JP2011129490A - 固体酸化物形燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】固体酸化物形燃料電池に導かれる空気を利用して、システム全体の効率を改善することが可能、かつ、システムの運転管理が容易とされた固体酸化物形燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
【解決手段】複数の固体酸化物形燃料電池２Ａ，２Ｂを空気および燃料流れに対して直列に配置し、空気は、空気流れに対して上流側の固体酸化物形燃料電池２Ａから空気流れに対して下流側の固体酸化物形燃料電池２Ｂへと供給され、燃料は、空気流れに対して下流側の固体酸化物形燃料電池２Ｂから空気流れに対して上流側の固体酸化物形燃料電池２Ａへと供給されることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池発電システムに関し、特に固体酸化物形燃料電池の空気の利用に関するものである。

固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＳＯＦＣ）は、燃料極に燃料ガスを供給するとともに、空気極に酸化剤ガスを供給し、燃料ガスに含まれる燃料と酸化剤ガスに含まれる酸素とを固体電解質体を介して化学反応させることによって電力を発生させるものである。一般に、燃料ガスには、天然ガス、ＬＰＧ、石油、メタノール、石炭ガス化ガスなどが使用され、酸化剤ガスには空気が使用される。

この固体酸化物形燃料電池において発電の効率を維持するための温度制御として、発電による自己発熱を利用することがある。この自己発熱は、固体酸化物形燃料電池の発電時に、燃料極と空気極とを備えるセルのジュール熱によって発生するものであり、固体酸化物形燃料電池の定常運転時に前記セルが高い導電性を維持する温度範囲を維持するために利用されている。

一方で、自己発熱により前記セルが過熱されると、該セルの許容温度範囲を超えてしまうことがある。そこで、前記空気極に供給される空気は、固体酸化物形燃料電池を適正な作動温度に保つ冷媒としても利用される。この時、前記空気は、発電に必要な空気量と冷却に必要な空気量とが必要になる。

しかしながら、発電によって発生した熱の冷却に空気を使用する場合、一般的に冷却に必要な空気量は、発電に必要な空気量（正確には空気中の酸素量）より多い。従って、冷却に必要な空気量が多くなると固体酸化物形燃料電池に導かれる全空気量に対する発電に使用される空気量の割合（以下「空気利用率」という。）が低下する。このことにより、空気利用率が低下するため固体酸化物形燃料電池発電システム全体の効率が低下するという問題があった。

特許文献１には、高温で作動する燃料電池において、冷媒として必要な空気量を低減させる一例として、溶融炭酸塩型燃料電池が開示されている。この溶融炭酸塩型燃料電池は、複数の溶融炭酸塩型燃料電池を複数設置して直列に接続し、上流側の燃料電池のカソード出口と下流側の燃料電池のカソード入口とを接続するカソードガスラインの途中に、熱交換器を設置するものである。

また、特許文献２には、固体酸化物形燃料電池を空気流れに対して直列に接続して、固体酸化物形燃料電池から導出された空気と熱とを下流側の固体酸化物形燃料電池に導くことが開示されている。

特開平４−１２４６３号公報 特許第３３４９２７３号公報

上述した特許文献１及び特許文献２に開示の燃料電池によれば、空気流れに対して直列に燃料電池を接続することによって冷却用として供給する空気量を低減させることができる。しかしながら、各燃料電池に導入される空気中の酸素濃度に差が生じるため燃料電池間に出力差が生じて発熱量にも差が生じてしまう。

このように、発熱量に差が生じることによって固体酸化物形燃料電池間に温度差が発生した場合には、固体酸化物形燃料電池内の素子を損傷する可能性があり固体酸化物形燃料電池システムの運転管理が困難になるという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、空気利用率を向上させるとともに、複数の固体酸化物形燃料電池に導かれる空気の量と燃料の量とを最適化して各固体酸化物形燃料電池間の出力差を小さくすることで、システム全体の効率を改善することが可能、かつ、システムの運転管理が容易とされた固体酸化物形燃料電池発電システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の固体酸化物形燃料電池発電システムは、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる固体酸化物形燃料電池発電システムによれば、複数の固体酸化物形燃料電池を空気流れおよび燃料流れに対して直列に配置し、空気は、前記空気流れに対して上流側の前記固体酸化物形燃料電池から前記空気流れに対して下流側の前記固体酸化物形燃料電池へと供給され、燃料は、前記空気流れに対して下流側の前記固体酸化物形燃料電池から前記空気流れに対して上流側の前記固体酸化物形燃料電池へと供給されることを特徴とする。

空気流れに対して直列に配置された固体酸化物形燃料電池は、空気流れに対して上流側の固体酸化物形燃料電池と、空気流れに対して下流側の固体酸化物形燃料電池とに供給される酸素濃度に差が生じる。そのため、各固体酸化物形燃料電池に供給される燃料が同量の場合には、各固体酸化物形燃料電池で出力差が生じ、発電によって発生する熱量に差を生じる。熱量に差を生じるため、固体酸化物形燃料電池間で温度差が発生して固体酸化物形燃料電池発電システムの運転管理が困難となる。
本発明においては、複数の固体酸化物形燃料電池を空気が通過する方向に対して直列に配置し、空気流れに対して上流側の固体酸化物形燃料電池から空気流れに対して下流側の固体酸化物形燃料電池へと空気を供給することとした。さらに、複数の固体酸化物形燃料電池を燃料が通過する方向に対して直列に配置し、空気流れに対して下流側の固体酸化物形燃料電池から空気流れに対して上流側の固体酸化物形燃料電池へと燃料を供給することとした。これにより、供給される酸素濃度が低い空気流れに対して下流側の固体酸化物形燃料電池には、燃料濃度の高い燃料を供給し、供給される酸素濃度が高い空気流れに対して上流側の固体酸化物形燃料電池には、燃料濃度が低い燃料を供給することができる。そのため、固体酸化物形燃料電池間の出力のバランスを図ることができ、固体酸化物形燃料電池間の温度差を抑制することができる。したがって、固体酸化物形燃料電池発電システムの運転管理を容易にすることが可能となる。

さらに、固体酸化物形燃料電池間の出力の平準化を図ることで、固体酸化物形燃料電池におけるセル間の温度差も抑制することができるので、セルを集積化する場合においても過熱することなく、セルにおける信頼性を向上させ、固体酸化物形燃料電池発電システムの長期運転における耐久性を向上させることが可能となる。

本発明にかかる固体酸化物形燃料電池発電システムによれば、前記空気流れの間に設けられ、該空気流れに対して上流側の前記固体酸化物形燃料電池を通過した空気と、前記空気流れに対して上流側の前記固体酸化物形燃料電池に供給される空気とが熱交換する熱交換器を備えることを特徴とする。

固体酸化物形燃料電池が空気と燃料とによって発電する際には、熱を生じる。この発生した熱を冷却するために、固体酸化物形燃料電池には、空気が導入される。
本発明は、固体酸化物形燃料電池の空気流れの間に熱交換器を設けることにした。これにより、空気流れに対して上流側の固体酸化物形燃料電池に供給される空気と、空気流れに対して上流側の固体酸化物形燃料電池を通過した温度の上昇した空気とが熱交換される。そのため、空気流れに対して上流側の固体酸化物形燃料電池空気から導出される温度の上昇した空気を冷却することができる。したがって、冷却に必要な空気量を確保するとともに、固体酸化物形燃料電池発電システム全体の効率を改善することが可能となる。

本発明にかかる固体酸化物形燃料電池発電システムによれば、前記空気流れおよび前記燃料流れの間に設けられ、前記空気流れに対して上流側の前記固体酸化物形燃料電池を通過した空気が導かれて燃料を改質燃料へと改質する改質器を備えることを特徴とする。

改質器では、吸熱反応によって供給された燃料が改質燃料へと改質される。そこで、空気流れに対して上流側の固体酸化物形燃料電池を通過して温度の上昇した空気を改質器へと導くこととした。そのため、上流側の固体酸化物形燃料電池を通過した空気の熱を利用して燃料を改質燃料へと改質することができる。したがって、固体酸化物形燃料電池発電システム全体の効率を上昇させることが可能となる。

本発明にかかる固体酸化物形燃料電池発電システムによれば、前記空気流れの間に設けられ、該空気流れに対して上流側の前記固体酸化物形燃料電池を通過した空気と、水とが熱交換するエコノマイザを備えることを特徴とする。

空気流れに対して上流側の固体酸化物形燃料電池を通過して温度の上昇した空気をエコノマイザに導くこととした。そのため、エコノマイザに供給された水は、空気流れに対して上流側の固体酸化物形燃料電池を通過した温度の上昇した空気の熱と熱交換して蒸気とされる。したがって、固体酸化物形燃料電池を通過した空気を熱源として有効に利用することができる。

本発明にかかる固体酸化物形燃料電池発電システムによれば、酸素供給手段を備え、該酸素供給手段によって発生した酸素を上記に記載の熱交換器、または上記に記載の改質器、または上記に記載のエコノマイザのいずれかの空気流れに対して下流側に供給することを特徴とする。

熱交換器、または改質器、またはエコノマイザの空気流れに対して下流側には、酸素供給手段によって酸素を供給することとした。そのため、空気流れに対して下流側の固体酸化物形燃料電池に供給される空気中の酸素濃度の低下を防止することができる。したがって、空気流れに対して下流側の固体酸化物形燃料電池の出力低下を抑制して、固体酸化物形燃料電池発電システム全体の効率を上昇させることが可能となる。

本発明にかかる固体酸化物形燃料電池発電システムによれば、前記燃料流れの間には、燃料追加供給手段を備えることを特徴とする。

空気流れに対して下流側の固体酸化物形燃料電池から導出された燃料には、燃料追加供給手段によって燃料を追加供給することにした。そのため、空気流れに対して上流側の固体酸化物形燃料電池に供給される燃料の濃度の低下を防止することができる。したがって、上流側の固体酸化物形燃料電池の出力低下を抑制して、固体酸化物形燃料電池発電システム全体の効率を上昇させることが可能となる。

上述した発明によれば、複数の固体酸化物形燃料電池を空気が通過する方向に対して直列に配置し、空気流れに対して上流側の固体酸化物形燃料電池から空気流れに対して下流側の固体酸化物形燃料電池へ空気を供給することとした。さらに、複数の固体酸化物形燃料電池を燃料が通過する方向に対して直列に配置し、空気流れに対して下流側の固体酸化物形燃料電池から空気流れに対して上流側の固体酸化物形燃料電池へ燃料を供給することとした。これにより、酸素濃度が低い空気流れに対して下流側の固体酸化物形燃料電池には、燃料濃度の高い燃料を供給し、酸素濃度が高い空気流れに対して上流側の固体酸化物形燃料電池には、燃料濃度が低い燃料を供給することができる。そのため、固体酸化物形燃料電池間の出力のバランスを図ることができ、固体酸化物形燃料電池間の温度差を抑制することができる。したがって、固体酸化物形燃料電池発電システムの運転管理が容易となる。さらに、空気と燃料の供給量を最適化することにより、供給する空気量を低減することができるので、システム効率を向上させることができる。

本発明の第１実施形態に係る熱交換器を有する固体酸化物形燃料電池発電システムの概略構成図である。 本発明の第１実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電システムの第１変形例の概略構成図である。 本発明の第１実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電システムの第２変形例の概略構成図である。 本発明の第１実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電システムの第３変形例の概略構成図である。 本発明の第１実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電システムの第４変形例の概略構成図である。 本発明の第２実施形態に係る改質器を有する固体酸化物形燃料電池発電システムの変形例である。 本発明の第３実施形態に係るエコノマイザを有する固体酸化物形燃料電池発電システムの概略構成図である。 本発明の第４実施形態に係る酸素供給手段および燃料追加供給手段を有する固体酸化物形燃料電池発電システムの概略構成図である。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１を用いて説明する。
図１には、固体酸化物形燃料電池発電システム１の概略構成図が示されている。
固体酸化物形燃料電池発電システム１は、複数の固体酸化物形燃料電池２と、固体酸化物形燃料電池２に導入される空気と冷媒とが熱交換を行う熱交換器３とを備えている。

固体酸化物形燃料電池システム１は、従来統合されていた固体酸化物形燃料電池２を固体酸化物形燃料電池２に分離したシステムであって、図１では、２つに分離したシステムである。図１において、固体酸化粒形燃料電池システム１は、固体酸化物形燃料電池２を２つ直列に配置しているが、直列に接続される固体酸化物形燃料電池２の数は任意に選択することが可能である。

固体酸化物形燃料電池２は、水素や一酸化炭素等の燃料と空気中の酸素とが電気化学的に反応することによって発電する複数の発電素子（以下「単セル」という。）から構成されるものであって、構成単位としては複数のセル（図示せず）で構成されるカートリッジ単位であっても良い。また、複数のカートリッジ（図示せず）で構成されるサブモジュール単位であってもよい。さらに、複数のサブモジュール（図示せず）で構成されるモジュール単位であってもよい。固体酸化物形燃料電池２は、例えば、２つ設けられている。各固体酸化物形燃料電池２Ａ，２Ｂは、導入される空気流れに対して直列になるように配置されている。固体酸化物形燃料電池(空気流れに対して上流側の固体酸化物形燃料電池)２Ａは、固体酸化物形燃料電池(空気流れに対して下流側の固体酸化物形燃料電池)２Ｂよりも空気流れに対して上流側に配置されている。

熱交換器３は、固体酸化物形燃料電池２Ａ，２Ｂの空気流れの間に設けられている。熱交換器３では、固体酸化物形燃料電池２Ａから導出された温度の上昇した空気が、固体酸化物形燃料電池発電システム１内に設置されている図示しない空気供給管から導かれた冷媒である空気と熱交換する。

次に、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電システム１の空気流れについて説明する。
固体酸化物形燃料電池発電システム１内に設けられている空気供給管から配管２０によって熱交換器３へと空気が導かれる。熱交換器３に導かれた空気は、熱交換器３を通過した後、配管２１へと導出される。配管２１に導出された空気は、固体酸化物形燃料電池２Ａへと導入される。

固体酸化物形燃料電池２Ａに導かれた空気中の酸素は、後述する配管３０によって固体酸化物形燃料電池２Ａに導かれた燃料と電気化学反応を行う。固体酸化物形燃料電池２Ａ内で酸素と燃料とが電気化学反応を行うことによって、固体酸化物形燃料電池２Ａが発電する。固体酸化物形燃料電池２Ａが発電した際には、熱を発生する。

発生した熱は、固体酸化物形燃料電池２Ａから酸素濃度が減少した空気とともに配管２２へと導出される。配管２２に導出された熱と酸素濃度が減少した空気（以下「排空気」と言う。）とは、熱交換器３へと導かれる。熱交換器３に導かれた排空気は、上述した配管２０によって熱交換器３へと導かれる空気と熱交換を行う。熱交換器３において熱交換した排空気は、温度が下げられる。熱交換によって温度が下がった排空気は、熱交換器３から配管２３へと導出される。配管２３に導出された排空気の温度は、後述する固体酸化物形燃料電池２Ｂにおいて電気化学反応を行うのに適した温度とされる。

一方、配管２０から熱交換器３へと導かれた空気には、排空気と熱交換することによって熱が与えられる。熱が与えられて温度が上昇した空気は、電気化学反応に適した温度となって固体酸化物形燃料電池２Ａへと導かれる。

配管２３に導出された排空気は、固体酸化物形燃料電池２Ｂへと導かれる。固体酸化物形燃料電池２Ｂに導かれた排空気中の残存酸素は、後述する配管３１によって固体酸化物形燃料電池２Ｂに導かれた燃料と電気化学反応を行う。固体酸化物形燃料電池２Ｂ内において酸素と燃料とが電気化学反応を行うことによって、固体酸化物形燃料電池２Ｂが発電する。

固体酸化物形燃料電池２Ｂにおける発電によって発生した熱は、さらに酸素濃度が減少した空気とともに固体酸化物形燃料電池２Ｂから配管２４へと導出される。配管２４に導出された熱と空気とは、固体酸化物形燃料電池発電システム１内に設けられている空気排出管（図示せず）へと導かれる。

次に、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電システム１の燃料流れについて説明する。
固体酸化物形燃料電池発電システム１内に設けられている燃料貯蔵タンク等（図示せず）に接続されている配管３１から固体酸化物形燃料電池２Ｂに燃料が導かれる。固体酸化物形燃料電池２Ｂに導かれた燃料は、上述した配管２３によって導かれた排空気の酸素と電気化学反応を行う。

固体酸化物形燃料電池２Ｂに導かれた燃料と排空気中の酸素とによって、固体酸化物形燃料電池２Ｂが発電する。固体酸化物形燃料電池２Ｂにおける発電後、燃料濃度が低下した燃料（以下「燃料排ガス」と言う。）は、固体酸化物形燃料電池２Ｂから配管３０へと導出される。

配管３０に導出された燃料排ガスは、固体酸化物形燃料電池２Ａへと導かれる。固体酸化物形燃料電池２Ａに導かれた燃料排ガスは、上述した配管２１から導かれた空気中の酸素と電気化学反応を行う。固体酸化物形燃料電池２Ａ内において酸素と燃料とが電気化学反応を行うことによって、固体酸化物形燃料電池２Ａが発電する。

固体酸化物形燃料電池２Ａにおける発電後、燃料濃度がさらに低下した燃料は、配管３２へと導出される。配管３２に導出された燃料は、固体酸化物形燃料電池発電システム１内に設けられている燃料集合管（図示せず）へと導かれる。

以上の通り、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電システムによれば、以下の作用効果を奏する。
２つ（複数）の固体酸化物形燃料電池２Ａ，２Ｂを空気が通過する方向に対して直列に配置し、固体酸化物形燃料電池（空気流れに対して上流側の固体酸化物形燃料電池）２Ａから固体酸化物形燃料電池（空気流れに対して下流側の固体酸化物形燃料電池）２Ｂへと空気を供給することとした。さらに、燃料が通過する方向に対して直列に２つの固体酸化物形燃料電池２Ａ，２Ｂを配置し、固体酸化物形燃料電池２Ｂから固体酸化物形燃料電池２Ａへと燃料を供給することとした。

これにより、酸素濃度が低下した固体酸化物形燃料電池２Ｂには、燃料濃度の高い燃料を供給し、酸素濃度が高い固体酸化物形燃料電池２Ａには、燃料濃度が低下した燃料排ガスを供給することができる。そのため、固体酸化物形燃料電池２Ａ，２Ｂ間の出力のバランスを図ることができ、固体酸化物形燃料電池２Ａ，２Ｂ間の温度差を抑制することができる。したがって、固体酸化物形燃料電池発電システム１の運転管理が容易となる。

さらに、固体酸化物形燃料電池２Ａ，２Ｂ間の出力の平準化を図ることで、固体酸化物形燃料電池２Ａ，２Ｂにおけるセル間の温度差も抑制することができる。そのため、セルを集積化する場合においても過熱することなく、セルにおける信頼性を向上させることができる。したがって、固体酸化物形燃料電池発電システム１の長期運転における耐久性を向上させることが可能となる。

固体酸化物形燃料電池２Ａ，２Ｂの空気流れの間に熱交換器３を設けることにした。これにより、熱交換器３では、配管２０から配管２１を経て固体酸化物形燃料電池２Ａに供給される空気と、固体酸化物形燃料電池２Ａを通過した温度の上昇した排空気とが熱交換される。そのため、固体酸化物形燃料電池２Ａから導出された温度の高い排空気を冷却することができる。したがって、排空気の冷却に必要な空気量を確保するとともに、固体酸化物形燃料電池発電システム１全体の効率を改善することが可能となる。また、固体酸化物形燃料電池２Ｂ供給される空気において、冷却に必要な温度を確保することもできる。

なお、本実施形態の固体酸化物形燃料電池発電システム１では、固体酸化物形燃料電池２Ａ，２Ｂの間には熱交換器３のみを有するとして説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、熱交換器３の上流側に燃焼器８を設けてもよい。なお、本実施形態の変形例１の固体酸化物形燃料電池発電システムは、燃焼器８を有している点で第１実施形態と相違し、その他は同様である。したがって、同一の構成、空気流れおよび燃料流れについては、その説明を省略する。
燃焼器８は、図２に示す変形例１のように、固体酸化物形燃料電池２Ａと、熱交換器３との排空気の間に設けられる。
第１ブロア９は、導かれた気体を圧縮して送風するものである。

本実施形態の変形例１に係る固体酸化物形燃料電池発電システム１の空気流れについて説明する。
固体酸化物形燃料電池２Ａから配管２２へと導出された排空気は、燃焼器８へと導かれる。燃焼器８に導かれた排空気は、燃焼によって温度の高い排ガスとなる。温度が上昇した排ガスは、熱交換器３へと導かれる。熱交換器３に導かれた排空気は、配管２０によって導かれた空気と熱交換して温度が下げられる。温度の下がった排ガスは、熱交換器３から配管２６へと導出される。配管２６に導出された排ガスは、残存酸素が含まれている。熱交換器３から導出された排ガスは、配管２６によって固体酸化物形燃料電池２Ｂへと導かれる。

次に、本実施形態の変形例１に係る固体酸化物形燃料電池発電システム１の燃料流れについて説明する。
配管３２を流れる固体酸化物形燃料電池２Ａから導出された燃料排ガスの一部は、分岐されて配管３６へと導かれる。配管３６上に設けられている第１ブロア９によって、配管３６に導かれた燃料排ガスは昇圧される。第１ブロア９によって昇圧された燃料排ガスは、配管３７へと導出される。配管３７に導出された燃料排ガスは、配管３１に合流される。配管３１に合流された燃料排ガスと、燃料貯蔵タンク等から導かれた燃料とは、配管３１によって固体酸化物形燃料電池２Ｂへと導かれる。

以上の通り、本変形例１に係る固体酸化物形燃料電池発電システムによれば、以下の作用効果を奏する。
熱交換器３のみでは、固体酸化物形燃料電池２Ｂを作動するための温度にまで空気を加熱できない場合であっても、燃焼器８を設けることによって固体酸化物形燃料電池２Ｂへと導かれる空気を所定の温度にまで加熱することができる。
なお、所定の温度とは、固体酸化物形燃料電池２Ｂを作動するための温度をいう。

また、本発明は、熱交換器の替わりにガスタービンを設けてもよい。
この場合には、ガスタービン１１は、図３に示す変形例２のように、固体酸化物形燃料電池２Ａと固体酸化物形燃料電池２Ｂとの排空気の間に設けられる。なお、本実施形態の変形例２の固体酸化物形燃料電池発電システムは、ガスタービン１１を有している点で第１実施形態と相違し、その他は同様である。したがって、同一の構成、空気流れおよび燃料流れについては、その説明を省略する。
ガスタービン１１は、燃焼器１１ａと、燃焼器１１ａから排出される排ガスが導かれるタービン１１ｂと、タービン１１ｂに接続されている軸１１ｃと、軸１１ｃ上に設けられている圧縮機１１ｄとを備えている。
第１ブロア９は、導かれた気体を圧縮して送風するものである。

次に、本変形例２に係る固体酸化物形燃料電池発電システム１の空気流れについて説明する。
固体酸化物形燃料電池２Ａから配管２２へと導出された排空気は、ガスタービン１１の燃焼器１１ａへと導かれる。燃焼器１１ａにおいて排空気が燃焼されて排出された排ガスは、燃焼器１１ａからタービン１１ｂへと導かれる。タービン１１ｂに導かれ排ガスは、タービン１１ｂを回転駆動する。タービン１１ｂが回転駆動することによって、軸１１ｃが回転駆動される。軸１１ｃが回転駆動されるので、同軸１１ｃ上に設けられている圧縮機１１ｄが回転駆動される。これにより、圧縮機１１ｄは、空気を圧縮する。圧縮機１１ｄによって圧縮された空気は、配管２１へと導出される。配管２１に導出された圧縮空気は、固体酸化物形燃料電池２Ａへと導かれる。
燃焼器１１ａにおいて燃焼に使用されなかった酸素を含む排空気は、配管２３へと導出されて、固体酸化物形燃料電池２Ｂへと導かれる。

次に、本変形例２に係る固体酸化物形燃料電池発電システム１の燃料流れについて説明する。
配管３２を流れる固体酸化物形燃料電池２Ａから導出された燃料排ガスの一部は、分岐されて配管３６へと導かれる。配管３６上に設けられている第１ブロア９によって、配管３６に導かれた燃料排ガスは昇圧される。第１ブロア９によって昇圧された燃料排ガスは、配管３７へと導出される。配管３７に導出された燃料排ガスは、配管３１に合流される。配管３１に合流された燃料排ガスと、燃料貯蔵タンク等から導かれた燃料とは、配管３１によって固体酸化物形燃料電池２Ｂへと導かれる。

以上の通り、本変形例２に係る固体酸化物形燃料電池発電システムによれば、以下の作用効果を奏する。
固体酸化物形燃料電池２Ａ，２Ｂの空気流れの間に燃焼器１１ａを有しているガスタービン１１を設けることとした。これにより、ガスタービン１１は、圧縮した空気を固体酸化物形燃料電池２Ａへと供給することができる。また、ガスタービン１１から導出された排ガス中には、燃焼に使用されなかった酸素が含まれている。この酸素を含む排ガスを固体酸化物形燃料電池２Ｂへと導くこととした。これにより、空気を昇圧する機器を別途設置することなく、固体酸化物形燃料電池システム１全体の効率を改善することができる。

さらに、図２および図３に示した第１ブロア９に加えて図４の変形例３および図５の変形例４に示すように、固体酸化物形燃料電池２Ｂから導出された燃料排ガスを昇圧する第２ブロア１０を追設しても良い。
この場合、固体酸化物形燃料電池２Ｂから導出された燃料排ガスは、配管３８から第２ブロア１０へと導かれる。第２ブロア１０に導かれた燃料排ガスは、第２ブロア１０によって昇圧されて配管４０へと導出される。配管４０に導出された昇圧された燃料排ガスの一部は、配管３９によって固体酸化物形燃料電池２Ａへと導かれる。

また、配管４０に導出された昇圧された燃料排ガスの残りは、配管３７へと合流される。配管３７に合流された昇圧された燃料排ガスと、配管３７を流れる固体酸化物形燃料電池２Ａから導かれた燃料排ガスとは、配管３１に合流される。配管３１に合流された燃料排ガスは、燃料貯蔵タンク等から導かれた燃料と共に配管３１によって固体酸化物形燃料電池２Ｂへと導かれる。

[第２実施形態]
以下、本発明の第２実施形態について図６を用いて説明する。本実施形態の固体酸化物形燃料電池発電システムは、改質器を有している点で第１実施形態と相違し、その他は同様である。したがって、同一の構成、空気流れおよび燃料流れについては、その説明を省略する。
図６には、改質器を備えている固体酸化物形燃料電池発電システム１の概略構成図が示されている。

改質器４は、原燃料（燃料）と水蒸気とを触媒上で反応させて水蒸気改質反応を行う。改質器４は、水蒸気反応を行うことによって、原燃料を水素を主成分とする改質燃料に改質する。改質器４は、固体酸化物形燃料電池２Ａ，２Ｂの空気流れの間に設けられている。

次に、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電システム１の空気流れについて説明する。
固体酸化物形燃料電池発電システム１内に設けられている空気供給管（図示せず）に接続されている配管２５から空気が固体酸化物形燃料電池２Ａへと導入される。固体酸化物形燃料電池２Ａに導かれた空気中の酸素は、配管３０によって固体酸化物形燃料電池２Ａに導かれた改質燃料と電気化学反応を行う。固体酸化物形燃料電池２Ａ内において酸素と、改質燃料とが電気化学反応を行うことによって、固体酸化物形燃料電池２Ａが発電する。

固体酸化物形燃料電池２Ａにおいて発生した熱は、排空気とともに配管２２へと導かれる。配管２２に導かれた熱を含んだ排空気は、改質器４へと導かれる。改質器４に導かれた排空気中の熱は、後述する配管３３から改質器４に導かれた原燃料の水蒸気改質反応に使用される。

改質器４における水蒸気改質反応は、吸熱反応である。そのため、改質器４における水蒸気改質反応には、配管２２から改質器４に導かれた排空気中の熱が利用される。

改質器４における水蒸気改質反応によって、熱が利用された排空気は、温度が低下する。温度が低下した排空気は、改質器４から配管２３へと導出される。配管２３に導かれた温度の低下した排空気は、固体酸化物形燃料電池２Ｂへと導かれる。配管２３から固体酸化物形燃料電池２Ｂへと導かれた排空気は、固体酸化物形燃料電池２Ｂにおいて電気化学反応を行うのに適した温度とされる。

次に、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電システム１の燃料流れについて説明する。
固体酸化物形燃料電池発電システム１内に設けられている燃料貯蔵タンク（図示せず）等に接続されている配管３３によって、原燃料と水蒸気とが改質器４に導かれる。改質器４に導かれた原燃料は、上述した配管２２から導かれた熱を含んだ排空気によって水素を主成分とする改質燃料に改質される。

改質燃料は、改質器４から配管３４へと導出される。配管３４に導出された改質燃料は、固体酸化物形燃料電池２Ｂへと導かれる。固体酸化物形燃料電池２Ｂに導かれた改質燃料は、上述した配管２３によって導かれた排空気と電気化学反応を行う。

以上の通り、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電システムによれば、以下の作用効果を奏する。
固体酸化物形燃料電池（空気流れに対して上流側の固体酸化物形燃料電池）２Ａを通過して温度の上昇した排空気を改質器４へと導くこととした。そのため、固体酸化物形燃料電池２Ａを通過した排空気の熱を利用して原燃料（燃料）を改質燃料へと改質することができる。したがって、固体酸化物形燃料電池発電システム１全体の効率を上昇させることが可能となる。

[第３実施形態]
以下、本発明の第３実施形態について図７を用いて説明する。本実施形態の固体酸化物形燃料電池システムは、エコノマイザを有する点で第１実施形態と相違し、その他は同様である。したがって、同一の構成、空気流れおよび燃料流れについては、その説明を省略する。
図７には、エコノマイザ５を備えている固体酸化物形燃料電池発電システム１の概略構成図が示されている。

エコノマイザ５は、排熱を利用し、給水を加熱するものである。エコノマイザ５は、固体酸化物形燃料電池２Ａ，２Ｂの空気流れの間に設けられている。

次に、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電システム１の空気流れについて説明する。
固体酸化物形燃料電池発電システム１内に設けられている空気供給管（図示せず）に接続されている配管２５によって、空気が固体酸化物形燃料電池２Ａへと導入される。固体酸化物形燃料電池２Ａに導かれた空気中の酸素は、配管３０によって固体酸化物形燃料電池２Ａに導かれた燃料と電気化学反応を行う。固体酸化物形燃料電池２Ａ内において酸素と燃料とが電気化学反応を行うことによって、固体酸化物形燃料電池２Ａが発電する。固体酸化物形燃料電池２Ａが発電した際には、熱を発生する。

発電によって発生した熱は、固体酸化物形燃料電池２Ａから導出された排空気とともに配管２２へと導かれる。配管２２に導かれた熱を含んだ排空気は、エコノマイザ５へと導かれる。エコノマイザ５に導かれた排空気中の熱は、固体酸化物形燃料電池システム１内に設けられている給水管（図示せず）から配管４０を経てエコノマイザ５に導かれた水と熱交換される。エコノマイザ５において熱交換された排空気は、エコノマイザ５に導かれた水に熱を与えて温度が下がる。温度が下がった排空気は、配管２３へと導出される。
また、エコノマイザ５に導かれた水は、熱交換によって加熱されて配管４１から導出される。

配管２３に導出された温度の低下した排空気は、固体酸化物形燃料電池２Ｂへと導かれる。配管２３から固体酸化物形燃料電池２Ｂに導かれた排空気は、固体酸化物形燃料電池２Ｂにおいて電気化学反応を行うのに適した温度とされる。

次に、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電システム１の燃料流れについて説明する。
固体酸化物形燃料電池発電システム１内に設けられている燃料貯蔵タンク（図示せず）に接続されている配管３１によって、燃料が固体酸化物形燃料電池２Ｂへと導かれる。固体酸化物形燃料電池２Ｂに導かれた燃料は、上述した配管２３によって導かれた排空気中の酸素と電気化学反応を行う。

以上の通り、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システムによれば、以下の作用効果を奏する。
固体酸化物形燃料電池（空気流れに対して上流側の固体酸化物形燃料電池）２Ａを通過して温度の上昇した排空気をエコノマイザ５に導くこととした。そのため、エコノマイザ５に供給された水は、固体酸化物形燃料電池２Ａを通過した温度の上昇した排空気の熱と熱交換して加熱される。したがって、固体酸化物形燃料電池２Ａを通過した排空気を熱源として有効に利用することができる。

[第４実施形態]
以下、本発明の第４実施形態について図８を用いて説明する。本実施形態の固体酸化物形燃料電池発電システムは、酸素供給手段および燃料追加供給手段を有している点で第１実施形態と相違し、その他は同様である。したがって、同一の構成、空気流れおよび燃料流れについては、その説明を省略する。
図８には、酸素供給手段６と、燃料追加供給手段７とを備えている固体酸化物形燃料電池発電システム１の概略構成図が示されている。
酸素供給手段６は、酸素を供給するものである。
燃料追加供給手段７は、燃料を追加供給するものである。

次に、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電システム１の空気流れについて説明する。
熱交換器３において熱交換されて温度が下げられ排空気は、配管２３へと導出される。配管２３に導出された排空気は、酸素濃度が低下している。そこで、酸素供給手段６によって、配管２３中に酸素を供給する。これにより、固体酸化物形燃料電池２Ｂに導かれる排空気中の酸素濃度を固体酸化物形燃料電池２Ａに導かれる空気中の酸素濃度と同じにすることができる。

次に、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電システム１の燃料流れについて説明する。
固体酸化物形燃料電池２Ｂから配管３０へと導出された燃料排ガスは、燃料濃度が低下している。そこで、燃料追加供給手段７によって、配管３０中に燃料を供給する。これにより、固体酸化物形燃料電池２Ａに導かれる燃料濃度と、固体酸化物形燃料電池２Ｂに導かれる燃料濃度とを同じにすることができる。

以上の通り、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池発電システムによれば、以下の作用効果を奏する。
熱交換器３の下流側の配管２３を流れる排空気には、酸素供給手段６から酸素を供給することとした。そのため、固体酸化物形燃料電池（空気流れに対して下流側の固体酸化物形燃料電池）２Ｂに供給する排空気中の酸素濃度の低下を防止して固体酸化物形燃料電池２Ｂの出力低下を抑制することができる。したがって、固体酸化物形燃料電池発電システム１全体の効率を上昇させることが可能となる。

固体酸化物形燃料電池２Ｂから導出された燃料排ガスには、燃料追加供給手段７によって燃料を供給することにした。そのため、固体酸化物形燃料電池（空気流れに対して上流側の固体酸化物形燃料電池）２Ａに供給される燃料排ガスの濃度の低下を防止して固体酸化物形燃料電池２Ａの出力低下を抑制することができる。したがって、固体酸化物形燃料電池発電システム１全体の効率を上昇させることが可能となる。

本実施形態では、熱交換器３を用いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく改質器やエコノマイザなどであっても良い。

１ 固体酸化物形燃料電池発電システム
２ 固体酸化物形燃料電池
２Ａ 空気流れに対して上流側の固体酸化物形燃料電池（固体酸化物形燃料電池）
２Ｂ 空気流れに対して下流側の固体酸化物形燃料電池（固体酸化物形燃料電池）

Claims (6)

1. 複数の固体酸化物形燃料電池を空気流れおよび燃料流れに対して直列に配置し、
   空気は、前記空気流れに対して上流側の前記固体酸化物形燃料電池から前記空気流れに対して下流側の前記固体酸化物形燃料電池へと供給され、
   燃料は、前記空気流れに対して下流側の前記固体酸化物形燃料電池から前記空気流れに対して上流側の前記固体酸化物形燃料電池へと供給される固体酸化物形燃料電池発電システム。
2. 前記空気流れの間に設けられ、該空気流れに対して上流側の前記固体酸化物形燃料電池を通過した空気と、前記空気流れに対して上流側の前記固体酸化物形燃料電池に供給される空気とが熱交換する熱交換器を備える請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池発電システム。
3. 前記空気流れおよび前記燃料流れの間に設けられ、前記空気流れに対して上流側の前記固体酸化物形燃料電池を通過した空気が導かれて供給された燃料を改質燃料へと改質する改質器を備える請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池発電システム。
4. 前記空気流れの間に設けられ、該空気流れに対して上流側の前記固体酸化物形燃料電池を通過した空気と、水とが熱交換するエコノマイザを備える請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池発電システム。
5. 酸素供給手段を備え、該酸素供給手段によって発生した酸素を請求項２に記載の熱交換器、または請求項３に記載の改質器、または請求項４に記載のエコノマイザのいずれかの空気流れに対して下流側に供給する請求項２から請求項４のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池発電システム。
6. 前記燃料流れの間には、燃料追加供給手段を備える請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池発電システム。
   
   

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