JP5942692B2 - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に隣接して該燃料電池を冷却する冷却器が設けられ、冷却器に熱交換後の排気の少なくとも一部を流して、燃料電池を冷却する燃料電池発電装置に関するものである。特に、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣとも言う）の、燃料用熱交換器（改質器等）通過後の排気または空気予熱後の排気を利用し、燃料電池の冷却を行う燃料電池発電装置に関する。

燃料電池を成すＳＯＦＣに、発電室冷却用のラインを追加した場合、ＳＯＦＣの運用コストや効率などを考慮して、発電室の冷却に用いた流体である空気を、そのまま発電室に供給する方法が考えられる。

しかしながら、この方法では、発電室の冷却に用いる冷却用空気の流量と、発電室に供給される発電用空気の流量とが等しくなるため、発電室の内部における温度調整が難しくなるおそれがあった。

つまり、温度調整のパラメータである冷却用空気の量と、発電用空気の量とが同一であって個別に調節できないため、発電室の内部における温度調整の自由度が低くなることから、温度調整が難しくなる。

また、ＳＯＦＣのシステム効率を上げるためには、冷却用空気の量と、発電用空気の量との合計の空気量を減らすことが望ましい。しかしながら、冷却用空気の量と、発電用空気の量とを同時に減らすと、発電室の温度を適正な範囲に保つことが困難になるおそれがあった。

つまり、発電用空気の量を減らすと、発電用空気により外部に持ち去られていた熱が減り、発電室の温度が上昇する。この温度上昇を抑えるためには、冷却用空気の量を増やす必要がある。よって、冷却用空気の量と、発電用空気の量とを同時に減らすと、発電室の温度が適正な範囲から外れ、その一方で、発電室の温度を適正な範囲に保つと、冷却用空気の量と、発電用空気の量とを減らすことが困難になるという問題があった。

特許文献１に記載の固体酸化物形燃料電池は、上記の課題を解決するためになされたものであって、発電室に供給される空気の量、および、発電室の冷却に用いられる空気の量の合計を減らすとともに、発電室内部の温度調整を容易にすることができる固体酸化物形燃料電池を提供している。

特許文献１では、発電を行う複数の発電セルが内部に収納された発電室と、発電室と熱的に接続して配置された冷却部と、発電セルにおける発電に用いられる空気を供給する空気供給部とを有する。

更に、空気供給部を流れる空気の少なくとも一部を冷却部に導く分岐部と、空気供給部および分岐部を流れる空気の流量を制御する冷却用調整部とが設けられている。これにより、発電室に供給される空気の量、および、発電室の冷却に用いられる空気の量の合計を減らすとともに、発電室内部の温度調整を容易にすることができる固体酸化物形燃料電池が得られる。

特開２０１０−１４０７５０号公報

特許文献１は、カソード側への空気の一部（カソードラインの空気の一部）を冷却器に導入し、合計の空気量を低減するものである。また、カソード側への空気の一部を分岐し、冷却用に使用することで空気量を低減すると共に発電室内部の温度調整を容易にしている。しかし、冷却用の空気をカソードラインからの分岐で供給すると、発電室内部の温度調整を容易にすることができても冷却用の空気自体の温度調整を実施することが困難となる。つまり、空気の一部を分岐して発電用と冷却用に使用しているため、元の空気温度自体は同じであり、流量を制御するのみでは冷却用の空気の温度をうまく調整できないことがある。そこで、発電用の空気とは別のガスで冷却器を冷却することが望まれる。

本発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目して成されたものであり、その目的は、発電用の空気とは別のガスで冷却器を冷却することができ、発電用の空気の温度に直接的な影響を受けないで、冷却器の冷却を実施することが容易となる燃料電池発電装置を得ることにある。

従来技術として列挙された特許文献の記載内容は、この明細書に記載された技術的要素の説明として、参照によって導入ないし援用することができる。

本発明は上記目的を達成するために、下記の技術的手段を採用する。すなわち、請求項に記載の発明では、燃料と空気が供給されて作動する燃料電池（１）、燃料電池（１）を冷却する冷却器（７）、燃料電池（１）を通過した燃料および空気が供給されて燃焼する燃焼器（３）、燃焼器（３）の排気の熱によって燃料電池（１）に供給される前の燃料を加熱する燃料用熱交換器（２）、燃料用熱交換器（２）との熱交換によって燃料電池（１）の作動温度よりも温度低下した燃焼器（３）の排気の少なくとも一部を、冷却器（７）に流す燃料電池冷却配管（１０ａ、１０ｂ）を備え、更に、燃焼器（３）の排気の熱によって燃料電池（１）に供給される前の空気を加熱する空気用熱交換器（６）を有し、燃料用熱交換器（２）との熱交換によって燃料電池（１）の作動温度よりも温度低下した燃焼器（３）の排気の少なくとも一部を、冷却器（７）を介して空気用熱交換器（６）に流す燃料電池冷却配管（１０ｂ）を備えたことを特徴としている。
また、燃料と空気が供給されて作動する燃料電池（１）、燃料電池（１）を冷却する冷却器（７）、燃料電池（１）を通過した燃料および空気が供給されて燃焼する燃焼器（３）、燃焼器（３）の排気の熱によって燃料電池（１）に供給される前の燃料を加熱する燃料用熱交換器（２）、燃料用熱交換器（２）との熱交換によって燃料電池（１）の作動温度よりも温度低下した燃焼器（３）の排気の少なくとも一部を、冷却器（７）に流す燃料電池冷却配管（１０ａ、１０ｂ）を備え、燃料用熱交換器（２）との熱交換によって燃料電池（１）の作動温度よりも温度低下した燃焼器（３）の排気の少なくとも一部を、冷却器（７）に圧送する排気圧送手段（１７）を備えることを特徴としている。

この発明によれば、燃料用熱交換器との熱交換によって温度が燃料電池の作動温度よりも低下した燃焼器の排気の少なくとも一部を、冷却器を介して空気用熱交換器に流す燃料電池冷却配管を備えたから、発電用の空気とは別のガスである燃焼器の排気で冷却器を冷却することができ、発電用の空気の温度に直接的な影響を受けないで、冷却器の温度調整を実施することが容易となる。

請求項に記載の発明では、燃料用熱交換器（２）との熱交換によって燃料電池（１）の作動温度よりも温度低下した燃焼器（３）の排気と、冷却器（７）に圧送され冷却器（７）を通過した排気とを混合した混合排気の少なくとも一部を冷却器（７）に圧送する排気圧送手段（１７）を備えたことを特徴としている。

この発明によれば、燃焼器の排気と、冷却器を通過した排気とを混合してから混合された排気の少なくとも一部を、例えばブロワから成る排気圧送手段を介して冷却器に供給するから、冷却器に供給する冷却用のガスとなる排気の温度を燃料電池の作動温度に一層近い温度で供給可能となりサーマルショックを低減できる。

請求項に記載の発明では、燃料用熱交換器（２）との熱交換後の排気の下流側に設けられ、排気から吸熱する下流側熱交換器（６）と、下流側熱交換器（６）が吸熱した排気を大気中に排出する排気排出手段（２２〜２４）を備え、排気圧送手段（１７）は、燃料用熱交換器（２）を通過した高温の排気と、下流側熱交換器（６）を通過した低温の排気とを排気圧送手段（１７）側に配置された複数の排気圧送手段側バルブ（２６、２７）を介して選択的に吸引しながら冷却器（７）に供給することを特徴としている。

この発明によれば、排気圧送手段側バルブを制御することにより排気圧送手段が吸引する排気の温度を制御できるから、冷却器に供給する排気の温度を調整することができる。

請求項に記載の発明では、冷却器（７）に圧送され冷却器（７）を通過した排気を、冷却器（７）の二次側に配置された複数の冷却器側バルブ（３１、３２）を介して、燃料用熱交換器（２）を通過した高温の排気と下流側熱交換器（６）を通過した低温の排気とのうちのいずれかに選択的に混合し、選択的に混合された排気を複数の排気圧送手段側バルブ（２６、２７）を介して選択的に排気圧送手段（１７）で吸引しながら冷却器（７）に供給することを特徴としている。

この発明によれば、排気圧送手段側バルブのみでなく冷却器側バルブによっても冷却器に供給する排気の温度を制御することができる。また、燃料用熱交換器を通過した高温の排気のみでなく、下流側熱交換器を通過した低温の排気の一部を冷却器に流して、該冷却器の温度を排気圧送手段側バルブおよび冷却器側バルブで細かく制御することができる。

なお、特許請求の範囲および上記各手段に記載の括弧内の符号ないし説明は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を分かり易く示す一例であり、発明の内容を限定するものではない。

本発明燃料電池発電装置の第１実施形態を示す配管系統図である。 本発明燃料電池発電装置の第２実施形態を示す配管系統図である。 本発明燃料電池発電装置の第３実施形態を示す配管系統図である。 本発明燃料電池発電装置の第４実施形態を示す配管系統図である。 本発明燃料電池発電装置の第５実施形態を示す配管系統図である。 本発明燃料電池発電装置の第６実施形態を示す配管系統図である。 本発明燃料電池発電装置の第７実施形態を示す配管系統図である。

以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。

各実施形態で具体的に組合せが可能であることを明示している部分同士の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、明示していなくても実施形態同士を部分的に組合せることも可能である。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について詳細に説明する。図１において、燃料電池発電装置１００におけるＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）から成る燃料電池１は、イオン導電性酸化物をなすセラミックスを電解質としている。

この燃料電池１は、内部に電極として、正極（アノードまたは燃料極とも言い、Ａｎとも記す）と負極（カソードまたは空気極とも言い、Ｃａとも記す）を有している。これらの電極は、導電性セラミックスで形成されている。また、アノードとカソードに挟まれて固体電解質が設けられている。カソードには空気が供給される。アノードには、水素もしくは一酸化炭素ＣＯが供給される。これらの水素やＣＯは、炭化水素系の燃料（都市ガスのメタン等）から作られる。

燃料はポンプによって供給される。改質反応には主に水蒸気改質、部分酸化改質が挙げられる。水蒸気改質を例にとると、燃料は、水蒸気と混入されて蒸気として改質器２に送り込まれる。

改質前の燃料を改質前原料と呼び、改質後の燃料を改質燃料と呼ぶことがある。改質器２における改質反応（水蒸気改質の場合は吸熱反応）でもって改質前原料を改質して、水素とＣＯに分解している。勿論、ほかにも生成物が形成される。改質時の吸熱反応のために、熱を供給する必要がある。

改質器２に熱を供給する手段は、燃焼器３から成る。改質器２内の熱交換器によって、燃焼器３からの燃焼ガスから熱が取出される。燃料電池１で全ての燃料を消費するのでなく、一部未反応の水素とＣＯとを燃料電池１から放出している。

放出された水素とＣＯとを、残った空気とともに燃焼器３で燃焼させる。こうして燃焼器３内で熱をつくりだし、改質器２に供給して改質反応をおこなわせる。その他、熱の供給には燃料電池１の発熱を利用し供給することもできる。

燃焼器３から出た燃焼ガスを使用して、改質器２、燃料予熱器４、第１第２空気予熱器５、６等と称される熱交換器で燃料や空気が予熱される。例えば、第１第２空気予熱器５、６内で空気温度が上昇する。予熱された空気は、燃料電池１に供給される。予熱する目的は、燃料電池が、比較的高温（７００℃から８００℃）で作動するためである。供給される空気温度が燃料電池１の作動温度より低すぎると燃料電池１内に温度分布が生じ発電効率が悪化するからである。

また、燃料電池１は、セラミックが一般的な材質である。７００℃ないし８００℃のセラミックの中に常温の空気が入ってしまうと、サーマルショックで割れることが危惧される。従って、ある程度予熱された空気等を燃料電池１に供給している。予熱された空気等は、燃料電池１から燃焼器３を通過し、更に改質器２、燃料予熱器４と言う燃料予熱手段２、４と第１第２空気予熱器５、６から成る空気予熱手段５、６とを通過して大気中に排出される。

上述のように燃料電池発電装置１００は、燃料と空気の供給により発電する固体電解質型の燃料電池１を有している。燃料電池１にはアノードとカソードからなる電極が設けられている。これらの電極および電解質は、いずれもセラミックまたはセラミックとメタルの複合材からなる。

燃料電池１に供給される燃料が流れる配管となるアノードラインを介して、燃料がアノードに供給される。アノードラインには、燃料電池１に燃料が流入する入口側と、燃料電池１に燃料が流出する出口側とを有している。

更にカソードには、図示しない空気ポンプと第１第２空気予熱器５、６を介して空気が供給される。更に、アノードには、図示しない燃料ポンプを介して燃料予熱器４と改質器２とを介して燃料電池１に燃料が供給される。

改質器２は、天然ガス、メタノール、ガソリンなどの燃料から水素を取り出す反応装置であり、燃焼器３からの燃焼ガスの熱によって改質前原料を改質燃料に改質している。この実施形態では、改質前原料として水蒸気と都市ガスを使用している。改質反応では、例えば水３に対してカーボン１の割合（Ｓ／Ｃ＝３／１）になるように改質前原料（素ガス）を供給している。

また、アノードには、図示しない水ポンプと、燃料予熱器４と改質器２とを介して水蒸気が供給される。燃料電池本体２には、アノードの温度を検知する図示しないアノード温度検出手段を成す温度センサを有する。

燃料電池１内のカソードを通過した空気とアノードを通過した燃料とは、燃焼器３に送られ、燃焼器３内で燃料が燃焼される。高温の燃焼ガスから成る排気は、改質器２を通過して温度低下した後、冷却器７を通過して燃料電池１を冷却する。そして、排気は、第２空気予熱器６と燃料予熱器４と第１空気予熱器５とを経由して大気中に排出される。

このように、燃料用熱交換器となる改質器２との熱交換によって温度が燃料電池１の作動温度よりも低下した燃焼器３の排気の少なくとも一部（第１実施形態では全部）を、冷却器７を介して空気用熱交換器と成る第２空気予熱器６に流す燃料電池冷却配管１０ａ、１０ｂを備える。燃料電池冷却配管１０ａ、１０ｂのうち１０ａは一次側燃料電池冷却配管であり、１０ｂは二次側燃料電池冷却配管である。

更に、燃料が天然ガス、石炭ガス等でなく水素でも直接発電できる。水素を使用する場合のように燃料の改質が不要な場合は、改質器２は無くてもよい。この場合は、改質器に代わり最も高温の熱交換器（空気予熱器または燃料予熱器）が配置される。

図１から判明するように、第１空気予熱器５に、図示しない外部の空気ポンプで空気が供給される。また、第１空気予熱器５には、燃料予熱器４を経由した燃焼ガスが供給される。この燃料予熱器４を経由した高温の燃焼ガスと空気とが第１空気予熱器５内で熱交換される。

更に、第２空気予熱器６に、第１熱交換器５からの空気が供給される。また、第２空気予熱器６の二次側において、燃料電池１の温度を調整する温調用空気が追加される。次に、第２空気予熱器６には、改質器２を経由した燃焼ガスが供給される。この改質器２を経由した高温の燃焼ガスと空気とが第２空気予熱器６内で熱交換される。

上記構成では、燃焼器３の改質器２通過後の排気で冷却器７を冷却する考え方であるため、カソードラインの空気を使用して冷却器７を冷却する考え方と比較すると、燃料電池１のカソードラインの空気量を低減できる。この空気量の低減により、ブロア動力の低減効果と排気熱損失の低減効果が発揮される。空気量が多いと同じ温度で排気しても、流量が多い分、熱ロスが多くなってしまうため、空気量の低減は排気熱損失の低減に寄与する。

なお、燃料電池１を全て空気で冷却しようとすると、発電に必要な空気量に対して約１０倍程度の空気を供給する必要がある。よって、燃焼器３の改質器２通過後の排気で冷却することにより空気の供給量を大幅に減らすことができる。

そして、空気量が減った影響で、同じ温度まで燃料電池１を昇温するのに必要な熱量が減少する。燃料電池１の排気についても空気流量が減った分、同じだけの熱量を持っているとすると排気の温度が上昇し、この温度が上昇した排気を利用する熱交換器では、熱交換が容易となる。従って、温度が上昇した排気と熱交換する第１第２熱交換器５、６および燃料予熱器４を小型化することができる。

特に、第１空気予熱器５を通過する空気量が減る影響で、同じ温度まで昇温するのに必要な熱量が減少する。更に、第１空気予熱器５を通過する排気についても空気流量が減った分、同じだけの熱量を持っているとすると、排気温度が上昇し、第１空気予熱器５における空気と排気との熱交換がしやすくなるという効果がある。

（第１実施形態の作用効果）
上述のように第１実施形態においては、燃料と空気が供給されて作動温度で作動する燃料電池１を有する。また、この燃料電池１を冷却する冷却器７と、燃料電池１を通過した燃料および空気が供給されて燃焼する燃焼器３と、燃焼器３の排気によって加熱され燃料電池１に供給される前の燃料を加熱する燃料用熱交換器２となる改質器２を有する。

そして、燃料用熱交換器２との熱交換によって温度が燃料電池１の作動温度よりも低下した燃焼器３の排気の少なくとも一部を、冷却器７を介して第２空気用熱交換器に流す燃料電池冷却配管１０ａ、１０ｂを備える。

これによれば、燃料電池１の作動温度よりも低下した燃焼器３の排気の少なくとも一部（または全部）を、冷却器７を介して空気用熱交換器（第２空気予熱器６）に流す燃料電池冷却配管１０ａ、１０ｂを備えたから、発電用の空気とは別のガスである燃焼器３の排気で冷却器７を冷却することができ、発電用の空気の温度に直接的な影響を受けないで、冷却器７の温度調整を実施することが容易となる。

また、燃料電池１の作動温度は約８００℃であり、冷却器７に供給される燃焼器３と改質器２とを通る排気の温度は７００℃である。このように、冷却器７に供給される燃焼器の排気の温度（７００℃）と燃料電池１の作動温度（８００℃）の差は３００℃以内である。これによれば、温度の差を３００℃以内に抑えることにより、冷却に当たりサーマルショックを与えることがないため、耐久性に優れた燃料電池発電装置１００が得られる。

更に、燃料用熱交換器２となる改質器２は、燃料電池１に供給する燃料の予熱を行う予熱器である。これによれば、予熱器から成る改質器２と熱交換され温度が下がった燃焼器３の排気を冷却器７に供給することができる。

加えて、燃料用熱交換器２は、燃料電池に供給する燃料の改質を行う改質器でもあるから、冷却器７に供給される燃焼器３の排気の温度が下がり過ぎることがない。なお、改質器２通過後（二次側の）排気の全てを冷却器７内に供給したが、一部を第２空気予熱器６に供給して残部を冷却器７に供給しても良い。

（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。なお、以降の各実施形態においては、上述した第１実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略し、異なる構成および特徴について説明する。

図２において、冷却器７に供給される前の燃焼器３の排気に温度調節のために温調用空気を混合する空気混合手段を成す排気空気混合弁１５を有する。これによれば、温度調節のために温調用空気が、冷却器７に供給される前の燃焼器３の排気に混合されることにより、冷却器７に供給される前の燃焼器３の排気の温度を任意に調整することができる。

この場合、単一配管により供給された温調用空気を排気空気混合弁１５と空気供給弁１６と空気追加弁１４とで、空気供給ラインおよび一次側燃料電池冷却配管１０ａの一部に所定量の空気を供給することができる。

また、熱交換器２で熱交換した後の排気を冷却器７へ流入させ、燃料電池７を冷却する。そして、燃料電池７を冷却するカソード側の空気量を低減している。ちなみに、カソード側の空気量を多くして冷却器７に供給して燃料電池７を冷却すると空気量が膨大と成り燃料電池１や燃焼器３の排気温度が低下する。従って、カソード側の空気量の低減に伴う排気温度上昇で、熱交換器２の小型化が達成できる。

（第２実施形態の作用効果）
上記第２実施形態においては、冷却器７に供給される前の燃焼器３の排気の全部または少なくとも一部に温度調節のために温調用空気を混合する排気空気混合弁１５を有する。従って、温度調節のために温調用空気が、冷却器７に供給される前の燃焼器３の排気に混合されることにより、冷却器７に供給される前の燃焼器３の排気の温度を任意に調整することができる。

（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。上述した実施形態と異なる特徴部分を説明する。図３において、燃料用熱交換器となる改質器２との熱交換によって温度が燃料電池１の作動温度よりも低下した燃焼器３の排気を、冷却器７に圧送する排気圧送手段となるブロワ１７を備える。

これによれば、燃料用熱交換器となる改質器２との熱交換によって温度が燃料電池１の作動温度よりも低下した燃焼器３の排気を、例えばブロワから成る排気圧送手段１７を介して冷却器７に供給するから、燃焼器３の排気の少なくとも一部が逆流することなく確実に冷却器７に供給できる。

なおこの場合、排気圧送手段１７を成すブロワの流量を制御して冷却器７に供給する排気の流量を制御することができる。これによれば、例えば、ブロワモータの回転数を制御してブロワ１７の流量を所望の値にして冷却器７の冷却作用を調整することができる。

また、第１空気予熱器５を通過した排気を廃熱利用機１８と成る例えば給湯器を介して大気中に放出しても良い。なお、２１は第１排気混合配管である。この改質器２の出口側配管２１内において、改質器２を出た排気と冷却器７を経由した排気とが一部混合される。そして、混同された排気をブロワ１７で冷却器７に再圧送している。

（第３実施形態の作用効果）
また、燃料用熱交換器２との熱交換によって温度が燃料電池１の作動温度よりも低下した燃焼器３の排気の少なくとも一部を、冷却器７に圧送する排気圧送手段１７を備える。これによれば、燃料用熱交換器（改質器）２との熱交換によって温度が燃料電池１の作動温度よりも低下した燃焼器３の排気の少なくとも一部を、排気圧送手段１７をなす例えばブロワ（又はポンプ）を介して冷却器７に圧送するから、燃焼器３の排気の少なくとも一部を逆流することなく確実に冷却器７に供給できる。

そして、排気圧送手段１７の流量を制御して冷却器７に供給される排気の少なくとも一部の流量を制御している。従って、排気圧送手段１７をなす例えばブロワモータの回転数を制御して流量制御することにより冷却器７の冷却作用を調整することができる。

更に、燃料用熱交換器２との熱交換によって温度が燃料電池１の作動温度よりも低下した燃焼器３の排気と、冷却器７を通過した排気とを混合してから混合された排気の少なくとも一部を冷却器１に圧送する排気圧送手段１７を備えている。

これによれば、燃焼器２の排気と、冷却器７を経由した排気とを混合してから混合された排気の少なくとも一部を、例えばブロワから成る排気圧送手段１７を介して冷却器７に供給するから、冷却器７に供給する冷却用のガスとなる排気の温度を燃料電池１の作動温度に一層近い温度で供給可能となりサーマルショックを低減できる。

（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。上述した実施形態と異なる特徴部分を説明する。図４において、燃料用熱交換器となる改質器２との熱交換によって温度が燃料電池１の作動温度よりも低下した燃焼器３の排気と、冷却器７と二次側燃料電池冷却配管１０ｂとを通過した排気とを混合してから、混合後の下流側の排気を、排気圧送手段１７となるブロワによって冷却器７に供給している。

このように、燃料用熱交換器となる改質器２の排気通路に、二次側燃料電池冷却配管１０ｂからの冷却器通過排気を混入してから下流側で、一次側燃料電池冷却配管１０ａと排気圧送手段１７とを経由して、混合排気が冷却器７に供給される。

これによれば、燃焼器３の排気と、冷却器７を通過した冷却用の排気とを混合してから下流側で、混合排気の少なくとも一部を、排気圧送手段１７を介して冷却器７に供給するから、第３実施形態に比べ、冷却器７に供給する冷却用のガスとなる排気の温度をより高めることができ、冷却器７に供給する冷却用のガスとなる排気の温度を燃料電池１の作動温度に近い温度で供給可能となりサーマルショックを低減できる。

（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。上述した実施形態と異なる特徴部分を説明する。図５において、燃料用熱交換器となる改質器２を通過した排気を、更にその他の熱交換器（下流側熱交換器）となる第２空気予熱器６と熱交換した排気を、排気管２２、２３、２４を介して大気中に排出している。排気管２２、２３、２４は、排気排出手段を構成している。

排気圧送手段１７を成すブロワは、燃料用熱交換器となる改質器２を通過した高温の排気と、その他の熱交換器（下流側熱交換器）と成る第２空気予熱器６を通過した低温の排気とをブロワ１７の一次側に配置された複数の排気圧送手段側バルブ２６、２７を介して選択的に吸引しながら冷却器７に供給している。これによれば、排気圧送手段側バルブ２６、２７の開閉を制御することにより、ブロワ１７が吸引する排気の温度を制御できるから、冷却器７に供給する排気の温度を細かく調整することができる。

（第５実施形態の作用効果）
燃料用熱交換器２を通過した排気を、更にその他の熱交換器（下流側熱交換器）６と熱交換してから大気中に排出する排気排出手段２２〜２４を備え、排気圧送手段１７は、燃料用熱交換器２を通過した高温の排気と、その他の熱交換器（下流側熱交換器）６を通過した低温の排気とを排気圧送手段１７側に配置された複数の排気圧送手段側バルブ２６、２７を介して選択的に吸引しながら冷却器７に供給している。これによれば、排気圧送手段側バルブ２６、２７を制御することにより排気圧送手段１７側が吸引する排気の温度を制御できるから、冷却器７に供給する排気の温度を調整することができる。

（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態について説明する。上述した実施形態と異なる特徴部分を説明する。図６において、冷却器７を通過した排気を、冷却器７の二次側に配置された複数の冷却器側バルブ３１、３２を介して燃料用熱交換器となる改質器２を通過した高温の排気およびその他の熱交換器（下流側熱交換器）となる第２空気予熱器６を通過した低温の排気のうちいずれかに選択的に混入させてから大気に排気管２３、２４を介して排出している。

この場合、排気管２２は、冷却器７を通過した排気を冷却器７側に配置された冷却器側バルブ３２を介して燃料用熱交換器となる改質器２および第２空気予熱器６をシリーズに通過した低温の排気に選択的に混入させた排気を流す第２排気混合配管２２となる。

更に、複数の冷却器側バルブ３１、３２を介して選択的に混入され、かつその他の複数の熱交換器６、４、５を通過した排気をブロワ側（排気圧送手段１７側）バルブ２６、２７、３５、３６を介して選択的にブロワ１７で吸引しながら冷却器７に供給している。これによれば、ブロワ側バルブ２６、２７、３５、３６のみでなく冷却器側バルブ３１、３２によっても冷却器７に供給する排気の温度を制御することができる。また、その他の熱交換器（下流側熱交換器）と成る第２空気予熱器６、燃料予熱器４、および第１空気予熱器５を流れる排気の温度または流量を複数の冷却器側バルブ３１、３２およびブロワ側バルブ２６、２７、３５、３６で制御することができる。

（第６実施形態の作用効果）
第６実施形態においては、冷却器７を通過した排気を、冷却器７の二次側に配置された複数の冷却器側バルブ３１、３２を介して、燃料用熱交換器２を通過した高温の排気とその他の熱交換器（下流側熱交換器）６を通過した低温の排気とのうちのいずれかに選択的に混合し、選択的に混合された排気を複数の排気圧送手段側バルブ２６、２７を介して選択的に排気圧送手段１７で吸引しながら冷却器７に供給している。

これによれば、排気圧送手段側バルブ２６、２７のみでなく冷却器側バルブ３１、３２によっても冷却器７に供給する排気の温度を制御することができる。また、燃料用熱交換器２を通過した高温の排気のみでなく、その他の熱交換器（下流側熱交換器）６等を通過した低温の排気の一部を冷却器７に流して、該冷却器７の温度を排気圧送手段側バルブ２６、２７等および冷却器側バルブ３１、３２で細かく制御することができる。

（第７実施形態）
次に、本発明の第７実施形態について説明する。上述した実施形態と異なる特徴部分を説明する。第７実施形態となる図７においては、図６に比し、冷却器側バルブ３７、３８を追加している。これにより、冷却器７を通過した排気を冷却器７の二次側に配置された複数の冷却器側バルブ３１、３２、３７、３８を介して、燃料用熱交換器となる改質器２を通過した高温の排気およびその他の熱交換器（下流側熱交換器）となる第２空気予熱器６、燃料予熱器４、第１空気予熱器５を通過した低温の排気のうちいずれかに選択的に混入させてから大気に排気管２４を介して排出できる。

この場合、排気管２２は、冷却器７を通過した排気を、冷却器側バルブ３２を介して、第２空気予熱器６を通過した低温の排気に選択的に混入させる第２排気混合配管２２となる。また、排気管２３、２４は夫々第３第４排気混合配管となる。

更に、複数の冷却器側バルブ３１、３２、３７、３８を介して選択的に混入され、かつその他の複数の熱交換器６、４、５を通過した排気を、ブロワ側バルブ２６、２７、３５、３６を介して選択的にブロワ１７で吸引しながら冷却器７に供給している。これによれば、ブロワ側バルブ２６、２７、３５、３６のみでなく冷却器側バルブ３１、３２、３７、３８によっても冷却器７に供給する排気の温度を細かく制御することができる。また、その他の熱交換器（下流側熱交換器）と成る第２空気予熱器６、燃料予熱器４、第１空気予熱器５を流れる排気の温度または流量を複数の冷却器側バルブ３１、３２、３７、３８および排気圧送手段側バルブ２６、２７、３５、３６で制御することができる。

この第７実施形態によれば、熱交換器２、６、４、５で熱交換した後の排気をバルブ２６、２７、３５、３６で選択的に冷却器７へ流入させ、燃料電池７を冷却する。そして、燃料電池７を冷却するカソード側の空気量を低減している。ちなみに、カソード側の空気量を多くして冷却器７に供給して燃料電池７を冷却すると空気量が膨大と成り燃料電池１や燃焼器３の排気温度が低下する。従って、カソード側の空気量の低減および排気温度上昇で、熱交換器２、６、４、５の小型化が達成できる。

また、排気圧送手段側バルブ２６、２７、３５、３６のみでなく冷却器側バルブ３１、３２、３７、３８によっても冷却器７に供給する排気の温度を制御することができる。また、燃料用熱交換器２を通過した高温の排気のみでなく、その他の熱交換器（下流側熱交換器）６、４、５を通過した低温の排気の一部を冷却器７に流して、該冷却器７の温度を排気圧送手段側バルブ２６、２７、３５、３６および冷却器側バルブ３１、３２、３７、３８で細かく制御することができる。

（その他の実施形態）
本発明は上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、次のように変形または拡張することができる。例えば、上記各実施形態では、改質器を用いたが、燃料の種類によって改質が不要な場合は改質器の代わりに、燃料が排気と熱交換する燃料熱交換器または燃料用の予熱器を使用することができる。

２ 燃料用熱交換器（予熱器、改質器）
６ その他の熱交換器（下流側熱交換器）
５、６ 空気用熱交換器
１０ａ、１０ｂ 燃料電池冷却配管
１５ 排気空気混合弁
１７ 排気圧送手段
２２〜２４ 排気排出手段
２６、２７、３５、３６ 排気圧送手段側の複数のバルブ
３１、３２、３７、３８ 複数の冷却器側バルブ

Claims (12)

1. 燃料と空気が供給されて作動する燃料電池（１）、
   前記燃料電池（１）を冷却する冷却器（７）、
   前記燃料電池（１）を通過した前記燃料および前記空気が供給されて燃焼する燃焼器（３）、
   前記燃焼器（３）の排気の熱によって前記燃料電池（１）に供給される前の前記燃料を加熱する燃料用熱交換器（２）、
   前記燃料用熱交換器（２）との熱交換によって前記燃料電池（１）の作動温度よりも温度低下した前記燃焼器（３）の前記排気の少なくとも一部を、前記冷却器（７）に流す燃料電池冷却配管（１０ａ、１０ｂ）を備え、
   更に、前記燃焼器（３）の前記排気の熱によって前記燃料電池（１）に供給される前の前記空気を加熱する空気用熱交換器（６）を有し、
   前記燃料用熱交換器（２）との熱交換によって前記燃料電池（１）の作動温度よりも温度低下した前記燃焼器（３）の前記排気の少なくとも一部を、前記冷却器（７）を介して前記空気用熱交換器（６）に流す燃料電池冷却配管（１０ｂ）を備えたことを特徴とする燃料電池発電装置。
2. 更に、前記冷却器（７）の二次側に配置された複数の冷却器側バルブ（３１、３２）を備え、
   前記冷却器（７）に圧送され前記冷却器（７）を通過した前記排気を、前記複数の冷却器側バルブ（３１、３２）を介して、前記燃料用熱交換器（２）を通過した高温の前記排気と前記空気用熱交換器（６）を通過した低温の前記排気とのうちのいずれかに選択的に混合することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
3. 燃料と空気が供給されて作動する燃料電池（１）、
   前記燃料電池（１）を冷却する冷却器（７）、
   前記燃料電池（１）を通過した前記燃料および前記空気が供給されて燃焼する燃焼器（３）、
   前記燃焼器（３）の排気の熱によって前記燃料電池（１）に供給される前の前記燃料を加熱する燃料用熱交換器（２）、
   前記燃料用熱交換器（２）との熱交換によって前記燃料電池（１）の作動温度よりも温度低下した前記燃焼器（３）の前記排気の少なくとも一部を、前記冷却器（７）に流す燃料電池冷却配管（１０ａ、１０ｂ）を備え、
   前記燃料用熱交換器（２）との熱交換によって前記燃料電池（１）の作動温度よりも温度低下した前記燃焼器（３）の前記排気の少なくとも一部を、前記冷却器（７）に圧送する排気圧送手段（１７）を備えることを特徴とする燃料電池発電装置。
4. 更に、前記燃焼器（３）の前記排気の熱によって前記燃料電池（１）に供給される前の前記空気を加熱する空気用熱交換器（６）を有し、
   前記燃料用熱交換器（２）との熱交換によって前記燃料電池（１）の作動温度よりも温度低下した前記燃焼器（３）の前記排気の少なくとも一部を、前記冷却器（７）を介して前記空気用熱交換器（６）に流す燃料電池冷却配管（１０ｂ）を備えたことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池発電装置。
5. 前記排気圧送手段（１７）の流量を制御して前記冷却器（７）に供給される前記排気の少なくとも一部の流量を制御することを特徴とする請求項３または４に記載の燃料電池発電装置。
6. 前記燃料用熱交換器（２）との熱交換によって前記燃料電池（１）の前記作動温度よりも温度低下した前記燃焼器（３）の前記排気と、前記冷却器（７）に圧送され前記冷却器（７）を通過した前記排気とを混合した混合排気の少なくとも一部を前記冷却器（７）に圧送する前記排気圧送手段（１７）を備えたことを特徴とする請求項３ないし５のいずれか一項に記載の燃料電池発電装置。
7. 前記燃料用熱交換器（２）との前記熱交換後の前記排気の下流側に設けられ、前記排気から吸熱する空気用熱交換器（６）を含む下流側熱交換器（６）と、
   前記下流側熱交換器（６）が吸熱した前記排気を大気中に排出する排気排出手段（２２〜２４）を備え、
   前記排気圧送手段（１７）は、前記燃料用熱交換器（２）を通過した高温の前記排気と、前記下流側熱交換器（６）を通過した低温の前記排気とを前記排気圧送手段（１７）側に配置された複数の排気圧送手段側バルブ（２６、２７）を介して選択的に吸引しながら前記冷却器（７）に供給することを特徴とする請求項３ないし６のいずれか一項に記載の燃料電池発電装置。
8. 前記冷却器（７）に圧送され前記冷却器（７）を通過した前記排気を、前記冷却器（７）の二次側に配置された複数の冷却器側バルブ（３１、３２）を介して、前記燃料用熱交換器（２）を通過した高温の前記排気と前記下流側熱交換器（６）を通過した低温の前記排気とのうちのいずれかに選択的に混合し、この混合された前記排気を前記複数の排気圧送手段側バルブ（２６、２７）を介して選択的に前記排気圧送手段（１７）で吸引しながら前記冷却器（７）に供給することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池発電装置。
9. 冷却器（７）に供給される前の燃焼器（３）の排気の全部または一部に温度調節のために温調用空気を混合する排気空気混合弁（１５）を有することを特徴とする請求項１及び３ないし８のいずれか一項に記載の燃料電池発電装置。
10. 前記冷却器（７）に供給される前記燃焼器（３）の前記排気の温度と前記燃料電池（１）の作動温度の差は３００℃以内であることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか一項に記載の燃料電池発電装置。
11. 前記燃料用熱交換器（２）は、前記燃料電池（１）に供給する前記燃料の予熱を行う予熱器（２）であることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の燃料電池発電装置。
12. 前記燃料用熱交換器（２）は、前記燃料電池（１）に供給する前記燃料の改質を行う改質器（２）であることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の燃料電池発電装置。

Images