JP2005056666A - 燃料電池発電システム - Google Patents
燃料電池発電システム Download PDFInfo
- Publication number
- JP2005056666A JP2005056666A JP2003285843A JP2003285843A JP2005056666A JP 2005056666 A JP2005056666 A JP 2005056666A JP 2003285843 A JP2003285843 A JP 2003285843A JP 2003285843 A JP2003285843 A JP 2003285843A JP 2005056666 A JP2005056666 A JP 2005056666A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel cell
- fuel
- exhaust gas
- cell stack
- power generation
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
【課題】燃料の水蒸気改質反応に必要な水蒸気の不足を抑制し、安定に発電を継続することができる高効率な燃料電池発電システムを提供すること。
【解決手段】燃料である天然ガス１の脱硫を行う脱硫器２と、燃料の水蒸気改質反応を行う改質器３と、改質器３の排出ガスの水性シフト反応を行うＣＯシフトコンバータ４と、ＣＯシフトコンバータ４の排出ガスを燃料とするりん酸形燃料電池セルスタック９と、改質器３の排出ガスを燃料とする固体酸化物形燃料電池セルスタック５７と、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４の排出ガスを燃焼させる燃焼器９２とを具備する燃料電池発電システムにおいて、燃焼器排出ガス９３の一部を、水蒸気源として、改質器３に供給することを特徴とする燃料電池発電システムを構成する。
【選択図】 図１
【解決手段】燃料である天然ガス１の脱硫を行う脱硫器２と、燃料の水蒸気改質反応を行う改質器３と、改質器３の排出ガスの水性シフト反応を行うＣＯシフトコンバータ４と、ＣＯシフトコンバータ４の排出ガスを燃料とするりん酸形燃料電池セルスタック９と、改質器３の排出ガスを燃料とする固体酸化物形燃料電池セルスタック５７と、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４の排出ガスを燃焼させる燃焼器９２とを具備する燃料電池発電システムにおいて、燃焼器排出ガス９３の一部を、水蒸気源として、改質器３に供給することを特徴とする燃料電池発電システムを構成する。
【選択図】 図１
Description
本発明は、燃料の水蒸気改質反応を利用して発電する燃料電池発電システムに関するものである。
燃料の水蒸気改質反応を利用して発電する燃料電池発電システムが開発され、その実例については、下記非特許文献１に説明されている。
図１０は、二種類の燃料電池セルスタックを組み合わせて高効率な発電を行う従来の燃料電池発電システムを示す構成図である。図１０に示した従来の燃料電池発電システムでは、第一の燃料電池セルスタックとして固体酸化物形燃料電池セルスタックを用い、第二の燃料電池セルスタックとしてりん酸形燃料電池セルスタックを用いている。
図１０に示した従来の燃料電池発電システムの主な構成要素は、脱硫器２、改質器３、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７、ＣＯシフトコンバータ４、りん酸形燃料電池セルスタック９、出力調整器２０、流量制御弁（３７等）、空気供給用ブロア１３、燃焼器９２及び配管類である。
図１０において、１は燃料である天然ガス、２は脱硫器、３は改質器、４はＣＯシフトコンバータ、５はりん酸形燃料電池セルスタック用改質ガス、６は燃料極、７はりん酸電解質、８は空気極、９は第二の燃料電池セルスタックであるりん酸形燃料電池セルスタックであり、このりん酸形燃料電池セルスタック９は燃料極６、りん酸電解質７及び空気極８を構成要素とする。１０はりん酸形燃料電池セルスタック用空気３２の供給量を制御する流量制御弁、１３は空気供給用ブロア、１７はりん酸形燃料電池セルスタック９から排出される空気極排出ガス、１８は空気、１９はりん酸形燃料電池セルスタック９から排出される燃料極排出ガス、２０は出力調整器、２１は負荷、２２は燃料電池直流出力、２３は送電端交流出力、２６はＣＯシフトコンバータ４の排出ガスである、一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた改質ガス、２７は水素豊富な改質ガス、２８は改質器リサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス、２９は脱硫天然ガス、３２はりん酸形燃料電池セルスタック用空気、３７は燃料である天然ガス１の供給量を制御する流量制御弁、５０は脱硫器リサイクル用改質ガス、５１は脱硫器リサイクル用改質ガス５０の供給量を制御する流量制御弁、５４は燃料極、５５は固体酸化物電解質、５６は空気極、５７は第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタックであり、この固体酸化物形燃料電池セルスタック５７は燃料極５４、固体酸化物電解質５５及び空気極５６を構成要素とする。５８は固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気、５９は改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０の供給量を制御する流量制御弁、６０は燃料極５４から排出され改質器リサイクルに用いられる改質器リサイクル用燃料極排出ガス、６１は燃料極５４から排出されるすべての燃料極排出ガスであり、この燃料極排出ガス６１は改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０と燃焼器用燃料極排出ガス６４とに分配される。６２は固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の供給量を制御する流量制御弁、６３は空気極５６から排出される空気極排出ガス、６４は燃焼器用燃料極排出ガス、７４は水素豊富な改質ガス２７のＣＯシフトコンバータ４への供給量を制御する流量制御弁、７５は水素豊富な改質ガス２７の固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４への供給量を制御する流量制御弁、８６は出力調整器、８７は負荷、８８は燃料電池直流出力、８９は送電端交流出力、９０は燃焼器用空気９１の燃焼器９２への供給量を制御する流量制御弁、９１は燃焼器用空気、９２は燃焼器、９３は燃焼器排出ガスである。
なお、上記「水素豊富」は、電池反応によって発電に寄与するに足りる濃度の水素を含有することを意味する。
図１０において、りん酸形燃料電池セルスタック９が一組の燃料極６、りん酸電解質７及び空気極８からなる単セルによって構成されているように示されているが、実際には、りん酸形燃料電池セルスタック９は、複数の単セルから構成されている。同様に、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７も一組の燃料極５４、固体酸化物電解質５５及び空気極５６からなる単セルによって構成されているように示されているが、実際には、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７は、複数の単セルから構成されている。
以下、図１０を用いて、この従来の燃料電池発電システムの作用について説明する。燃料である天然ガス１を脱硫器２に供給する。燃料である天然ガス１の供給量は、予め設定された燃料電池直流出力２２の電池電流及び燃料電池直流出力８８の電池電流と流量制御弁３７の開度（すなわち、燃料である天然ガス１の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁３７の開度を制御することによって、燃料電池直流出力２２の電池電流及び燃料電池直流出力８８の電池電流に見合った値に設定する。
脱硫器２では、充填された脱硫触媒のコバルト−モリブデン系触媒と酸化亜鉛吸着剤の働きにより、改質器３の改質触媒とりん酸形燃料電池セルスタック９の燃料極６及び固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４の電極触媒の劣化原因となる燃料である天然ガス１中のメルカプタン等の腐臭剤に含まれる硫黄成分を水素添加脱硫することにより吸着除去する。すなわち、コバルト−モリブデン系触媒により最初に硫黄と水素を反応させて硫化水素を生成させ、次にこの硫化水素と酸化亜鉛を反応させることによって硫化亜鉛を生成させ、硫黄分を除去する。硫化水素の生成に必要な水素を供給するために、ＣＯシフトコンバータ４から排出される水素豊富な一酸化炭素の濃度を１％以下に低減させた改質ガス２６の一部を、脱硫器リサイクル用改質ガス５０として脱硫器２にリサイクルする。脱硫器リサイクル用改質ガス５０の供給量は、予め設定された流量制御弁３７の開度（すなわち、燃料である天然ガス１の供給量）と流量制御弁５１の開度（すなわち、脱硫器リサイクル用改質ガス５０の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁５１の開度を制御することによって、燃料である天然ガス１の供給量に見合った値に設定する。硫化水素と硫化亜鉛の生成反応は吸熱反応であり、反応に必要な反応熱は、後述する発熱反応であるＣＯシフトコンバータ４での水性シフト反応によって発生する熱をＣＯシフトコンバータ４から脱硫器２に供給することによってまかなう。
脱硫器２で脱硫された脱硫天然ガス２９は、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７で電池反応により生成した水蒸気を含む改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０と混合し、改質器リサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス２８として改質器３に供給する。改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０の供給量は、予め設定された流量制御弁３７の開度（すなわち、燃料である天然ガス１の供給量）と流量制御弁５９の開度（すなわち、改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁５９の開度を制御することによって、燃料である天然ガス１の供給量に対して改質器リサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス２８のスチームカーボン比（水蒸気の燃料である天然ガス中の炭素に対するモル比）が所定の値になるように設定する。
改質器３では、充填された改質触媒の働きにより燃料である天然ガス１に含まれる炭化水素の水蒸気改質反応が行われ、水素豊富な改質ガス２７が作られる。燃料である天然ガス１の主成分であるメタンの水蒸気改質反応は下記（１）式で表される。
（メタンの水蒸気改質反応）
ＣＨ４ ＋ Ｈ２Ｏ → ＣＯ ＋ ３Ｈ２ （１）
この（１）式に示したメタンの水蒸気改質反応等の炭化水素の水蒸気改質反応は吸熱反応であり、効率的に水素を生成させるためには、改質器３の外部から必要な反応熱を供給し、改質器３の温度を７００〜７５０℃に維持することが必要である。このため、後述する改質器３の近傍に設置された８００〜１０００℃で発電を行う固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の高温排熱を、改質反応に必要な反応熱として改質器３に供給する。
（メタンの水蒸気改質反応）
ＣＨ４ ＋ Ｈ２Ｏ → ＣＯ ＋ ３Ｈ２ （１）
この（１）式に示したメタンの水蒸気改質反応等の炭化水素の水蒸気改質反応は吸熱反応であり、効率的に水素を生成させるためには、改質器３の外部から必要な反応熱を供給し、改質器３の温度を７００〜７５０℃に維持することが必要である。このため、後述する改質器３の近傍に設置された８００〜１０００℃で発電を行う固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の高温排熱を、改質反応に必要な反応熱として改質器３に供給する。
改質器３で作られた水素豊富な改質ガス２７の一部は、ＣＯシフトコンバータ４に供給し、残りは、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４に供給する。ＣＯシフトコンバータ４への水素豊富な改質ガス２７の供給量は、予め設定された燃料電池直流出力２２の電池電流と流量制御弁７４の開度（すなわち、ＣＯシフトコンバータ４への水素豊富な改質ガス２７の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁７４の開度を制御することによって、燃料電池直流出力２２の電池電流に見合った値に設定する。一方、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４への水素豊富な改質ガス２７の供給量は、予め設定された燃料電池直流出力８８の電池電流と流量制御弁７５の開度（すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４への水素豊富な改質ガス２７の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁７５の開度を制御することによって、燃料電池直流出力８８の電池電流に見合った値に設定する。
固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の空気極５６には、空気供給用ブロア１３を用いて取り込んだ空気１８の一部を、固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８として供給する。固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の供給量は、予め設定した燃料電池直流出力８８の電池電流と流量制御弁６２の開度（すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁６２の開度を制御することによって、燃料電池直流出力８８の電池電流に見合った値に設定する。
固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の空気極５６では、金属酸化物系電極触媒の働きで、固体酸化物形燃料電池用空気５８中の酸素が下記（２）式に示す空気極反応により電子と反応し酸素イオンに変わる。
（空気極反応）
１/２Ｏ２ ＋ ２ｅ− → Ｏ２− （２）
空気極５６で生成した酸素イオンは、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等の固体酸化物電解質５５の内部を移動し、燃料極５４に到達する。燃料極５４では、ニッケル−ＹＳＺサーメット、ルテニウム−ＹＳＺサーメット等の金属系電極触媒の働きで、空気極５６から固体酸化物電解質５５の内部を燃料極５４に移動してきた酸素イオンが、下記（３）式及び（４）式に示す反応により燃料極５４に供給された水素豊富な改質ガス２７中の水素及び一酸化炭素と反応し、水蒸気または二酸化炭素と電子が生成する。
（燃料極反応）
Ｈ２ ＋ Ｏ２− → Ｈ２Ｏ ＋ ２ｅ− （３）
ＣＯ ＋ Ｏ２− → ＣＯ２ ＋ ２ｅ− （４）
燃料極５４で生成した電子は、外部回路を移動し、空気極５６に到達する。空気極５６に到達した電子は、前述した（２）式に示した空気極反応により酸素と反応する。この電子が外部回路を移動する過程で、電気エネルギーを燃料電池直流出力８８として取り出すことができる。
（空気極反応）
１/２Ｏ２ ＋ ２ｅ− → Ｏ２− （２）
空気極５６で生成した酸素イオンは、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等の固体酸化物電解質５５の内部を移動し、燃料極５４に到達する。燃料極５４では、ニッケル−ＹＳＺサーメット、ルテニウム−ＹＳＺサーメット等の金属系電極触媒の働きで、空気極５６から固体酸化物電解質５５の内部を燃料極５４に移動してきた酸素イオンが、下記（３）式及び（４）式に示す反応により燃料極５４に供給された水素豊富な改質ガス２７中の水素及び一酸化炭素と反応し、水蒸気または二酸化炭素と電子が生成する。
（燃料極反応）
Ｈ２ ＋ Ｏ２− → Ｈ２Ｏ ＋ ２ｅ− （３）
ＣＯ ＋ Ｏ２− → ＣＯ２ ＋ ２ｅ− （４）
燃料極５４で生成した電子は、外部回路を移動し、空気極５６に到達する。空気極５６に到達した電子は、前述した（２）式に示した空気極反応により酸素と反応する。この電子が外部回路を移動する過程で、電気エネルギーを燃料電池直流出力８８として取り出すことができる。
（２）式と（３）式、（２）式と（４）式をそれぞれまとめると、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の電池反応は、下記（５）式に示す水素と酸素から水蒸気ができる水の電気分解の逆反応と、下記（６）式に示す一酸化炭素と酸素から二酸化炭素が生成する反応として表すことができる。
（電池反応）
Ｈ２ ＋ １/２Ｏ２ → Ｈ２Ｏ （５）
ＣＯ ＋ １/２Ｏ２ → ＣＯ２ （６）
固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の発電によって得られた燃料電池直流出力８８は、負荷８７に合わせて出力調整器８６で電圧の変換と直流から交流への変換を行った後に、送電端交流出力８９として負荷８７に供給する。なお、図１０では、出力調整器８６で直流から交流の交換を行っているが、出力調整器８６で電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷８７に供給してもよい。
（電池反応）
Ｈ２ ＋ １/２Ｏ２ → Ｈ２Ｏ （５）
ＣＯ ＋ １/２Ｏ２ → ＣＯ２ （６）
固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の発電によって得られた燃料電池直流出力８８は、負荷８７に合わせて出力調整器８６で電圧の変換と直流から交流への変換を行った後に、送電端交流出力８９として負荷８７に供給する。なお、図１０では、出力調整器８６で直流から交流の交換を行っているが、出力調整器８６で電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷８７に供給してもよい。
固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の発電温度は、一般的に８００〜１０００℃であり、電池反応による発熱により発電温度が維持される。このため、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の高温排熱は、前述したように改質器３での炭化水素の水蒸気改質反応の反応熱として利用することができる。
燃料極５４で電池反応により生成した水蒸気を含む固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極排出ガス６１の一部は、前述したように改質器３での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な水蒸気を供給するために、改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０として脱硫天然ガス２９と混合して改質器３に供給する。固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極排出ガス６１の残りは、燃焼器用燃料極排出ガス６４として燃焼器９２に供給するとともに、空気供給用ブロア１３で取り込んだ空気１８の一部を、燃焼器用空気９１として燃焼器９２に供給し、燃焼器用燃料極排出ガス６４中の未反応燃料、未反応水素及び未反応一酸化炭素を燃焼器用空気９１中の未反応酸素と燃焼反応させることによって、高温の燃焼器排出ガス９３を生成させる。水素と一酸化炭素の燃焼反応を（７）式及び（８）式に示す。
（水素の燃焼反応）
Ｈ２ ＋ １/２Ｏ２ → Ｈ２Ｏ （７）
（一酸化炭素の燃焼反応）
ＣＯ ＋ １/２Ｏ２ → ＣＯ２ （８）
この高温の燃焼器排出ガス９３を給湯、暖房及び吸収式冷凍機の熱源として利用することにより、システムの電気出力と熱利用を合わせた総合熱効率を向上させることが可能である。燃焼器用空気９１の供給量は、予め設定された流量制御弁７５の開度（すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４への水素豊富な改質ガス２７の供給量）及び流量制御弁５９の開度（すなわち、改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０の供給量）と流量制御弁９０の開度（すなわち、燃焼器用空気９１の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁９０の開度を制御することによって、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４への水素豊富な改質ガス２７の供給量と改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０の供給量に見合った値を設定する。
（水素の燃焼反応）
Ｈ２ ＋ １/２Ｏ２ → Ｈ２Ｏ （７）
（一酸化炭素の燃焼反応）
ＣＯ ＋ １/２Ｏ２ → ＣＯ２ （８）
この高温の燃焼器排出ガス９３を給湯、暖房及び吸収式冷凍機の熱源として利用することにより、システムの電気出力と熱利用を合わせた総合熱効率を向上させることが可能である。燃焼器用空気９１の供給量は、予め設定された流量制御弁７５の開度（すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４への水素豊富な改質ガス２７の供給量）及び流量制御弁５９の開度（すなわち、改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０の供給量）と流量制御弁９０の開度（すなわち、燃焼器用空気９１の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁９０の開度を制御することによって、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４への水素豊富な改質ガス２７の供給量と改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０の供給量に見合った値を設定する。
水素豊富な改質ガス２７中にはりん酸形燃料電池セルスタック９の燃料極６の電極触媒の劣化原因となる一酸化炭素が含まれているので、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７に供給しない水素豊富な改質ガス２７は、銅−亜鉛系触媒等のシフト触媒が充填されたＣＯシフトコンバータ４に供給し、シフト触媒の働きにより下記（９）式に示す水性シフト反応を行わせることによって、水素豊富な改質ガス２７中の一酸化炭素濃度を１％以下まで低減させる。
（水性シフト反応）
ＣＯ ＋ Ｈ２Ｏ → ＣＯ２ ＋ Ｈ２ （９）
水性シフト反応は発熱反応であり、発生した熱は脱硫器２に供給し、前述した吸熱反応である脱硫器２の硫化水素と硫化亜鉛の生成反応の反応熱として利用する。
（水性シフト反応）
ＣＯ ＋ Ｈ２Ｏ → ＣＯ２ ＋ Ｈ２ （９）
水性シフト反応は発熱反応であり、発生した熱は脱硫器２に供給し、前述した吸熱反応である脱硫器２の硫化水素と硫化亜鉛の生成反応の反応熱として利用する。
ＣＯシフトコンバータ４でつくられた一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた改質ガス２６の一部は、前述したように脱硫器リサイクル用改質ガス５０として脱硫器２に供給し、残りは、りん酸形燃料電池セルスタック用改質ガス５としてりん酸形燃料電池セルスタック９の燃料極６に供給する。
また、空気供給用ブロア１３で取り込んだ空気１８の一部を、りん酸形燃料電池セルスタック用空気３２としてりん酸形燃料電池セルスタック９の空気極８に供給する。りん酸形燃料電池セルスタック９の空気極８へのりん酸形燃料電池セルスタック用空気３２の供給量は、予め設定された燃料電池直流出力２２の電池電流と流量制御弁１０の開度（すなわち、りん酸形燃料電池セルスタック用空気３２の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１０の開度を制御することによって、燃料電池直流出力２２の電池電流に見合った値に設定する。りん酸形燃料電池セルスタック９の発電温度は、１９０℃が一般的であり、電池反応による発熱により発電温度が維持される。
りん酸形燃料電池セルスタック９の燃料極６では、白金系電極触媒の働きで、りん酸形燃料電池セルスタック用改質ガス５中に含まれる水素の８０％が、下記（１０）式に示す燃料極反応により水素イオンと電子に変わる。
（燃料極反応）
Ｈ２ → ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− （１０）
燃料極６で生成した水素イオンは、りん酸電解質７の内部に移動し、空気極８に到達する。一方、燃料極６で生成した電子は、外部回路を移動し、空気極８に到達する。この電子が外部回路を移動する過程で、電気エネルギーを燃料電池直流出力２２として取り出すことができる。りん酸形燃料電池セルスタック９の空気極８では、白金系電極触媒の働きで、燃料極６からりん酸電解質７の内部を空気極８に移動してきた水素イオン、燃料極６から外部回路を空気極８に移動してきた電子及び空気極きに供給されたりん酸形燃料電池セルスタック用空気３２中の酸素が、下記（１１）式に示す空気極反応により反応し、水（水蒸気）が生成する。
（空気極反応）
２Ｈ＋ ＋ １/２Ｏ２ ＋ ２ｅ− → Ｈ２Ｏ （１１）
（１０）式と（１１）式をまとめると、りん酸形燃料電池セルスタック９の電池反応は、下記（１２）式に示す水素と酸素から水ができる水の電気分解の逆反応として表すことができる。
（電池反応）
Ｈ２ ＋ １/２Ｏ２ → Ｈ２Ｏ （１２）
りん酸形燃料電池セルスタック９の発電によって得られた燃料電池直流出力２２は、負荷２１に合わせて出力調整器２０で電圧の変換と直流から交流へ変換を行った後に、送電端交流出力２３として負荷２１に供給する。なお、図１０では、出力調整器２０で直流から交流への変換を行っているが、出力調整器２０で電圧変換のみ行い、送電端直流出力を負荷２１に供給してもよい。
（燃料極反応）
Ｈ２ → ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− （１０）
燃料極６で生成した水素イオンは、りん酸電解質７の内部に移動し、空気極８に到達する。一方、燃料極６で生成した電子は、外部回路を移動し、空気極８に到達する。この電子が外部回路を移動する過程で、電気エネルギーを燃料電池直流出力２２として取り出すことができる。りん酸形燃料電池セルスタック９の空気極８では、白金系電極触媒の働きで、燃料極６からりん酸電解質７の内部を空気極８に移動してきた水素イオン、燃料極６から外部回路を空気極８に移動してきた電子及び空気極きに供給されたりん酸形燃料電池セルスタック用空気３２中の酸素が、下記（１１）式に示す空気極反応により反応し、水（水蒸気）が生成する。
（空気極反応）
２Ｈ＋ ＋ １/２Ｏ２ ＋ ２ｅ− → Ｈ２Ｏ （１１）
（１０）式と（１１）式をまとめると、りん酸形燃料電池セルスタック９の電池反応は、下記（１２）式に示す水素と酸素から水ができる水の電気分解の逆反応として表すことができる。
（電池反応）
Ｈ２ ＋ １/２Ｏ２ → Ｈ２Ｏ （１２）
りん酸形燃料電池セルスタック９の発電によって得られた燃料電池直流出力２２は、負荷２１に合わせて出力調整器２０で電圧の変換と直流から交流へ変換を行った後に、送電端交流出力２３として負荷２１に供給する。なお、図１０では、出力調整器２０で直流から交流への変換を行っているが、出力調整器２０で電圧変換のみ行い、送電端直流出力を負荷２１に供給してもよい。
りん酸形燃料電池セルスタック用空気３２は、りん酸形燃料電池セルスタック９の空気極８で酸素の一部を（１１）式に示した空気極反応により消費した後に、りん酸形燃料電池セルスタック９の空気極排出ガス１７として排出する。一方、りん酸形燃料電池セルスタック用改質ガス５は、りん酸形燃料電池セルスタック９の燃料極６で水素の約８０％を（１０）式に示した燃料極反応により消費した後に、りん酸形燃料電池セルスタック９の燃料極排出ガス６として排出する。
「電気学会・燃料電池発電次世代システム技術調査専門委員会編：燃料電池の技術，ｐ．35, オーム社 （2002)」
次に、前述したような従来の燃料電池発電システムの問題点について説明する。図１０に示した従来の燃料電池発電システムでは、燃料電池直流出力２２の電池電流が燃料電池直流出力８８の電池電流より多く、ＣＯシフトコンバータ４への水素豊富な改質ガス２７の供給量の方が固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４への水素豊富な改質ガス２７の供給量より多い場合には、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４で電池反応により生成した水蒸気を含む改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０を供給するだけでは水蒸気が不足し、改質器３に供給する改質器リサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス２８のスチームカーボン比が所定の値より低下する恐れがある。改質器３に供給する改質器リサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス２８のスチームカーボン比が所定の値より低下すると、改質用水蒸気の不足により燃料である天然ガス１中の炭化水素の水蒸気改質反応が十分進行しなくなる、カーボン析出により改質器の性能低下が起こる等の理由で、燃料電池発電システムの発電を安定に継続することができない。
本発明の目的は、上記問題を解決し、燃料の水蒸気改質反応に必要な水蒸気の不足を抑制し、安定に発電を継続することができる高効率な燃料電池発電システムを提供することにある。
本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応により生成する水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う燃料電池発電システムにおいて、前記燃料の水蒸気改質反応によって水素豊富な改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの前記燃料極排出ガス中の燃料、水素及び一酸化炭素を酸素と燃焼反応させ、該燃焼反応によって生成した水蒸気を含む燃焼器排出ガスを前記改質器へ供給する燃焼器を有することを特徴とする燃料電池発電システムを構成する。
燃料の水蒸気改質反応により生成する水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う燃料電池発電システムにおいて、前記燃料の水蒸気改質反応によって水素豊富な改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの前記燃料極排出ガス中の燃料、水素及び一酸化炭素を酸素と燃焼反応させ、該燃焼反応によって生成した水蒸気を含む燃焼器排出ガスを前記改質器へ供給する燃焼器を有することを特徴とする燃料電池発電システムを構成する。
また、本発明は、請求項２に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応により生成する水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う燃料電池発電システムにおいて、前記燃料の水蒸気改質反応によって水素豊富な改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの前記燃料極排出ガス中の燃料、水素及び一酸化炭素を酸素と燃焼反応させ、該燃焼反応によって生成した水蒸気を含む燃焼器排出ガスを前記改質器へ供給する燃焼器を有することを特徴とする燃料電池発電システムを構成する。
燃料の水蒸気改質反応により生成する水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う燃料電池発電システムにおいて、前記燃料の水蒸気改質反応によって水素豊富な改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの前記燃料極排出ガス中の燃料、水素及び一酸化炭素を酸素と燃焼反応させ、該燃焼反応によって生成した水蒸気を含む燃焼器排出ガスを前記改質器へ供給する燃焼器を有することを特徴とする燃料電池発電システムを構成する。
また、本発明は、請求項３に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応により生成する水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う燃料電池発電システムにおいて、燃料極で前記燃料の水蒸気改質反応を行わせ水素及び一酸化炭素を生成させるとともに、前記燃料極で生成した水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した熱を前記水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費し、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記燃料極に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの前記燃料極排出ガス中の燃料、水素及び一酸化炭素を酸素と燃焼反応させ、該燃焼反応によって生成した水蒸気を含む燃焼器排出ガスを前記第一の燃料電池セルスタックの前記燃料極へ供給する燃焼器を有することを特徴とする燃料電池発電システムを構成する。
燃料の水蒸気改質反応により生成する水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う燃料電池発電システムにおいて、燃料極で前記燃料の水蒸気改質反応を行わせ水素及び一酸化炭素を生成させるとともに、前記燃料極で生成した水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した熱を前記水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費し、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記燃料極に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの前記燃料極排出ガス中の燃料、水素及び一酸化炭素を酸素と燃焼反応させ、該燃焼反応によって生成した水蒸気を含む燃焼器排出ガスを前記第一の燃料電池セルスタックの前記燃料極へ供給する燃焼器を有することを特徴とする燃料電池発電システムを構成する。
また、本発明は、請求項４に記載のように、
前記燃焼器に前記燃焼反応の酸素源として空気を供給することを特徴とする請求項１、２または３記載の燃料電池発電システムを構成する。
前記燃焼器に前記燃焼反応の酸素源として空気を供給することを特徴とする請求項１、２または３記載の燃料電池発電システムを構成する。
また、本発明は、請求項５に記載のように、
前記燃焼器に前記燃焼反応の酸素源として前記第二の燃料電池セルスタックの空気極排出ガスを供給することを特徴とする請求項１、２または３記載の燃料電池発電システムを構成する。
前記燃焼器に前記燃焼反応の酸素源として前記第二の燃料電池セルスタックの空気極排出ガスを供給することを特徴とする請求項１、２または３記載の燃料電池発電システムを構成する。
また、本発明は、請求項６に記載のように、
前記燃焼器に前記燃焼反応の酸素源として前記第一の燃料電池セルスタックの空気極排出ガスを供給することを特徴とする請求項１、２または３記載の燃料電池発電システムを構成する。
前記燃焼器に前記燃焼反応の酸素源として前記第一の燃料電池セルスタックの空気極排出ガスを供給することを特徴とする請求項１、２または３記載の燃料電池発電システムを構成する。
また、本発明は、請求項７に記載のように、
前記第一の燃料電池セルスタックが固体酸化物形燃料電池セルスタックであり、前記第二の燃料電池セルスタックがりん酸形燃料電池セルスタックであることを特徴とする請求項１、２、３、４、５または６記載の燃料電池発電システムを構成する。
前記第一の燃料電池セルスタックが固体酸化物形燃料電池セルスタックであり、前記第二の燃料電池セルスタックがりん酸形燃料電池セルスタックであることを特徴とする請求項１、２、３、４、５または６記載の燃料電池発電システムを構成する。
本発明の実施によって、燃料の水蒸気改質反応に必要な水蒸気の不足を抑制し、安定に発電を継続することができる高効率な燃料電池発電システムを提供することが可能となる。
（実施形態１）
図１は、本発明による燃料電池発電システムの一実施形態（これを実施形態１とする）を示す構成図である。図１において、前述した図１０と同一のものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。
図１は、本発明による燃料電池発電システムの一実施形態（これを実施形態１とする）を示す構成図である。図１において、前述した図１０と同一のものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。
図１において、１００は改質器用燃焼器排出ガス１０３の供給量を制御する流量制御弁、１０２は排出用燃焼器排出ガス、１０３は改質器用燃焼器排出ガスである。
図１を用いて実施形態１を説明する。本実施形態は、図１０に示した従来の燃料電池発電システムとは、図１に示したように、流量制御弁１００を備え、燃焼器９２で燃焼させた水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、改質器用燃焼器排出ガス１０３として改質器３に供給する点が大きく異なる。
次に、本実施形態の作用について、図１を参照して説明する。燃焼器９２では、燃焼用器燃料極排出ガス６４中の未反応燃料、未反応水素及び未反応一酸化炭素を燃焼器用空気９１中の酸素と燃焼反応させ、燃焼器排出ガス９３を排出する。燃焼反応によって生成した水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、改質器用燃焼器排出ガス１０３として改質器リサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス２８に混ぜて改質器３に供給する。改質器用燃焼器排出ガス１０３の供給量は、予め設定された流量制御弁３７の開度（すなわち、燃料である天然ガス１の供給量）及び流量制御弁５９の開度（すなわち、改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０の供給量）と流量制御弁１００の開度（すなわち、改質器用燃焼器排出ガス１０３の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１００の開度を制御することによって、燃料である天然ガス１の供給量に対して改質器リサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス２８のスチームカーボン比が所定の値になるように設定する。
本実施形態においては、改質器３での水蒸気の不足を補うために、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、改質器用燃焼器排出ガス１０３として改質器３に供給するので、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給し水蒸気を生成させることが不要であり、燃料電池発電システムの発電効率を低下させることはない。
図１に示した実施形態では、図１０に示した従来の燃料電池発電システムとは異なり、燃料電池直流出力２２の電池電流が燃料電池直流出力８８の電池電流より多く、ＣＯシフトコンバータ４への水素豊富な改質ガス２７の供給量の方が固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４への水素豊富な改質ガス２７の供給量より多い場合には、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、改質器用燃焼器排出ガス１０３として改質器リサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス２８に混ぜて改質器３に供給することによって、改質器３に供給する改質器リサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス２８のスチームカーボン比が所定の値より低下することを抑制することができる。このため、改質用水蒸気の不足による燃料である天然ガス１中の炭化水素の水蒸気改質反応の阻害やカーボン析出に起因する改質器の性能低下が起こらず、燃料電池発電システムの発電を発電効率を低下させることなく安定に継続することが可能である。
（実施形態２）
図２は、本発明による燃料電池発電システムの他の一実施形態（これを実施形態２とする）を示す構成図である。図２において、前述した図１０及び図１と同一のものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。
図２は、本発明による燃料電池発電システムの他の一実施形態（これを実施形態２とする）を示す構成図である。図２において、前述した図１０及び図１と同一のものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。
図２を用いて実施形態２を説明する。本実施形態は、図１に示した実施形態１とは、図２に示したように、燃焼器用空気９１を燃焼器９２に供給する代わりに、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の空気極排出ガス６３を燃焼器９２に供給する点が大きく異なる。
次に、本実施形態の作用について、図２を参照して説明する。燃焼器９２では、燃焼器用燃料極排出ガス６４中の未反応燃料、未反応水素及び未反応一酸化炭素を固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の空気極排出ガス６３中の未反応酸素と燃焼反応させ、燃焼器排出ガス９３を排出する。燃焼反応によって生成した水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、改質器用燃焼器排出ガス１０３として改質器リサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス２８に混ぜて改質器３に供給する。改質器用燃焼器排出ガス１０３の供給量は、予め設定された流量制御弁３７の開度（すなわち、燃料である天然ガス１の供給量）及び流量制御弁５９の開度（すなわち、改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０の供給量）と流量制御弁１００の開度（すなわち、改質器用燃焼器排出ガス１０３の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１００の開度を制御することによって、燃料である天然ガス１の供給量に対して改質器リサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス２８のスチームカーボン比が所定の値になるように設定する。
本実施形態においても、改質器３での水蒸気の不足を補うために、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、改質器用燃焼器排出ガス１０３として改質器３に供給するので、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給し水蒸気を生成させることが不要であり、燃料電池発電システムの発電効率を低下させることはない。
図２に示した本実施形態では、図１に示した実施形態１と同様に、図１０に示した従来の燃料電池発電システムとは異なり、燃料電池直流出力２２の電池電流が燃料電池直流出力８８の電池電流より多く、ＣＯシフトコンバータ４への水素豊富な改質ガス２７の供給量の方が固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４への水素豊富な改質ガス２７の供給量より多い場合には、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、改質器用燃焼器排出ガス１０３として改質器リサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス２８に混ぜて改質器３に供給することによって、改質器３に供給する改質器リサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス２８のスチームカーボン比が所定の値より低下することを抑制することができる。このため、改質用水蒸気の不足による燃料である天然ガス１中の炭化水素の水蒸気改質反応の阻害やカーボン析出に起因する改質器の性能低下が起こらず、燃料電池発電システムの発電を発電効率を低下させることなく安定に継続することが可能である。
（実施形態３）
図３は、本発明による燃料電池発電システムのさらに他の一実施形態（これを実施形態３とする）を示す構成図である。図３において、前述した図１０、図１及び図２と同一のものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。
図３は、本発明による燃料電池発電システムのさらに他の一実施形態（これを実施形態３とする）を示す構成図である。図３において、前述した図１０、図１及び図２と同一のものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。
図３を用いて実施形態３を説明する。本実施形態による燃料電池発電システムは、図１に示した実施形態１とは、図３に示したように、燃焼器用空気９１を燃焼器９２に供給する代わりに、りん酸形燃料電池セルスタック９の空気極排出ガス１７を燃焼器９２に供給する点が大きく異なる。
次に、本実施形態の作用について、図３を参照して説明する。燃焼器９２では、燃焼用器燃料極排出ガス６４中の未反応燃料、未反応水素及び未反応一酸化炭素をりん酸形燃料電池セルスタック９の空気極排出ガス１７中の未反応酸素と燃焼反応させ、燃焼器排出ガス９３を排出する。燃焼反応によって生成した水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、改質器用燃焼器排出ガス１０３として改質器リサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス２８に混ぜて改質器３に供給する。改質器用燃焼器排出ガス１０３の供給量は、予め設定された流量制御弁３７の開度（すなわち、燃料である天然ガス１の供給量）及び流量制御弁５９の開度（すなわち、改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０の供給量）と流量制御弁１００の開度（すなわち、改質器用燃焼器排出ガス１０３の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１００の開度を制御することによって、燃料である天然ガス１の供給量に対して改質器リサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス２８のスチームカーボン比が所定の値になるように設定する。
本実施形態においても、改質器３での水蒸気の不足を補うために、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、改質器用燃焼器排出ガス１０３として改質器３に供給するので、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給し水蒸気を生成させることが不要であり、燃料電池発電システムの発電効率を低下させることはない。
図３に示した本実施形態では、図１に示した実施形態１と同様に、図１０に示した従来の燃料電池発電システムとは異なり、燃料電池直流出力２２の電池電流が燃料電池直流出力８８の電池電流より多く、ＣＯシフトコンバータ４への水素豊富な改質ガス２７の供給量の方が固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４への水素豊富な改質ガス２７の供給量より多い場合には、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、改質器用燃焼器排出ガス１０３として改質器リサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス２８に混ぜて改質器３に供給することによって、改質器３に供給する改質器リサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス２８のスチームカーボン比が所定の値より低下することを抑制することができる。このため、改質用水蒸気の不足による燃料である天然ガス１中の炭化水素の水蒸気改質反応の阻害やカーボン析出に起因する改質器の性能低下が起こらず、燃料電池発電システムの発電を発電効率を低下させることなく安定に継続することが可能である。
（実施形態４）
図４は、本発明による燃料電池発電システムのさらに他の一実施形態（これを実施形態４とする）を示す構成図である。図４において、前述した図１０、図１、図２及び図３と同一のものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。
図４は、本発明による燃料電池発電システムのさらに他の一実施形態（これを実施形態４とする）を示す構成図である。図４において、前述した図１０、図１、図２及び図３と同一のものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。
図４において、１２２は脱硫器リサイクル用燃料極排出ガス１２６の供給量を制御する流量制御弁、１２３はＣＯシフトコンバータ用燃料極排出ガス、１２４はＣＯシフトコンバータ４の排出ガスである、一酸化炭素の濃度を１％以下に低減させた燃料極排出ガス、１２６は脱硫器リサイクル用燃料極排出ガス、１２７はＣＯシフトコンバータ用燃料極排出ガス１２３の供給量を制御する流量制御弁、１３０はりん酸形燃料電池セルスタック用燃料極排出ガスを表す。
図４を用いて実施形態４を説明する。本実施形態は、図１に示した実施形態１とは、図４に示したように、水素豊富な改質ガス２７の代わりにＣＯシフトコンバータ用燃料極排出ガス１２３をＣＯシフトコンバータ４に供給する点が大きく異なる。
次に、本実施形態の作用について、図４を参照して説明する。本実施形態では、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４から排出した燃料極排出ガス６１は、改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０、ＣＯシフトコンバータ用燃料極排出ガス１２３及び燃焼器用燃料極排出ガス６４に分配され、それぞれ改質器３、ＣＯシフトコンバータ４及び燃焼器９２に供給される。ＣＯシフトコンバータ用燃料極排出ガス１２３の供給量は、予め設定された燃料電池直流出力２２の電池電流と流量制御弁１２７の開度（すなわち、ＣＯシフトコンバータ４へのＣＯシフトコンバータ用燃料極排出ガス１２３の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１２７の開度を制御することによって、燃料電池直流出力２２の電池電流に見合った値に設定する。ＣＯシフトコンバータ４では、（９）式に示した水性シフト反応により、ＣＯシフトコンバータ用燃料極排出ガス１２３中の一酸化炭素濃度が１％以下まで低減される。
脱硫器２での硫化水素の生成に必要な水素を供給するために、ＣＯシフトコンバータ４でつくられた水素を含む一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた燃料極排出ガス１２４の一部を、脱硫器リサイクル用燃料極排出ガス１２６として脱硫器２にリサイクルする。脱硫器リサイクル用燃料極排出ガス１２６の供給量は、予め設定された流量制御弁３７の開度（すなわち、燃料である天然ガス１の供給量）と流量制御弁１２２の開度（すなわち、脱硫器リサイクル用燃料極排出ガス１２６の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１２２の開度を制御することによって、燃料である天然ガス１の供給量に見合った値に設定する。
ＣＯシフトコンバータ４でつくられた一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた燃料極排出ガス１２４の一部は、前述したように脱硫器リサイクル用燃料極排出ガス１２６として、脱硫器２に供給し、残りは、りん酸形燃料電池セルスタック用燃料極排出ガス１３０としてりん酸形燃料電池セルスタック９の燃料極６に供給する。
燃焼反応によって生成した水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、改質器用燃焼器排出ガス１０３として改質器リサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス２８に混ぜて改質器３に供給する。改質器用燃焼器排出ガス１０３の供給量は、予め設定されていた流量制御弁３７の開度（すなわち、燃料である天然ガス１の供給量）及び流量制御弁５９の開度（すなわち、改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０の供給量）と流量制御弁１００の開度（すなわち、改質器用燃焼器排出ガス１０３の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１００の開度を制御することによって、燃料である天然ガス１の供給量に対して改質器リサイクル角燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス２８のスチームカーボン比が所定の値になるように設定する。
本実施形態においても、改質器３での水蒸気の不足を補うために、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、改質器用燃焼器排出ガス１０３として改質器３に供給するので、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給し水蒸気を生成させることが不要であり、燃料電池発電システムの発電効率を低下させることはない。
図４に示した実施形態では、図１０に示した従来の燃料電池発電システムとは異なり、燃料電池直流出力２２の電池電流が燃料電池直流出力８８の電池電流より多く、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７での電池反応による水蒸気生成量がりん酸形燃料電池セルスタック９での電池反応による水蒸気生成量よりも少ない場合には、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、改質器用燃焼器排出ガス１０３として改質器リサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス２８に混ぜて改質器３に供給することによって、改質器３に供給する改質器リサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス２８のスチームカーボン比が所定の値より低下することを抑制することができる。このため、改質用水蒸気の不足による燃料である天然ガス１中の炭化水素の水蒸気改質反応の阻害やカーボン析出に起因する改質器の性能低下が起こらず、燃料電池発電システムの発電を発電効率を低下させることなく安定に継続することが可能である。
（実施形態５）
図５は、本発明による燃料電池発電システムのさらに他の一実施形態（これを実施形態５とする）を示す構成図である。図５において、前述した図１０、図１、図２、図３及び図４と同一のものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。
図５は、本発明による燃料電池発電システムのさらに他の一実施形態（これを実施形態５とする）を示す構成図である。図５において、前述した図１０、図１、図２、図３及び図４と同一のものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。
図５を用いて実施形態５を説明する。本実施形態は、図４に示した実施形態４とは、図５に示したように、燃焼器用空気９１を燃焼器９２に供給する代わりに、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の空気極排出ガス６３を燃焼器９２に供給する点が大きく異なる。
次に、本実施形態の作用について、図５を参照して説明する。燃焼器９２では、燃焼器用燃料極排出ガス６４中の未反応燃料、未反応水素及び未反応一酸化炭素を固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の空気極排出ガス６３中の未反応酸素と燃焼反応させ、燃焼器排出ガス９３を排出する。燃焼反応によって生成した水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部は、改質器用燃焼器排出ガス１０３として改質器３に供給する。改質器用燃焼器排出ガス１０３の供給量は、予め設定された流量制御弁３７の開度（すなわち、燃料である天然ガス１の供給量）及び流量制御弁５９の開度（すなわち、改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０の供給量）と流量制御弁１００の開度（すなわち、改質器用燃焼器排出ガス１０３の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１００の開度を制御することによって、燃料である天然ガス１の供給量に対して改質器リサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス２８のスチームカーボン比が所定の値になるように設定する。
本実施形態においても、改質器３での水蒸気の不足を補うために、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、改質器用燃焼器排出ガス１０３として改質器３に供給するので、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給し水蒸気を生成させることが不要であり、燃料電池発電システムの発電効率を低下させることはない。
図５に示した実施形態では、図１０に示した従来の燃料電池発電システムとは異なり、燃料電池直流出力２２の電池電流が燃料電池直流出力８８の電池電流より多く、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７での電池反応による水蒸気生成量がりん酸形燃料電池セルスタック９での電池反応による水蒸気生成量よりも少ない場合には、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、改質器用燃焼器排出ガス１０３として改質器リサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス２８に混ぜて改質器３に供給することによって、改質器３に供給する改質器リサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス２８のスチームカーボン比が所定の値より低下することを抑制することができる。このため、改質用水蒸気の不足による燃料である天然ガス１中の炭化水素の水蒸気改質反応の阻害やカーボン析出に起因する改質器の性能低下が起こらず、燃料電池発電システムの発電を発電効率を低下させることなく安定に継続することが可能である。
（実施形態６）
図６は、本発明による燃料電池発電システムのさらに他の一実施形態（これを実施形態６とする）を示す構成図である。図６において、前述した図１０、図１、図２、図３、図４及び図５と同一のものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。
図６は、本発明による燃料電池発電システムのさらに他の一実施形態（これを実施形態６とする）を示す構成図である。図６において、前述した図１０、図１、図２、図３、図４及び図５と同一のものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。
図６を用いて実施形態６を説明する。本実施形態は、図４に示した実施形態４とは、図６に示したように、燃焼器用空気９１を燃焼器９２に供給する代わりに、りん酸形燃料電池セルスタック９の空気極排出ガス１７を燃焼器９２に供給する点が大きく異なる。
次に、本実施形態の作用について、図６を参照して説明する。燃焼器９２では、燃焼器用燃料極排出ガス６４中の未反応燃料、未反応水素及び未反応一酸化炭素をりん酸形燃料電池セルスタック９の空気極排出ガス１７中の未反応酸素と燃焼反応させ、燃焼器排出ガス９３を排出する。燃焼反応によって生成した水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部は、改質器用燃焼器排出ガス１０３として改質器リサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス２８に混ぜて改質器３に供給する。改質器用燃焼器排出ガス１０３の供給量は、予め設定された流量制御弁３７の開度（すなわち、燃料である天然ガス１の供給量）及び流量制御弁５９の開度（すなわち、改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０の供給量）と流量制御弁１００の開度（すなわち、燃焼改質器用器排出ガス１０３の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１００の開度を制御することによって、燃料である天然ガス１の供給量に対して改質器リサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス２８のスチームカーボン比が所定の値になるように設定する。
本実施形態においても、改質器３での水蒸気の不足を補うために、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、改質器用燃焼器排出ガス１０３として改質器３に供給するので、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給し水蒸気を生成させることが不要であり、燃料電池発電システムの発電効率を低下させることはない。
図６に示した実施形態では、図１０に示した従来の燃料電池発電システムとは異なり、燃料電池直流出力２２の電池電流が燃料電池直流出力８８の電池電流より多く、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７での電池反応による水蒸気生成量がりん酸形燃料電池セルスタック９での電池反応による水蒸気生成量よりも少ない場合には、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、改質器用燃焼器排出ガス１０３として改質器リサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス２８に混ぜて改質器３に供給することによって、改質器３に供給する改質器リサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス２８のスチームカーボン比が所定の値より低下することを抑制することができる。このため、改質用水蒸気の不足による燃料である天然ガス１中の炭化水素の水蒸気改質反応の阻害やカーボン析出に起因する改質器の性能低下が起こらず、燃料電池発電システムの発電を発電効率を低下させることなく安定に継続することが可能である。
（実施形態７）
図７は、本発明による燃料電池発電システムのさらに他の一実施形態（これを実施形態７とする）を示す構成図である。図７において、前述した図１０、図１、図２、図３、図４、図５及び図６と同一のものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。
図７は、本発明による燃料電池発電システムのさらに他の一実施形態（これを実施形態７とする）を示す構成図である。図７において、前述した図１０、図１、図２、図３、図４、図５及び図６と同一のものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。
図７において、１９２は固体酸化物形燃料電池セルスタックリサイクル用燃料極排出ガス、１９３は固体酸化物形燃料電池セルスタックリサイクル用燃料極排出ガス１９２の供給量を制御する流量制御弁、１９４は固体酸化物形燃料電池セルスタックリサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス、１９５は固体酸化物形燃料電池セルスタック用燃焼器排出ガス１９６の供給量を制御する流量制御弁、１９６は固体酸化物形燃料電池セルスタック用燃焼器排出ガスを表す。
図７を用いて実施形態７を説明する。本実施形態は、図４に示した実施形態４とは、図７に示したように改質器３が不要で、固体酸化物形燃料電池セルスタックリサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス１９４をそのまま固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４に供給し、燃料極５４で燃料である天然ガス１に含まれる炭化水素の水蒸気改質反応を行わせる点が大きく異なる。
次に、本実施形態の作用について、図７を参照して説明する。本実施形態では、脱硫器２で脱硫された脱硫天然ガス２９は、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の発電に伴って生成した水蒸気を含む固体酸化物形燃料電池セルスタックリサイクル用燃料極排出ガス１９２と混合し、固体酸化物形燃料電池セルスタックリサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス１９４として固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４に供給する。固体酸化物形燃料電池セルスタックリサイクル用燃料極排出ガス１９２の供給量は、予め設定された流量制御弁３７の開度（すなわち、燃料である天然ガス１の供給量）と流量制御弁１９３の開度（すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタックリサイクル用燃料極排出ガス１９２の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１９３の開度を制御することによって、燃料である天然ガス１の供給量に対して固体酸化物形燃料電池セルスタックリサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス１９４のスチームカーボン比が所定の値になるように設定する。
固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４では、燃料極触媒の働きにより燃料である天然ガス１に含まれる炭化水素（主にメタン）の水蒸気改質反応が行われ、水素と一酸化炭素が生成する。燃料極５４で生成した水素と一酸化炭素がその場で（３）式及び（４）式に示した燃料極反応により消費され、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の発電が行われる。炭化水素の水蒸気改質反応は吸熱反応であるので、固体酸化物燃料電池セルスタック５７の発熱を炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として利用する。固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の発電温度は、一般的に８００〜１０００℃であり、電池反応による発熱により発電温度が維持されている。このため、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の発熱を、前述したように燃料極５４での炭化水素の水蒸気改質反応の反応熱として利用することができる。
燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３は、固体酸化物形燃料電池セルスタックリサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス１９４に混ぜて固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４に供給する。固体酸化物形燃料電池セルスタック用燃焼器排出ガス１９６の供給量は、予め設定された流量制御弁３７の開度（すなわち、燃料である天然ガス１の供給量）及び流量制御弁１９３の開度（すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタックリサイクル用燃料極排出ガス１９２の供給量）と流量制御弁１９５の開度（すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタック用燃焼器排出ガス１９６の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１９５の開度を制御することによって、燃料である天然ガス１の供給量に対して固体酸化物形燃料電池セルスタックリサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス１９４のスチームカーボン比が所定の値になるように設定する。
本実施形態においても、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４での水蒸気の不足を補うために、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、固体酸化物形燃料電池セルスタック用燃焼器排出ガス１９６として固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４に供給するので、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給し水蒸気を生成させることが不要であり、燃料電池発電システムの発電効率を低下させることはない。
図７に示した実施形態では、図１０に示した従来の燃料電池発電システムとは異なり、燃料電池直流出力２２の電池電流が燃料電池直流出力８８の電池電流より多く、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７での電池反応による水蒸気生成量がりん酸形燃料電池セルスタック９での電池反応による水蒸気生成量よりも少ない場合には、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、固体酸化物形燃料電池セルスタック用燃焼器排出ガス１９６として固体酸化物形燃料電池セルスタックリサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス１９４に混ぜて固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４に供給することによって、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４に供給する固体酸化物形燃料電池セルスタックリサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス１９４のスチームカーボン比が所定の値より低下することを抑制することができる。このため、改質用水蒸気の不足による燃料である天然ガス１中の炭化水素の水蒸気改質反応の阻害やカーボン析出に起因する固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の発電性能低下が起こらず、燃料電池発電システムの発電を発電効率を低下させることなく安定に継続することが可能である。
（実施形態８）
図８は、本発明による燃料電池発電システムのさらに他の一実施形態（これを実施形態８とする）を示す構成図である。図８において、前述した図１０、図１、図２、図３、図４、図５、図６及び図７と同一のものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。
図８は、本発明による燃料電池発電システムのさらに他の一実施形態（これを実施形態８とする）を示す構成図である。図８において、前述した図１０、図１、図２、図３、図４、図５、図６及び図７と同一のものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。
図８を用いて実施形態１４を説明する。本実施形態は、図７に示した実施形態７とは、図８に示したように、燃焼器用空気９１を燃焼器９２に供給する代わりに、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の空気極排出ガス６３を燃焼器９２に供給する点が大きく異なる。
次に、本実施形態の作用について、図８を参照して説明する。燃焼器９２では、燃焼器用燃料極排出ガス６４中の未反応燃料、未反応水素及び未反応一酸化炭素を固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の空気極排出ガス６３中の未反応酸素と燃焼反応させ、燃焼器排出ガス９３を排出する。燃焼反応によって生成した水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部は、固体酸化物形燃料電池セルスタック用燃焼器排出ガス１９６として固体酸化物形燃料電池セルスタックリサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス１９４に混ぜて固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４に供給する。固体酸化物形燃料電池セルスタック用燃焼器排出ガス１９６の供給量は、予め設定された流量制御弁３７の開度（すなわち、燃料である天然ガス１の供給量）及び流量制御弁１９３の開度（すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタックリサイクル用燃料極排出ガス１９２の供給量）と流量制御弁１９５の開度（すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタック用燃焼器排出ガス１９６の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１９５の開度を制御することによって、燃料である天然ガス１の供給量に対して固体酸化物形燃料電池セルスタックリサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス１９４のスチームカーボン比が所定の値になるように設定する。
本実施形態においても、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４での水蒸気の不足を補うために、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、固体酸化物形燃料電池セルスタック用燃焼器排出ガス１９６として固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４に供給するので、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給し水蒸気を生成させることが不要であり、燃料電池発電システムの発電効率を低下させることはない。
図８に示した実施形態では、図１０に示した従来の燃料電池発電システムとは異なり、燃料電池直流出力２２の電池電流が燃料電池直流出力８８の電池電流より多く、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７での電池反応による水蒸気生成量がりん酸形燃料電池セルスタック９での電池反応による水蒸気生成量よりも少ない場合には、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、固体酸化物形燃料電池セルスタック用燃焼器排出ガス１９６として固体酸化物形燃料電池セルスタックリサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス１９４に混ぜて固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４に供給することによって、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４に供給する固体酸化物形燃料電池セルスタックリサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス１９４のスチームカーボン比が所定の値より低下することを抑制することができる。このため、改質用水蒸気の不足による燃料である天然ガス１中の炭化水素の水蒸気改質反応の阻害やカーボン析出に起因する固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の発電性能低下が起こらず、燃料電池発電システムの発電を発電効率を低下させることなく安定に継続することが可能である。
（実施形態９）
図９は、本発明による燃料電池発電システムのさらに他の一実施形態（これを実施形態９とする）を示す構成図である。図９において、前述した図１０、図１、図２、図３、図４、図５、図６、図７及び図８と同一のものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。
図９は、本発明による燃料電池発電システムのさらに他の一実施形態（これを実施形態９とする）を示す構成図である。図９において、前述した図１０、図１、図２、図３、図４、図５、図６、図７及び図８と同一のものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。
図９を用いて実施形態９を説明する。本実施形態は、図７に示した実施形態１３とは、図９に示したように燃焼器用空気９１を燃焼器９２に供給する代わりに、りん酸形燃料電池セルスタック８の空気極排出ガス１７を燃焼器９２に供給する点が大きく異なる。
次に、本実施形態の作用について、図９を参照して説明する。燃焼器９２では、燃焼器用燃料極排出ガス６４中の未反応燃料、未反応水素及び未反応一酸化炭素をりん酸形燃料電池セルスタック８の空気極排出ガス１７中の未反応酸素と燃焼反応させ、燃焼器排出ガス９３の一部は、固体酸化物形燃料電池セルスタック用燃焼器排出ガス１９６として固体酸化物形燃料電池セルスタックリサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス１９４に混ぜて固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４に供給する。固体酸化物形燃料電池セルスタック用燃焼器排出ガス１９６の供給量は、予め設定された流量制御弁３７の開度（すなわち、燃料である天然ガス１の供給量）及び流量制御弁１９３の開度（すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタックリサイクル用燃料極排出ガス１９２の供給量）と流量制御弁１９５の開度（すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタック用燃焼器排出ガス１９６の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１９５の開度を制御することによって、燃料である天然ガス１の供給量に対して固体酸化物形燃料電池セルスタックリサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス１９４のスチームカーボン比が所定の値になるように設定する。
本実施形態においても、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４での水蒸気の不足を補うために、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、固体酸化物形燃料電池セルスタック用燃焼器排出ガス１９６として固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４に供給するので、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給し水蒸気を生成させることが不要であり、燃料電池発電システムの発電効率を低下させることはない。
図９に示した実施形態では、図１０に示した従来の燃料電池発電システムとは異なり、燃料電池直流出力２２の電池電流が燃料電池直流出力８８の電池電流より多く、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７での電池反応による水蒸気生成量がりん酸形燃料電池セルスタック９での電池反応による水蒸気生成量よりも少ない場合には、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、固体酸化物形燃料電池セルスタック用燃焼器排出ガス１９６として固体酸化物形燃料電池セルスタックリサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス１９４に混ぜて固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４に供給することによって、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４に供給する固体酸化物形燃料電池セルスタックリサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス１９４のスチームカーボン比が所定の値より低下することを抑制することができる。このため、改質用水蒸気の不足による燃料である天然ガス１中の炭化水素の水蒸気改質反応の阻害やカーボン析出に起因する固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の発電性能低下が起こらず、燃料電池発電システムの発電を発電効率を低下させることなく安定に継続することが可能である。
以上説明したように、本発明によれば、発電効率を低下させることなく、燃料の水蒸気改質反応に必要な水蒸気の不足を抑制し、安定に燃料電池発電システムの発電を継続することができる。
１：天然ガス、２：脱硫器、３：改質器、４：ＣＯシフトコンバータ、５：りん酸形燃料電池セルスタック用改質ガス、６：燃料極、７：りん酸電解質、８：空気極、９：りん酸形燃料電池セルスタック、１０：流量制御弁、１３：空気供給用ブロア、１７：空気極排出ガス、１８：空気、１９：燃料極排出ガス、２０：出力調整器、２１：負荷、２２：燃料電池直流出力、２３：送電端交流出力、２６：一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた改質ガス、２７：水素豊富な改質ガス、２８：改質器リサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス、２９：脱硫天然ガス、３２：りん酸形燃料電池セルスタック用空気、３７：流量制御弁、５０：脱硫器リサイクル用改質ガス、５１：流量制御弁、５４：燃料極、５５：固体酸化物電解質、５６：空気極、５７：固体酸化物形燃料電池セルスタック、５８：固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気、５９：流量制御弁、６０：改質器リサイクル用燃料極排出ガス、６１：燃料極排出ガス、６２：流量制御弁、６３：空気極排出ガス、６４：燃焼器用燃料極排出ガス、７４：流量制御弁、７５：流量制御弁、８６：出力調整器、８７：負荷、８８：燃料電池直流出力、８９：送電端交流出力、９０：流量制御弁、９１：燃焼器用空気、９２：燃焼器、９３：燃焼器排出ガス、１００：流量制御弁、１０２：排出用燃焼器排出ガス、１０３：改質器用燃焼器排出ガス、１２２：流量制御弁、１２３：ＣＯシフトコンバータ用燃料極排出ガス、１２４：一酸化炭素の濃度を１％以下に低減させた燃料極排出ガス、１２６：脱硫器リサイクル用燃料極排出ガス、１２７：流量制御弁、１３０：りん酸形燃料電池セルスタック用燃料極排出ガス、１９２：固体酸化物形燃料電池セルスタックリサイクル用燃料極排出ガス、１９３：流量制御弁、１９４：固体酸化物形燃料電池セルスタックリサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス、１９５：流量制御弁、１９６：固体酸化物形燃料電池セルスタック用燃焼器排出ガス。
Claims (7)
- 燃料の水蒸気改質反応により生成する水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う燃料電池発電システムにおいて、前記燃料の水蒸気改質反応によって水素豊富な改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの前記燃料極排出ガス中の燃料、水素及び一酸化炭素を酸素と燃焼反応させ、該燃焼反応によって生成した水蒸気を含む燃焼器排出ガスを前記改質器へ供給する燃焼器を有することを特徴とする燃料電池発電システム。
- 燃料の水蒸気改質反応により生成する水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う燃料電池発電システムにおいて、前記燃料の水蒸気改質反応によって水素豊富な改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの前記燃料極排出ガス中の燃料、水素及び一酸化炭素を酸素と燃焼反応させ、該燃焼反応によって生成した水蒸気を含む燃焼器排出ガスを前記改質器へ供給する燃焼器を有することを特徴とする燃料電池発電システム。
- 燃料の水蒸気改質反応により生成する水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う燃料電池発電システムにおいて、燃料極で前記燃料の水蒸気改質反応を行わせ水素及び一酸化炭素を生成させるとともに、前記燃料極で生成した水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した熱を前記水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費し、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記燃料極に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの前記燃料極排出ガス中の燃料、水素及び一酸化炭素を酸素と燃焼反応させ、該燃焼反応によって生成した水蒸気を含む燃焼器排出ガスを前記第一の燃料電池セルスタックの前記燃料極へ供給する燃焼器を有することを特徴とする燃料電池発電システム。
- 前記燃焼器に前記燃焼反応の酸素源として空気を供給することを特徴とする請求項１、２または３記載の燃料電池発電システム。
- 前記燃焼器に前記燃焼反応の酸素源として前記第二の燃料電池セルスタックの空気極排出ガスを供給することを特徴とする請求項１、２または３記載の燃料電池発電システム。
- 前記燃焼器に前記燃焼反応の酸素源として前記第一の燃料電池セルスタックの空気極排出ガスを供給することを特徴とする請求項１、２または３記載の燃料電池発電システム。
- 前記第一の燃料電池セルスタックが固体酸化物形燃料電池セルスタックであり、前記第二の燃料電池セルスタックがりん酸形燃料電池セルスタックであることを特徴とする請求項１、２、３、４、５または６記載の燃料電池発電システム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003285843A JP2005056666A (ja) | 2003-08-04 | 2003-08-04 | 燃料電池発電システム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003285843A JP2005056666A (ja) | 2003-08-04 | 2003-08-04 | 燃料電池発電システム |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2005056666A true JP2005056666A (ja) | 2005-03-03 |
Family
ID=34365348
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003285843A Pending JP2005056666A (ja) | 2003-08-04 | 2003-08-04 | 燃料電池発電システム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2005056666A (ja) |
Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60258862A (ja) * | 1984-06-06 | 1985-12-20 | Hitachi Ltd | 燃料電池発電装置 |
| JPH04286870A (ja) * | 1991-03-15 | 1992-10-12 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 燃料電池 |
| JPH08124587A (ja) * | 1994-10-27 | 1996-05-17 | Toshiba Corp | 燃料電池発電プラント |
| JPH10308230A (ja) * | 1997-05-02 | 1998-11-17 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 燃料電池発電装置 |
| JP2001266924A (ja) * | 2000-03-24 | 2001-09-28 | Tokyo Gas Co Ltd | 固体電解質型燃料電池システム |
| JP2002134152A (ja) * | 2000-10-26 | 2002-05-10 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料電池システム |
| JP2002231289A (ja) * | 2001-02-05 | 2002-08-16 | Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd | 燃料電池システムの制御方法 |
| JP2002246047A (ja) * | 2001-02-21 | 2002-08-30 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料電池システム |
| JP2003017098A (ja) * | 2001-06-29 | 2003-01-17 | Daikin Ind Ltd | 燃料電池システム |
| WO2003038934A1 (fr) * | 2001-11-01 | 2003-05-08 | Osaka Gas Co., Ltd. | Systeme de pile a combustible |
| WO2003071188A2 (en) * | 2002-02-19 | 2003-08-28 | Utc Fuel Cells, Llc | Steam generator for a pem fuel cell power plant |
-
2003
- 2003-08-04 JP JP2003285843A patent/JP2005056666A/ja active Pending
Patent Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60258862A (ja) * | 1984-06-06 | 1985-12-20 | Hitachi Ltd | 燃料電池発電装置 |
| JPH04286870A (ja) * | 1991-03-15 | 1992-10-12 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 燃料電池 |
| JPH08124587A (ja) * | 1994-10-27 | 1996-05-17 | Toshiba Corp | 燃料電池発電プラント |
| JPH10308230A (ja) * | 1997-05-02 | 1998-11-17 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 燃料電池発電装置 |
| JP2001266924A (ja) * | 2000-03-24 | 2001-09-28 | Tokyo Gas Co Ltd | 固体電解質型燃料電池システム |
| JP2002134152A (ja) * | 2000-10-26 | 2002-05-10 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料電池システム |
| JP2002231289A (ja) * | 2001-02-05 | 2002-08-16 | Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd | 燃料電池システムの制御方法 |
| JP2002246047A (ja) * | 2001-02-21 | 2002-08-30 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料電池システム |
| JP2003017098A (ja) * | 2001-06-29 | 2003-01-17 | Daikin Ind Ltd | 燃料電池システム |
| WO2003038934A1 (fr) * | 2001-11-01 | 2003-05-08 | Osaka Gas Co., Ltd. | Systeme de pile a combustible |
| WO2003071188A2 (en) * | 2002-02-19 | 2003-08-28 | Utc Fuel Cells, Llc | Steam generator for a pem fuel cell power plant |
| JP2005518084A (ja) * | 2002-02-19 | 2005-06-16 | ユーティーシー フューエル セルズ，エルエルシー | Ｐｅｍ型燃料電池電力設備用の水蒸気発生器 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7749626B2 (en) | Fuel cell power generating system with two fuel cells of different types and method of controlling the same | |
| Lanzini et al. | Experimental investigation of direct internal reforming of biogas in solid oxide fuel cells | |
| US10680265B2 (en) | Energy storage using an REP with an engine | |
| JP4914273B2 (ja) | 水素製造方法および水素製造システム | |
| JP2009048854A (ja) | 燃料電池発電装置およびその制御方法 | |
| JP3784775B2 (ja) | 燃料電池発電システムの制御方法 | |
| JP5066020B2 (ja) | 燃料電池発電システムおよびその動作方法 | |
| JP2005108509A (ja) | 燃料電池発電システム | |
| JP4620399B2 (ja) | 燃料電池発電システムの制御方法 | |
| JP3872006B2 (ja) | 燃料電池発電システム | |
| JP4467929B2 (ja) | 燃料電池発電システム | |
| JP2005056775A (ja) | 燃料電池発電システム | |
| JP2009176659A (ja) | 燃料電池発電システムおよびその制御方法 | |
| JP4476581B2 (ja) | 燃料電池発電システムとその燃料電池発電システムの制御法とその制御法を実現する制御プログラムとその制御プログラムを記録した記録媒体 | |
| JP5134309B2 (ja) | 燃料電池発電装置およびその制御方法 | |
| JP2007073302A (ja) | 燃料改質システム | |
| JP2005056666A (ja) | 燃料電池発電システム | |
| JP2008204783A (ja) | 燃料電池発電システムとその冷却方法 | |
| JP3886887B2 (ja) | 燃料電池発電システム | |
| JP4246053B2 (ja) | 燃料電池発電システムの起動法 | |
| JP2005056777A (ja) | 燃料電池発電システム | |
| JP4467924B2 (ja) | 燃料電池発電システム | |
| JP4442204B2 (ja) | 燃料電池発電システム | |
| JP4467925B2 (ja) | 燃料電池発電システムの制御法とその制御法を実現する制御プログラムとその制御プログラムを記録した記録媒体 | |
| JP2005056735A (ja) | 燃料電池発電システム |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20050711 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20080401 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20090217 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20090417 |
|
| RD02 | Notification of acceptance of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422 Effective date: 20090515 |
|
| RD04 | Notification of resignation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424 Effective date: 20090515 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20100216 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20100416 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20101026 |