第１循環ポンプ１１側と第１熱交換器４側とを開弁するように三方弁１６を制御し、システムの停止後、三方弁１６の第１循環ポンプ１１側と第３熱交換器６側とを開弁するように三方弁１６を制御している。
そこで、システムの運転中では、水７ａが第１循環ポンプ１１により第２熱回収系統１０Ａ内を循環して熱回収し、システムの停止後では、水７ａが第１循環ポンプ１１により第１熱回収系統９Ｃ内を循環して熱回収する。
さらに、システムの起動時には、水７ａが第２循環ポンプ１２により第１熱回収系統９Ｃ内を循環して、改質器１の本体が加熱される。
【００２９】
従って、この実施の形態４によれば、上記実施の形態３の効果に加えて、第１循環ポンプ１１が第１および第２熱回収系統９Ｃ、１０Ａの水７ａの駆動用として共用されているので、第２循環ポンプ１２が不要となり、構成が簡略化され、さらに低コスト化が図られる。
【００３０】
実施の形態５．
図５はこの発明の実施の形態５に係る燃料電池発電システムを説明する模式図である。なお、図５では、説明の便宜上、第２熱回収系統１０を省略している。
図５において、第１熱回収系統２０は、改質器１の低温部１ａの熱を回収する低温部熱回収系統２１と、改質器１の高温部１ｂの熱を回収する高温部熱回収系統２２とから構成されている。低温部熱回収系統２１は、貯湯槽７、第３循環ポンプ１２Ａおよび低温部熱交換器６Ａを配管により連結して閉回路に構成され、高温部熱回収系統２２は、貯湯槽７、第４循環ポンプ１２Ｂおよび高温部熱交換器６Ｂを配管により連結して閉回路に構成されている。ここで、低温部熱交換器６Ａは、例えば改質器１の低温部１ａに巻き付けられたパイプ等により構成され、高温部熱交換器６Ｂは、例えば改質器１の高温部１ｂに巻き付けられたパイプ等により構成されている。また、低温部１ａが改質器１の温度上昇が制約されている部位に相当する。
なお、他の構成は上記実施の形態３と同様に構成されている。
【００３１】
この実施の形態５では、制御部２６は、温度計２５を介して改質器１の低温部１ａの温度をモニターするように構成されている。そして、システムの運転中では、制御部２６は、上記実施の形態３と同様に、第１循環ポンプ１１を駆動して水７ａを第２熱回収系統１０内に循環させ、燃料電池３の廃熱および改質器１から排出される排出ガスの廃熱を熱回収する。
また、システムの停止後では、制御部２６は、第１循環ポンプ１１の駆動を停止するとともに、第３および第４循環ポンプ１２Ａ、１２Ｂを駆動する。そして、制御部２６は、低温部１ａの温度が所定温度を超えないように第３循環ポンプ１２Ａを間欠駆動し、水７ａを低温部熱回収系統２１内に循環させ、低温部１ａの熱を熱回収する。さらに、制御部２６は、第４循環ポンプ１２Ｂを連続駆動し、水７ａを高温部熱回収系統２２内に循環させ、高温部１ｂの熱を熱回収する。
さらに、システムの起動時には、制御部２６は、第３および第４循環ポンプ１２Ａ、１２Ｂを駆動して水７ａを低温部熱回収系統２１および高温部熱回収系統２２内に循環させ、改質器１の低温部１ａおよび高温部１ｂを加熱する。
【００３２】
従って、この実施の形態５によれば、第１熱回収系統２０が低温部熱回収系統２１と高温部熱回収系統２２とから構成されているので、改質器１の低温部１ａおよび高温部１ｂの温度を任意のプロファイルに設定することができる。
そこで、システムの停止時、第３循環ポンプ１２Ａを間欠駆動して、改質器１の低温部１ａの温度が設定温度を超えないように熱回収されているので、低温部１ａが設定温度を超えることに起因する改質性能の悪化が防止される。
また、改質器１の熱を回収する熱回収系統が低温部熱回収系統２１と高温部熱回収系統２２とから構成されているので、熱媒体が高温部１ｂの熱を熱回収した後、低温部１ａの熱回収に供せられることがない。そこで、高温部１ｂの熱を熱回収した熱媒体が低温部１ａとの間の熱交換で熱を損失することがなく、高温部１ｂの熱を効率よく熱回収することができる。
【００３３】
また、システムの起動時には、貯湯槽７内の水７ａを低温部熱回収系統２１および高温部熱回収系統２２内に循環させ、改質器１の低温部１ａおよび高温部１ｂを加熱するようになっているので、改質器１の起動が速やかに行われる。この時、低温部１ａは、構造上、燃焼部２による昇温がしにくくなっていることから、低温部熱回収系統２１による低温部１ａの加熱・昇温は改質器１を速やかに起動させる上で効果的である。
【００３４】
なお、上記実施の形態５において、制御部２６は、システムの運転中に、温度計２５の温度が設定温度より低い所定温度範囲内に入った時に第３循環ポンプ１２Ａを駆動し、低温部１ａと低温部熱交換器６Ａとの間で熱交換するように構成されてもよい。この場合、低温部１ａの温度がシステムの運転中に設定温度を超えないように制御され、低温部１ａが設定温度を超えることに起因する改質性能の悪化が防止され、より安定した運転が行える。
ここで、低温部１ａは、例えばＣＯ低減部中のシフト反応部である。また、低温部１ａは、シフト反応部にのみ限定されるものではなく、シフト反応部とＣＯ酸化部とを組み合わせたもの、シフト反応部とそれ以外のＣＯ低減機能を有するものとを組み合わせたものでもよい。
【００３５】
実施の形態６．
図６はこの発明の実施の形態６に係る燃料電池発電システムを説明する模式図である。なお、図６では、説明の便宜上、第２熱回収系統１０を省略している。
図６において、第１熱回収系統２０Ａは、改質器１の低温部１ａの熱を回収する低温部熱回収系統２１Ａと、改質器１の高温部１ｂの熱を回収する高温部熱回収系統２２Ａとから構成されている。低温部熱回収系統２１Ａは、貯湯槽７、第３循環ポンプ１２Ａ、第１遮断弁１７および低温部熱交換器６Ａを配管により連結して閉回路に構成され、高温部熱回収系統２２Ａは、貯湯槽７、第３循環ポンプ１２Ａ、第２遮断弁１８および高温部熱交換器６Ｂを配管により連結して閉回路に構成されている。
なお、他の構成は上記実施の形態５と同様に構成されている。
【００３６】
この実施の形態６では、制御部２６は、さらに第１および第２遮断弁１７、１８の開閉を制御するように構成されている。そして、システムの運転中では、制御部２６は、上記実施の形態５と同様に、第１循環ポンプ１１を駆動して水７ａを第２熱回収系統１０内に循環させ、燃料電池３の廃熱および改質器１から排出される排出ガスの廃熱を熱回収する。
また、システムの停止後では、制御部２６は、第１循環ポンプ１１の駆動を停止するとともに、第３循環ポンプ１２Ａを駆動する。そして、制御部２６は、低温部１ａの温度が所定温度を超えないように第１遮断弁１７を開閉させ、水７ａを低温部熱回収系統２１Ａ内を間欠的に循環させ、低温部１ａの熱を熱回収する。さらに、制御部２６は、第２遮断弁１８を開弁させ、水７ａを高温部熱回収系統２２Ａ内に循環させ、高温部１ｂの熱を熱回収する。
さらに、システムの起動時には、制御部２６は、第３循環ポンプ１２Ａを駆動して水７ａを低温部熱回収系統２１Ａおよび高温部熱回収系統２２Ｂ内に循環させ、改質器１の低温部１ａおよび高温部１ｂを加熱する。
【００３７】
従って、この実施の形態６によれば、上記実施の形態５の効果に加えて、第４循環ポンプ１２Ｂが不要となり、構成が簡略化され、低コスト化が図られる。
【００３８】
実施の形態７．
図７はこの発明の実施の形態７に係る燃料電池発電システムを説明する模式図、図８はこの発明の実施の形態７に係る燃料電池発電システムにおけるシステム停止後の自然放熱による複合改質器の温度プロファイルを説明する図、図９はこの発明の実施の形態７に係る燃料電池発電システムにおけるシフト反応触媒の活性寿命と運転温度との関係を説明する図である。なお、図７では、説明の便宜上、第２熱回収系統１０を省略している。
【００３９】
図７において、改質器３０は、改質反応部３１と、ＣＯ低減部３２とから構成されている複合改質器である。そして、第１熱回収系統としてのＣＯ低減部熱交換回路３３が、貯湯槽７、第５循環ポンプ１２ＣおよびＣＯ低減部熱交換器６Ｃを配管により連結して閉回路に構成されている。ここで、ＣＯ低減部熱交換器６Ｃは、例えば改質器３０のＣＯ低減部３２のシフト反応部の近傍に巻き付けられたパイプ等により構成されている。なお、ＣＯ低減部３２のシフト反応部は温度上昇が制約される部位に相当する。また、第１熱回収系統９Ｂが、貯湯槽７、第１循環ポンプ１２および第３熱交換器６を配管により連結して閉回路に構成されている。ここで、第３熱交換器６は、例えば改質器３０の改質反応部３１に巻き付けられたパイプ等により構成されている。なお、図示されていないが、改質器３０の排気ガスの廃熱を熱回収する第２熱回収系統が設けられている。
【００４０】
この実施の形態７では、制御部２６は、温度計２５を介して改質器３０のＣＯ低減部３２のシフト反応部の温度をモニターするように構成されている。そして、システムの運転中および停止中において、制御部２６は、ＣＯ低減部３２のシフト反応部の温度が設定温度となると第５循環ポンプ１２Ｃを間欠駆動し、ＣＯ低減部熱交換器６Ｃに水７ａを循環させて、ＣＯ低減部３２のシフト反応部とＣＯ低減部熱交換器６Ｃとの間で熱交換させ、ＣＯ低減部３２のシフト反応部の熱を回収し、ＣＯ低減部３２のシフト反応部の温度が所定温度を超えないように制御する。
【００４１】
また、システムの運転中では、制御部２６は、上記実施の形態３と同様に、第１循環ポンプ１１を駆動して水７ａを第２熱回収系統１０内に循環させ、燃料電池３の廃熱および改質器３０から排出される排出ガスの廃熱を熱回収する。
また、システムの停止後では、制御部２６は、第１循環ポンプ１１の駆動を停止するとともに、第１循環ポンプ１２を連続駆動し、水７ａを第１熱回収系統９Ｂ内に循環させ、改質反応部３１の熱を熱回収する。
さらに、システムの起動時には、制御部２６は、第１循環ポンプ１２を駆動して水７ａを第１熱回収系統９Ｂ内に循環させ、改質器３０の改質反応部３１を加熱する。
【００４２】
ここで、この燃料電池発電システムが停止した後自然放置状態におかれると、ＣＯ低減部３２のシフト反応部は、図８中Ａで示されるように、システム停止後、徐々に上昇し、その後徐々に下降する温度プロファイルを呈する。一方、改質反応部３１は、図８中Ｂで示されるように、システム停止後徐々に下降する温度プロファイルを呈する。
【００４３】
また、図９は、シフト反応触媒を単体試験装置において連続動作させてＣＯ転化率を測定した結果を示している。ここで、図９中、実線は反応部の温度を２３０℃に制御した場合のＣＯ転化率を示し、点線は反応部の温度を３００℃に制御した場合のＣＯ転化率を示し、二点鎖線は反応部の温度を４００℃に制御した場合のＣＯ転化率を示している。
図９から、ＣＯ低減部３２のシフト反応部の温度が２３０℃に維持されていると、ＣＯ転化率は連続動作時間に拘わらずほぼ一定の値を示すことが分かる。しかし、ＣＯ低減部３２のシフト反応部の温度が３００℃より高くなると、ＣＯ転化率は連続動作時間の経過とともに徐々に低下することが分かる。そして、ＣＯ低減部３２のシフト反応部の温度が４００℃となると、ＣＯ転化率は５００時間経過後急激に低下することが分かる。これは、ＣＯ低減部３２のシフト反応部の温度が３００℃以上となると、触媒活性が低下し、ＣＯ転化率が悪化したため、と推考される。そこで、ＣＯ低減部３２のシフト反応部の温度を３００℃未満、好ましくは２３０℃以下に制御することが必要となる。
【００４４】
従って、この実施の形態７によれば、ＣＯ低減部３２のシフト反応部と熱交換するＣＯ低減部熱交換回路３３を備え、制御部２６がＣＯ低減部３２のシフト反応部の温度をモニターし、ＣＯ低減部３２のシフト反応部が設定温度（例えば２３０℃）を超えるとＣＯ低減部熱交換回路３３に水７ａを循環させてＣＯ低減部３２のシフト反応部の熱を回収するように構成されているので、システムの停止中および運転中に、ＣＯ低減部３２のシフト反応部の温度が設定温度（例えば２３０℃）を超えないように制御される。
そこで、システム運転中に、ＣＯ低減部３２のシフト反応部の温度の温度が高くなって触媒の活性が低下し、ＣＯ濃度の高い改質ガスを燃料電池３に提供して、燃料電池３の出力を低下させるような不具合も未然に防止される。その結果、安定した出力が得られる燃料電池発電システムを実現できる。
また、ＣＯ低減部３２のシフト反応部の温度が過度に上昇している時にシステムを再起動すると、ＣＯ濃度を十分に低減できず、システムを安定して運転できなくなる。しかし、この実施の形態７では、システム停止中、ＣＯ低減部３２のシフト反応部の温度上昇が抑えられているので、システムを速やかに再起動できるとともに、システムを安定して運転できるようになる。
【００４５】
また、システム運転中では、燃料電池３からの廃熱および改質器３０から排出される排ガスから廃熱を回収するとともに、システム停止後で、従来無駄に放熱されていた改質器３０の改質反応部３１の熱を回収するようにしているので、総合熱効率の高い燃料電池発電システムが実現される。
また、システムの起動時に、貯湯槽７に蓄熱されている熱を改質器３０の改質反応部３１に供給するようにしているので、システムの起動が速やかに行われる。
【００４６】
なお、上記実施の形態７では、第１熱回収系統として、改質器３０の改質反応部３１の熱を回収する第１熱回収系統９Ｂと、ＣＯ低減部３２のシフト反応部の熱を回収するＣＯ低減部熱交換回路３３とを設けるものとしているが、第１熱回収系統として、ＣＯ低減部３２のシフト反応部の熱を回収するＣＯ低減部熱交換回路３３のみを設けるようにしてもよい。
この場合、システム運転中およびシステム停止後に、ＣＯ低減部３２のシフト反応部の温度が設定温度より高くなると、ＣＯ低減部熱交換回路３３に水７ａを循環させてＣＯ低減部３２のシフト反応部の熱を回収し、ＣＯ低減部３２のシフト反応部の温度が設定温度となると、ＣＯ低減部熱交換回路３３への水７ａの循環を停止させることになる。これにより、ＣＯ低減部３２のシフト反応部の熱を有効に回収することができ、さらにＣＯ低減部３２のシフト反応部の温度が設定温度に維持されるので、システムの速やかな再起動が可能となり、ＣＯ濃度の高い改質ガスを燃料電池３に提供することもなく、安定した出力が得られる。
【００４７】
【発明の効果】
この発明は、以上説明したように、炭化水素系燃料又はアルコール類から水素を主成分とする改質ガスを生成する改質器と、上記改質ガス中の水素と別途供給された酸素との化学反応によって電気を出力する燃料電池と、上記改質器に設置された熱交換器により熱を回収する第１熱回収系統と、システムの停止後に、上記第１熱回収系統に熱媒体を循環させて上記改質器を冷却しながら熱を回収させる制御部とを備えているので、総合熱効率の高い燃料電池発電システムが実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係る燃料電池発電システムを説明するための模式図である。
【図２】この発明の実施の形態２に係る燃料電池発電システムを説明するための模式図である。
【図３】この発明の実施の形態３に係る燃料電池発電システムを説明するための模式図である。
【図４】この発明の実施の形態４に係る燃料電池発電システムを説明するための模式図である。
【図５】この発明の実施の形態５に係る燃料電池発電システムを説明するための模式図である。
【図６】この発明の実施の形態６に係る燃料電池発電システムを説明するための模式図である。
【図７】この発明の実施の形態７に係る燃料電池発電システムを説明するための模式図である。
【図８】この発明の実施の形態７に係る燃料電池発電システムにおけるシステム停止後の自然放熱による複合改質器の温度プロファイルを説明する図である。
【図９】この発明の実施の形態７に係る燃料電池発電システムにおけるシフト反応触媒の活性寿命と運転温度との関係を説明する図である。
【符号の説明】
１、３０ 改質器、３ 燃料電池、７ 貯湯槽、７ａ 水、９、９Ａ、９Ｂ、９Ｃ、２０ 第１熱回収系統、１０、１０Ａ 第２熱回収系統、２６ 制御部、３１ 改質反応部、３２ ＣＯ低減部（温度上昇が制約される部位）、３３ ＣＯ低減部熱交換回路（第１熱回収系統）。
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池発電システムに関し、特に、改質器の冷却機構を備えた燃料電池発電システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池発電システムは、システム運転中において、燃料電池からの廃熱や改質器から排出されるガスから廃熱を回収し、熱回収された廃熱を蓄熱タンクに蓄熱し、この蓄熱を利用して給湯や暖房に行うように構成されていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−９７０４４号公報（図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この従来の燃料電池発電システムでは、運転中のシステム廃熱のみを回収・利用しているので、システム停止後の改質器の熱が放熱されてしまい、起動停止を含めた総合熱効率が低下するという課題があった。
【０００５】
この発明は、上記の課題を解消するためになされたもので、システム停止後の改質器の熱を回収し、総合熱効率を高めた燃料電池発電システムを提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る燃料電池発電システムは、炭化水素系燃料又はアルコール類から水素を主成分とする改質ガスを生成する改質器と、上記改質ガス中の水素と別途供給された酸素との化学反応によって電気を出力する燃料電池と、上記改質器に設置された熱交換器により熱を回収する第１熱回収系統と、システムの停止後に、上記第１熱回収系統に熱媒体を循環させて上記改質器を冷却しながら熱を回収させる制御部とを備えたものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る燃料電池発電システムを説明するための模式図である。
【０００８】
図１において、改質器１は、原燃料とスチームとから水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成するように構成されている。そして、この水蒸気改質反応には高温での触媒反応が必要となるため、燃焼器２で燃料を燃焼させ、改質器１を加熱するようになっている。ここで、原燃料としては、炭化水素系の気体、液体や固体、またメタノール系のアルコール燃料が用いられる。
燃料電池３は、改質ガスが改質器１から燃料極に供給され、空気が空気極に供給されて、電力を発生するように構成されている。そして、燃料極に供給された改質ガスの排ガスが燃焼器２に供給され、燃焼器２で燃焼されて、改質器１を加熱するようになっている。
【０００９】
第１熱交換器４は、燃料電池３に配設され、燃料電池３の廃熱を回収するためのものであり、例えば燃料電池３を構成する冷却板等により構成されている。第２熱交換器５は、改質器１の排ガス配管に配設され、改質器１の排ガスから廃熱を回収するためのものであり、例えば改質器１の排ガス配管に巻き付けられたパイプ等により構成されている。第３熱交換器６は、改質器１の本体に配設され、改質器１の熱を回収するためのものであり、例えば改質器１の本体に巻き付けられたパイプ等により構成されている。
貯湯槽７は、水７ａを充填して構成され、改質器１および燃料電池３から回収された熱をお湯として蓄熱するものである。また、第４熱交換器８が貯湯槽７内に配設されている。
【００１０】
第１熱回収系統９は、第３熱交換器６および第４熱交換器８を配管により連結して閉回路に構成されている。そして、第２循環ポンプ１２が、第１熱回収系統９の回路中に配設され、熱媒体を第１熱回収系統９内に循環させるようになっている。ここで、熱媒体には、例えばエチレングリコールやプロピレングリコール等が用いられる。
第２熱回収系統１０は、貯湯槽７、第１熱交換器４および第２熱交換器５を配管により連結して閉回路に構成されている。そして、第１循環ポンプ１１が、第２熱回収系統１０の回路中に配設され、水７ａを第２熱回収系統１０内に循環させるようになっている。
制御部２６は、システムの運転状態をモニターし、かつ、改質器１の温度を温度計２５を介してモニターし、システムが運転中の時にのみ、第１循環ポンプ１１を駆動するとともに、システムの停止後、改質器１の温度が所定温度（Ｔ１）以下となるまで第２循環ポンプ１２を駆動するように構成されている。
【００１１】
つぎに、このように構成された燃料電池発電システムの動作について説明する。
まず、燃料及び空気が燃焼器２に供給・燃焼される。これにより、改質器１が触媒反応に必要な温度まで加熱される。そこで、炭化水素およびスチームが改質器１に供給され、炭化水素が水素リッチな改質ガスに改質される。
ついで、改質ガスが燃料電池３の燃料極に供給され、空気が燃料電池３の空気極に供給されて、電力が発生される。そして、燃料極に供給された改質ガスの排ガスが燃焼器２に供給され、燃焼器２で燃焼されて、改質器１の加熱に供せられる。
【００１２】
そして、制御部２６が、システムの運転を認識すると、第１循環ポンプ１１を駆動し、水７ａを第２熱回収系統１０内に循環させる。そこで、水７ａは第１熱交換器４で燃料電池３と熱交換されて暖められ、さらに第２熱交換器５で改質器１の排ガスと熱交換して暖められた後、貯湯槽７に戻される。これにより、燃料電池３および改質器１の廃熱が熱回収され、貯湯槽７内の水７ａを温水とすることで蓄熱される。
また、制御部２６が、システムの停止を認識すると、第１循環ポンプ１１の駆動を停止し、第２循環ポンプ１２を駆動して、熱媒体を第１熱回収系統９内に循環させる。そこで、熱媒体は第３熱交換器６で改質器１と熱交換されて暖められた後、貯湯槽７に戻され、第４熱交換器８で水７ａと熱交換して冷やされる。これにより、改質器１の本体の熱が熱回収され、貯湯槽７内の水７ａを温水とすることで蓄熱される。この時、制御部２６は、温度計２５を介して改質器１の温度をモニターし、改質器１の温度が所定温度（Ｔ１）に下がるまで第２循環ポンプ１２を駆動する。
そして、この貯湯槽７に蓄熱されている温水は、給湯や暖房に供せられる。
【００１３】
さらに、システムの起動時には、制御部２６は、第２循環ポンプ１２を逆方向駆動して、熱媒体を第１熱回収系統９内に逆向きに循環させる。第４熱交換器８は貯湯槽７の高温部（上方）から低温部（下方）まで付設されており、改質器１からの熱回収時には、熱媒体が貯湯槽７に高温部から入り低温部から出るが、これが逆向きとなることにより、高温の熱媒体を貯湯槽７から取り出すことが可能となる。これにより、貯湯槽７に蓄熱されている熱が熱媒体を介して改質器１の本体に供給され、改質器１の温度を上昇させることができる。そこで、改質器１の起動時間を短縮することができ、起動が速やかに行われるようになる。なお、システムの停止とは発電の停止を意味し、改質器の停止とほぼ同じである。また、システムの起動とは改質器の起動とほぼ同じである。
【００１４】
このように、この実施の形態１では、システム停止後に、改質器１の本体の熱を回収するようにしているので、従来無駄に放熱されていた改質器１の本体の熱を有効に利用でき、総合効率が高くなる。
また、システム運転中に、燃料電池３からの廃熱および改質器１から排出される排ガスから廃熱を回収し、システム停止後に、改質器１の本体の熱を回収するようにしているので、総合熱効率の高い燃料電池発電システムが実現される。
また、システムの起動時に、貯湯槽７に蓄熱されている熱を改質器１の本体に供給するようにしているので、システムの起動が速やかに行われる。
【００１５】
ここで、１ｋＷ級のシステムの場合、起動時にシステムに投入する都市ガスの熱量は約１．３ｋＷであり、毎日起動・停止を繰り返して８時間の定格動作（廃熱回収を１．３ｋＷと仮定）をする運用を想定すると、この燃料電池発電システムを採用することにより、廃熱回収熱量は１０．４ｋＷから１１．７ｋＷに増加することになる。その結果、廃熱海流効率を１３％高く運用できることになる。
【００１６】
なお、上記実施の形態１では、制御部２６は、改質器１の本体の温度が所定温度（Ｔ１）まで下がるまで第２循環ポンプ１２を駆動するように制御するものとしているが、所定温度（Ｔ１）は燃料電池発電システムの運転パターンによって変更可能となっている。つまり、システムが停止してから数日経過後に再起動されるような場合には、改質器１の本体の熱を十分に熱回収できるように、所定温度（Ｔ１）を低く設定することになる。一方、システムが停止して直ぐに再起動されるような場合には、所定温度（Ｔ１）を高く設定することになる。これにより、熱回収が抑えられ、改質器１の本体の温度が高く維持され、改質器１の再起動が速やかに行われることになる。
【００１７】
また、上記実施の形態１では、改質器１の本体の温度が所定温度（Ｔ１）まで下がるまで駆動するように第２循環ポンプ１２を制御するものとしているが、貯湯槽７内の水７ａの温度が所定温度（Ｔ２）まで上昇するまで駆動するように第２循環ポンプ１２を制御してもよい。この場合、貯湯槽７内に温度計を配設し、制御部２６がこの温度計を介して貯湯槽７内の水７ａの温度をモニターするようにすればよい。この時、温度計を貯湯槽７内に複数配設すれば、貯湯槽７内の温度分布を考慮した熱回収を行うことができる。また、所定温度（Ｔ２）は燃料電池発電システムの運転パターンによって変更可能としてもよい。
【００１８】
また、上記実施の形態１では、改質器１の本体の温度が所定温度（Ｔ１）まで下がるまで駆動するように第２循環ポンプ１２を制御するものとしているが、システム停止後から所定時間（ｔ１）の間駆動するように第２循環ポンプ１２を制御してもよい。この場合、第２循環ポンプ１２の制御が容易となる。また、所定時間（ｔ１）は燃料電池発電システムの運転パターンによって変更可能としてもよい。
【００１９】
また、上記実施の形態１では、第４熱交換器８が貯湯槽７内に設置されるものとしているが、第４熱交換器８は必ずしも貯湯槽７内に設置される必要はなく、例えば暖房機内に設置されてもよい。
また、上記実施の形態１では、第２熱回収系統１０は燃料電池３および改質器１の排ガスから熱を回収するものとしているが、第２熱回収系統１０は燃料電池３および改質器１の排ガスの一方から熱を回収するように構成してもよい。
【００２０】
実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２に係る燃料電池発電システムを説明するための模式図である。
図２において、第１および第２三方弁１３、１４が第１熱回収系統９Ａの経路中に配設されている。そして、熱媒体タンク１５が第１および第２三方弁１３、１４に配管を介して連結されている。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００２１】
この実施の形態２では、制御部２６は、システムの起動・運転を認識すると、第１三方弁１３の第３熱交換器６側と熱媒体タンク１５側とを開弁するように制御し、かつ、第２三方弁１４の第４熱交換器８側と熱媒体タンク１５側とを開弁するように制御する。これにより、熱媒体１５ａは第１熱回収系統９Ａから熱媒体タンク１５内に流れ込み、第１熱回収系統９Ａ内は空になる。
また、制御部２６は、システムの停止を認識すると、第２循環ポンプ１２を駆動する。これにより、熱媒体タンク１５内に貯液されている熱媒体１５ａが第１熱回収系統９Ａ内に導入される。そして、制御部２６は、第２循環ポンプ１２の駆動後、所定時間経過した後、第１三方弁１３および第２三方弁１４の熱媒体タンク１５ｂ側を閉弁するように制御する。これにより、熱媒体１５ａが、第１熱回収系統９Ａ内に充満され、第１熱回収系統９Ａ内を循環され、改質器１の本体の熱を回収する。そして、改質器１の温度が所定温度（Ｔ１）まで下がると、第２循環ポンプ１２の駆動が停止される。
なお、第２熱回収系統１０は、上記実施の形態１と同様に動作する。
【００２２】
従って、この実施の形態２によれば、上記実施の形態１の効果に加えて、システムの起動・運転中において、熱媒体が第１熱回収系統９Ａ内から排出されているので、熱媒体が第１熱回収系統９Ａ内に充填されていることに起因する改質器１の熱容量の増大が抑えられる。そこで、起動後の改質器１の昇温に必要な熱量の増大が抑えられ、少ない熱量で改質器１を所望温度まで速やかに昇温させることができる。また、システム運転時においても、改質器１と熱媒体との間の熱交換がなく、改質器１の温度の低下が抑えられる。その結果、燃焼器２に供給される燃料を低減することができ、低コスト化が図られる。
【００２３】
実施の形態３．
図３はこの発明の実施の形態３に係る燃料電池発電システムを説明する模式図である。
図３において、第１熱回収系統９Ｂは、貯湯槽７および第３熱交換器６を配管により連結して閉回路に構成されている。そして、熱媒体として水７ａを用いている。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００２４】
この実施の形態３では、システムの運転中では、水７ａが第１循環ポンプ１１により第２熱回収系統１０内を循環して熱回収し、システムの停止後では、水７ａが第２循環ポンプ１２により第１熱回収系統９Ｂ内を循環して熱回収する。さらに、システムの起動時には、水７ａが第２循環ポンプ１２により第１熱回収系統９Ｂ内を循環して、改質器１の本体が加熱される。
【００２５】
従って、この実施の形態３によれば、上記実施の形態１の効果に加えて、熱媒体として水７ａを用いているので、第４熱交換器８が不要となり、構成が簡略化され、低コスト化が図られる。
【００２６】
なお、この実施の形態３では、システムの起動時には、水７ａを第２循環ポンプ１２により第１熱回収系統９Ｂ内を循環させるものとしているが、第１熱回収系統９Ｂの第３熱交換器６と第２循環ポンプ１２との経路中に例えば三方弁を設置し、システムの起動・運転の際に、三方弁の第３熱交換器６側および外部側を開弁し、第１熱回収系統９Ｂの第３熱交換器６内の水７ａ（熱媒体）を排出するようにしてもよい。これにより、システムの起動・運転中に、水７ａが第１熱回収系統９Ｂの第３熱交換器６内に充填されていることに起因する改質器１の熱容量の増大が抑えられるので、上記実施の形態２と同様に効果が得られる。この場合、システムの停止時に、三方弁の第３熱交換器６側および第２循環ポンプ１２側を開弁し、水７ａを第２循環ポンプ６により第１熱回収系統９Ｂ内を循環させて熱回収させることになる。そして、三方弁からの水７ａの排出分を貯湯槽７に給水するようにすればよい。
【００２７】
実施の形態４．
図４はこの発明の実施の形態４に係る燃料電池発電システムを説明する模式図である。
図４において、第１循環ポンプ１１が第２熱回収系統１０の貯湯槽７と第１熱交換器４と間の経路中に配設され、流路切替弁としての三方弁１６が第１循環ポンプ１１と第１熱交換器４との間の経路中に配設されている。つまり、第２熱回収系統１０Ａが、貯湯槽７、第１循環ポンプ１１、三方弁１６、第１熱交換器４および第２熱交換器５を配管により連結して閉回路に構成されている。また、第１熱回収系統９Ｃが、貯湯槽７、第１循環ポンプ１１、三方弁１６および第３熱交換器６を配管により連結して閉回路に構成されている。
なお、他の構成は上記実施の形態３と同様に構成されている。
【００２８】
この実施の形態４では、制御部２６は、システムの運転中では、三方弁１６の第１循環ポンプ１１側と第１熱交換器４側とを開弁するように三方弁１６を制御し、システムの停止後、三方弁１６の第１循環ポンプ１１側と第３熱交換器６側とを開弁するように三方弁１６を制御している。
そこで、システムの運転中では、水７ａが第１循環ポンプ１１により第２熱回収系統１０Ａ内を循環して熱回収し、システムの停止後では、水７ａが第１循環ポンプ１１により第１熱回収系統９Ｃ内を循環して熱回収する。
さらに、システムの起動時には、水７ａが第２循環ポンプ１２により第１熱回収系統９Ｃ内を循環して、改質器１の本体が加熱される。
【００２９】
従って、この実施の形態４によれば、上記実施の形態３の効果に加えて、第１循環ポンプ１１が第１および第２熱回収系統９Ｃ、１０Ａの水７ａの駆動用として共用されているので、第２循環ポンプ１２が不要となり、構成が簡略化され、さらに低コスト化が図られる。
【００３０】
実施の形態５．
図５はこの発明の実施の形態５に係る燃料電池発電システムを説明する模式図である。なお、図５では、説明の便宜上、第２熱回収系統１０を省略している。
図５において、第１熱回収系統２０は、改質器１の低温部１ａの熱を回収する低温部熱回収系統２１と、改質器１の高温部１ｂの熱を回収する高温部熱回収系統２２とから構成されている。低温部熱回収系統２１は、貯湯槽７、第３循環ポンプ１２Ａおよび低温部熱交換器６Ａを配管により連結して閉回路に構成され、高温部熱回収系統２２は、貯湯槽７、第４循環ポンプ１２Ｂおよび高温部熱交換器６Ｂを配管により連結して閉回路に構成されている。ここで、低温部熱交換器６Ａは、例えば改質器１の低温部１ａに巻き付けられたパイプ等により構成され、高温部熱交換器６Ｂは、例えば改質器１の高温部１ｂに巻き付けられたパイプ等により構成されている。また、低温部１ａが改質器１の温度上昇が制約されている部位に相当する。
なお、他の構成は上記実施の形態３と同様に構成されている。
【００３１】
この実施の形態５では、制御部２６は、温度計２５を介して改質器１の低温部１ａの温度をモニターするように構成されている。そして、システムの運転中では、制御部２６は、上記実施の形態３と同様に、第１循環ポンプ１１を駆動して水７ａを第２熱回収系統１０内に循環させ、燃料電池３の廃熱および改質器１から排出される排出ガスの廃熱を熱回収する。
また、システムの停止後では、制御部２６は、第１循環ポンプ１１の駆動を停止するとともに、第３および第４循環ポンプ１２Ａ、１２Ｂを駆動する。そして、制御部２６は、低温部１ａの温度が所定温度を超えないように第３循環ポンプ１２Ａを間欠駆動し、水７ａを低温部熱回収系統２１内に循環させ、低温部１ａの熱を熱回収する。さらに、制御部２６は、第４循環ポンプ１２Ｂを連続駆動し、水７ａを高温部熱回収系統２２内に循環させ、高温部１ｂの熱を熱回収する。
さらに、システムの起動時には、制御部２６は、第３および第４循環ポンプ１２Ａ、１２Ｂを駆動して水７ａを低温部熱回収系統２１および高温部熱回収系統２２内に循環させ、改質器１の低温部１ａおよび高温部１ｂを加熱する。
【００３２】
従って、この実施の形態５によれば、第１熱回収系統２０が低温部熱回収系統２１と高温部熱回収系統２２とから構成されているので、改質器１の低温部１ａおよび高温部１ｂの温度を任意のプロファイルに設定することができる。
そこで、システムの停止時、第３循環ポンプ１２Ａを間欠駆動して、改質器１の低温部１ａの温度が設定温度を超えないように熱回収されているので、低温部１ａが設定温度を超えることに起因する改質性能の悪化が防止される。
また、改質器１の熱を回収する熱回収系統が低温部熱回収系統２１と高温部熱回収系統２２とから構成されているので、熱媒体が高温部１ｂの熱を熱回収した後、低温部１ａの熱回収に供せられることがない。そこで、高温部１ｂの熱を熱回収した熱媒体が低温部１ａとの間の熱交換で熱を損失することがなく、高温部１ｂの熱を効率よく熱回収することができる。
【００３３】
また、システムの起動時には、貯湯槽７内の水７ａを低温部熱回収系統２１および高温部熱回収系統２２内に循環させ、改質器１の低温部１ａおよび高温部１ｂを加熱するようになっているので、改質器１の起動が速やかに行われる。この時、低温部１ａは、構造上、燃焼部２による昇温がしにくくなっていることから、低温部熱回収系統２１による低温部１ａの加熱・昇温は改質器１を速やかに起動させる上で効果的である。
【００３４】
なお、上記実施の形態５において、制御部２６は、システムの運転中に、温度計２５の温度が設定温度より低い所定温度範囲内に入った時に第３循環ポンプ１２Ａを駆動し、低温部１ａと低温部熱交換器６Ａとの間で熱交換するように構成されてもよい。この場合、低温部１ａの温度がシステムの運転中に設定温度を超えないように制御され、低温部１ａが設定温度を超えることに起因する改質性能の悪化が防止され、より安定した運転が行える。
ここで、低温部１ａは、例えばＣＯ低減部中のシフト反応部である。また、低温部１ａは、シフト反応部にのみ限定されるものではなく、シフト反応部とＣＯ酸化部とを組み合わせたもの、シフト反応部とそれ以外のＣＯ低減機能を有するものとを組み合わせたものでもよい。
【００３５】
実施の形態６．
図６はこの発明の実施の形態６に係る燃料電池発電システムを説明する模式図である。なお、図６では、説明の便宜上、第２熱回収系統１０を省略している。
図６において、第１熱回収系統２０Ａは、改質器１の低温部１ａの熱を回収する低温部熱回収系統２１Ａと、改質器１の高温部１ｂの熱を回収する高温部熱回収系統２２Ａとから構成されている。低温部熱回収系統２１Ａは、貯湯槽７、第３循環ポンプ１２Ａ、第１遮断弁１７および低温部熱交換器６Ａを配管により連結して閉回路に構成され、高温部熱回収系統２２Ａは、貯湯槽７、第３循環ポンプ１２Ａ、第２遮断弁１８および高温部熱交換器６Ｂを配管により連結して閉回路に構成されている。
なお、他の構成は上記実施の形態５と同様に構成されている。
【００３６】
この実施の形態６では、制御部２６は、さらに第１および第２遮断弁１７、１８の開閉を制御するように構成されている。そして、システムの運転中では、制御部２６は、上記実施の形態５と同様に、第１循環ポンプ１１を駆動して水７ａを第２熱回収系統１０内に循環させ、燃料電池３の廃熱および改質器１から排出される排出ガスの廃熱を熱回収する。
また、システムの停止後では、制御部２６は、第１循環ポンプ１１の駆動を停止するとともに、第３循環ポンプ１２Ａを駆動する。そして、制御部２６は、低温部１ａの温度が所定温度を超えないように第１遮断弁１７を開閉させ、水７ａを低温部熱回収系統２１Ａ内を間欠的に循環させ、低温部１ａの熱を熱回収する。さらに、制御部２６は、第２遮断弁１８を開弁させ、水７ａを高温部熱回収系統２２Ａ内に循環させ、高温部１ｂの熱を熱回収する。
さらに、システムの起動時には、制御部２６は、第３循環ポンプ１２Ａを駆動して水７ａを低温部熱回収系統２１Ａおよび高温部熱回収系統２２Ｂ内に循環させ、改質器１の低温部１ａおよび高温部１ｂを加熱する。
【００３７】
従って、この実施の形態６によれば、上記実施の形態５の効果に加えて、第４循環ポンプ１２Ｂが不要となり、構成が簡略化され、低コスト化が図られる。
【００３８】
実施の形態７．
図７はこの発明の実施の形態７に係る燃料電池発電システムを説明する模式図、図８はこの発明の実施の形態７に係る燃料電池発電システムにおけるシステム停止後の自然放熱による複合改質器の温度プロファイルを説明する図、図９はこの発明の実施の形態７に係る燃料電池発電システムにおけるシフト反応触媒の活性寿命と運転温度との関係を説明する図である。なお、図７では、説明の便宜上、第２熱回収系統１０を省略している。
【００３９】
図７において、改質器３０は、改質反応部３１と、ＣＯ低減部３２とから構成されている複合改質器である。そして、第１熱回収系統としてのＣＯ低減部熱交換回路３３が、貯湯槽７、第５循環ポンプ１２ＣおよびＣＯ低減部熱交換器６Ｃを配管により連結して閉回路に構成されている。ここで、ＣＯ低減部熱交換器６Ｃは、例えば改質器３０のＣＯ低減部３２のシフト反応部の近傍に巻き付けられたパイプ等により構成されている。なお、ＣＯ低減部３２のシフト反応部は温度上昇が制約される部位に相当する。また、第１熱回収系統９Ｂが、貯湯槽７、第１循環ポンプ１２および第３熱交換器６を配管により連結して閉回路に構成されている。ここで、第３熱交換器６は、例えば改質器３０の改質反応部３１に巻き付けられたパイプ等により構成されている。なお、図示されていないが、改質器３０の排気ガスの廃熱を熱回収する第２熱回収系統が設けられている。
【００４０】
この実施の形態７では、制御部２６は、温度計２５を介して改質器３０のＣＯ低減部３２のシフト反応部の温度をモニターするように構成されている。そして、システムの運転中および停止中において、制御部２６は、ＣＯ低減部３２のシフト反応部の温度が設定温度となると第５循環ポンプ１２Ｃを間欠駆動し、ＣＯ低減部熱交換器６Ｃに水７ａを循環させて、ＣＯ低減部３２のシフト反応部とＣＯ低減部熱交換器６Ｃとの間で熱交換させ、ＣＯ低減部３２のシフト反応部の熱を回収し、ＣＯ低減部３２のシフト反応部の温度が所定温度を超えないように制御する。
【００４１】
また、システムの運転中では、制御部２６は、上記実施の形態３と同様に、第１循環ポンプ１１を駆動して水７ａを第２熱回収系統１０内に循環させ、燃料電池３の廃熱および改質器３０から排出される排出ガスの廃熱を熱回収する。
また、システムの停止後では、制御部２６は、第１循環ポンプ１１の駆動を停止するとともに、第１循環ポンプ１２を連続駆動し、水７ａを第１熱回収系統９Ｂ内に循環させ、改質反応部３１の熱を熱回収する。
さらに、システムの起動時には、制御部２６は、第１循環ポンプ１２を駆動して水７ａを第１熱回収系統９Ｂ内に循環させ、改質器３０の改質反応部３１を加熱する。
【００４２】
ここで、この燃料電池発電システムが停止した後自然放置状態におかれると、ＣＯ低減部３２のシフト反応部は、図８中Ａで示されるように、システム停止後、徐々に上昇し、その後徐々に下降する温度プロファイルを呈する。一方、改質反応部３１は、図８中Ｂで示されるように、システム停止後徐々に下降する温度プロファイルを呈する。
【００４３】
また、図９は、シフト反応触媒を単体試験装置において連続動作させてＣＯ転化率を測定した結果を示している。ここで、図９中、実線は反応部の温度を２３０℃に制御した場合のＣＯ転化率を示し、点線は反応部の温度を３００℃に制御した場合のＣＯ転化率を示し、二点鎖線は反応部の温度を４００℃に制御した場合のＣＯ転化率を示している。
図９から、ＣＯ低減部３２のシフト反応部の温度が２３０℃に維持されていると、ＣＯ転化率は連続動作時間に拘わらずほぼ一定の値を示すことが分かる。しかし、ＣＯ低減部３２のシフト反応部の温度が３００℃より高くなると、ＣＯ転化率は連続動作時間の経過とともに徐々に低下することが分かる。そして、ＣＯ低減部３２のシフト反応部の温度が４００℃となると、ＣＯ転化率は５００時間経過後急激に低下することが分かる。これは、ＣＯ低減部３２のシフト反応部の温度が３００℃以上となると、触媒活性が低下し、ＣＯ転化率が悪化したため、と推考される。そこで、ＣＯ低減部３２のシフト反応部の温度を３００℃未満、好ましくは２３０℃以下に制御することが必要となる。
【００４４】
従って、この実施の形態７によれば、ＣＯ低減部３２のシフト反応部と熱交換するＣＯ低減部熱交換回路３３を備え、制御部２６がＣＯ低減部３２のシフト反応部の温度をモニターし、ＣＯ低減部３２のシフト反応部が設定温度（例えば２３０℃）を超えるとＣＯ低減部熱交換回路３３に水７ａを循環させてＣＯ低減部３２のシフト反応部の熱を回収するように構成されているので、システムの停止中および運転中に、ＣＯ低減部３２のシフト反応部の温度が設定温度（例えば２３０℃）を超えないように制御される。
そこで、システム運転中に、ＣＯ低減部３２のシフト反応部の温度の温度が高くなって触媒の活性が低下し、ＣＯ濃度の高い改質ガスを燃料電池３に提供して、燃料電池３の出力を低下させるような不具合も未然に防止される。その結果、安定した出力が得られる燃料電池発電システムを実現できる。
また、ＣＯ低減部３２のシフト反応部の温度が過度に上昇している時にシステムを再起動すると、ＣＯ濃度を十分に低減できず、システムを安定して運転できなくなる。しかし、この実施の形態７では、システム停止中、ＣＯ低減部３２のシフト反応部の温度上昇が抑えられているので、システムを速やかに再起動できるとともに、システムを安定して運転できるようになる。
【００４５】
また、システム運転中では、燃料電池３からの廃熱および改質器３０から排出される排ガスから廃熱を回収するとともに、システム停止後で、従来無駄に放熱されていた改質器３０の改質反応部３１の熱を回収するようにしているので、総合熱効率の高い燃料電池発電システムが実現される。
また、システムの起動時に、貯湯槽７に蓄熱されている熱を改質器３０の改質反応部３１に供給するようにしているので、システムの起動が速やかに行われる。
【００４６】
なお、上記実施の形態７では、第１熱回収系統として、改質器３０の改質反応部３１の熱を回収する第１熱回収系統９Ｂと、ＣＯ低減部３２のシフト反応部の熱を回収するＣＯ低減部熱交換回路３３とを設けるものとしているが、第１熱回収系統として、ＣＯ低減部３２のシフト反応部の熱を回収するＣＯ低減部熱交換回路３３のみを設けるようにしてもよい。
この場合、システム運転中およびシステム停止後に、ＣＯ低減部３２のシフト反応部の温度が設定温度より高くなると、ＣＯ低減部熱交換回路３３に水７ａを循環させてＣＯ低減部３２のシフト反応部の熱を回収し、ＣＯ低減部３２のシフト反応部の温度が設定温度となると、ＣＯ低減部熱交換回路３３への水７ａの循環を停止させることになる。これにより、ＣＯ低減部３２のシフト反応部の熱を有効に回収することができ、さらにＣＯ低減部３２のシフト反応部の温度が設定温度に維持されるので、システムの速やかな再起動が可能となり、ＣＯ濃度の高い改質ガスを燃料電池３に提供することもなく、安定した出力が得られる。
【００４７】
【発明の効果】
この発明は、以上説明したように、炭化水素系燃料又はアルコール類から水素を主成分とする改質ガスを生成する改質器と、上記改質ガス中の水素と別途供給された酸素との化学反応によって電気を出力する燃料電池と、上記改質器に設置された熱交換器により熱を回収する第１熱回収系統と、システムの停止後に、上記第１熱回収系統に熱媒体を循環させて上記改質器を冷却しながら熱を回収させる制御部とを備えているので、総合熱効率の高い燃料電池発電システムが実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係る燃料電池発電システムを説明するための模式図である。
【図２】この発明の実施の形態２に係る燃料電池発電システムを説明するための模式図である。
【図３】この発明の実施の形態３に係る燃料電池発電システムを説明するための模式図である。
【図４】この発明の実施の形態４に係る燃料電池発電システムを説明するための模式図である。
【図５】この発明の実施の形態５に係る燃料電池発電システムを説明するための模式図である。
【図６】この発明の実施の形態６に係る燃料電池発電システムを説明するための模式図である。
【図７】この発明の実施の形態７に係る燃料電池発電システムを説明するための模式図である。
【図８】この発明の実施の形態７に係る燃料電池発電システムにおけるシステム停止後の自然放熱による複合改質器の温度プロファイルを説明する図である。
【図９】この発明の実施の形態７に係る燃料電池発電システムにおけるシフト反応触媒の活性寿命と運転温度との関係を説明する図である。
【符号の説明】
１、３０ 改質器、３ 燃料電池、７ 貯湯槽、７ａ 水、９、９Ａ、９Ｂ、９Ｃ、２０ 第１熱回収系統、１０、１０Ａ 第２熱回収系統、２６ 制御部、３１ 改質反応部、３２ ＣＯ低減部（温度上昇が制約される部位）、３３ ＣＯ低減部熱交換回路（第１熱回収系統）。
Claims (13)
- 炭化水素系燃料又はアルコール類から水素を主成分とする改質ガスを生成する改質器と、上記改質ガス中の水素と別途供給された酸素との化学反応によって電気を出力する燃料電池と、上記改質器に設置された熱交換器により熱を回収する第１熱回収系統と、システムの停止後に、上記第１熱回収系統に熱媒体を循環させて上記改質器を冷却しながら熱を回収させる制御部とを備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
- 貯湯槽を備え、上記第１熱回収系統を循環する上記熱媒体が上記貯湯槽内の水と熱交換して熱回収されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム。
- 貯湯槽を備え、上記第１熱回収系統を循環する上記熱媒体が上記貯湯槽内の水であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム。
- 上記第１熱回収系統は、システムの運転中、上記熱媒体が上記熱交換器から排出されるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
- 上記第１熱回収系統は、それぞれ上記熱媒体が独立して循環され、上記改質器の異なる部位から熱回収する複数の熱回収系統を備えていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム。
- 上記燃料電池および上記改質器の排ガスの少なくとも一方から熱回収する第２熱回収系統を備え、上記第１および第２熱回収系統が１つの循環手段により運転されるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム。
- 上記制御部は、上記改質器の温度をモニターし、該改質器の温度が設定温度に下がるまで上記熱媒体を上記第１熱回収系統に循環させて熱を回収させるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム。
- 上記設定温度は、システムの運転パターンに応じて変更可能であることを特徴とする請求項７記載の燃料電池発電システム。
- 上記制御部は、システムの停止後、所定時間の間、上記熱媒体を上記第１熱回収系統に循環させて熱を回収させるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム。
- 上記制御部は、上記貯湯槽内の水の温度をモニターし、該水の温度が設定温度に上がるまで上記熱媒体を上記第１熱回収系統に循環させて熱を回収させるように構成されていることを特徴とする請求項２又は請求項３記載の燃料電池発電システム。
- 上記熱交換器が、上記改質器の温度上昇が制約される部位に配設され、上記制御部が、上記改質器の温度上昇が制約される部位の温度をモニターし、システムの停止後に上記熱交換器に上記熱媒体を供給して上記改質器の温度上昇が制約される部位の熱を回収し、上記改質器の温度上昇が制約される部位の温度を設定温度以下となるように制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム。
- 上記改質器は、改質反応部とＣＯ低減部とを一体化して構成され、上記改質器の温度上昇が制約される部位が、該ＣＯ低減部のシフト反応部であることを特徴とする請求項１１記載の燃料電池発電システム。
- 上記制御部は、システムの起動時に、上記熱媒体を上記熱交換器に供給して、上記貯湯槽の熱を上記改質器に供給するように構成されていることを特徴とする請求項２又は請求項３記載の燃料電池発電システム。
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