CN107275661A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃料电池系统，其可防止供给重整气体的燃料电池组内的碳析出。本发明的燃料电池系统(10A)的特征在于，其具备：将包含烃的原燃料部分氧化而生成一氧化碳和氢的部分氧化重整器(22)；使上述一氧化碳和水蒸气进行变换反应而生成二氧化碳和氢的变换反应器(23)；利用在上述部分氧化重整器(22)和上述变换反应器(23)中的至少一者中生成的上述氢与氧化剂气体的电化学反应而进行发电的燃料电池组(20)；和将上述燃料电池组(20)的排气中包含的水蒸气供给至上述变换反应器(23)的排气回流配管(P6)。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及燃料电池系统。
背景技术
以往，已知使用重整气体作为燃料气体的燃料电池系统(例如，参见专利文献1、2等)。作为该重整气体，可以举出：将烃作为原燃料而在下述式(1)中所示的水蒸气重整反应中得到的气体、或在下述式(2)所示的部分氧化反应中得到的气体。
-CH2-+H2O→CO+2H2…式(1)
-CH2-+1/2O2→CO+H2…式(2)
这样的燃料电池系统具有下述优点：具备使用部分氧化反应(其与水蒸气重整反应相比反应速度快)的重整气体供给装置时，气体处理效率优异，从这方面来看，能够实现燃料电池系统的小型化(紧凑化)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2012-160465号公报
专利文献2：日本特开2010-67534号公报
发明内容
发明所要解决的课题
然而，如下述式(3)所示，在重整气体中较多含有的CO(一氧化碳)会析出碳(C)。
所析出的碳会在燃料电池组内产生焦化。
因此，本发明的课题在于提供一种燃料电池系统，其可防止供给重整气体的燃料电池组内的碳析出。
用于解决课题的方案
可解决上述课题的本发明的燃料电池系统的特征在于，其具备：将原燃料部分氧化而生成一氧化碳和氢的部分氧化重整器；使上述一氧化碳和水蒸气进行变换反应而生成二氧化碳和氢的变换反应器；利用在上述部分氧化重整器和上述变换反应器中的至少一者中生成的上述氢与氧化剂气体的电化学反应而进行发电的燃料电池组；和将上述燃料电池组的排气中包含的水蒸气供给至上述变换反应器的排气回流配管。
若利用该燃料电池系统，通过变换反应器所产生的变换反应，燃料气体中的一氧化碳浓度降低，从而可防止燃料电池组内的碳析出。
另外，这样的燃料电池系统也可以为如下构成：上述燃料电池组通过将固体氧化物型燃料电池层积两个以上而形成，上述排气包含上述固体氧化物型燃料电池的阳极排出气体。
若利用该燃料电池系统，通过阳极排出气体供给在变换反应器中使用的水蒸气。由此，能够将阳极排出气体中包含的未燃的燃料气体进行再利用，燃料电池系统的发电效率提高。
另外，这样的燃料电池系统也可以为如下构成：其具备将使上述原燃料发生部分氧化的氧化剂气体供给至上述部分氧化重整器的氧化剂气体供给流道，接近上述变换反应器而配置有上述氧化剂气体供给流道以使得在上述氧化剂气体供给流道中流通的上述氧化剂气体与上述变换反应器进行热交换而能够将上述变换反应器冷却。
若利用该燃料电池系统，虽然高温的重整气体被送入变换反应器，但是变换反应器也可被供给至部分氧化重整器的氧化剂气体所冷却，因而能够高效地进行变换反应器中的变换反应。由此，燃料气体中的一氧化碳浓度被更有效地降低，可更确实地防止燃料电池组内的碳析出。
另外，这样的燃料电池系统也可以为如下构成：上述部分氧化重整器与上述变换反应器一体地形成。
若利用该燃料电池系统，能够使系统小型化。
另外，这样的燃料电池系统也可以为如下构成：其具备使上述燃料电池组的上述排气中包含的未反应的上述氢进行燃烧的燃烧器，上述排气回流配管将上述燃烧器的排气中包含的上述水蒸气供给至上述变换反应器。
在该燃料电池系统中，例如在预热时这样的燃料电池组中的发电开始前，也可以将水蒸气供给至变换反应器。由此，可更高效地防止燃料电池组内的碳析出。
发明的效果
根据本发明，可以提供一种燃料电池系统，其可防止供给重整气体的燃料电池组内的碳析出。
附图说明
图1是本发明的第1实施方式的燃料电池系统的外观立体图。
图2是本发明的第1实施方式的燃料电池系统的构成说明图。
图3是第1实施方式的变形例中使用的部分氧化重整器和变换反应器的构成说明图。
图4是本发明的第2实施方式的燃料电池系统的构成说明图。
图5是本发明的第3实施方式的燃料电池系统的构成说明图。
图6是本发明的第4实施方式的燃料电池系统的构成说明图。
图7是本发明的第5实施方式的燃料电池系统的构成说明图。
图8是本发明的第6实施方式的燃料电池系统的构成说明图。
图9是示出在本发明的第1实施方式的燃料电池系统中将回收率设定为20％、30％和40％时的碳析出起始温度的曲线图。
图10是示出在本发明的第1实施方式的燃料电池系统中将回收率设定为10％、20％和30％时的发电效率的曲线图。
图11是在本发明的第1实施方式的燃料电池系统中示出变换反应器的温度与变换反应后的一氧化碳浓度和氢浓度的关系的曲线图。
具体实施方式
接着，对本发明的实施方式进行说明。本发明的燃料电池系统具备部分氧化重整器作为对于燃料电池组的燃料气体的供给装置。以下，作为本发明的实施方式，以具备将固体氧化物型燃料电池(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)层积两个以上而成的燃料电池组的固定用的燃料电池系统为例进行说明。
(第1实施方式)
图1是本发明的第1实施方式的燃料电池系统10A的外观立体图，图2是本发明的第1实施方式的燃料电池系统10A的构成说明图。需要说明的是，在图1中，燃料电池组20用假想线(虚线)表示。
如图1和图2所示，燃料电池系统10A具备平板层积型燃料电池组20、部分氧化重整器22、变换反应器23、燃烧器25、热交换器24、排气回流配管P6(参见图2)、和控制部29(参见图2)。
燃料电池组20具备利用后述燃料气体中的氢与氧化剂气体中的氧的电化学反应而进行发电的平板状的固体氧化物型燃料电池30。
需要说明的是，如后所述，本实施方式中的燃料气体是包含部分氧化重整器22和变换反应器23中生成的氢的混合气体，氧化剂气体为空气。
本实施方式中的燃料电池30(参见图1)在垂直方向Vt(参见图1)进行层积。在燃料电池30的层积方向的两端配置有端板(省略图示)。
燃料电池30例如具备电解质-电极接合体(MEA)，在该接合体中，在由稳定化氧化锆等氧化物离子导电体构成的电解质的两面设有阴极和阳极。
虽然省略了图示，但在该电解质-电极接合体的两侧配设有阴极侧隔膜和阳极侧隔膜。在阴极侧隔膜形成有向阴极供给氧化剂气体的氧化剂气体流道，并且，在阳极侧隔膜形成有向阳极供给燃料气体的燃料气体流道。
燃料电池30的工作温度为几百℃的高温，如上所述，通过供给至阳极的氢与供给至阴极的氧所产生的电化学反应而进行发电。具体而言，在供给氧的阴极进行下述式(4)的电极反应。
1/2O2+2e-→O2-…式(4)
另外，在阳极，通过所供给的氢与从阴极侧转移的O2-，从而进行下述式(5)的电极反应。
H2+O2-→H2O+2e-…式(5)
从燃料电池组20排出的燃料排气(阳极排出气体)和氧化剂排气被送出至后述的燃烧器25。
需要说明的是，在阳极生成的水蒸气(H2O)成为燃料排气(阳极排出气体)的构成成分。在该燃料排气(阳极排出气体)中，除了该水蒸气以外，还包含在后述的部分氧化重整器22和变换反应器23中生成的氢(电化学反应后的未反应的氢)、二氧化碳、一氧化碳、未重整的烃等。
在氧化剂排气中，包含作为氧化剂气体所供给的空气中所含的氮、未反应的氧等。
图2中，符号T1是检测燃料电池组20的温度的温度传感器。另外，虽未进行图示，但燃料电池组20中也可以设置辅助燃料电池组20预热的组用加热器。
部分氧化重整器22为如下构成：使包含烃的原燃料作为反应成分，进行下述式(6)所示的部分氧化反应，生成重整气体(CO+H2)，将该重整气体送出至变换反应器23。
-CH2-+1/2O2→CO+H2…式(6)
作为用于部分氧化重整器22的部分氧化反应催化剂，例如可以举出Pt、Rh、Pd等。作为部分氧化重整器22的温度，优选为约500℃～1000℃左右。
本实施方式中的原燃料例如假定了13A等主要包含甲烷的家用煤气、主要包含丙烷的LPG等。
本实施方式中用于部分氧化反应的氧(O2)利用从后述的氧化剂气体供给配管P3分支的特定配管(省略图示)进行供给，该氧化剂气体供给配管P3向燃料电池组20供给氧化剂气体。
原燃料藉由喷射器60被供给至部分氧化重整器22。需要说明的是，该喷射器60设置于将未图示的原燃料泵与部分氧化重整器22连接的原燃料供给配管P5。该喷射器60连接有后述的排气回流配管P6。需要说明的是，本实施方式中的喷射器60具有电磁针阀(省略图示)。该电磁针阀藉由排气回流配管P6对流入原燃料供给配管P5的后述的燃料排气(阳极排出气体)的流量进行调节。但是，该燃料排气(阳极排出气体)的流量调节也可以通过在排气回流配管P6设置流量调节阀(省略图示)来进行。
变换反应器23为如下构成：进行使水蒸气与部分氧化重整器22中生成的重整气体中的一氧化碳反应的下述式(7)的变换反应，生成变换气，将该变换气送出至燃料电池组20(阳极侧)。
CO+H2O→CO2+H2…式(7)
作为用于变换反应器23的变换反应催化剂，例如可以举出Cu-Zn系催化剂、Fe-Cr系催化剂、Pt系催化剂等。
作为变换反应器23的温度，优选为约350℃～550℃左右。
图2中，符号P1为将部分氧化重整器22与变换反应器23连接的重整气体供给配管，符号P2为将变换反应器23与燃料电池组20(阳极侧入口)连接的燃料气体供给配管。符号S1为设置于燃料气体供给配管P2的一氧化碳浓度传感器(下文中简称为“CO传感器S1”)。
需要说明的是，燃料气体供给配管P2中流通混合气体，该混合气体除了包含变换反应器23中生成的变换气(CO2+H2)和部分氧化重整器22中生成的氢(H2)以外，还包含变换反应器23中未反应的一氧化碳(CO)、水蒸气(H2O)、部分氧化重整器22中未重整的原燃料(烃)等微量成分。该混合气体相当于上述本实施方式中的燃料气体。
CO传感器S1检测该燃料气体中的一氧化碳浓度(下文中简称为“CO浓度”)。
燃烧器25为使从燃料电池组20排出的燃料排气(阳极排出气体)中包含的未反应的氢进行燃烧的构成。另外，在燃烧器25中，在变换反应器23中未完全变换为二氧化碳的一氧化碳、未重整的原燃料(烃)也进行燃烧。在这些燃烧中利用从燃料电池组20供给至燃烧器25的氧化剂排气。需要说明的是，该氧化剂排气中包含对于该燃烧足够的量的氧。该燃烧器25的燃烧器排气除了包含作为氢、一氧化碳的燃烧产物的水蒸气、二氧化碳以外，还包含氧化剂排气(空气成分)。从燃烧器25排出的燃烧器排气藉由以下说明的热交换器24被排出到燃料电池系统10A的体系外。
热交换器24使从燃烧器25送出的燃烧器排气与供给至燃料电池组20的氧化剂气体进行热交换，使氧化剂气体升温。需要说明的是，利用未图示的空气供给泵将大气中的空气作为氧化剂气体送入热交换器24。另外，在热交换器24中进行了热交换的氧化剂气体藉由氧化剂气体供给配管P3被供给至燃料电池组20(阴极侧入口)。
排气回流配管P6从燃料电池组20的阳极排出气体出口配管P4分支，与喷射器60连接。该排气回流配管P6将燃料排气(阳极排出气体)的一部分藉由喷射器60送入原燃料供给配管P5，由此将燃料排气(阳极排出气体)中包含的水蒸气供给至变换反应器23。通过该水蒸气使上述变换反应进行。
图2中，符号S2为设置于排气回流配管P6的湿度传感器。
控制部29是由CPU、存储器等构成的电子单元，利用CPU执行保存于存储器等存储部的控制程序。
本实施方式中的控制部29利用CO传感器S1检测燃料气体中的CO浓度，利用温度传感器T1检测燃料电池组20的温度，利用湿度传感器S2检测在排气回流配管P6中流动的燃料排气(阳极排出气体)的湿度。如后所述，控制部29按照基于这些检测值来控制在排气回流配管P6中流动的燃料排气(阳极排出气体)的流量的方式而构成。
接着，参照图2对本实施方式的燃料电池系统10A的工作和燃料电池系统10A所起到的作用效果进行说明。
在燃料电池系统10A启动时，利用省略了图示的空气供给泵将作为氧化剂气体的空气供给至氧化剂气体供给配管P3。空气的一部分也通过特定路径被供给至部分氧化重整器22。
另外，原燃料从省略了图示的原燃料供给泵被供给至喷射器60。喷射器60将特定流量的原燃料送入部分氧化重整器22。
在部分氧化重整器22中，利用原燃料中包含的烃和上述通过特定路径送入的空气中的氧使部分氧化反应进行，生成重整气体。所生成的重整气体因部分氧化反应的反应热而为高温。
配置于部分氧化重整器22的下游侧的变换反应器23、燃料电池组20由于重整气体的流通而被升温，进行预热。需要说明的是，燃料电池组20的预热也可以通过上述的组用加热器(省略图示)来进行。
氧化剂气体藉由氧化剂气体供给配管P3被供给至燃料电池组20。在燃料电池组20的预热完成前，供给至燃料电池组20的燃料气体不被用于发电(未反应的状态)，而与被供给至燃料电池组20的氧化剂气体一起被送入燃烧器25而进行燃烧。
从燃烧器25送出的燃烧器排气被送入热交换器24，与另行送入该热交换器24的氧化剂气体进行热交换。由此，在氧化剂气体供给配管P3中流通的氧化剂气体在被升温为特定温度后被供给至燃料电池组20。
控制部29在利用温度传感器T1判断燃料电池组20的预热已完成时，将燃料电池组20与例如二次电池等外部负荷进行电连接。由此，燃料电池组20开始发电。在燃料电池组20的阴极和阳极，上述电极反应进行。
另外，控制部29利用CO传感器S1监视在燃料气体供给配管P2中流通的燃料气体中包含的CO浓度。在CO传感器S1所检测出的CO浓度超过预先设定的阈值时，控制部29判断燃料电池组20有碳析出的可能。
另外，该阈值由对上述的CO浓度与燃料电池组20中的碳析出的关系预先求出的图来决定，控制部29通过参照存储有这样的图的存储器来进行上述判断。
控制部29判断超过上述阈值时，对喷射器60中的上述电磁针阀(省略图示)的开度进行调节。具体而言，按照被供给至变换反应器23的水蒸气的量增大的方式打开电磁针阀(省略图示)。
由此，可充分进行变换反应器23中的“CO+H2O→CO2+H2”所示的变换反应，变换反应器23内的残余的CO被消耗。由此，被供给至燃料电池组20的燃料气体中包含的CO浓度降低，可避免燃料电池组20中的碳析出。
另外，在排气回流配管P6中流通的燃料排气(阳极排出气体)中包含的未反应的氢、一氧化碳、未重整的原燃料等再次被供给至部分氧化重整器22、变换反应器23，从而燃料电池组20的发电效率提高。
另外，控制部29利用温度传感器T1监视根据发电量而变化的燃料电池组20的温度。控制部29基于该燃料电池组20的温度来运算根据上述发电量所需要的燃料气体量。该运算通过参照存储有对燃料电池组20的温度与所需要的燃料气体量的关系预先求出的图的存储器来进行。
另外，控制部29对生成经运算得出的燃料气体量时在变换反应器23中所需要的水分量(水蒸气量)进行运算。该运算基于上述部分氧化反应和变换反应的化学计量计算来进行。
另一方面，控制部29利用湿度传感器S2求出在排气回流配管P6中流通的燃料排气(阳极排出气体)的水分量。
基于该水分量，控制部29对排气回流配管P6中的燃料排气(阳极排出气体)的流量进行运算以确保变换反应器23中所需要的上述水分量(水蒸气量)。
控制部29按照达到经运算得出的排气回流配管P6中的燃料排气(阳极排出气体)的流量的方式打开喷射器60的电磁针阀(省略图示)。
由此，可充分进行变换反应器23中的变换反应，供给至燃料电池组20的燃料气体中包含的CO浓度降低，可避免燃料电池组20中的碳析出。
在本实施方式的燃料电池系统10A中，排气回流配管P6的燃料排气(阳极排出气体)的流量Q2相对于从燃料电池组20排出的阳极排出气体的流量Q1的百分率(100Q2/Q1)、即回收率优选设定为10％～30％左右。
需要说明的是，如上所述，本实施方式中的燃料电池组20的由控制部29所进行的发电量的运算是基于燃料电池组20的温度而进行的，但也可以基于燃料电池组20的通常运转时的电流值或电压值来进行。
(第1实施方式的变形例)
图3是第1实施方式的变形例中使用的部分氧化重整器22和变换反应器23的构成说明图。
如图1所示，部分氧化重整器22和变换反应器23按照相互相邻的方式进行配置。
如图3所示，对内置部分氧化反应催化剂22a的部分氧化重整器22如上所述供给原燃料和氧化剂气体，生成重整气体。该重整气体藉由重整气体供给配管P1被送入内置变换反应催化剂23b的变换反应器23。在变换反应器23中，如上所述进行变换反应，将生成的燃料气体送出。
在该变形例中，向部分氧化重整器22供给氧化剂气体的部分氧化用的氧化剂气体供给流道P9(下文中称为POX氧化剂气体供给流道P9)按照在变换反应器22内与变换反应催化剂23b发生热接触(能够与变换反应催化剂23b进行热交换)的方式进行配置。具体而言，按照与内置的变换反应催化剂23b的外侧相邻的方式配置有POX氧化剂气体供给流道P9。
即，在该变形例中，按照在POX氧化剂气体供给流道P9中流通的氧化剂气体(空气)与变换反应器23进行热交换而能够将变换反应器23冷却的方式，接近变换反应器23而配置有POX氧化剂气体供给流道P9。
根据这样的变形例，变换反应催化剂23b被在POX氧化剂气体供给流道P9中流通的部分氧化用氧化剂气体所冷却。优选将变换反应催化剂23b的温度设定为350℃～550℃左右。由此，可高效地进行变换反应器23中的变换反应。另外，部分氧化用氧化剂气体通过与变换反应催化剂23b的热交换而升温，之后被供给至部分氧化重整器22。由此，可高效地进行部分氧化重整器22中的部分氧化反应。与第1实施方式相比，可更有效地防止燃料电池组20中的碳析出。燃料电池组20的发电效率也进一步提高。
(第2实施方式)
图4是本发明的第2实施方式的燃料电池系统10B的构成说明图。
本实施方式中，对于与上述第1实施方式相同的构成要素附以相同符号，以省略详细的说明。
如图4所示，本实施方式的燃料电池系统10B中，第1实施方式中的部分氧化重整器22(参见图2)与变换反应器23(参见图2)一体地形成，构成了部分氧化重整-变换反应复合器26。
该部分氧化重整-变换反应复合器26在一个壳体内内置有部分氧化反应催化剂和变换反应催化剂，省略了重整气体供给配管P1(参见图2)。
根据该第2实施方式的燃料电池系统10B，可起到与上述第1实施方式的燃料电池系统10A同样的上述作用效果，并且可以实现系统的小型化。
(第3实施方式)
图5是本发明的第3实施方式的燃料电池系统10C的构成说明图。
本实施方式中，对于与上述第1实施方式和第2实施方式相同的构成要素附以相同符号，以省略详细的说明。
如图5所示，本实施方式的燃料电池系统10C与第2实施方式的燃料电池系统10B(参见图4)不同，与排气回流配管P6(下文中有时称为第1排气回流配管)不同地另外设置有将从热交换器24排出的燃烧器排气送入喷射器60的排气回流配管P7(下文中有时称为第2排气回流配管)。
图5中，符号V1、V2是分别设于排气回流配管P6、P7的电磁开闭阀。需要说明的是，图5中，用括号对燃烧器排气所附加的“阳极排出气体”的文字是指在燃烧器排气中包含阳极排出气体。
在第2实施方式的燃料电池系统10B(参见图4)中，燃料电池组20(参见图4)预热时不进行利用燃料电池组20的发电。即，不进行包含水蒸气的燃料排气(阳极排出气体)向喷射器60的供给，因而变换反应器23中的变换反应不进行，与预热完成后相比一氧化碳(CO)富集的燃料气体被供给至燃料电池组20。
与此相对，本实施方式的燃料电池系统10C中，如图5所示，在燃料电池组20预热时，包含水蒸气的燃烧器排气藉由排气回流配管P7被供给至喷射器60。即，在燃料电池组20预热时，也在部分氧化重整-变换反应复合器26中进行变换反应。
另外，预热完成后的燃料电池组20能够进行燃料电池组20的发电，可以将燃烧器25中产生的水蒸气与包含阳极排出气体的水蒸气两者用于部分氧化重整-变换反应复合器26中的变换反应。
另外，在燃料电池系统10C中，控制部29也可以如下构成：在燃料电池组20预热时使电磁开闭阀V1为关闭状态，使电磁开闭阀V2为打开状态。并且，也可以如下构成：在燃料电池组20预热完成后，控制部29使电磁开闭阀V1为打开状态，使电磁开闭阀V2为关闭状态。即，该燃料电池系统10C可以为如下构成：在燃料电池组20预热时，将燃烧器排气中包含的水蒸气用于变换反应，在燃料电池组20预热完成后，将阳极排出气体中包含的水蒸气用于变换反应。
根据这样的燃料电池系统10C，可起到与上述第1实施方式的燃料电池系统10A同样的上述作用效果，同时在燃料电池组20的预热时也能够降低燃料气体中包含的CO浓度，能够更确实地防止燃料电池组20内的碳析出。
(第4实施方式)
图6是本发明的第4实施方式的燃料电池系统10D的构成说明图。
本实施方式中，对于与上述第1实施方式至第3实施方式相同的构成要素附以相同符号，以省略详细的说明。
如图6所示，本实施方式的燃料电池系统10D与第3实施方式的燃料电池系统10C(参见图5)不同，作为第2排气回流配管的排气回流配管P7在作为第1排气回流配管的排气回流配管P6的延伸途中汇合。并且，在该汇合位置配置有电磁流道切换阀V3。
本实施方式的燃料电池系统10D中，控制部29如下构成：按照在燃料电池组20预热时燃烧器排气流通至喷射器60的方式设定电磁流道切换阀V3，按照在燃料电池组20预热完成后燃料排气流通至喷射器60的方式设定电磁流道切换阀V3。需要说明的是，图6中，用括号对燃烧器排气所附加的“阳极排出气体”的文字是指在燃烧器排气中包含阳极排出气体。
根据这样的燃料电池系统10C，可起到与上述第3实施方式的燃料电池系统10C同样的上述作用效果，同时可以缩短排气回流配管P7，并且可以将两个电磁开闭阀V1、V2替换为单一的电磁流道切换阀V3，能够实现系统的小型化。
(第5实施方式)
图7是本发明的第5实施方式的燃料电池系统10E的构成说明图。
本实施方式中，对于与上述第1实施方式至第4实施方式相同的构成要素附以相同符号，以省略详细的说明。
如图7所示，本实施方式的燃料电池系统10E与第4实施方式的燃料电池系统10D(参见图6)不同，为将部分氧化重整-变换反应复合器26(参见图6)分离成部分氧化重整器22和变换反应器23的构成。另外，燃料电池系统10E与第1实施方式的燃料电池系统10A(参见图2)不同，在部分氧化重整器22与变换反应器23之间配置了喷射器60。需要说明的是，图7中，用括号对燃烧器排气所附加的“阳极排出气体”的文字是指在燃烧器排气中包含阳极排出气体。
在该燃料电池系统10E中，能够将包含水蒸气的燃烧器排气或燃料排气送入紧挨变换反应器23的上游侧。
根据该燃料电池系统10E，可起到与第4实施方式的燃料电池系统10D同样的效果，同时能够直接送入水蒸气相关的变换反应器23，因而可更高效地进行变换反应。由此，可以更确实地降低燃料气体中包含的CO浓度，可以更确实地防止燃料电池组20内的碳析出。
(第6实施方式)
图8是本发明的第6实施方式的燃料电池系统10F的构成说明图。
本实施方式中，对于与上述第1实施方式至第5实施方式相同的构成要素附以相同符号，以省略详细的说明。
如图8所示，本实施方式的燃料电池系统10F与第1实施方式的燃料电池系统10A(参见图2)不同，省略了变换反应器23。
另外，燃料电池系统10F具备将包含由空气成分构成的氧化剂排气的燃烧器排气送入喷射器60的排气回流配管P7。
该燃料电池系统10F中，与第1实施方式的燃料电池系统10A同样地，在CO传感器S1所检测出的CO浓度超过预先设定的阈值的情况下，控制部29判断燃料电池组20有碳析出的可能。
在控制部29判断超过上述阈值的情况下，对喷射器60中的上述电磁针阀(省略图示)的开度进行调节。具体而言，按照被供给至燃料电池组的燃料气体中包含的CO浓度降低的方式，将燃烧器排气送入喷射器60。这样，通过燃料气体中包含的CO浓度降低，从而可避免燃料电池组20中的碳析出。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明不限定于上述实施方式，可以在不脱离本发明的主旨的范围内进行各种变更。
上述实施方式的燃料电池系统10A～10F假定了固定型的燃料电池系统，但也可以用于船舶等移动体。
另外，上述实施方式的燃料电池系统10A～10F假定了家用煤气、LPG等包含烃的物质作为原燃料，但也可以使用包含碳原子和氢原子并在特定温度下可气化的其它化合物(例如，醇等低分子量有机化合物)作为原燃料。
另外，上述实施方式的燃料电池系统10A～10F假定了以固体氧化物型燃料电池作为构成要素，但也可以以固体高分子型、熔融碳酸盐型、磷酸型等的其它燃料电池作为构成要素。该情况下，根据各种燃料电池的电极反应，含水分的排出气体被回流至变换反应器。
实施例
接着，下面对验证本发明的燃料电池系统中的作用效果的实施例进行说明。
该实施例中，对第1实施方式的燃料电池系统10A(参见图2)的燃料电池组20中的碳析出起始温度进行验证。
该实施例中，将排气回流配管P6的燃料排气(阳极排出气体)的流量Q2相对于从燃料电池组20排出的阳极排出气体的流量Q1的百分率(100Q2/Q1)所规定的回收率设定为20％、30％和40％。并且，进行各回收率下的碳析出的化学平衡计算，计算出各回收率下的碳析出起始温度。
将其结果示于图9。图9是示出将回收率设定为20％、30％和40％时的碳析出起始温度T20、T30、T40的曲线图。曲线图的纵轴为碳摩尔分数，横轴为反应温度。
如图9所示，随着回收率向20％、30％和40％增加，确认到碳析出起始温度向T20℃、T30℃、和T40℃降低。即，验证了：在第1实施方式的燃料电池系统10A(参见图2)中，回收率越增加，则可在越低的温度下不使碳析出至燃料电池组20而进行运转。
另外，该实施例中，在第1实施方式的燃料电池系统10A(参见图2)中，计算出将回收率分别设定为10％、20％和30％时的燃料电池组20的发电效率。
将其结果示于图10。图10是示出将回收率设定为10％、20％和30％时的发电效率的曲线图。曲线图的纵轴为燃料电池组20的发电效率，横轴为燃料气体的利用率。
如图10所示，随着回收率向10％、20％和30％增加，确认到发电效率增加。
另外，该实施例中，对第1实施方式的燃料电池系统10A(参见图2)的变换反应器23(参见图2)中的变换反应的温度依赖性进行了验证。具体而言，计算出变换反应器23(参见图2)中的温度、和该变换反应器23中的变换反应后的CO浓度与氢浓度。
将其结果示于图11。图11是示出变换反应器23的温度与变换反应后的CO浓度和氢浓度的关系的曲线图。曲线图的左纵轴为CO浓度[％]，曲线图的右纵轴为氢(H2)浓度[％]。另外，图11中用虚线示出了变换反应前的CO浓度和氢(H2)浓度。
如图11所示，变换反应后的氢(H2)浓度具有随着变换反应器23的温度上升而上升的趋势。因此，若仅着眼于供给至燃料电池组20的氢(H2)浓度，则变换反应器23的温度越高越好。
另一方面，可知：关于变换反应后的CO浓度，至特定温度为止，随着变换反应器23的温度上升而降低，但是若超过该特定的温度，则反而会上升。另外确认到，若考虑可防止燃料电池组20中的碳析出的燃料气体中的CO浓度，则变换反应器23的温度优选为350℃至550℃的范围。
符号说明
10A～10F 燃料电池系统
20 燃料电池组
22 部分氧化重整器
23 变换反应器
24 热交换器
25 燃烧器
29 控制部
30 燃料电池
50 原燃料供给配管
60 喷射器
P1 重整气体供给配管
P2 燃料气体供给配管
P3 氧化剂气体供给配管
P4 阳极排出气体出口配管
P5 原燃料供给配管
P6 排气回流配管(第1排气回流配管)
P7 排气回流配管(第2排气回流配管)
P9 氧化剂气体供给流道(氧化剂气体供给流道)
S1 一氧化碳浓度传感器
S2 湿度传感器
T1 温度传感器

Claims (5)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，其具备：
将原燃料部分氧化而生成一氧化碳和氢的部分氧化重整器；
使所述一氧化碳和水蒸气进行变换反应而生成二氧化碳和氢的变换反应器；
利用在所述部分氧化重整器和所述变换反应器中的至少一者中生成的所述氢与氧化剂气体的电化学反应而进行发电的燃料电池组；和
将所述燃料电池组的排气中包含的水蒸气供给至所述变换反应器的排气回流配管。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述燃料电池组通过将固体氧化物型燃料电池层积两个以上而形成，
所述排气包含所述固体氧化物型燃料电池的阳极排出气体。
3.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
其具备将使所述原燃料发生部分氧化的氧化剂气体供给至所述部分氧化重整器的氧化剂气体供给流道，
接近所述变换反应器而配置有所述氧化剂气体供给流道，使得在所述氧化剂气体供给流道中流通的所述氧化剂气体与所述变换反应器进行热交换而能够将所述变换反应器冷却。
4.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述部分氧化重整器与所述变换反应器一体地形成。
5.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
其具备使所述燃料电池组的所述排气中包含的未反应的所述氢进行燃烧的燃烧器，
所述排气回流配管将所述燃烧器的排气中包含的所述水蒸气供给至所述变换反应器。
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