JPH08329966A - 直接蒸気取出型燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】燃料電池への悪影響を低減し、高温排熱回収効
率の向上を図ること。 【構成】原料ガスと水蒸気の混合ガスを導入し、燃焼ガ
スと燃焼用空気をバーナにより燃焼して得られた高温加
熱ガスにより、混合ガスを改質ガスに改質する改質器
と、改質ガスを燃料として燃料極に導入し、酸化剤極に
導入される酸化剤と電気化学的に反応させて発電を行な
うと共に、その発生熱を冷却水が流れる冷却板により冷
却し、かつ発電に使用後の燃料を燃焼ガスとして排出す
る燃料電池と、改質器のバーナ排ガスラインのバーナ排
ガスで燃料電池の出口冷却水を加熱する熱交換器と、加
熱された出口冷却水を水と高温蒸気とに分離し、高温蒸
気を直接高温排熱回収用の蒸気として取り出すと共に、
水を冷却板への冷却水として供給する水蒸気分離器とを
備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池の冷却水系の
燃料電池本体下流側に設置されている水蒸気分離器から
直接高温排熱回収用の蒸気を取り出す直接蒸気取出型の
燃料電池発電システムに係り、特に燃料電池への悪影響
を低減し、かつ高温排熱回収効率の向上を図るようにし
た直接蒸気取出型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】従来から、燃料の有している化学的エネ
ルギーを直接的エネルギーに変換する装置として、燃料
電池が知られている。この燃料電池は、通常、リン酸等
の電解質を含浸した電解質層を挟んで燃料極および酸化
剤極の一対の多孔質電極を配置すると共に、燃料極の背
面に水素等の燃料を接触させ、また酸化剤極の背面に酸
素（空気）等の酸化剤を接触させ、この時起こる電気化
学的反応を利用して、上記各電極間から電気エネルギー
を取り出すようにしたものであり、上記燃料と酸化剤が
供給されている限り、高い変換効率で電気エネルギーを
取り出すことができるものである。

【０００３】そして、通常、このような燃料電池におい
ては、燃料電池の燃料となる改質ガスを生成するための
改質器と、燃料電池の酸化剤となる圧縮空気を得るため
の空気処理装置（空気ブロワ）とを備えて、燃料電池発
電システム全体を構成していることが多い。

【０００４】さらに、最近では、燃料電池の出口冷却水
を水と蒸気とに分離し、この蒸気を直接高温排熱回収用
の蒸気として取り出すと共に、水を燃料電池への冷却水
として供給する水蒸気分離器を付加した、直接蒸気取出
型燃料電池発電システムが提案されてきている。

【０００５】図５は、この種の従来の直接蒸気取出型燃
料電池発電システムの一例を示す構成図である。図５に
おいて、直接蒸気取出型燃料電池発電システムは、空気
を圧縮して圧縮空気を得るための空気処理装置である空
気ブロワ１と、内部に改質反応触媒層が設けられた改質
反応管の内側に原料ガスおよび水蒸気の混合ガスを導入
し、かつ改質反応管の外側に、燃焼ガス、および空気ブ
ロワ１からバーナ空気ライン２を介して供給される燃焼
用空気を、バーナにより燃焼して得られた高温加熱ガス
を通過させることにより、混合ガスを改質ガスに改質す
る改質器３と、改質器３からの改質ガスを、燃料ライン
４を介し燃料（水素等）として燃料極５ａに導入し、こ
の燃料を酸化剤極５ｂに導入される酸化剤と電気化学的
に反応させて発電を行なうと共に、この電気化学的反応
により発生した熱を冷却水が流れる冷却板５ｃにより冷
却し、かつ発電に使用した後の燃料を改質器３への燃焼
ガスとして排出する燃料電池５と、改質器３のバーナ排
ガスライン６に設置され、このバーナ排ガスライン６を
流れるバーナ排ガスで、空気ブロワ１からの圧縮空気で
ある酸化剤を予熱し、酸化剤ライン７を介し燃料電池５
の酸化剤極５ｂへの酸化剤として供給する熱交換器８
と、燃料電池５の冷却水ライン９に設置され、この冷却
水ライン９を流れる出口冷却水を水と高温蒸気とに分離
し、かつこの蒸気の一部を改質用蒸気ライン１０を介し
改質器３での改質用として、残りを高温蒸気取出ライン
１１を介し高温排熱回収用として供給すると共に、水を
冷却水ライン９、冷却水循環ポンプ１２、二次冷却水ラ
イン１３との間で熱交換を行なう熱交換器１４を介し、
燃料電池５の冷却板５ｃへの冷却水として供給する水蒸
気分離器１５とから構成されている。

【０００６】なお、図５中で、熱交換器８、および高温
蒸気取出ライン１１は、通常の温水取出機にはなく、直
接蒸気取出型燃料電池発電システムで高温排熱回収効率
増加のために設けられているものである。

【０００７】かかる直接蒸気取出型燃料電池プラントに
おいては、燃料極５ａの燃料（水素）と酸化剤極５ｂの
酸化剤（酸素）とが電気化学的反応を起こすことによっ
て電気エネルギーが発生するが、同時に多量の熱も発生
する。この燃料電池５で発生した熱によって、冷却板５
ｃを流れる冷却水を加熱し、一部蒸気化させる。

【０００８】そして、温水取出機の場合には、この蒸気
は全て改質器３での改質用に用いられるが、直接蒸気取
出機の場合には、図示のように一部を改質用に、残りを
高温排熱回収用として用いている。

【０００９】また、従来の直接蒸気取出型燃料電池発電
システムにおいては、高温排熱回収用の蒸気を増やすた
めに、熱交換器８を設置することが多い。この熱交換器
８は、酸化剤である圧縮空気を予熱することによって、
燃料電池５への入熱量を増やして冷却水が燃料電池５か
ら受け取る熱量を増やし、発生蒸気量を増やすという効
果がある。この場合、圧縮空気を予熱する一例として
は、図示のように改質器３のバーナ排ガスライン６を流
れるバーナ排ガスで予熱する方法がある。

【００１０】さらに、直接蒸気取出型燃料電池発電シス
テムにおいて、高温蒸気は高温蒸気取出ライン１１を通
して供給されるが、蒸気を使用しない場合には、システ
ム内あるいは蒸気利用側に、蒸気を凝縮させるためのコ
ンデンサを設置している。

【００１１】しかしながら、上述したような直接蒸気取
出型燃料電池発電システムにおいては、次にに述べるよ
うな解決すべき問題点がある。すなわち、燃料電池５の
条件で圧縮空気予熱温度には上限があることから、高温
側のバーナ排ガスの方は熱的に余裕が残っているにも関
わらず、交換熱量が限られている。

【００１２】また、圧縮空気予熱をすると、燃料電池５
内の温度分布が変わり、冷却条件を温水取出機と蒸気取
出機とで見直さなければならない。さらに、燃料電池５
内の温度分布の変化は、燃料電池５の材料の耐久性にも
悪影響を与える危険性が心配されている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
直接蒸気取出型燃料電池発電システムにおいては、高温
排熱回収効率が低いばかりでなく、燃料電池へも悪影響
を与える恐れがあるという問題があった。

【００１４】本発明の目的は、燃料電池への悪影響を低
減し、かつ高温排熱回収効率の向上を図ることが可能な
直接蒸気取出型燃料電池発電システムを提供することに
ある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、まず、請求項１に対応する発明の直接蒸気取出型
燃料電池発電システムは、改質反応管の内側に原料ガス
および水蒸気の混合ガスを導入し、かつ改質反応管の外
側に燃焼ガスおよび燃焼用空気をバーナにより燃焼して
得られた高温加熱ガスを通過させることにより、混合ガ
スを改質ガスに改質する改質器と、改質器からの改質ガ
スを燃料として燃料極に導入し、当該燃料を酸化剤極に
導入される酸化剤と電気化学的に反応させて発電を行な
うと共に、当該電気化学的反応により発生した熱を冷却
水が流れる冷却板により冷却し、かつ発電に使用した後
の燃料を改質器への燃焼ガスとして排出する燃料電池
と、改質器のバーナ排ガスラインに設置され、当該バー
ナ排ガスラインを流れるバーナ排ガスで燃料電池の出口
冷却水を加熱する熱交換器と、熱交換器により加熱され
た出口冷却水を水と高温蒸気とに分離し、かつ当該高温
蒸気を高温蒸気取出ラインを介し直接高温排熱回収用の
蒸気として取り出すと共に、当該水を燃料電池の冷却板
への冷却水として供給する水蒸気分離器とを備えて成
る。

【００１６】また、請求項２に対応する発明の直接蒸気
取出型燃料電池発電システムは、改質反応管の内側に原
料ガスおよび水蒸気の混合ガスを導入し、かつ改質反応
管の外側に燃焼ガスおよび燃焼用空気をバーナにより燃
焼して得られた高温加熱ガスを通過させることにより、
混合ガスを改質ガスに改質する改質器と、改質器からの
改質ガスを燃料として燃料極に導入し、当該燃料を酸化
剤極に導入される酸化剤と電気化学的に反応させて発電
を行なうと共に、当該電気化学的反応により発生した熱
を冷却水が流れる冷却板により冷却し、かつ発電に使用
した後の燃料を改質器への燃焼ガスとして排出する燃料
電池と、改質器のバーナ排ガスラインに設置され、当該
バーナ排ガスで燃料電池の出口冷却水を加熱する熱交換
器と、熱交換器により加熱された出口冷却水を水と高温
蒸気とに分離し、かつ当該高温蒸気を高温蒸気取出ライ
ンを介し直接高温排熱回収用の蒸気として取り出すと共
に、当該水を燃料電池の冷却板への冷却水として供給す
る水蒸気分離器と、熱交換器の高温側または低温側に設
置された、熱交換器バイパスラインおよび弁と、水蒸気
分離器の器内温度を検出する温度検出器と、温度検出器
により検出された検出温度とあらかじめ設定されている
規定温度とを比較し、かつ当該比較結果に応じて弁の開
閉制御を行なう制御装置とを備えて成る。

【００１７】さらに、請求項３に対応する発明の直接蒸
気取出型燃料電池発電システムは、改質反応管の内側に
原料ガスおよび水蒸気の混合ガスを導入し、かつ改質反
応管の外側に燃焼ガスおよび燃焼用空気をバーナにより
燃焼して得られた高温加熱ガスを通過させることによ
り、混合ガスを改質ガスに改質する改質器と、改質器か
らの改質ガスを燃料として燃料極に導入し、当該燃料を
酸化剤極に導入される酸化剤と電気化学的に反応させて
発電を行なうと共に、当該電気化学的反応により発生し
た熱を冷却水が流れる冷却板により冷却し、かつ発電に
使用した後の燃料を改質器への燃焼ガスとして排出する
燃料電池と、改質器のバーナ排ガスラインに設置され、
当該バーナ排ガスラインを流れるバーナ排ガスで燃料電
池の出口冷却水を加熱する第１の熱交換器と、第１の熱
交換器により加熱された出口冷却水を水と高温蒸気とに
分離し、かつ当該高温蒸気を高温蒸気取出ラインを介し
直接高温排熱回収用の蒸気として取り出すと共に、当該
水を燃料電池の冷却板への冷却水として供給する水蒸気
分離器と、改質器のバーナ排ガスラインに設置され、当
該バーナ排ガスラインを流れるバーナ排ガスで酸化剤を
予熱し燃料電池の酸化剤極への酸化剤として供給する第
２の熱交換器とを備えて成る。

【００１８】さらにまた、請求項４に対応する発明の直
接蒸気取出型燃料電池発電システムは、改質反応管の内
側に原料ガスおよび水蒸気の混合ガスを導入し、かつ改
質反応管の外側に燃焼ガスおよび燃焼用空気をバーナに
より燃焼して得られた高温加熱ガスを通過させることに
より、混合ガスを改質ガスに改質する改質器と、改質器
からの改質ガスを燃料として燃料極に導入し、当該燃料
を酸化剤極に導入される酸化剤と電気化学的に反応させ
て発電を行なうと共に、当該電気化学的反応により発生
した熱を冷却水が流れる冷却板により冷却し、かつ発電
に使用した後の燃料を改質器への燃焼ガスとして排出す
る燃料電池と、改質器のバーナ排ガスラインに設置さ
れ、当該バーナ排ガスラインを流れるバーナ排ガスで燃
料電池の出口冷却水を加熱する第１の熱交換器と、第１
の熱交換器により加熱された出口冷却水を水と高温蒸気
とに分離し、かつ当該高温蒸気を高温蒸気取出ラインを
介し直接高温排熱回収用の蒸気として取り出すと共に、
当該水を燃料電池の冷却板への冷却水として供給する水
蒸気分離器と、水蒸気分離器から燃料電池の冷却板へ至
る冷却水ラインに設置され、当該冷却水ラインを流れる
冷却水の余熱で酸化剤を予熱し燃料電池の酸化剤極への
酸化剤として供給する第２の熱交換器とを備えて成る。

【００１９】

【作用】従って、まず、請求項１に対応する発明の直接
蒸気取出型燃料電池発電システムにおいては、バーナ排
ガスラインのバーナ排ガスの熱を利用して、熱交換器で
燃料電池の出口冷却水の二相流を加熱することにより、
熱交換器がない場合に比べて高温蒸気量を増やすことが
可能となるため、高温排熱回収効率を向上させることが
できる。また、燃料電池の酸化剤を予熱していないこと
により、酸化剤極入口温度は常温であるため、電池内温
度分布が変わって、材料の耐久性に問題をきたすような
心配もなく、燃料電池への悪影響を低減することができ
る。

【００２０】また、請求項２に対応する発明の直接蒸気
取出型燃料電池発電システムにおいては、熱交換器の高
温側または低温側に、熱交換器バイパスラインおよび弁
を設け、水蒸気分離器の器内検出温度と規定温度との比
較結果に応じて弁の開閉制御を行なうことにより、前述
の作用に加えて、蒸気取り出しを行なわない時には、燃
料電池の出口冷却水を全て熱交換器バイパスライン側に
流して高温蒸気の供給をなくすことが可能となるため、
従来直接蒸気取出機にあった蒸気取出を行なわない時に
蒸気を凝縮させるためのコンデンサを設置することが不
要となる。

【００２１】さらに、請求項３および請求項４に対応す
る発明の直接蒸気取出型燃料電池発電システムにおいて
は、温度レベルの高い加熱源を必要とする第１の熱交換
器と、温度レベルの低い加熱源でも構わない第２の熱交
換器の２つの熱交換器を組み合わせることにより、第１
の熱交換器で使いきれなかった熱を第２の熱交換器で使
うことが可能となるため、前述の場合に比べて、高温排
熱回収効率をより一層向上させることができる。また、
従来の酸化剤予熱のみのシステムに比べて、燃料電池の
酸化剤極入口温度は低く抑えられるため、材料の耐久性
に問題をきたすような心配もなく、燃料電池への悪影響
を低減することができる。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て詳細に説明する。 （第１の実施例）図１は、本実施例による直接蒸気取出
型燃料電池発電システムを示す構成図であり、図５と同
一要素には同一符号を付して示している。

【００２３】すなわち、本実施例の直接蒸気取出型燃料
電池発電システムは、図１に示すように、空気を圧縮し
て圧縮空気を得るための空気処理装置である空気ブロワ
１と、内部に改質反応触媒層が設けられた改質反応管の
内側に原料ガスおよび水蒸気の混合ガスを導入し、かつ
改質反応管の外側に、燃焼ガス、および空気ブロワ１か
らバーナ空気ライン２を介して供給される燃焼用空気
を、バーナにより燃焼して得られた高温加熱ガスを通過
させることにより、混合ガスを改質ガスに改質する改質
器３と、改質器３からの改質ガスを、燃料ライン４を介
し燃料（水素等）として燃料極５ａに導入し、この燃料
を酸化剤極５ｂに導入される空気ブロワ１からの圧縮空
気である酸化剤と電気化学的に反応させて発電を行なう
と共に、この電気化学的反応により発生した熱を冷却水
が流れる冷却板５ｃにより冷却し、かつ発電に使用した
後の燃料を改質器３への燃焼ガスとして排出する燃料電
池５と、改質器３のバーナ排ガスライン６に設置され、
このバーナ排ガスライン６を流れるバーナ排ガスで、燃
料電池５の出口冷却水を加熱する熱交換器１６と、熱交
換器１６により加熱されて冷却水ライン９を流れる出口
冷却水を水と高温蒸気とに分離し、かつこの蒸気の一部
を改質用蒸気ライン１０を介し改質器３での改質用とし
て、残りを高温蒸気取出ライン１１を介し高温排熱回収
用として供給すると共に、水を冷却水ライン９、冷却水
循環ポンプ１２、二次冷却水ライン１３との間で熱交換
を行なう熱交換器１４を介し、燃料電池５の冷却板５ｃ
への冷却水として供給する水蒸気分離器１５とから構成
している。

【００２４】次に、以上のように構成した本実施例の直
接蒸気取出型燃料電池発電システムの作用について説明
する。なお、ここでは、前述した従来の直接蒸気取出型
燃料電池発電システムと異なる部分の作用についてのみ
述べる。

【００２５】図１において、燃料電池５の出口冷却水
は、通常、高負荷では二相流であり、水蒸気分離器１５
で分離された水蒸気は一部改質用に用いられ、残りは高
温蒸気取出用に用いられる。この場合、本実施例では、
改質器３のバーナ排ガスライン６に熱交換器１６を設置
していることにより、改質器３のバーナ排ガスの熱を利
用して、燃料電池５の出口冷却水を加熱するので、熱交
換器１６がない場合に比べて、水蒸気分が増加する。こ
れにより、バーナ排ガスの熱を利用して、高温蒸気取出
量を増加させることができる。

【００２６】また、前述した従来のように、酸化剤であ
る圧縮空気を予熱する熱交換器８がなく、また本実施例
の熱交換器１６の設置場所は燃料電池５の下流側である
ので、燃料電池５にとってみると、インターフェース条
件は温水取出機の場合と同じであり、電池仕様を変える
必要はない。そして、もし温水取出機をベースに、直接
蒸気取出機の設計を行なう場合には、従来のように、酸
化剤である圧縮空気を予熱する熱交換器８を設置する場
合に比べて、少ない設計変更で実施することができる。

【００２７】さらに、燃料電池５の酸化剤極５ｂの入口
温度は常温であるので、燃料電池５内の温度分布が変わ
って、材料の耐久性に問題をきたすような心配もない。
上述したように、本実施例の直接蒸気取出型燃料電池発
電システムは、空気を圧縮して圧縮空気を得るための空
気処理装置である空気ブロワ１と、内部に改質反応触媒
層が設けられた改質反応管の内側に原料ガスおよび水蒸
気の混合ガスを導入し、かつ改質反応管の外側に、燃焼
ガス、および空気ブロワ１からバーナ空気ライン２を介
して供給される燃焼用空気を、バーナにより燃焼して得
られた高温加熱ガスを通過させることにより、混合ガス
を改質ガスに改質する改質器３と、改質器３からの改質
ガスを、燃料ライン４を介し燃料として燃料極５ａに導
入し、この燃料を酸化剤極５ｂに導入される空気ブロワ
１からの圧縮空気である酸化剤と電気化学的に反応させ
て発電を行なうと共に、この電気化学的反応により発生
した熱を冷却水が流れる冷却板５ｃにより冷却し、かつ
発電に使用した後の燃料を改質器３への燃焼ガスとして
排出する燃料電池５と、改質器３のバーナ排ガスライン
６に設置され、このバーナ排ガスライン６を流れるバー
ナ排ガスで、燃料電池５の出口冷却水を加熱する熱交換
器１６と、熱交換器１６により加熱されて冷却水ライン
９を流れる出口冷却水を水と高温蒸気とに分離し、かつ
この蒸気の一部を改質用蒸気ライン１０を介し改質器３
での改質用として、残りを高温蒸気取出ライン１１を介
し高温排熱回収用として供給すると共に、水を冷却水ラ
イン９、冷却水循環ポンプ１２、二次冷却水ライン１３
との間で熱交換を行なう熱交換器１４を介し、燃料電池
５の冷却板５ｃへの冷却水として供給する水蒸気分離器
１５とから構成したものである。

【００２８】従って、直接蒸気取出機においてバーナ排
ガスライン６に熱交換器１６を設置して、燃料電池５の
出口冷却水をバーナ排ガスの熱で直接加熱するため、温
水取出機からの容易な変更で高温蒸気量を増加させるこ
とができ、高温排熱回収効率のアップを図ることが可能
となる。

【００２９】また、酸化剤である圧縮空気を予熱する熱
交換器８がなく、また燃料電池５の出口冷却水を加熱す
る熱交換器１６は、燃料電池５の下流側に設けているの
で、燃料電池５の仕様を変える必要はなく、もし温水取
出機をベースに直接蒸気取出機の設計を行なう場合に
は、酸化剤である圧縮空気を予熱する場合に比べて、少
ない設計変更で実施することが可能となる。

【００３０】さらに、燃料電池５の酸化剤である圧縮空
気を予熱していないため、酸化剤極５ｂの入口温度は常
温であることから、燃料電池５内の温度分布が変わっ
て、材料の耐久性に問題をきたすような心配もなく、燃
料電池５への悪影響を低減することが可能となる。

【００３１】（第２の実施例）図２は、本実施例による
直接蒸気取出型燃料電池発電システムを示す構成図であ
り、図１と同一要素には同一符号を付してその説明を省
略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。

【００３２】すなわち、本実施例の直接蒸気取出型燃料
電池発電システムは、図２に示すように、図１における
熱交換器１６の低温側、すなわち冷却水ライン９に、熱
交換器バイパスライン１７および弁１８を設けると共
に、水蒸気分離器１５にその器内温度を検出する温度セ
ンサー１９を設け、さらに温度センサー１９により検出
された検出温度とあらかじめ設定されている規定温度と
を比較し、かつこの比較結果に応じて弁１８の開閉制御
を行なう制御装置２０を付加した構成としている。

【００３３】次に、以上のように構成した本実施例の直
接蒸気取出型燃料電池発電システムの作用について説明
する。なお、ここでは、前述した第１の実施例の直接蒸
気取出型燃料電池発電システムと異なる部分の作用につ
いてのみ述べる。

【００３４】図２において、制御装置２０は、水蒸気分
離器１５に設置された温度センサー１９からの出力信号
を受け取って判断し、弁１８の開度制御が行なわれる。
すなわち、水蒸気分離器１５の温度を弁１８で制御する
ことができる。

【００３５】また、蒸気取り出しを行なわない時には、
弁１８を閉めて全量を熱交換器バイパスライン１７側に
流すことによって、燃料電池５の出口冷却水の加熱をや
め、改質器３での改質反応に必要な水蒸気のみが確保さ
れる。すなわち、燃料電池５の出口冷却水を全て熱交換
器バイパスライン１７側に流すことにより、高温蒸気の
供給をなくすことができるので、従来直接蒸気取出機に
あった、蒸気取出を行なわない時に蒸気を凝縮させるコ
ンデンサを設置する必要性がなくなる。

【００３６】上述したように、本実施例の直接蒸気取出
型燃料電池発電システムは、前述した第１の実施例の直
接蒸気取出型燃料電池発電システムにおける、熱交換器
１６の低温側である冷却水ライン９に、熱交換器バイパ
スライン１７および弁１８を設けると共に、水蒸気分離
器１５にその器内温度を検出する温度センサー１９を設
け、さらに温度センサー１９により検出された検出温度
とあらかじめ設定されている規定温度とを比較し、かつ
この比較結果に応じて弁１８の開閉制御を行なう制御装
置２０を付加して構成したものである。

【００３７】従って、前述した第１の実施例に加えて、
蒸気取り出しを行なわない時には、燃料電池５の出口冷
却水を全て熱交換器バイパスライン１７側に流して高温
蒸気の供給をなくすことができるため、従来直接蒸気取
出機にあった蒸気取出を行なわない時に蒸気を凝縮させ
るためのコンデンサを設置することが不要となるという
効果を得ることが可能となる。

【００３８】（第３の実施例）図３は、本実施例による
直接蒸気取出型燃料電池発電システムを示す構成図であ
り、図１および図５と同一要素には同一符号を付してそ
の説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べ
る。

【００３９】すなわち、本実施例の直接蒸気取出型燃料
電池発電システムは、図３に示すように、図１における
改質器３のバーナ排ガスライン６の熱交換器１６の後流
側に、バーナ排ガスライン６を流れるバーナ排ガスで空
気ブロワ１からの圧縮空気を予熱し、燃料電池５の酸化
剤極５ｂへの酸化剤として供給する熱交換器８を付加し
た構成としている。

【００４０】次に、以上のように構成した本実施例の直
接蒸気取出型燃料電池発電システムの作用について説明
する。なお、ここでは、前述した第１の実施例の直接蒸
気取出型燃料電池発電システムと異なる部分の作用につ
いてのみ述べる。

【００４１】図３において、バーナ排ガスの熱の一部を
用いて、上流側の熱交換器１６で燃料電池５の出口冷却
水が加熱され、さらに余った熱を用いて、下流側の熱交
換器８で酸化剤である圧縮空気が加熱される。

【００４２】すなわち、前述した従来の場合には、燃料
電池５の酸化剤極５ｂの入口温度条件により、熱交換器
での交換熱量に限界があった。また、前述した第１の実
施例の場合には、熱交換器１６の低温側入口温度が、熱
交換器８の低温側入口温度に比べて高いため、交換熱量
は少ない。

【００４３】この点、本実施例では、温度レベルの高い
加熱源を必要とする熱交換器１６と、温度レベルの低い
加熱源でも構わない熱交換器８の２つの熱交換器を組み
合わせていることにより、熱交換器１６で使いきれなか
った熱を熱交換器８で使うことができるため、前述した
従来および第１の実施例の場合に比べて、高温排熱回収
効率はより一層増加することになる。

【００４４】また、前述した第１の実施例の場合には、
燃料電池５の酸化剤極５ｂの入口温度が温水取出機と同
じであるため、燃料電池５のの仕様を変える必要はない
というメリットがあったが、本実施例の場合には、燃料
電池５の酸化剤極５ｂの入口温度が高くなるため燃料電
池５の仕様を変えなければならないものの、前述した従
来の場合に比べると、燃料電池５の酸化剤極５ｂの入口
温度は低いため、燃料電池５の材料に与える影響を低減
できる。

【００４５】さらに、従来の直接蒸気取出型燃料電池発
電システムにおいては、高温排熱回収効率を高めるため
に、燃料電池５の酸化剤極５ｂへの酸化剤である圧縮空
気を予熱する熱交換器８を設置することの他に、併せて
Ｓ／Ｃ低下の方法を採ることが多かった。そして、この
場合、改質器３の触媒を変えたり、制御を見直したりし
ていた。

【００４６】この点、同じ高温排熱回収効率を達成する
ためであれば、本実施例により高温排熱回収効率への寄
与が増えた分だけ、Ｓ／Ｃ低減の必要はなくなり、低Ｓ
／Ｃに関する触媒、制御の見直しは必要なくなる。

【００４７】上述したように、本実施例の直接蒸気取出
型燃料電池発電システムは、前述した第１の実施例の直
接蒸気取出型燃料電池発電システムにおける、改質器３
のバーナ排ガスライン６の熱交換器１６の後流側に、バ
ーナ排ガスライン６を流れるバーナ排ガスで空気ブロワ
１からの圧縮空気を予熱し、燃料電池５の酸化剤極５ｂ
への酸化剤として供給する熱交換器８を付加して構成し
たものである。

【００４８】従って、温度レベルの高い加熱源を必要と
する熱交換器１６と、温度レベルの低い加熱源でも構わ
ない熱交換器８の２つの熱交換器を組み合わせているた
め、熱交換器１６で使いきれなかった熱を熱交換器８で
使うことができるため、前述した第１の実施例の場合に
比べて、高温排熱回収効率をより一層向上させることが
可能となる。

【００４９】また、従来の酸化剤予熱のみのシステムに
比べて、燃料電池５の酸化剤極５ｂの入口温度は低く抑
えられるため、材料の耐久性に問題をきたすような心配
もなく、燃料電池５への悪影響を低減することが可能と
なる。

【００５０】（第４の実施例）図４は、本実施例による
直接蒸気取出型燃料電池発電システムを示す構成図であ
り、図１と同一要素には同一符号を付してその説明を省
略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。

【００５１】すなわち、本実施例の直接蒸気取出型燃料
電池発電システムは、図４に示すように、図１における
水蒸気分離器１５から燃料電池５の冷却板５ｃへ至る冷
却水ライン９の熱交換器１４の上流側に設置され、冷却
水ライン９を流れる冷却水の余熱で、空気ブロワ１から
酸化剤ライン７を介して供給される酸化剤である圧縮空
気を予熱し、燃料電池５の酸化剤極５ｂへの酸化剤とし
て供給する熱交換器２１を付加した構成としている。

【００５２】次に、以上のように構成した本実施例の直
接蒸気取出型燃料電池発電システムの作用について説明
する。なお、ここでは、前述した第１の実施例の直接蒸
気取出型燃料電池発電システムと異なる部分の作用につ
いてのみ述べる。

【００５３】図４において、バーナ排ガスの熱の一部を
用いて、上流側の熱交換器１６で燃料電池５の出口冷却
水が加熱され、さらに余った熱を用いて、下流側の熱交
換器２１で酸化剤である圧縮空気が加熱される。

【００５４】すなわち、前述した従来の場合には、燃料
電池５の酸化剤極５ｂの入口温度条件により、熱交換器
での交換熱量に限界があった。また、前述した第１の実
施例の場合には、熱交換器１６の低温側入口温度が、熱
交換器８の低温側入口温度に比べて高いため、交換熱量
は少ない。

【００５５】この点、本実施例では、温度レベルの高い
加熱源を必要とする熱交換器１６と、温度レベルの低い
加熱源でも構わない熱交換器２１の２つの熱交換器を組
み合わせていることにより、熱交換器１６で使いきれな
かった熱を熱交換器２１で使うことができるため、前述
した従来および第１の実施例の場合に比べて、高温排熱
回収効率はより一層増加することになる。

【００５６】また、前述した第１の実施例の場合には、
燃料電池５の酸化剤極５ｂの入口温度が温水取出機と同
じであるため、燃料電池５のの仕様を変える必要はない
というメリットがあったが、本実施例の場合には、燃料
電池５の酸化剤極５ｂの入口温度が高くなるため燃料電
池５の仕様を変えなければならないものの、前述した従
来の場合に比べると、燃料電池５の酸化剤極５ｂの入口
温度は低いため、燃料電池５の材料に与える影響を低減
できる。

【００５７】さらに、従来の直接蒸気取出型燃料電池発
電システムにおいては、高温排熱回収効率を高めるため
に、燃料電池５の酸化剤極５ｂへの酸化剤である圧縮空
気を予熱する熱交換器８を設置することの他に、併せて
Ｓ／Ｃ低下の方法を採ることが多かった。そして、この
場合、改質器３の触媒を変えたり、制御を見直したりし
ていた。

【００５８】この点、同じ高温排熱回収効率を達成する
ためであれば、本実施例により高温排熱回収効率への寄
与が増えた分だけ、Ｓ／Ｃ低減の必要はなくなり、低Ｓ
／Ｃに関する触媒、制御の見直しは必要なくなる。

【００５９】上述したように、本実施例の直接蒸気取出
型燃料電池発電システムは、前述した第１の実施例の直
接蒸気取出型燃料電池発電システムにおける、水蒸気分
離器１５から燃料電池５の冷却板５ｃへ至る冷却水ライ
ン９の熱交換器１４の上流側に、冷却水ライン９を流れ
る冷却水の余熱で、空気ブロワ１から酸化剤ライン７を
介して供給される酸化剤である圧縮空気を予熱し、燃料
電池５の酸化剤極５ｂへの酸化剤として供給する熱交換
器２１を付加して構成したものである。

【００６０】従って、温度レベルの高い加熱源を必要と
する熱交換器１６と、温度レベルの低い加熱源でも構わ
ない熱交換器２１の２つの熱交換器を組み合わせている
ため、熱交換器１６で使いきれなかった熱を熱交換器２
１で使うことができるため、前述した第１の実施例の場
合に比べて、高温排熱回収効率をより一層向上させるこ
とが可能となる。

【００６１】また、従来の酸化剤予熱のみのシステムに
比べて、燃料電池５の酸化剤極５ｂの入口温度は低く抑
えられるため、材料の耐久性に問題をきたすような心配
もなく、燃料電池５への悪影響を低減することが可能と
なる。

【００６２】尚、本発明は上記各実施例に限定されるも
のではなく、次のようにしても同様に実施できるもので
ある。 （ａ）上記第２の実施例では、熱交換器１６の低温側、
すなわち冷却水ライン９に、熱交換器バイパスライン１
７および弁１８を設ける場合について説明したが、これ
に限らず、熱交換器１６の高温側、すなわちバーナ排ガ
スライン６に、熱交換器バイパスライン１７および弁１
８を設ける場合についても、本発明を同様に適用して前
述の場合と同様の作用効果を得ることが可能である。

【００６３】（ｂ）上記第２の実施例において、温度セ
ンサー１９の代わりに、水蒸気分離器１５の器内圧力を
検出する圧力センサーを設けるようにしてもよい。ま
た、これらの温度センサー１９、あるいは圧力センサー
の代わりに、高温蒸気取出ライン１１に流量センサーを
設けるようにしてもよい。

【００６４】かかる構成とすることにより、水蒸気分離
器１５の圧力、あるいは高温蒸気供給流量を弁１８で制
御することが可能となる。 （ｃ）上記第１乃至第４の各実施例を適宜組み合わせた
構成としてもよい。

【００６５】

【発明の効果】以上説明したように、まず、請求項１に
対応する発明によれば、改質反応管の内側に原料ガスお
よび水蒸気の混合ガスを導入し、かつ改質反応管の外側
に燃焼ガスおよび燃焼用空気をバーナにより燃焼して得
られた高温加熱ガスを通過させることにより、混合ガス
を改質ガスに改質する改質器と、改質器からの改質ガス
を燃料として燃料極に導入し、当該燃料を酸化剤極に導
入される酸化剤と電気化学的に反応させて発電を行なう
と共に、当該電気化学的反応により発生した熱を冷却水
が流れる冷却板により冷却し、かつ発電に使用した後の
燃料を改質器への燃焼ガスとして排出する燃料電池と、
改質器のバーナ排ガスラインに設置され、当該バーナ排
ガスラインを流れるバーナ排ガスで燃料電池の出口冷却
水を加熱する熱交換器と、熱交換器により加熱された出
口冷却水を水と高温蒸気とに分離し、かつ当該高温蒸気
を高温蒸気取出ラインを介し直接高温排熱回収用の蒸気
として取り出すと共に、当該水を燃料電池の冷却板への
冷却水として供給する水蒸気分離器とを備えるようにし
たので、燃料電池への悪影響を低減し、かつ高温排熱回
収効率の向上を図ることが可能な直接蒸気取出型燃料電
池発電システムが提供できる。

【００６６】また、請求項２に対応する発明によれば、
改質反応管の内側に原料ガスおよび水蒸気の混合ガスを
導入し、かつ改質反応管の外側に燃焼ガスおよび燃焼用
空気をバーナにより燃焼して得られた高温加熱ガスを通
過させることにより、混合ガスを改質ガスに改質する改
質器と、改質器からの改質ガスを燃料として燃料極に導
入し、当該燃料を酸化剤極に導入される酸化剤と電気化
学的に反応させて発電を行なうと共に、当該電気化学的
反応により発生した熱を冷却水が流れる冷却板により冷
却し、かつ発電に使用した後の燃料を改質器への燃焼ガ
スとして排出する燃料電池と、改質器のバーナ排ガスラ
インに設置され、当該バーナ排ガスで燃料電池の出口冷
却水を加熱する熱交換器と、熱交換器により加熱された
出口冷却水を水と高温蒸気とに分離し、かつ当該高温蒸
気を高温蒸気取出ラインを介し直接高温排熱回収用の蒸
気として取り出すと共に、当該水を燃料電池の冷却板へ
の冷却水として供給する水蒸気分離器と、熱交換器の高
温側または低温側に設置された、熱交換器バイパスライ
ンおよび弁と、水蒸気分離器の器内温度を検出する温度
検出器と、温度検出器により検出された検出温度とあら
かじめ設定されている規定温度とを比較し、かつ当該比
較結果に応じて弁の開閉制御を行なう制御装置とを備え
るようにしたので、燃料電池への悪影響を低減し、かつ
高温排熱回収効率の向上を図ることができ、しかも蒸気
取り出しを行なわない時に蒸気を凝縮させるためのコン
デンサを設置することが不要な直接蒸気取出型燃料電池
発電システムが提供できる。

【００６７】さらに、請求項３に対応する発明によれ
ば、改質反応管の内側に原料ガスおよび水蒸気の混合ガ
スを導入し、かつ改質反応管の外側に燃焼ガスおよび燃
焼用空気をバーナにより燃焼して得られた高温加熱ガス
を通過させることにより、混合ガスを改質ガスに改質す
る改質器と、改質器からの改質ガスを燃料として燃料極
に導入し、当該燃料を酸化剤極に導入される酸化剤と電
気化学的に反応させて発電を行なうと共に、当該電気化
学的反応により発生した熱を冷却水が流れる冷却板によ
り冷却し、かつ発電に使用した後の燃料を改質器への燃
焼ガスとして排出する燃料電池と、改質器のバーナ排ガ
スラインに設置され、当該バーナ排ガスラインを流れる
バーナ排ガスで燃料電池の出口冷却水を加熱する第１の
熱交換器と、第１の熱交換器により加熱された出口冷却
水を水と高温蒸気とに分離し、かつ当該高温蒸気を高温
蒸気取出ラインを介し直接高温排熱回収用の蒸気として
取り出すと共に、当該水を燃料電池の冷却板への冷却水
として供給する水蒸気分離器と、改質器のバーナ排ガス
ラインに設置され、当該バーナ排ガスラインを流れるバ
ーナ排ガスで酸化剤を予熱し燃料電池の酸化剤極への酸
化剤として供給する第２の熱交換器とを備えるようにし
たので、燃料電池への悪影響をより一層低減し、かつ高
温排熱回収効率のより一層の向上を図ることが可能な直
接蒸気取出型燃料電池発電システムが提供できる。

【００６８】さらにまた、請求項４に対応する発明によ
れば、改質反応管の内側に原料ガスおよび水蒸気の混合
ガスを導入し、かつ改質反応管の外側に燃焼ガスおよび
燃焼用空気をバーナにより燃焼して得られた高温加熱ガ
スを通過させることにより、混合ガスを改質ガスに改質
する改質器と、改質器からの改質ガスを燃料として燃料
極に導入し、当該燃料を酸化剤極に導入される酸化剤と
電気化学的に反応させて発電を行なうと共に、当該電気
化学的反応により発生した熱を冷却水が流れる冷却板に
より冷却し、かつ発電に使用した後の燃料を改質器への
燃焼ガスとして排出する燃料電池と、改質器のバーナ排
ガスラインに設置され、当該バーナ排ガスラインを流れ
るバーナ排ガスで燃料電池の出口冷却水を加熱する第１
の熱交換器と、第１の熱交換器により加熱された出口冷
却水を水と高温蒸気とに分離し、かつ当該高温蒸気を高
温蒸気取出ラインを介し直接高温排熱回収用の蒸気とし
て取り出すと共に、当該水を燃料電池の冷却板への冷却
水として供給する水蒸気分離器と、水蒸気分離器から燃
料電池の冷却板へ至る冷却水ラインに設置され、当該冷
却水ラインを流れる冷却水の余熱で酸化剤を予熱し燃料
電池の酸化剤極への酸化剤として供給する第２の熱交換
器とを備えるようにしたので、燃料電池への悪影響をよ
り一層低減し、かつ高温排熱回収効率のより一層の向上
を図ることが可能な直接蒸気取出型燃料電池発電システ
ムが提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による直接蒸気取出型燃料電池発電シス
テムの第１の実施例を示す構成図。

【図２】本発明による直接蒸気取出型燃料電池発電シス
テムの第２の実施例を示す構成図。

【図３】本発明による直接蒸気取出型燃料電池発電シス
テムの第３の実施例を示す構成図。

【図４】本発明による直接蒸気取出型燃料電池発電シス
テムの第４の実施例を示す構成図。

【図５】従来の直接蒸気取出型燃料電池発電システムの
一例を示す構成図。

【符号の説明】

１…空気ブロワ、 ２…バーナ空気ライン、 ３…改質器、 ４…燃料ライン、 ５…燃料電池、 ５ａ…燃料極、 ５ｂ…酸化剤極、 ５ｃ…冷却板、 ６…バーナ排ガスライン、 ７…酸化剤ライン、 ８…熱交換器、 ９…冷却水ライン、 １０…改質用蒸気ライン、 １１…高温蒸気取出ライン、 １２…冷却水循環ポンプ、 １３…二次冷却水ライン、 １４…熱交換器、 １５…水蒸気分離器、 １６…熱交換器、 １７…熱交換器バイパスライン、 １８…弁、 １９…温度センサー、 ２０…制御装置、 ２１…熱交換器。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 改質反応管の内側に原料ガスおよび水蒸
   気の混合ガスを導入し、かつ前記改質反応管の外側に燃
   焼ガスおよび燃焼用空気をバーナにより燃焼して得られ
   た高温加熱ガスを通過させることにより、前記混合ガス
   を改質ガスに改質する改質器と、 前記改質器からの改質ガスを燃料として燃料極に導入
   し、当該燃料を酸化剤極に導入される酸化剤と電気化学
   的に反応させて発電を行なうと共に、当該電気化学的反
   応により発生した熱を冷却水が流れる冷却板により冷却
   し、かつ前記発電に使用した後の燃料を前記改質器への
   燃焼ガスとして排出する燃料電池と、 前記改質器のバーナ排ガスラインに設置され、当該バー
   ナ排ガスラインを流れるバーナ排ガスで前記燃料電池の
   出口冷却水を加熱する熱交換器と、 前記熱交換器により加熱された出口冷却水を水と高温蒸
   気とに分離し、かつ当該高温蒸気を高温蒸気取出ライン
   を介し直接高温排熱回収用の蒸気として取り出すと共
   に、当該水を前記燃料電池の冷却板への冷却水として供
   給する水蒸気分離器と、 を備えて成ることを特徴とする直接蒸気取出型燃料電池
   発電システム。
2. 【請求項２】 改質反応管の内側に原料ガスおよび水蒸
   気の混合ガスを導入し、かつ前記改質反応管の外側に燃
   焼ガスおよび燃焼用空気をバーナにより燃焼して得られ
   た高温加熱ガスを通過させることにより、前記混合ガス
   を改質ガスに改質する改質器と、 前記改質器からの改質ガスを燃料として燃料極に導入
   し、当該燃料を酸化剤極に導入される酸化剤と電気化学
   的に反応させて発電を行なうと共に、当該電気化学的反
   応により発生した熱を冷却水が流れる冷却板により冷却
   し、かつ前記発電に使用した後の燃料を前記改質器への
   燃焼ガスとして排出する燃料電池と、 前記改質器のバーナ排ガスラインに設置され、当該バー
   ナ排ガスで前記燃料電池の出口冷却水を加熱する熱交換
   器と、 前記熱交換器により加熱された出口冷却水を水と高温蒸
   気とに分離し、かつ当該高温蒸気を高温蒸気取出ライン
   を介し直接高温排熱回収用の蒸気として取り出すと共
   に、当該水を前記燃料電池の冷却板への冷却水として供
   給する水蒸気分離器と、 前記熱交換器の高温側または低温側に設置された、熱交
   換器バイパスラインおよび弁と、 前記水蒸気分離器の器内温度を検出する温度検出器と、 前記温度検出器により検出された検出温度とあらかじめ
   設定されている規定温度とを比較し、かつ当該比較結果
   に応じて前記弁の開閉制御を行なう制御装置と、 を備えて成ることを特徴とする直接蒸気取出型燃料電池
   発電システム。
3. 【請求項３】 改質反応管の内側に原料ガスおよび水蒸
   気の混合ガスを導入し、かつ前記改質反応管の外側に燃
   焼ガスおよび燃焼用空気をバーナにより燃焼して得られ
   た高温加熱ガスを通過させることにより、前記混合ガス
   を改質ガスに改質する改質器と、 前記改質器からの改質ガスを燃料として燃料極に導入
   し、当該燃料を酸化剤極に導入される酸化剤と電気化学
   的に反応させて発電を行なうと共に、当該電気化学的反
   応により発生した熱を冷却水が流れる冷却板により冷却
   し、かつ前記発電に使用した後の燃料を前記改質器への
   燃焼ガスとして排出する燃料電池と、 前記改質器のバーナ排ガスラインに設置され、当該バー
   ナ排ガスラインを流れるバーナ排ガスで前記燃料電池の
   出口冷却水を加熱する第１の熱交換器と、 前記第１の熱交換器により加熱された出口冷却水を水と
   高温蒸気とに分離し、かつ当該高温蒸気を高温蒸気取出
   ラインを介し直接高温排熱回収用の蒸気として取り出す
   と共に、当該水を前記燃料電池の冷却板への冷却水とし
   て供給する水蒸気分離器と、 前記改質器のバーナ排ガスラインに設置され、当該バー
   ナ排ガスラインを流れるバーナ排ガスで前記酸化剤を予
   熱し前記燃料電池の酸化剤極への酸化剤として供給する
   第２の熱交換器と、 を備えて成ることを特徴とする直接蒸気取出型燃料電池
   発電システム。
4. 【請求項４】 改質反応管の内側に原料ガスおよび水蒸
   気の混合ガスを導入し、かつ前記改質反応管の外側に燃
   焼ガスおよび燃焼用空気をバーナにより燃焼して得られ
   た高温加熱ガスを通過させることにより、前記混合ガス
   を改質ガスに改質する改質器と、 前記改質器からの改質ガスを燃料として燃料極に導入
   し、当該燃料を酸化剤極に導入される酸化剤と電気化学
   的に反応させて発電を行なうと共に、当該電気化学的反
   応により発生した熱を冷却水が流れる冷却板により冷却
   し、かつ前記発電に使用した後の燃料を前記改質器への
   燃焼ガスとして排出する燃料電池と、 前記改質器のバーナ排ガスラインに設置され、当該バー
   ナ排ガスラインを流れるバーナ排ガスで前記燃料電池の
   出口冷却水を加熱する第１の熱交換器と、 前記第１の熱交換器により加熱された出口冷却水を水と
   高温蒸気とに分離し、かつ当該高温蒸気を高温蒸気取出
   ラインを介し直接高温排熱回収用の蒸気として取り出す
   と共に、当該水を前記燃料電池の冷却板への冷却水とし
   て供給する水蒸気分離器と、 前記水蒸気分離器から燃料電池の冷却板へ至る冷却水ラ
   インに設置され、当該冷却水ラインを流れる冷却水の余
   熱で酸化剤を予熱し前記燃料電池の酸化剤極への酸化剤
   として供給する第２の熱交換器と、 を備えて成ることを特徴とする直接蒸気取出型燃料電池
   発電システム。