JP2003123818A - 燃料電池システム及び複合発電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】低コストで燃料電池システムにおける燃料利用
率の向上とシステム全体の効率向上を図る。 【解決手段】第１燃料ガスと第１酸化剤ガスの供給によ
り発電を行なう第１燃料電池１−１と、第１燃料電池か
ら送出される第１使用済み燃料ガスと、第２燃料ガス
と、第２酸化剤ガスの供給により発電を行なう第２燃料
電池１−２／１−３とを具備し、第２燃料ガスの量は、
第１使用済み燃料ガスに含まれる水蒸気の量に基づいて
決定される燃料電池システムを利用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池システム
及び複合発電システムに関し、特に他の発電装置と共に
複合発電を行う、複数の燃料電池を組み合わせて用いる
燃料電池システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池システムでは、システム効率の
向上のために、燃料利用率の向上、燃料供給に伴い必要
となる水蒸気の供給の効率化などが進められている。そ
の方法の一つとして、燃料ガスの再循環がある。それ
は、燃料電池の燃料極側の排ガスを、再び燃料極へ供給
し再利用する方法である。燃料極側の排ガス中には、残
余の燃料ガス及び発電により生成した水蒸気がある。従
って、排ガスを再循環させ再利用することにより、燃料
利用率の向上、水蒸気の供給の効率化を図ることが出来
る。

【０００３】従来の燃料電池発電システムにおける燃料
ガスの再循環システムについて説明する。概略構成の一
例を図６及び図７に示す。ただし、発電された電力の集
電に関わる部分は省略している。図６は、燃料電池シス
テムにおける燃料ガスの再循環システムの概略構成の一
例を示している。改質器１０２と燃料電池本体１０３と
を有する燃料電池１０１、エジェクタ１０７、燃料導入
管１１１、燃料供給管Ａ１１４−１〜燃料供給管Ｃ１１
４−３、燃料排出管１１３、燃料循環管１１２、酸化剤
供給管１１５を具備する。

【０００４】燃料電池１０１は、燃料ガス及び酸化剤ガ
スの供給を受けて、電気化学反応（電池反応）により、
発電を行なう。改質器１０２は、燃料ガスであるメタン
やエタン、ブタン、プロパンなどの有機系炭化水素ガス
を、触媒上で水蒸気と共に反応（水蒸気改質反応）さ
せ、水素を主成分とする改質された燃料ガスを生成す
る。内部に水蒸気改質触媒を含む。燃料電池本体１０３
は、供給された改質された燃料ガスと酸化剤ガスとを用
いて、電気化学反応（電池反応）により、発電を行な
う。内部に複数の単セルを含む。エジェクタ１０７は、
内部を流れる第１流体の流れにより負圧を形成し、その
負圧により、第２流体を第１流体の流れに引き込む（吸
い込む）機能を有する。本従来例では、第１流体は、新
たに供給される燃料ガスと水蒸気である。また、第２流
体は、発電後に燃料電池本体１０３から排出される水蒸
気を含む燃料排ガスである。

【０００５】燃料導入管１１１は、エジェクタ１０７へ
新たな燃料ガス及び水蒸気を供給する配管である。一端
部を外部の燃料ガス（水蒸気を含む）供給部（図示せ
ず）に、他端部をエジェクタ１０７に接続している。燃
料供給管Ａ１１４−１〜燃料供給管Ｃ１１４−３は、燃
料ガスを燃料電池１０１へ供給し、使用済みの燃料ガス
を燃料電池１０１の外部へ排出する配管である。燃料供
給管Ａ１１４−１は、一端部をエジェクタ１０７に、他
端部を改質器１０２に接続している。燃料供給管Ｂ１１
４−２は、一端部を改質器１０２に、他端部を燃料電池
本体１０３に接続している。燃料供給管Ｃ１１４−３
は、一端部を燃料電池本体１０３に、他端部を燃料循環
管１１２及び燃料排出管１１３に接続している。燃料循
環管１１２は、燃料電池１０１から排出される燃料排ガ
スの内、再循環するものをエジェクタ１０７へ再循環す
る。一端部を燃料供給管Ｃ１１４−３と燃料排出管１１
３に、他端部をエジェクタ１０７に接続している。燃料
排出管１１３は、燃料電池１０１から排出される燃料排
ガスの内、再循環しないものを外部へ排出する。一端部
を燃料供給管Ｃ１１４−３に、他端部を燃料循環管１１
２に接続している。酸化剤供給管１１５は、燃料電池本
体１０３に酸化剤ガスを供給する。一端部を外部の酸化
剤ガス供給部（図示せず）に、他端部を燃料電池本体１
０３に接続している。

【０００６】水蒸気を含む燃料ガスは、エジェクタ１０
７を通過する。その際、エジェクタ１０７を通過する流
れによりエジェクタ１０７に負圧を形成する。そして、
その燃料ガスは、燃料電池１０１内の改質器１０２へ供
給される。改質器１０２では、水蒸気を含む燃料ガスが
触媒により改質され、水素ガス及び水蒸気を主成分とす
る改質された燃料ガスとなる。改質された燃料ガスは、
燃料電池本体１０３へ供給され、別経路で供給される酸
化剤ガスと共に発電に寄与する。発電に使用された改質
された燃料ガスである燃料排ガスは、発電により水素ガ
スが少なく、水蒸気の量が増加している。その燃料排ガ
スの一部は、エジェクタ１０７で形成された負圧によ
り、燃料循環管１１２経由でエジェクタ１０７へ再循環
される。残りは、外部へ排出される。

【０００７】図６に示すような技術の場合、燃料排ガス
の再循環のためには、専用の配管及び機器が必要とな
る。特に、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）では、作
動温度が９００〜１０００℃である。従って、高温で使
用可能な材料を用いる必要があり、コストがかかる。ま
た、エジェクタ１０７に再循環する燃料排ガスの量の制
御範囲が狭い。そのため、燃料電池の負荷の変化に効率
的に対応することが難しい。

【０００８】図７は、燃料電池システムにおける燃料ガ
スの再循環システムの概略構成の他の例を示している。
改質器１０２と燃料電池本体１０３とを有する燃料電池
１０１、ブロワ１０４、熱交換器１０５、ヒータ１０
６、燃料導入管１１１、燃料供給管Ａ１１４−１〜燃料
供給管Ｃ１１４−３、燃料排出管１１３、燃料循環管Ａ
１１２−１〜燃料循環管Ｄ１１２−４、酸化剤供給管１
１５を具備する。

【０００９】燃料電池１０１、改質器１０２、燃料電池
本体１０３、燃料排出管１１３及び酸化剤供給管１１５
は、図６と同様であるのでその説明を省略する。ブロワ
１０４は、流体を強制的に流すポンプの機能を有する。
高温では使用できず、流体を低温にして使用する。本従
来例において流体は、燃料電池１０１から排出された燃
料排ガスである。熱交換器１０５は、内部を流れる流体
の温度を熱交換により低下させる。本従来例において流
体は、燃料電池１０１から排出された燃料排ガスであ
る。ヒータ１０６は、内部を流れる流体の温度を加熱に
より上昇させる。本従来例において流体は、燃料電池１
０１から排出された燃料排ガスである。

【００１０】燃料導入管１１１は、燃料電池１０１へ新
たな燃料ガス及び水蒸気を燃料供給管Ａ１１４−１へ供
給する配管である。一端部を外部の燃料ガス（水蒸気を
含む）供給部（図示せず）に、他端部を燃料供給管Ａ１
１４−１及び燃料循環管Ｄ１１２−４に接続している。
燃料供給管Ａ１１４−１〜燃料供給管Ｃ１１４−３は、
燃料ガスを燃料電池１０１へ供給し、使用済みの燃料ガ
スを燃料電池１０１の外部へ排出する配管である。燃料
供給管Ａ１１４−１は、一端部を燃料導入管１１１及び
燃料循環管Ｄ１１２−４に、他端部を改質器１０２に接
続している。燃料供給管Ｂ１１４−２は、一端部を改質
器１０２に、他端部を燃料電池本体１０３に接続してい
る。燃料供給管Ｃ１１４−３は、一端部を燃料電池本体
１０３に、他端部を燃料循環管Ａ１１２−１及び燃料排
出管１１３に接続している。燃料循環管Ａ１１２−１〜
燃料循環管Ｄ１１２−４は、燃料電池１０１から排出さ
れる燃料排ガスの内、再循環するものをブロワ１０４経
由で燃料電池１０１へ再循環する。燃料循環管Ａ１１２
−１は、一端部を燃料供給管Ｃ１１４−３と燃料排出管
１１３に、他端部を熱交換器１０５に接続している。燃
料循環管Ｂ１１２−２は、一端部を熱交換器１０５に、
他端部をブロワ１０４に接続している。燃料循環管Ｃ１
１２−３は、一端部をブロワ１０４に、他端部をヒータ
１０６に接続している。燃料循環管Ｄ１１２−４は、一
端部をヒータ１０６に、他端部を燃料導入管１１１及び
燃料供給管Ａ１１４−１に接続している。

【００１１】水蒸気を含む燃料ガスは、燃料電池１０１
に供給される。その際、再循環した燃料排ガス（水蒸気
を含む）が途中で混合される。そして、その燃料ガス
は、燃料電池１０１内の改質器１０２へ供給される。改
質器１０２では、水蒸気を含む燃料ガスが触媒により改
質され、水素ガス及び水蒸気を主成分とする改質された
燃料ガスとなる。改質された燃料ガスは、燃料電池本体
１０３へ供給され、別経路で供給される酸化剤ガスと共
に発電に寄与する。発電に使用された改質された燃料ガ
スである燃料排ガスは、発電により水素ガスが少なく、
水蒸気の量が増加している。その燃料排ガスの一部は、
ブロワ１０４で形成された流れにより、熱交換器１０５
に入る。そしてそこで温度を下げられ、ブロワ１０４を
経由する。その後、ヒータ１０６に達し、燃料電池１０
１に供給するのに必要な温度に昇温される。そして、再
循環された燃料排ガスは再び新規の燃料ガスと共に、燃
料電池へ供給される。残りは、外部へ排出される。

【００１２】図７に示すような技術の場合、燃料排ガス
の再循環のためには、専用の配管及び機器が必要とな
る。特に、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）では、作
動温度が９００〜１０００℃である。従って、高温で使
用可能な材料を用いる必要がある。従って、コストがか
かる。また、ブロワ１０４の稼動のための動力が必要で
ある。更に、再循環する燃料排ガスを、一度降温し、再
び昇温する必要があり、熱のロスが発生する。従って、
効率が低下する。

【００１３】資源の有効利用、環境負荷低減等のため
に、燃料電池システム全体としての効率の向上が求めら
れている。それらを達成するために、燃料利用率の向上
と、燃料供給に伴い必要となる水蒸気の供給の効率化が
求められている。また、低コストでの効率の向上と、高
い運転制御性が求められている。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、システム全体の効率を向上することが可能な燃料電
池システム及び複合発電システムを提供することであ
る。

【００１５】また、本発明の別の目的としては、燃料電
池における燃料利用率の向上を図ることが可能な燃料電
池システム及び複合発電システムを提供することであ
る。

【００１６】また、本発明の更に別の目的としては、燃
料電池において、燃料供給に伴い必要となる水蒸気の供
給の効率化を図ることが可能な燃料電池システム及び複
合発電システムを提供することである。

【００１７】本発明の他の目的は、燃料利用率の向上や
水蒸気の供給の効率化を低コストで行なうことが可能な
燃料電池システム及び複合発電システムを提供すること
である。

【００１８】本発明の更に他の目的は、運転制御性及び
不可追従性の高い燃料電池システム及び複合発電システ
ムを提供することである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】以下に、［発明の実施の
形態］で使用される番号・符号を用いて、課題を解決す
るための手段を説明する。これらの番号・符号は、［特
許請求の範囲］の記載と［発明の実施の形態］との対応
関係を明らかにするために付加されたものである。ただ
し、それらの番号・符号を、［特許請求の範囲］に記載
されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならな
い。

【００２０】従って、上記課題を解決するために、本発
明の燃料電池システムは、第１燃料ガスと第１酸化剤ガ
スの供給により発電を行なう第１燃料電池（１−１）
と、前記第１燃料電池から送出される第１使用済み燃料
ガスと、第２燃料ガスと、第２酸化剤ガスの供給により
発電を行なう第２燃料電池（１−２／１−３）とを具備
する。

【００２１】また、本発明の燃料電池システムは、前記
第１燃料ガスは、前記第２燃料電池（１−２／１−３）
から送出される第２使用済み燃料ガスを含む。

【００２２】また、本発明の燃料電池システムは、前記
第２燃料ガスの量は、前記第１使用済み燃料ガスに含ま
れる水蒸気の量に基づいて決定される。

【００２３】また、本発明の燃料電池システムは、前記
第１燃料電池（１−１）及び前記第２燃料電池（１−
２）の少なくとも一方が、予め設定された燃料利用率に
基づいて運転される。

【００２４】更に、本発明の燃料電池システムは、前記
第２酸化剤ガスが、更に、前記第１燃料電池（１−１）
から送出される使用済み第１酸化剤ガスを含む。

【００２５】更に、本発明の燃料電池システムは、前記
第２燃料電池（１−２／１−３）が、ガス的に直列に接
続された複数の燃料電池（１−２、１−３）から成り、
各々の前記燃料電池（１−２、１−３）は、前段の前記
燃料電池（１−２）又は前記第１燃料電池（１−１）か
ら送出される使用済み燃料ガスと、燃料ガスと酸化剤ガ
スの供給により発電を行ない、前記燃料ガスの量は、前
記使用済み燃料ガスに含まれる水蒸気の量に基づいて決
定される。

【００２６】更に、本発明の燃料電池システムは、前記
酸化剤ガスが、前段の前記燃料電池（１−２）又は前記
第１燃料電池（１−１）から送出される使用済み酸化剤
ガスを含む。

【００２７】上記課題を解決するための本発明の複合発
電システムは、上記のいずれか一項に記載の燃料電池シ
ステム（５０）と、前記燃料電池システム（５０）から
の排燃料ガス及び排酸化剤ガスを用いるガスタービン
（６５）と、前記ガスタービン（６５）により稼動する
第１発電機（８４−１）とを具備する。

【００２８】また、本発明の複合発電システムは、前記
ガスタービン（６５）の燃焼排ガスを用いる排熱回収ボ
イラ（５２）と、前記排熱回収ボイラ（５２）により稼
動する蒸気タービン（５３）と、前記蒸気タービン（５
３）により稼動する第２発電機（８４−２）とを更に具
備する。

【００２９】上記課題を解決するための本発明のコジェ
ネレーションシステムは、上記のいずれか一項に記載の
燃料電池システム（５０）と、前記燃料電池システム
（５０）からの排燃料ガス及び排酸化剤ガスを燃焼する
排ガス燃焼器（５１）と、前記排ガス燃焼器（５１）か
らの排出ガスを用いる排熱回収ボイラ（５２）と、前記
排熱回収ボイラ（５２）で加熱された水及び蒸気を用い
る設備とを具備する。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、本発明である燃料電池シス
テムの実施の形態に関して、添付図面を参照して説明す
る。本実施例において、燃料電池の内、円筒型の固体酸
化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）に関して例を示して説明す
る。ただし、他の構造（平板型、球型など）を有する他
の種類（溶融炭酸塩型、リン酸型など）の燃料電池にお
いても適用が可能である。なお、各実施の形態において
同一又は相当部分には同一の符号を付して説明する。

【００３１】（実施例１）本発明である燃料電池システ
ムの実施の形態の構成に関して、図面を参照して説明す
る。図１は、本発明である燃料電池システムの実施の形
態の構成を示す図である。燃料電池システム５０は、第
１燃料電池１−１〜第３燃料電池１−３、第１燃料導入
管Ａ４−１〜第１燃料導入管Ｂ４−２、第２燃料導入管
Ａ５−１〜第２燃料導入管Ｂ５−２、第３燃料導入管Ａ
６−１〜第３燃料導入管Ｂ６−２、第１燃料弁１２〜第
３燃料弁１４、第１燃料供給管Ａ２１−１〜第１燃料供
給管Ｃ２１−３、第２燃料供給管Ａ２２−３〜第２燃料
供給管Ｃ２２−３、第３燃料供給管Ａ２３−１〜第３燃
料供給管Ｃ２３−３、水蒸気供給管Ａ２０−１〜水蒸気
供給管Ｂ２０−２、水蒸気弁１１、第１酸化剤供給管Ａ
２８−１〜第１酸化剤供給管Ｂ２８−２、第２酸化剤供
給管Ａ２９−１〜第２酸化剤供給管Ｂ２９−２、第３酸
化剤供給管Ａ３０−１〜第３酸化剤供給管Ｂ３０−２、
第１酸化剤弁１５〜第３酸化剤弁１７を具備する。

【００３２】また、第１燃料電池１−１〜第３燃料電池
１−３は、それぞれ第１改質器２−１〜第３改質器２−
３、及び、第１燃料電池本体３−１〜第３燃料電池本体
３−２を具備する。なお、図１の構成は、発電に使用さ
れるガスの流通に関わる構成を示しており、集電に関す
る構成等については、省略している。

【００３３】従来の技術（図６、図７）では、一つの燃
料電池において、使用済みの燃料排ガスを再循環するこ
とにより、燃料利用率の向上と燃料ガスへの水蒸気供給
の効率化の効果を得ていた。しかし、本発明において
は、複数の燃料電池（図１では、１−１〜１−３の３
個）を燃料ガスの流通系統に関して直列に接続する。そ
して、２番目以降の燃料電池については、前段の燃料電
池から排出される燃料排ガスと、新規の燃料ガスを混合
して利用する。そうすることにより、同等の効果を得る
ことが可能となる。

【００３４】すなわち、最初の燃料電池には、新規に燃
料と水蒸気とを投入する。一方、それ以降の燃料電池に
は、前段の燃料電池の燃料排ガス中の水蒸気量に対応し
て、適当な量（その水蒸気により、適切に水蒸気改質が
可能な量）の燃料を投入する。このような操作により、
基本的には燃料ガスの流量のみの管理で発電を行なうこ
とが可能となる。従って、運転の制御性及び負荷追従性
が向上する。また、ブロワやエジェクタ等の機器や高温
配管が不要となり、低コスト化が図れる。

【００３５】また、このような燃料電池システムでは、
個々の燃料電池を取付け、取外しすることにより、発電
規模の変更をフレキシブルに行なうことが出来る。特
に、最初に小規模発電システムとし、後に発電システム
を増設する場合には、増設が容易であるばかりでなく、
増設するほど燃料利用率を向上することが可能となる。

【００３６】以下に各構成を詳細に説明する。図１を参
照して、まず全体の燃料電池システム５０について説明
する。第１燃料電池１−１〜第３燃料電池１−３は、燃
料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて、電気化学反応
（電池反応）により、発電を行なう。円筒型や平板型等
の形状を有する固体電解質型や溶融炭酸塩型、リン酸型
等の燃料電池を含む。本実施例では、複数の円筒型の固
体電解質（固体酸化物）型燃料電池（ＳＯＦＣ）を有す
る。各燃料電池同士は、発電する電力に関して互いに独
立していても良いし、少なくとも２つが組み合わされて
いても良い。

【００３７】第１改質器２−１〜第３改質器２−３は、
それぞれ第１燃料電池１−１〜第３燃料電池１−３に含
まれている。内部に水蒸気改質触媒を有する。燃料ガス
であるメタンやエタン、ブタン、プロパン、ガソリン、
軽油、灯油などの有機系炭化水素（ガス）を、触媒上で
水蒸気と共に反応（水蒸気改質反応）する。そして、水
素を主成分とする改質された燃料ガスを生成する。動作
温度は、水蒸気改質後のガス組成（供給ガス組成、圧
力、温度で熱力学的に定まる）が所望の値となるような
温度である。本実施例では、約９００℃である。触媒
は、例えば、担持する金属としてニッケル、ルテニウ
ム、ロジウムなどがあり、担体としてアルミナ、マグネ
シア、ジルコニア、シリカなどがある。そこで、水蒸気
改質反応が行なわれ、水素を主成分とする燃料ガスとな
る。第１改質器２−１〜第３改質器２−３は、後述の第
１燃料電池本体３−１〜第３燃料電池本体３−２に含ま
れていても良い。本実施例では、各燃料電池本体内の燃
料極が各改質器としての機能を有する。

【００３８】第１燃料電池本体３−１〜第３燃料電池本
体３−２は、供給される改質された燃料ガスと酸化剤ガ
スとを用いて、電気化学反応（電池反応）により、発電
を行なう。本実施例では、各燃料電池本体は、内部に複
数の単セルを含む複数の円筒型ＳＯＦＣを有する。一つ
の円筒型ＳＯＦＣは、円筒型の多孔質セラミックスの基
体管の長手方向の一定の幅毎に、外周面上に燃料極、電
解質、空気極の膜が順に少しずつずらして積層されてい
る。一組の燃料極、電解質、空気極で、一つの単セルを
形成している（図示せず）。それぞれのセル同士は、イ
ンターコネクタ膜で接合されている（図示せず）。

【００３９】水蒸気供給管Ａ２０−１〜水蒸気供給管Ｂ
２０−２は、第１燃料電池１−１へ新規の水蒸気を供給
する。これらは、必ずしも管である必要は無く、流体を
漏れなく流通可能であれば良い。水蒸気弁１１は、水蒸
気供給管Ａ２０−１〜水蒸気供給管Ｂ２０−２経由で供
給される水蒸気の導入及び流量を制御する。制御は、制
御部（図示せず）により行なわれる。水蒸気供給管Ａ２
０−１は、一端部を外部の水蒸気供給部（図示せず）
に、他端部を水蒸気弁１１に接続している。水蒸気供給
管Ｂ２０−２は、一端部を水蒸気弁１１に、他端部を第
１燃料導入管Ｂ４−２及び第１燃料供給管Ａ２１−１に
接続している。

【００４０】第１燃料導入管Ａ４−１〜第１燃料導入管
Ｂ４−２は、第１燃料電池１−１へ新規の燃料ガスを供
給する。これらは、必ずしも管である必要は無く、流体
を漏れなく流通可能であれば良い。第１燃料弁１２は、
第１燃料導入管Ａ４−１〜第１燃料導入管Ｂ４−２経由
で供給される燃料ガスの導入及び流量を制御する。制御
は、制御部（図示せず）により行なわれる。第１燃料導
入管Ａ４−１は、一端部を外部の燃料供給部（図示せ
ず）に、他端部を第１燃料弁１２に接続している。第１
燃料導入管Ｂ４−２は、一端部を第１燃料弁１２に、他
端部を水蒸気供給管Ｂ２０−２及び第１燃料供給管Ａ２
１−１に接続している。

【００４１】第２燃料導入管Ａ５−１〜第２燃料導入管
Ｂ５−２は、第２燃料電池１−２へ新規の燃料ガスを供
給する。これらは、必ずしも管である必要は無く、流体
を漏れなく流通可能であれば良い。第２燃料弁１３は、
第２燃料導入管Ａ５−１〜第２燃料導入管Ｂ５−２経由
で供給される燃料ガスの導入及び流量を制御する。制御
は、制御部（図示せず）により行なわれる。第２燃料導
入管Ａ５−１は、一端部を外部の燃料供給部（図示せ
ず）に、他端部を第２燃料弁１３に接続している。第２
燃料導入管Ｂ５−２は、一端部を第２燃料弁１３に、他
端部を第１燃料供給管Ｃ２１−３及び第２燃料供給管Ａ
２２−１に接続している。

【００４２】第３燃料導入管Ａ６−１〜第３燃料導入管
Ｂ６−２は、第３燃料電池１−３へ新規の燃料ガスを供
給する。これらは、必ずしも管である必要は無く、流体
を漏れなく流通可能であれば良い。第３燃料弁１４は、
第３燃料導入管Ａ６−１〜第３燃料導入管Ｂ６−２経由
で供給される燃料ガスの導入及び流量を制御する。制御
は、制御部（図示せず）により行なわれる。第３燃料導
入管Ａ６−１は、一端部を外部の燃料供給部（図示せ
ず）に、他端部を第３燃料弁１４に接続している。第３
燃料導入管Ｂ６−２は、一端部を第３燃料弁１４に、他
端部を第２燃料供給管Ｃ２２−３及び第３燃料供給管Ａ
２３−１に接続している。

【００４３】第１燃料供給管Ａ２１−１〜第１燃料供給
管Ｃ２１−３は、燃料ガスを第１燃料電池１−１へ供給
し、使用済みの燃料ガスである燃料排ガスを第１燃料電
池１−１の外部へ排出する。これらは、必ずしも管であ
る必要は無く、流体を漏れなく流通可能であれば良い。
第１燃料供給管Ａ２１−１は、一端部を第１燃料導入管
Ｂ４−２及び水蒸気導入管Ｂ２０−２に、他端部を改質
器２−１に接続している。第１燃料供給管Ｂ２１−２
は、一端部を改質器２−１に、他端部を第１燃料電池本
体３−１に接続している。第１燃料供給管Ｃ２１−３
は、一端部を第１燃料電池本体３−１に、他端部を第２
燃料導入管Ｂ５−２及び第２燃料供給管Ａ２２−１に接
続している。本実施例では、第１燃料電池体本３−１内
に改質器２−１があるため、第１燃料供給管Ｂ２１−２
は管ではない。

【００４４】第２燃料供給管Ａ２２−３〜第２燃料供給
管Ｃ２２−３は、燃料ガスを第２燃料電池１−２へ供給
し、使用済みの燃料ガスである燃料排ガスを第２燃料電
池１−２の外部へ排出する。これらは、必ずしも管であ
る必要は無く、流体を漏れなく流通可能であれば良い。
第２燃料供給管Ａ２２−１は、一端部を第２燃料導入管
Ｂ５−２及び第１燃料供給管Ｃ２１−２に、他端部を改
質器２−２に接続している。第２燃料供給管Ｂ２２−２
は、一端部を改質器２−２に、他端部を第２燃料電池本
体３−２に接続している。第２燃料供給管Ｃ２２−３
は、一端部を第２燃料電池本体３−２に、他端部を第３
燃料導入管Ｂ６−２及び第３燃料供給管Ａ２３−１に接
続している。本実施例では、第２燃料電池体本３−２内
に改質器２−２があるため、第２燃料供給管Ｂ２２−２
は管ではない。

【００４５】第３燃料供給管Ａ２３−１〜第３燃料供給
管Ｃ２３−３は、燃料ガスを第３燃料電池１−３へ供給
し、使用済みの燃料ガスである燃料排ガスを第３燃料電
池１−３の外部へ排出する。これらは、必ずしも管であ
る必要は無く、流体を漏れなく流通可能であれば良い。
第３燃料供給管Ａ２３−１は、一端部を第３燃料導入管
Ｂ６−２及び第２燃料供給管Ｃ２２−３に、他端部を改
質器２−３に接続している。第３燃料供給管Ｂ２３−２
は、一端部を改質器２−３に、他端部を第３燃料電池本
体３−３に接続している。第３燃料供給管Ｃ２３−３
は、一端部を第１燃料電池本体３−３に、他端部を外部
の燃料排出部（図示せず）に接続している。本実施例で
は、第３燃料電池体本３−３内に改質器２−３があるた
め、第３燃料供給管Ｂ２３−２は管ではない。

【００４６】第１酸化剤供給管Ａ２８−１〜第１酸化剤
供給管Ｂ２８−２は、第１燃料電池本体３−１へ新規の
酸化剤ガス（酸素を含むガス）を供給する。これらは、
必ずしも管である必要は無く、流体を漏れなく流通可能
であれば良い。第１酸化剤弁１５は、第１酸化剤供給管
Ａ２８−１〜第１酸化剤供給管Ｂ２８−２経由で供給さ
れる酸化剤ガスの導入及び流量を制御する。制御は、制
御部（図示せず）により行なわれる。第１酸化剤供給管
Ａ２８−１は、一端部を第１酸化剤弁１５に、他端部を
第１燃料電池本体３−１に接続している。第１酸化剤供
給管Ｂ２８−２は、一端部を外部の酸化剤供給部（図示
せず）に、他端部を第１酸化剤弁１５に接続している。

【００４７】第２酸化剤供給管Ａ２９−１〜第２酸化剤
供給管Ｂ２９−２は、第２燃料電池本体３−２へ新規の
酸化剤ガス（酸素を含むガス）を供給する。これらは、
必ずしも管である必要は無く、流体を漏れなく流通可能
であれば良い。第２酸化剤弁１６は、第２酸化剤供給管
Ａ２９−１〜第２酸化剤供給管Ｂ２９−２経由で供給さ
れる酸化剤ガスの導入及び流量を制御する。制御は、制
御部（図示せず）により行なわれる。第２酸化剤供給管
Ａ２９−１は、一端部を第２酸化剤弁１６に、他端部を
第２燃料電池本体３−２に接続している。第２酸化剤供
給管Ｂ２９−２は、一端部を外部の酸化剤供給部（図示
せず）に、他端部を第２酸化剤弁１６に接続している。

【００４８】第３酸化剤供給管Ａ３０−１〜第３酸化剤
供給管Ｂ３０−２は、第３燃料電池本体３−３へ新規の
酸化剤ガス（酸素を含むガス）を供給する。これらは、
必ずしも管である必要は無く、流体を漏れなく流通可能
であれば良い。第３酸化剤弁１７は、第３酸化剤供給管
Ａ３０−１〜第３酸化剤供給管Ｂ３０−２経由で供給さ
れる酸化剤ガスの導入及び流量を制御する。制御は、制
御部（図示せず）により行なわれる。第３酸化剤供給管
Ａ３０−１は、一端部を第３酸化剤弁１７に、他端部を
第３燃料電池本体３−３に接続している。第３酸化剤供
給管Ｂ３０−２は、一端部を外部の酸化剤供給部（図示
せず）に、他端部を第３酸化剤弁１７に接続している。

【００４９】本発明である燃料電池システムの実施の形
態の動作に関して、図面を参照して説明する。図２は、
図１の各部における燃料ガス、酸化剤ガス、改質後の燃
料ガス、発電後の燃料ガスの組成（流量比）の一例を示
す表である。すなわち、図２上部に示す図と図１とが対
応しており、図２上部の図の（１）（図２中は○内に数
字１で記載、以下（１）〜（１６）で同様）〜（１６）
でのガス組成（流量比）が、図２下部の表中に流量比と
して表示されている。表中の数値の単位はＮｍ^３／ｈで
あり、小数点以下一桁のみ表示している。図１と図２と
を参照して動作を説明する。なお、本発明は、図２の表
に示すガス組成（流量）に限られるものでは無い。

【００５０】新規の水蒸気は、水蒸気供給部（図示せ
ず）より、水蒸気弁１１で流量を調節されながら、水蒸
気導入管Ａ２０−１−水蒸気導入管Ｂ２０−２経由で、
第１燃料供給管Ａ２１−１へ入る。その時の流量は図２
の表の（１）欄で示されるように、Ｈ_２Ｏ：４．０Ｎｍ
^３／ｈである。また、新規の燃料ガス（本実施例ではメ
タン）は、燃料供給部（図示せず）より、第１燃料弁１
２で流量を調節されながら、第１燃料導入管Ａ４−１−
第１燃料供給管Ｂ４−２経由で、第１燃料供給管Ａ２１
−１へ入る。その時の流量は図２の表の（２）欄で示さ
れるように、ＣＨ _４：１．０Ｎｍ^３／ｈである。それら
のガスは、第１燃料供給管Ａ２１−１で混合されなが
ら、第１燃料電池１−１の改質器２−１へ供給される。

【００５１】この時改質器２−１へ供給される新規の燃
料ガス及び水蒸気の量（流量）は、水蒸気と燃料ガス中
の炭素原子とのモル比（以後「Ｓ／Ｃ」ともいう）が、
予め定められた値になるように制御部（図示せず）によ
り設定・制御される。本実施例では、Ｓ／Ｃ＝４とし、
水蒸気のモル量と燃料ガス（メタン）中の炭素原子のモ
ル量との比が、４となるように、新規燃料ガスの流量を
設定する。ここでは、図２の表の（３）欄で示されるよ
うに、Ｈ_２Ｏ：４．０（Ｎｍ^３／ｈ）／ＣＨ_４：１．０
（Ｎｍ^３／ｈ）＝４となっている。

【００５２】改質器２−１において、水蒸気を含む燃料
ガスは、触媒により改質される。そして、水素ガス及び
水蒸気を主成分とする改質された燃料ガスとなる。改質
反応は、 ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ_２ ［１］ である。ただし、［１］式は完全に反応が進んだ場合で
あるが、実際には完全には進まない。改質された燃料ガ
スの組成は、改質器２−１に供給される全ガスの組成、
改質器２−１内の圧力及び温度で熱力学的に定まる値に
なる。ここでは、簡単のために、［１］式で示す反応が
完全に進んだものとする。その時の流量比は図２の表の
（４）欄で示されるように、Ｈ_２：Ｈ_２Ｏ：ＣＯ＝３．
０：３．０：１．０（Ｎｍ^３／ｈ）となる。

【００５３】改質された燃料ガス（（４）の組成）は、
第１燃料電池本体３−１の燃料極へ供給される。一方、
酸化剤ガスは、酸化剤供給部（図示せず）より、第１酸
化剤弁１５で流量を調節されながら、第１酸化剤導入管
Ｂ２８−２−第１酸化剤導入管Ａ２８−１経由で、第１
燃料電池本体３−１の空気極へ供給される。その時の酸
化剤ガス（酸素）の流量は図２の表の（１４）欄で示さ
れるように、Ｏ_２：１．０Ｎｍ^３／ｈである。

【００５４】第１燃料電池本体３−１は、改質された燃
料ガスと酸化剤ガスとを用いる電解質を介した電気化学
反応（電池反応）により発電を行なう。発電反応は、 ２Ｈ_２＋Ｏ_２→２Ｈ_２Ｏ ［２］ ２ＣＯ＋Ｏ_２→２ＣＯ_２ ［３］ である。［２］及び［３］式より発電により水素ガス及
び一酸化炭素ガス消費され、水蒸気及び二酸化炭素ガス
が生成する。図２の表において、Ｈ_２：１．５Ｎｍ^３／
ｈ、ＣＯ：０．５Ｎｍ^３／ｈが消費され、新たにＨ
_２Ｏ：１．５Ｎｍ^３／ｈ、ＣＯ_２：０．５Ｎｍ^３／ｈが
生成される。この時、Ｈ_２とＣＯをそれぞれ５０％使用
している。すなわち、第１燃料電池１−１単体での燃料
利用率は５０％である。

【００５５】第１燃料排ガス（第１燃料電池１−１の発
電に使用された、改質された燃料ガスの残余分と水蒸気
との混合ガス）は、水素ガスが減少し、水蒸気の量が増
加する。第１燃料排ガスは、第１燃料供給管Ｃ２１−３
により、第１燃料電池本体３−１（第１燃料電池１−
１）から排出される。その時の流量比は図２の表の
（５）欄で示されるように、Ｈ_２：Ｈ_２Ｏ：ＣＯ：ＣＯ
_２＝１．５：４．５：０．５：０．５（Ｎｍ^３／ｈ）と
なる。なお、第１酸化剤排ガス（第１燃料電池１−１の
発電に使用された、酸化剤ガスの残余分）もまた、配管
（図示せず）経由で、第１燃料電池本体３−１（第１燃
料電池１−１）から排出される。

【００５６】第１燃料電池本体３−１（第１燃料電池１
−１）から排出された第１燃料排ガス（（５）の組成）
は、第１燃料供給管Ｃ２１−３経由で第２燃料供給管Ａ
２２−１へ入る。また、新規の燃料ガス（本実施例では
メタン）は、燃料供給部（図示せず）より、第２燃料弁
１３で流量を調節されながら、第２燃料導入管Ａ５−１
−第２燃料供給管Ｂ５−２経由で、第２燃料供給管Ａ２
２−１へ入る。

【００５７】この時供給される新規の燃料ガスは、本実
施例では第１燃料電池１−１の場合と同様、Ｓ／Ｃ＝４
となるように決定される。すなわち、新規燃料ガスの流
量は、第１燃料排ガス中に含まれる水蒸気の量に基づい
て、第１燃料排ガス中の水蒸気のモル量と新規の燃料ガ
ス（メタン）中の炭素原子のモル量との比が４となるよ
うに、制御部（図示せず）により設定・制御される。こ
こでは、図２の表の（６）欄で示されるように、Ｃ
Ｈ_４：１．１Ｎｍ^３／ｈである。それらのガスは、第２
燃料供給管Ａ２２−１で混合されながら、第２燃料電池
１−２の改質器２−２へ供給される。

【００５８】第１燃料排ガス中の水蒸気量は、例えば第
１燃料供給管Ｃ２１−３の途中に水蒸気量を測定するセ
ンサや簡易ガスクロメータ（図示せず）を設置する方法
や、第１燃料電池１−１に供給した燃料ガス及び水蒸気
の流量、改質器２−１における改質条件、第１燃料電池
１−１に供給した酸化剤ガスの流量、第１燃料電池１−
１において発電した電力量に基づいて、計算で求める方
法などがある。

【００５９】改質器２−２において、水蒸気を含む燃料
ガス（第１燃料排ガス＋新規の燃料ガス）の組成は、図
２の表の（７）欄で示されるように、Ｈ_２：Ｈ_２Ｏ：Ｃ
Ｏ：ＣＯ_２：ＣＨ_４＝１．５：４．５：０．５：０．
５：１．１（Ｎｍ^３／ｈ）となる。この燃料ガスは、触
媒により改質される。そして、水素ガス及び水蒸気を主
成分とする改質された燃料ガスとなる。改質反応は、上
記［１］式の説明の通りである。この時の改質された燃
料ガスの組成は、図２の表の（８）欄で示されるよう
に、Ｈ_２：Ｈ_２Ｏ：ＣＯ：ＣＯ_２＝４．８：３．４：
１．６：０．５（Ｎｍ^３／ｈ）となる。

【００６０】改質された燃料ガス（（８）の組成）は、
第２燃料電池本体３−２の燃料極へ供給される。一方、
酸化剤ガスは、酸化剤供給部（図示せず）より、第２酸
化剤弁１６で流量を調節されながら、第２酸化剤導入管
Ｂ２９−２−第２酸化剤導入管Ａ２９−１経由で、第２
燃料電池本体３−２の空気極へ供給される。その時の酸
化剤ガス（酸素）の流量は図２の表の（１５）欄で示さ
れるように、Ｏ_２：１．６Ｎｍ^３／ｈである。

【００６１】第２燃料電池本体３−２は、改質された燃
料ガスと酸化剤ガスとを用いる電解質を介した電気化学
反応（電池反応）により発電を行なう。発電反応は、
［２］及び［３］で説明した通りである。図２の表にお
いて、Ｈ_２：Ｈ_２Ｏ：ＣＯ：ＣＯ_２＝４．８：３．４：
１．６：０．５（Ｎｍ^３／ｈ）である。発電により水素
ガス及び一酸化炭素ガス消費され、水蒸気及び二酸化炭
素ガスが生成する。図２の表において、Ｈ_２：２．４Ｎ
ｍ^３／ｈ、ＣＯ：０．８Ｎｍ^３／ｈが消費され、新たに
Ｈ_２Ｏ：２．４Ｎｍ^３／ｈ、ＣＯ_２：０．８Ｎｍ^３／ｈ
が生成される。この時、Ｈ_２とＣＯをそれぞれ５０％使
用している。すなわち、第２燃料電池１−２単体での燃
料利用率は５０％である。

【００６２】第２燃料排ガス（第２燃料電池１−２の発
電に使用された、改質された燃料ガスの残余分と水蒸気
との混合ガス）は、水素ガスが減少し、水蒸気の量が増
加する。第２燃料排ガスは、第２燃料供給管Ｃ２２−３
により、第２燃料電池本体３−２（第２燃料電池１−
２）から排出される。その時の流量比は図２の表の
（９）欄で示されるように、Ｈ_２：Ｈ_２Ｏ：ＣＯ：ＣＯ
_２＝２．４：５．８：０．８：１．３（Ｎｍ^３／ｈ）と
なる。なお、第２酸化剤排ガス（第２燃料電池１−２の
発電に使用された、酸化剤ガスの残余分）もまた、配管
（図示せず）経由で、第２燃料電池本体３−２（第２燃
料電池１−２）から排出される。

【００６３】第２燃料電池本体３−２（第２燃料電池１
−２）から排出された第２燃料排ガス（（９）の組成）
は、第２燃料供給管Ｃ２２−３経由で第３燃料供給管Ａ
２３−１へ入る。また、新規の燃料ガス（本実施例では
メタン）は、燃料供給部（図示せず）より、第３燃料弁
１４で流量を調節されながら、第３燃料導入管Ａ６−１
−第３燃料供給管Ｂ６−２経由で、第３燃料供給管Ａ２
３−１へ入る。

【００６４】この時供給される新規の燃料ガスは、第２
燃料電池１−２の場合と同様、Ｓ／Ｃ＝４となるように
決定される。すなわち、新規燃料ガスの流量は、第２燃
料排ガス中に含まれる水蒸気の量に基づいて、第２燃料
排ガス中の水蒸気のモル量と新規の燃料ガス（メタン）
中の炭素原子のモル量との比が４となるように、制御部
（図示せず）により設定・制御される。ここでは、図２
の表の（１０）欄で示されるように、ＣＨ_４：１．４Ｎ
ｍ^３／ｈである。それらのガスは、第３燃料供給管Ａ２
３−１で混合されながら、第３燃料電池１−３の改質器
２−３へ供給される。

【００６５】第２燃料排ガス中の水蒸気量は、例えば第
２燃料供給管Ｃ２２−３の途中に水蒸気量を測定するセ
ンサや簡易ガスクロメータ（図示せず）を設置する方法
や、第２燃料電池１−２に供給した燃料ガス及び水蒸気
の流量、改質器２−２における改質条件、第２燃料電池
１−２に供給した酸化剤ガスの流量、第２燃料電池１−
２において発電した電力量に基づいて、計算で求める方
法などがある。

【００６６】改質器２−３において、水蒸気を含む燃料
ガス（第２燃料排ガス＋新規の燃料ガス）の組成は、図
２の表の（１１）欄で示されるように、Ｈ_２：Ｈ_２Ｏ：
ＣＯ：ＣＯ_２：ＣＨ_４＝２．４：５．８：０．８：１．
３：１．４（Ｎｍ^３／ｈ）となる。この燃料ガスは、触
媒により改質される。そして、水素ガス及び水蒸気を主
成分とする改質された燃料ガスとなる。改質反応は、上
記［１］式の説明の通りである。この時の改質された燃
料ガスの組成は、図２の表の（１２）欄で示されるよう
に、Ｈ_２：Ｈ_２Ｏ：ＣＯ：ＣＯ_２＝６．７：４．４：
２．２：１．３（Ｎｍ ^３／ｈ）となる。

【００６７】改質された燃料ガス（（１２）の組成）
は、第３燃料電池本体３−３の燃料極へ供給される。一
方、酸化剤ガスは、酸化剤供給部（図示せず）より、第
３酸化剤弁１７で流量を調節されながら、第３酸化剤導
入管Ｂ３０−２−第３酸化剤導入管Ａ３０−１経由で、
第３燃料電池本体３−３の空気極へ供給される。その時
の酸化剤ガス（酸素）の流量は図２の表の（１６）欄で
示されるように、Ｏ_２：２．２Ｎｍ^３／ｈである。

【００６８】第３燃料電池本体３−３は、改質された燃
料ガスと酸化剤ガスとを用いる電解質を介した電気化学
反応（電池反応）により発電を行なう。発電反応は、
［２］及び［３］で説明した通りである。発電により水
素ガス及び一酸化炭素ガス消費され、水蒸気及び二酸化
炭素ガスが生成する。図２の表において、Ｈ_２：３．３
Ｎｍ^３／ｈ、ＣＯ：１．１Ｎｍ^３／ｈが消費され、新た
にＨ_２Ｏ：３．３Ｎｍ^３／ｈ、ＣＯ_２：１．１Ｎｍ^３／
ｈが生成される。この時、Ｈ_２とＣＯをそれぞれ５０％
使用している。すなわち、第３燃料電池１−３単体での
燃料利用率は５０％である。

【００６９】第３燃料排ガス（第３燃料電池１−３の発
電に使用された、改質された燃料ガスの残余分と水蒸気
との混合ガス）は、水素ガスが減少し、水蒸気の量が増
加する。第３燃料排ガスは、第３燃料供給管Ｃ２３−３
により、第３燃料電池本体３−３（第３燃料電池１−
３）から排出される。その時の流量比は図２の表の（１
３）欄で示されるように、Ｈ_２：Ｈ_２Ｏ：ＣＯ：ＣＯ_２
＝３．４：７．７：１．１：２．４（Ｎｍ^３／ｈ）とな
る。なお、第３酸化剤排ガス（第３燃料電池１−３の発
電に使用された、酸化剤ガスの残余分）もまた、配管
（図示せず）経由で、第３燃料電池本体３−３（第３燃
料電池１−３）から排出される。

【００７０】第３燃料電池１−３から排出される第３燃
料排ガスについて、他の機器（図示せず）と熱交換をす
ることにより、その熱を有効利用することが可能であ
る。例えば、第１燃料電池１−１〜第３燃料電池１−３
へ供給される新規の燃料ガス及び酸化剤ガスの加熱用
や、他のコジェネレーション設備である。また、第１燃
料電池１−１〜第３燃料電池１−３〜排出される第１酸
化剤排ガス〜第３酸化剤排ガスについても同様である。

【００７１】以上のシステムにおいて、投入燃料流量と
消費燃料流量との関係から、第１燃料電池１−１での燃
料利用率は、４９．５％と計算される。第１燃料電池１
−１及び第２燃料電池１−２を合わせた場合には、６
１．４％の燃料利用率となる。更に、第１燃料電池１−
１から第３燃料電池１−３までの総合燃料利用率は、６
８．１％となる。すなわち、燃料電池を複数直列（ガス
系）に接続することにより、単独の燃料電池の場合に比
較して、燃料利用率が著しく向上している事がわかる。

【００７２】すなわち、第１燃料電池１−１で使用した
燃料ガスが、第２燃料電池１−２及び第３燃料電池１−
３において再利用される。同様に、第２燃料電池１−２
で使用した燃料ガスが、第３燃料電池１−３において再
利用される。従って、図６や図７で示す燃料ガスの再循
環と同様の効果（燃料利用率の向上）を得ることが出来
る。加えて、ブロワやエジェクタ等の付属機器や高温用
の配管を用いる必要が無い。また、基本的に燃料流量の
みの管理となるため、運転制御性及び付加追従性が向上
する。

【００７３】本実施例では、３つの燃料電池（第１燃料
電池１−１〜第３燃料電池１−３）が接続されている
が、本発明の燃料電池システムは、必ずしも３つに限ら
れるものではない。２つ以上であれば、上記効果を得る
ことが可能である。また、４つ以上の燃料電池を付加す
ることも可能である。付加により燃料利用率の更なる向
上が可能となる。

【００７４】なお、図５に示すように、図１の燃料電池
システム５０の第３燃料供給管Ｃ２３−３から排出され
る第３燃料排ガスを、再循環することも可能である。こ
の場合、水蒸気導入管Ｂ２０−２の途中にエジェクタ３
３を設ける。そして、第３燃料供給管Ｃ２３−３の途中
から配管を分岐（再循環管Ａ３２−１〜再循環管Ｃ３２
−３）し、エジェクタ３３と接続する。そして、第３燃
料排ガスを再循環したい場合には、再循環管Ａ３２−１
〜再循環管Ｃ３２−３の途中に設置された再循環弁Ａ１
８及び再循環弁Ｂ１９を開とする。

【００７５】これにより、燃料利用率を更に向上するこ
とが可能となる。また、燃料ガスへ供給する水蒸気を効
率的に供給することが可能となる。

【００７６】（実施例２）本発明である燃料電池システ
ムを利用した複合発電システムの実施の形態の構成に関
して、図面を参照して説明する。図３は、本発明である
複合発電システムの実施の形態の構成を示す図である。
複合発電システムは、燃料電池システム５０、ガスター
ビンシステム６５、蒸気タービンシステム６６、燃料供
給導入管６０、燃料排出管６１、酸化剤排出管６２、酸
化剤導入管Ａ６４−１〜酸化剤導入管Ｃ６４−３、導入
弁６８、燃焼ガス供給管Ｂ６３−２、蒸気供給ライン７
６を具備する。ここで、ガスタービンシステム６５は、
燃焼器５１、圧縮機５７とタービン５８とを有するガス
タービン５６、発電機Ａ８４−１、回転軸５９、燃焼ガ
ス供給管Ａ６３−１を具備する。また、蒸気タービンシ
ステム６６は、排熱回収ボイラ５２、蒸気タービン５
３、発電機Ｂ８４−２、回転軸６７、復水器５４、ポン
プ５５、循環管Ａ７１−１〜循環管Ｄ７１−４、排出管
７２を具備する。

【００７７】本実施例では、燃料電池システムとして、
実施例１の燃料電池システム５０を用いるので、燃料利
用率の向上と燃料ガスへの水蒸気供給の効率化が図ら
れ、かつ、付属機器や高温用配管を用いない低コストな
システムである。すなわち、低コストで効率的な燃料電
池システム５０を使用している。従って、それを用いた
複合発電システムにおいても、低コストかつ高効率なシ
ステムとすることが可能となる。

【００７８】以下に各構成を詳細に説明する。図１を参
照して、燃料電池システムを利用した複合発電システム
について説明する。燃料電池システム５０は、実施例１
で説明した燃料電池システム５０である。従って、その
説明を省略する。燃料導入管６０は、燃料供給部（図示
せず）から燃料電池システム５０へ燃料ガスを供給す
る。これは、実施例１における第１燃料導入管Ａ４−
１、第２燃料導入管Ａ５−１及び第３燃料導入管Ａ６−
１に対応する。図３中では、代表的に１つの燃料導入管
を示している。一端部を燃料供給部（図示せず）に、他
端部を燃料電池システム５０に接続している。蒸気供給
ライン７６は、排熱回収ボイラ５２（後述）から燃料電
池システム５０へ水蒸気を供給する。水蒸気は、排燃焼
ガス（ガスタービン５８からの排ガス）中の水蒸気を使
用する。すなわち、蒸気供給ライン７６は、排燃焼ガス
の一部を燃料電池システム５０へ供給する。これは、実
施例１における水蒸気導入管Ａ２０−１に対応する。一
端部を蒸気タービンシステム６６の排熱回収ボイラ５２
に、他端部を燃料電池システム５０に接続している。酸
化剤導入管Ｂ６４−２は、ガスタービンシステム６５か
ら燃料電池システム５０へ酸化剤ガス（本実施例では空
気）を供給する。これは、実施例１における第１酸化剤
供給管Ｂ２８−２、第２酸化剤供給管Ｂ２９−２及び第
３酸化剤供給管Ｂ３０−２に対応する。一端部をガスタ
ービンシステム６５の圧縮機５７に、他端部を燃料電池
システム５０に接続している。酸化剤導入管Ｃ６４−３
は、酸化剤供給部（図示せず）から燃料電池システム５
０へ、複合発電システムの起動時に酸化剤ガスを供給す
る。これは、起動時において、実施例１における第１酸
化剤供給管Ｂ２８−２、第２酸化剤供給管Ｂ２９−２及
び第３酸化剤供給管Ｂ３０−２に対応する。一端部を酸
化剤供給部（図示せず）に、他端部を燃料電池システム
５０に接続している。導入弁６８は、酸化剤導入管Ｃ６
４−３の途中にあり、複合発電システムの起動時に開
く。制御部（図示せず）により、その開閉を制御され
る。これは、起動時において、実施例１における第１酸
化剤弁１５〜第３酸化剤弁１７に対応する。燃料排出管
６１は、燃料電池システム５０からガスタービンシステ
ム６５へ使用済みの燃料排ガスを供給する。これは、実
施例１における第３燃料供給管Ｃ２３−３に対応する。
一端部を燃料電池システム５０に、他端部をガスタービ
ンシステム６５の燃焼器５１に接続している。酸化剤排
出管６２は、燃料電池システム５０からガスタービンシ
ステム６５へ使用済みの酸化剤排ガスを供給する。これ
は、実施例１では図示していないが、各燃料電池本体で
使用済みの各酸化剤排ガスの排出管が対応する。一端部
を燃料電池システム５０に、他端部をガスタービンシス
テム６５の燃焼器５１に接続している。

【００７９】ガスタービンシステム６５は、燃料電池シ
ステム５０から送出される燃料排ガス及び酸化剤排ガス
を燃焼し、その燃焼ガスによりタービン５８を回転し、
その回転のエネルギーにより発電機Ａ８４−１で発電を
行なう。ここで、ガスタービンシステム６５の燃焼器５
１は、燃料電池システム５０から燃料排ガス及び酸化剤
排ガスの供給を受ける。そして、それらを燃焼し、高温
高圧の燃焼ガスを生成する。生成された燃焼ガスは、ガ
スタービン５６へ送出される。ガスタービン５６のター
ビン５８は、燃焼器５１で生成された高温高圧の燃焼ガ
スの供給により、そのエネルギーを回転エネルギーに変
換する（回転する）。そして、その回転エネルギーは回
転軸５９により、発電機Ａ８４−１及び圧縮機５７へ伝
達される。それにより、圧縮機５７が酸化剤ガスの圧縮
を行なう。また、発電機Ａ８４−１が発電を行なう。タ
ービン５８から排出された排燃焼ガスは蒸気タービンシ
ステムへ送出される。圧縮機５７は、酸化剤供給部（図
示せず）から酸化剤ガス（酸素を含むガス、本実施例で
は空気）の供給を受けて、回転軸５９を介してタービン
５８の回転のエネルギーを受け取る。そして、そのエネ
ルギーにより、酸化剤ガスを圧縮して燃料電池システム
５０へ送出する。回転軸５９は、ガスタービン５６の圧
縮機５７及びタービン５８、発電機Ａ８４−１の回転の
軸であり、それらを相互に結合している。それにより、
タービン５８の回転を圧縮機５７及び発電機Ａ８４−１
へ伝達可能である。発電機Ａ８４−１は、回転軸５９を
介してタービン５８の回転のエネルギーを受け取る。そ
して、そのエネルギーを電磁誘導作用で電気エネルギー
へ変換することにより発電を行なう。

【００８０】燃焼ガス供給管Ａ６３−１は、燃焼器５１
で燃焼により生成された燃焼ガスをタービン５８に供給
する。一端部を燃焼器５１に、他端部をタービン５８に
接続している。燃焼ガス供給管Ｂ６３−２は、タービン
５８で使用された燃焼ガスである燃焼排ガスを、排熱回
収ボイラ５２に供給する。一端部をタービン５８に、他
端部をはい熱回収ボイラ５２に接続している。酸化剤導
入管Ａ６４−１は、酸化剤供給部（図示せず）から圧縮
機５７へ酸化剤（本実施例では空気）を供給する。

【００８１】蒸気タービンシステム６６は、ガスタービ
ンシステム６５から送出される排燃焼ガスを用いて高温
高圧の水蒸気を生成し、そのエネルギーにより蒸気ター
ビン５３を回転し、その回転のエネルギーにより発電機
Ｂ８４−２で発電を行なう。ここで、蒸気タービンシス
テム６６の排熱回収ボイラ５２は、ガスタービンシステ
ム６５から供給される高温の排燃焼ガスを用いて、内部
の配管中の水を高温高圧の水蒸気に変換する。そして、
その水蒸気を蒸気タービン５３へ供給する。蒸気タービ
ン５３は、排熱回収ボイラ５２から供給された高温高圧
の水蒸気のエネルギーを回転のエネルギーに変換する。
その回転のエネルギーは、回転軸６７により発電機Ｂ８
４−２へ伝達される。回転軸６７は、蒸気タービン５３
と発電機Ｂ８４−２の回転の軸であり、それらを相互に
結合している。それにより、蒸気タービン５３の回転を
発電機Ｂ８４−２へ伝達可能である。発電機Ｂ８４−２
は、回転軸６７を介して蒸気タービン５３の回転のエネ
ルギーを受け取る。そして、そのエネルギーを電磁誘導
作用で電気エネルギーへ変換することにより発電を行な
う。復水器５４は、蒸気タービン５３で使用された水蒸
気の温度を下げて水に戻す熱交換器である。熱交換によ
り得られた熱エネルギーは、他の機器により使用可能で
ある。ポンプ５５は、復水器５４で生成された水を排熱
回収ボイラ５２へ供給する。

【００８２】循環管Ａ７１−１〜循環管Ｄ７１−４は、
排熱回収ボイラ５２から蒸気タービン５３−復水器５４
−ポンプ５５と経由して、排熱回収ボイラ５２に戻る水
（水蒸気）の循環用の流路である。循環管Ａ７１−１
は、一端部を排熱回収ボイラ５２に、他端部を蒸気ター
ビン５３に接続している。循環管Ｂ７１−２は、一端部
を蒸気タービン５３に、他端部を復水器５４に接続して
いる。循環管Ｃ７１−３は、一端部を復水器５４に、他
端部をポンプ５５に接続している。循環管Ｄ７１−４
は、一端部をポンプ５５に、他端部を排熱回収ボイラ５
２に接続している。排出管７２は、排熱回収ボイラ５２
において、熱回収された燃焼排ガスを外部へ排出する。

【００８３】酸化剤ガスは、酸素を含むガスである。本
実施例では、空気である。燃料ガスは、水素を含むガス
や、ＬＮＧ及びＬＰＧのような炭化水素を含む可燃性の
ガスである。本実施例では、メタンガスである。

【００８４】次に、本発明である複合発電システムの実
施の形態における動作について、図面を参照して説明す
る。まず、図３を参照して、起動の動作について説明す
る。 Ｉ）ガスタービンシステム６５の起動 （１）燃料ガスを、燃料電池システム５０経由で燃焼器
５１に供給する。この段階では、水蒸気が生成されてい
ないため、燃料電池システム５０における発電は行なわ
れない。 （２）一方、酸化剤ガスを、導入弁６８−燃料電池シス
テム５０経由で燃焼器５１に供給する。 （３）ガスタービンシステム６５の燃焼器５１におい
て、燃料ガス及び酸化剤ガスが燃焼され、高温高圧の燃
焼ガスが生成される。生成された燃焼ガスは、タービン
５８に供給される。 （４）供給される高温高圧の燃焼ガスにより、タービン
５８が回転される。その回転により、圧縮機５７及び発
電機８４−１を動作させる。 （５）圧縮機５７は、タービン５８の回転により回転
し、酸化剤ガス（空気）を吸引し、圧縮し、燃料電池シ
ステム５０へ向けて送出する。 （６）発電機Ａ８４−１は、タービン５８の回転により
回転子が回転して、電磁誘導作用により発電が行なわれ
る。 （７）タービン５８において、回転に使用された燃焼ガ
スは、排燃焼ガスとして蒸気タービンシステム６６の排
熱回収ボイラ５２へ送出される。 以上の動作により、ガスタービンシステム６５が起動さ
れる。

【００８５】ＩＩ）蒸気タービンシステム６６の起動 （１）排熱回収ボイラ５２は、タービン５８から送出さ
れた排燃焼ガスにより、水及び水蒸気を加熱し、高温高
圧の水蒸気とする。そして、その水蒸気を蒸気タービン
５３に供給する。 （２）供給される高温高圧の水蒸気により、蒸気タービ
ン５３が回転される。その回転により、発電機Ｂ８４−
２を動作させる。 （３）発電機Ｂ８４−２は、蒸気タービン５３の回転に
より回転子が回転して、電磁誘導作用により発電が行な
われる。 （４）蒸気タービン５３において、回転に使用された水
蒸気は、復水器５４へ送出される。 （５）復水器５４で水に戻された後、ポンプ５５により
強制的に排熱回収ボイラ５２に還流する。 以上の動作により、蒸気タービンシステム６６が起動さ
れる。 ＩＩＩ）燃料電池システム５０の起動 （１）高温の水蒸気を含んだ排燃焼ガスが、排熱回収ボ
イラ５２から供給される。この時蒸気供給ライン７６
（実施例１の水蒸気導入管Ａ２０−１）経由で供給され
る排燃焼ガスの量は、その内部に含まれる水蒸気のモル
量と、燃料導入管６０（実施例１の第１燃料導入管Ａ４
−１）から供給される燃料ガスのモル比とが予め設定さ
れた値になるように決定される。ただし、燃料導入管６
０（実施例１の第１燃料導入管Ａ４−１）から供給され
る新規の燃料ガスを、調整するようにしても良い。排燃
焼ガスによりにより、燃料ガスが加湿される（水蒸気を
含むようになる）。また、排燃焼ガスにより、燃料電池
システム５０内の改質器及び燃料電池本体が加熱され
る。 （２）一方、ガスタービンシステム６５の起動により、
酸化剤ガスが圧縮機５７に吸引され、燃料電池システム
５０へ供給されるようになる。それに伴い、導入弁６８
を閉止する。 （３）高温且つ加湿された燃料ガスにより、燃料電池シ
ステム５０の温度が上昇することにより、燃料ガスの改
質が行なわれる。そして、燃料電池本体へ改質された燃
料ガスが供給される。 （４）燃料電池本体は、改質された燃料ガスと酸化剤ガ
スとの供給を受けて、外部負荷との接続により発電を行
なう。 以上の動作により、燃料電池システム５０が起動され
る。

【００８６】以上（Ｉ）〜（ＩＩＩ）の動作により、複
合発電システムが起動される。なお、本発明は、上記起
動方法に限定されるものでは無い。

【００８７】複合発電システムの定常運転の動作は、燃
料電池システム５０、ガスタービンシステム６５及び蒸
気タービンシステム６６の起動終了時における各動作の
状態を継続して行なわれる。ただし、燃料電池システム
５０の動作については、実施例１の動作と同様である。

【００８８】なお、停止方法については、起動方法の逆
を行なえば良いので、その説明を省略する。

【００８９】本発明により、燃料電池システムにおい
て、燃料利用率の向上を図ることができる。また、燃料
電池システムでの燃料ガスへの水蒸気を、排熱回収ボイ
ラ（あるいは、ガスタービンでも良い）から得ることに
より、水蒸気供給の効率化を図ることが可能となる。

【００９０】本実施例において、燃料電池システムの燃
料排ガスおよび酸化剤排ガスは燃焼器５１で燃焼した
後、ガスタービン５８へ導入されている。しかし、その
熱を熱交換器により熱回収し、他の熱を利用することが
可能な設備に供給することも可能である。その概念的な
構成図を示したのが図４である。図４においては、燃焼
器５１の燃焼ガスは、排ガス供給管８３経由で排熱回収
ボイラ５２へ直接供給される。そして、排熱回収ボイラ
５２において水（水蒸気）と熱交換することにより熱回
収される。熱を回収した水蒸気・温水は、他の設備にお
いて使用される。使用後の水は、再びポンプ５５によ
り、排熱回収ボイラ５２へ循環される。他の設備として
は、吸収式冷凍器、ヒートポンプ、暖房用熱交換器、給
湯器などがある。これにより、ガスタービンや蒸気ター
ビン以外の設備においても、燃料電池システムの燃料排
ガス及び酸化剤排ガスを有効利用することが可能とな
る。すなわち、コジェネレーションシステムを組むこと
が出来る。

【００９１】

【発明の効果】発明により、低コストで、燃料電池シス
テムにおける燃料利用率の向上と、燃料ガスへの水蒸気
の供給の効率化を図ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明である燃料電池システムの実施の形態の
構成を示す図である。

【図２】本発明である燃料電池システムの実施の形態に
関わるガス組成を示す表である。

【図３】本発明である複合発電システムの実施の形態の
構成を示す図である。

【図４】本発明である複合発電システムの他の実施の形
態の構成を示す図である。

【図５】本発明である燃料電池システムの他の実施の形
態の構成を示す図である。

【図６】従来技術の構成を示す図である。

【図７】従来技術の他の構成を示す図である。

【符号の説明】

１−１ 第１燃料電池 １−２ 第２燃料電池 １−３ 第３燃料電池 ２−１ 第１改質器 ２−２ 第２改質器 ２−３ 第３改質器 ３−１ 第１燃料電池本体 ３−２ 第２燃料電池本体 ３−３ 第３燃料電池本体 ４−１ 第１燃料導入管Ａ ４−２ 第１燃料導入管Ｂ ５−１ 第２燃料導入管Ａ ５−２ 第２燃料導入管Ｂ ６−１ 第３燃料導入管Ａ ６−２ 第３燃料導入管Ｂ １１ 水蒸気弁 １２ 第１燃料弁 １３ 第２燃料弁 １４ 第３燃料弁 １５ 第１酸化剤弁 １６ 第２酸化剤弁 １７ 第３酸化剤弁 １８ 再循環弁Ａ １９ 再循環弁Ｂ ２０−１ 水蒸気供給管Ａ ２０−２ 水蒸気供給管Ｂ ２１−１ 第１燃料供給管Ａ ２１−２ 第１燃料供給管Ｂ ２１−３ 第１燃料供給管Ｃ ２２−３ 第２燃料供給管Ａ ２２−２ 第２燃料供給管Ｂ ２２−３ 第２燃料供給管Ｃ ２３−１ 第３燃料供給管Ａ ２３−２ 第３燃料供給管Ｂ ２３−３ 第３燃料供給管Ｃ ２８−１ 第１酸化剤供給管Ａ ２８−２ 第１酸化剤供給管Ｂ ２９−１ 第２酸化剤供給管Ａ ２９−２ 第２酸化剤供給管Ｂ ３０−１ 第３酸化剤供給管Ａ ３０−２ 第３酸化剤供給管Ｂ ３２−１ 再循環管Ａ ３２−２ 再循環管Ｂ ３２−３ 再循環管Ｃ ３３ エジェクタ ５０ 燃料電池システム ５１ 燃焼器 ５２ 排熱回収ボイラ ５３ 蒸気タービン ５４ 復水器 ５５ ポンプ ５６ ガスタービン ５７ 圧縮機 ５８ タービン ５９ 回転軸 ６０ 燃料供給導入管 ６１ 燃料排出管 ６２ 酸化剤排出管 ６３−１ 燃焼ガス供給管Ａ ６３−２ 燃焼ガス供給管Ｂ ６４−１ 酸化剤導入管Ａ ６４−２ 酸化剤導入管Ｂ ６４−３ 酸化剤導入管Ｃ ６５ ガスタービンシステム ６６ 蒸気タービンシステム ６７ 回転軸 ６８ 導入弁 ７１−１ 循環管Ａ ７１−２ 循環管Ｂ ７１−３ 循環管Ｃ ７１−４ 循環管Ｄ ７２ 排出管 ７６ 蒸気供給ライン ８４−１ 発電機Ａ ８４−２ 発電機Ｂ １０１ 燃料電池 １０２ 改質器 １０３ 燃料電池本体 １０４ ブロワ １０５ 熱交換器 １０６ ヒータ １０７ エジェクタ １１１ 燃料導入管 １１２ 燃料循環管 １１２−１ 燃料循環管Ａ １１２−２ 燃料循環管Ｂ １１２−３ 燃料循環管Ｃ １１２−４ 燃料循環管Ｄ １１３ 燃料排出管 １１４−１ 燃料供給管Ａ １１４−２ 燃料供給管Ｂ １１４−３ 燃料供給管Ｃ １１５ 酸化剤供給管

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１燃料ガスと第１酸化剤ガスの供給によ
   り発電を行なう第１燃料電池と、 前記第１燃料電池から送出される第１使用済み燃料ガス
   と、第２燃料ガスと、第２酸化剤ガスの供給により発電
   を行なう第２燃料電池と、 を具備する、 燃料電池システム。
2. 【請求項２】前記第１燃料ガスは、前記第２燃料電池か
   ら送出される第２使用済み燃料ガスを含む、 請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 【請求項３】前記第２燃料ガスの量は、前記第１使用済
   み燃料ガスに含まれる水蒸気の量に基づいて決定され
   る、 請求項１又は２のいずれか一項に記載の燃料電池システ
   ム。
4. 【請求項４】前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池の
   少なくとも一方は、予め設定された燃料利用率に基づい
   て運転される、 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池システ
   ム。
5. 【請求項５】前記第２酸化剤ガスは、更に、前記第１燃
   料電池から送出される使用済み第１酸化剤ガスを含む、 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池システ
   ム。
6. 【請求項６】前記第２燃料電池は、ガス的に直列に接続
   された複数の燃料電池から成り、 各々の前記燃料電池は、前段の前記燃料電池又は前記第
   １燃料電池から送出される使用済み燃料ガスと、燃料ガ
   スと酸化剤ガスの供給により発電を行ない、 前記燃料ガスの量は、前記使用済み燃料ガスに含まれる
   水蒸気の量に基づいて決定される、 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池システ
   ム。
7. 【請求項７】前記酸化剤ガスは、前段の前記燃料電池又
   は前記第１燃料電池から送出される使用済み酸化剤ガス
   を含む、 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の燃料電池システ
   ム。
8. 【請求項８】請求項１乃至７のいずれか一項に記載の燃
   料電池システムと、 前記燃料電池システムからの排燃料ガス及び排酸化剤ガ
   スを用いるガスタービンと、 前記ガスタービンにより稼動する第１発電機と、 を具備する複合発電システム。
9. 【請求項９】前記ガスタービンの燃焼排ガスを用いる排
   熱回収ボイラと、 前記排熱回収ボイラにより稼動する蒸気タービンと、 前記蒸気タービンにより稼動する第２発電機と、 を更に具備する、 請求項８に記載の複合発電システム。
10. 【請求項１０】請求項１乃至７のいずれか一項に記載の
    燃料電池システムと、 前記燃料電池システムからの排燃料ガス及び排酸化剤ガ
    スを燃焼する排ガス燃焼器と、 前記排ガス燃焼器からの排出ガスを用いる排熱回収ボイ
    ラと、 前記排熱回収ボイラで加熱された水及び蒸気を用いる設
    備と、 を具備する、 コジェネレーションシステム。