JP2014041804A

JP2014041804A - 高温型燃料電池システム

Info

Publication number: JP2014041804A
Application number: JP2012184741A
Authority: JP
Inventors: Hideki Yoshida; 英樹吉田
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2012-08-24
Filing date: 2012-08-24
Publication date: 2014-03-06
Anticipated expiration: 2032-08-24
Also published as: JP5919139B2

Abstract

【課題】アノードリサイクル回路を有する高温型燃料電池システムにおいて、リサイクル燃料量の減少が可能な技術を提供する。
【解決手段】燃料の一部を改質器に投入し残りをバイパスさせることにより、改質器に投入する燃料量が減少し、これに伴って燃料リサイクル量を減少させることができる。
改質器に投入した燃料を燃料オフガス中の水分で改質して第一セルスタックで発電させるが、発電過程でセルの電解質を通して酸素イオンが燃料中に取り込まれ、燃料中の水素や一酸化炭素と反応するため、第一セルスタックの燃料オフガス中には改質燃料よりも多くの水蒸気が含まれた状態となっている。
第一セルスタック出の燃料オフガスとバイパス燃料を混合して第二セルスタックに供給することにより、炭素析出を回避しつつスタックにおける内部改質反応を促進し、第二セルスタックにおいて発電が可能となる。
【選択図】図１（ａ）

Description

本発明は燃料電池システムに係り、特に、アノードリサイクル回路を有する高温型燃料電池システムに関する。

従来、ＳＯＦＣ等の高温型燃料電池システムにおいては、燃料処理方法として部分酸化改質方式又は水蒸気改質方式が採用されている。このうち水蒸気改質方式は、改質燃料の発熱量が部分酸化改質方式と比較して高く、システムの発電効率が高いという特徴を有する（例えば特許文献１）。しかしながら、改質器への純水供給のために、精密ポンプやタンク等の補機やドレン水浄化用のイオン交換樹脂が必要という問題がある。また、排ガスからのドレン回収が必要なため、排熱利用機器から発電システムへの熱媒戻り温度に制約があり、排熱利用の用途に制約がある。さらに、排ガス中の水分量が多く熱回収し難いため、総合効率が低下するという問題もある。

改質器への純水供給量をなくすシステムとして、アノードリサイクル方式が提案されている（例えば特許文献２）。この方式による燃料電池１００は、図６に示すようにセルスタック１０２出の燃料オフガスの一部を、高温ブロワ１０５によりリサイクル回路１０４を介して改質器１０１に戻して、燃料と共に再度改質を行うものである。

特開２０１０−１７０８７７号公報特開２０００−３５３５３４号公報

しかしながら燃料オフガスのリサイクルには高温環境に耐えられる高温ブロワ、又は、燃料合流部にエジェクターの設置が必要となるが、それら高温機器のコストや信頼性が課題となる。
また、高温ブロワを使用する場合にはブロワ稼動のための補機動力が必要となり、更に、リサイクル燃料をブロワ使用可能温度まで冷却する必要があるため、燃料電池システム全体の効率低下につながるという問題もある。
さらに、補機動力ロスや熱損失を減らすためにリサイクル燃料量を減らしてしまうと、改質器における炭素析出が問題となる。

上記課題に鑑み、本発明は補機類の小型・簡素化が可能で、かつ、改質器における炭素析出を回避可能な高温型燃料電池システムを提供する。
本発明は以下の内容を要旨とする。すなわち、本発明に係る高温型燃料電池システムは、
（１）水蒸気改質方式による高温型燃料電池システムであって、
水蒸気改質触媒を充填した改質器と、
改質器の下流側に第一セルスタックと、
第一セルスタックの下流側に第二セルスタックと、
第一セルスタック出の燃料オフガスを、改質器に戻すリサイクル回路（９）と、
改質器に炭化水素燃料を供給する主燃料供給手段と、
第二セルスタックに炭化水素燃料を供給する副燃料供給手段と、
を備えて成ることを特徴とする。

燃料の一部を改質器に供給し、残りをバイパスさせて第二セルスタックに供給することにより、改質器への投入燃料量を減らし、これに伴って燃料リサイクル量も減少させることができる。
改質器に投入される燃料は、リサイクルによる燃料オフガス中の水分で改質され、第一セルスタックに供給される。第一セルスタックにおいて、発電過程でセルの電解質を通して酸素イオンが燃料中に取り込まれ、燃料中の水素や一酸化炭素と反応する。このため、第一セルスタックの燃料オフガス中には、改質燃料よりも多くの水蒸気が含まれた状態となっている。
第一セルスタック出の燃料オフガスと、副燃料供給手段を介して供給されるバイパス燃料との混合ガスを、第二セルスタックに供給する。ここで炭素析出を回避しつつ（（４）参照）、スタックにおける内部改質反応が促進されて、発電が可能となる。

（２）上記発明において、前記リサイクル回路に替えて、前記第二セルスタック出の燃料オフガスの一部を前記改質器に戻すリサイクル回路を備えたことを特徴とする。

本発明では、第一、第二セルスタックの双方で燃料リサイクルが行われる。燃料電池システムの燃料は、改質器に入る分とバイパスする分に分配され、改質器には一部の燃料（例えば全体の３０％程度）のみ導入され、残りは改質器をバイパスさせる。
改質器においては、第二セルスタックオフガスの一部をリサイクルさせ、このリサイクル燃料中の水分を用いて改質を行う。この場合、改質器内での炭素析出を回避するため、リサイクル燃料量を制御する。

改質器で水素や一酸化炭素に分解された燃料は、第一セルスタックに供給され発電が行われ、発電に使われなかった燃料オフガスは第一セルスタックから排出される。燃料オフガス中には、未利用の水素や一酸化炭素の他に、水蒸気や二酸化炭素も含まれているが、このオフガスと副燃料供給手段から供給されるバイパス燃料とを混合し、第二セルスタックに供給する。

第二セルスタックではこの混合燃料を用いて発電が行われる。発電に使われなかった燃料オフガスは、第二セルスタックから排出される。第二セルスタックからのオフガスも第一セルスタックオフガス同様、未利用の水素や一酸化炭素の他に、水蒸気や二酸化炭素も含まれている。このオフガスの一部を上述のように燃料改質用にリサイクルさせる。全燃料に対する改質器導入分とバイパス分の割合を適切に制御し、かつ燃料リサイクル量を一定条件に収まるよう制御することにより、第二セルスタックにおける炭素析出を回避できる。
本発明によれば、上記（１）のシステムと比較してさらにリサイクル燃料量の減少が可能となる。

（３）上記各発明において、前記第一セルスタックと前記第二セルスタックの間に、水蒸気改質触媒を充填した予備改質器を、さらに備え、
前記第一セルスタック出の燃料オフガスと、前記副燃料供給手段を介して供給される燃料ガスとの混合ガスを該予備改質器において水蒸気改質した後に、前記第二セルスタックに導入可能に構成したことを特徴とする。

本発明は、改質器に加え、バイパス燃料混合部に予備改質器（水蒸気改質器）を設けて構成される。燃料オフガスと副燃料供給手段から供給される燃料（バイパス燃料）を混合させる際、混合ガスが平衡状態に達する前に高温環境に曝されると、バイパス燃料中の炭素が析出する危険性がある。
そこで、第一セルスタックの燃料オフガスを一度４００℃程度まで冷やし、そこでバイパス燃料と混合後に予備改質器に導入して、燃料オフガス中の水蒸気を用いて水蒸気改質を行い、改質燃料を第２スタックへ導入する構成とする。これにより、混合燃料が高温環境に曝される際には改質燃料になっているため、炭素析出を回避できる。

本発明に係る高温型燃料電池システムの運転方法は、
（４）上記各発明に係る高温型燃料電池システムにおいて、要求される電力量に対応して、前記改質器、前記第一セルスタック及び前記第二セルスタック内のガスを、炭素析出が生じない空気比相当のガス組成となるように、主燃料量、副燃料量、リサイクル量及び電流値を制御することを特徴とする。

本発明は、改質器や各スタック入口における混合ガスの組成が、炭素析出を回避できる条件（空気比λ≧０．３相当）になるように、燃料量・燃料リサイクル量・電流を制御するものである。混合ガスの空気比は、原燃料の組成が定まっていれば上記パラメータのみで一義的に定まるため、ガス成分等のセンシング手段が無くとも確実な制御が可能である。

本発明により、従来の燃料リサイクル方式と比較してリサイクル燃料量を減らすことができ、燃料リサイクルブロワ等の構造を簡素化・小型化できる。これにより、ブロワにおける補機動力の削減、リサイクルラインにおける熱ロスの削減ができ、燃料電池システムの効率向上が可能となる。更に、高額部品であるリサイクルブロワ等の小型化により、コスト低減も可能となる。

第一の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システム１の全体構成を示す図である。要求電力量（Ｐｄ）に対応する各スタックからの取り出し電流値（Ｉ１、Ｉ２）の関係テーブルを概念的に示す図である。第一の実施形態における燃料・改質空気・電流の制御フローを示す図である。第二の実施形態に係る燃料電池システム２０の全体構成を示す図である。燃料電池システム２０の各構成要素の配置関係を示す図である。第三の実施形態に係る燃料電池システム３０の全体構成を示す図である。第四の実施形態に係る燃料電池システム４０の全体構成を示す図である。第一の実施形態のシステムを想定した、炭素析出を回避する燃料量、燃料リサイクル量と発電量の関係の一例を示す図である。第三の実施形態のシステムを想定した、炭素析出を回避する燃料量、燃料リサイクル量と発電量の関係の一例を示す図である。従来のアノードリサイクルシステムにおける燃料量、燃料リサイクル量と発電量の関係の一例を示す図である。従来のアノードリサイクル方式による燃料電池１００の構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図１乃至４を参照してさらに詳細に説明する。なお、本発明の範囲は特許請求の範囲記載のものであって、以下の実施形態に限定されないことはいうまでもない。
＜第一の実施形態＞
図１は、本発明の一実施形態に係る固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システム１（以下、適宜燃料電池システム１又はシステム１と略記）の全体ブロック構成を示す図である。燃料電池システム１は、内部に部分改質用触媒を充填した改質器２と、改質器２の下流側に発電セル（図示せず）を積層した第１セルスタック（以下、適宜スタックと略記）３と、第１スタック３の下流側に第２スタック４と、改質器２及び第２スタック４の各燃料極（図示せず）に燃料であるメタン（ＣＨ４）を主成分とする都市ガスを供給する燃料供給手段５と、スタック３，４に空気（酸素）を供給する空気供給手段７と、第１スタック３の燃料極（図示せず）出の燃料オフガスの一部を分岐点９ｂから改質器２に戻すアノードリサイクル回路９と、各スタックで取り出した直流電力を交流電力に変換して負荷側に供給するパワーコンディショナー（ＰＣＳ）１０と、を主要構成として備えている。

燃料供給手段５は、改質器２に燃料供給する主流路５ａと、ここから分岐して第２スタック４に燃料供給するバイパス流路５ｂと、により構成されている。主流路５ａ及びバイパス流路５ｂには、それぞれ流量制御バルブＶ１、Ｖ２が介装されている。
空気供給手段７は、スタック３、４の空気極（図示せず）に電気化学反応のための酸素を供給する流路７ａ、７ｂにより構成されている。
各装置は各部を高温環境に保持するため、断熱処置を施した高温モジュール（図示せず）内に配置されている。これによりスタック３，４で発生した排熱は、改質器２の反応に利用可能に構成されている。

アノードリサイクル回路９の流路中には高温ブロア９ａが介装されており、第１スタック３出の燃料オフガスを昇圧して再度改質器２に戻すと同時に流量を制御し、燃料とリサイクルガス中の水分を用いて改質を行う。なお、高温ブロア９ａは、高温モジュール２０ａ外部を通過するように配置されている。

第１スタック３，第２スタック４は、酸素イオン透過性電解質を介して空気極、燃料極を、インタコネクターで区画したセルを複数枚積層して構成されている。両スタックは電気的に、直列又は並列に接続することもでき、各々個別に外部へ電力供給することもできる。各スタックで取り出した直流電力はパワーコンディショナー１０において交流電力に変換されて負荷側に供給される。パワーコンディショナー１０にはそれぞれ発電出力計測のための電流計Ｓ１、Ｓ２が配設されている。

燃料電池システム１の運転制御は不図示の制御部の指令により行われる。制御部は、要求電力に対応する取り出し電流値設定テーブル（図１（ｂ）参照）を備えており、このテーブルに基づいて、要求電力に対応して取り出し電流値の設定、バルブＶ１、Ｖ３の開度調整、及び高温ブロアの出力調整を行い、改質用触媒やスタックにおける炭素析出回避制御を可能とするように構成されている。

燃料電池システム１は以上のように構成されており、次に本実施形態における燃料処理及び発電の態様について説明する。
燃料は、主流路５ａを介して改質器２に入る分と、バイパス流路５ｂを介してバイパスする分に分配される。改質器２には一部の燃料のみ導入し、残りは改質器２をバイパスさせる。
改質器２に供給される燃料及びスタック３出のリサイクル燃料（燃料オフガス）とは、触媒環境下で水蒸気改質反応（Ｒ１）、シフト反応（Ｒ２）により、反応生成物であるＨ２、ＣＯ及び未燃の炭化水素を含む改質ガスとなる。反応（Ｒ１）は吸熱反応であり、反応温度は７００−１０００℃が望ましい。後述するように触媒等への炭素析出を防止するため、空気比λ≧０．３相当のガス組成となるように、高温ブロアの出力調整により制御される。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２・・・・（Ｒ１）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２・・・・（Ｒ２）

改質器２出の改質ガスは、第１スタック３の燃料極（図示せず）に供給される。燃料極内部のガス組成はＣＨ４、ＣＯ，ＣＯ２、Ｈ２Ｏ等の平衡条件により定まる組成となる。空気極３ｂへの空気供給量は、第１スタック３で消費する酸素量と空気利用率により定まる（第２スタック４についても同様）。
燃料極では電気化学反応（Ｂ）、（Ｃ）が、空気極（図示せず）では電気化学反応（Ｄ）が行われ、その際、酸素イオン（Ｏ^２−）が電解質３ｃ内部を移動する。（Ｂ）、（Ｃ）により放出される電子（ｅ⁻）の両電極間を結ぶ外部配線を介しての移動により電力が取り出される。
Ｈ２＋Ｏ^２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ⁻・・・・（Ｂ）
ＣＯ＋Ｏ^２−→ＣＯ２＋２ｅ⁻・・・・（Ｃ）
Ｏ２＋４ｅ⁻→２Ｏ^２−・・・・（Ｄ）

第１スタック３出の燃料オフガスの一部は、ブロア９ａにより改質器２に戻される。残りのオフガスは、混合部５ｄにおいてバイパス流路５ｂを介して供給されるバイパス燃料と混合した後、第２スタック４の燃料極（図示せず）に供給される。ここで第１スタック３と同様の電気化学反応により、電力が取り出される。
第２スタック４の燃料極出口から排出されるオフガスは、空気極出口ガスと混合燃焼し排ガスとなり、排ガス熱交換器（図示せず）において熱回収され、給湯等に利用される。

改質器２、第１スタック３、第２スタック４のそれぞれの反応において、後述するように触媒等への炭素析出を防止するため、空気比λが約０．３に相当するガス組成となるように、流量制御弁Ｖ１、Ｖ２の開度調整及び高温ブロアの出力調整が行われる。

次に、図１（ｃ）を参照して、本実施形態における要求電力量に対応する改質器空気量、主燃料量、副燃料量、電流値制御の具体的内容について説明する。
運転開始とともに負荷側の要求電力量（Ｐｄ）を把握する（Ｓ１０１）。次いで、要求電力量に対応する各スタックからの取り出し電流値（Ｉ１、Ｉ２）を、上述のＰｄ−Ｉｄテーブルに基づいて求める（Ｓ１０２）。さらに、上記電流値を取り出し、かつ、炭素析出を回避するために必要な燃料供給量（Ｆ）、供給比（Ｆ１／Ｆ２）、改質器供給空気量（Ａ）を演算する（Ｓ１０３）。演算の具体的内容については後述（実施例１）する。次いで、求めた燃料、空気供給量に対応して流量制御弁Ｖ１、Ｖ２の開度調整及びと高温ブロアの出力調整が行われる（Ｓ１０４）。

電力供給中は現在電力量Ｐ（ｔ）が要求電力量Ｐｄから所定の範囲内（±α）に維持されているかを監視し（Ｓ１０５）、制御範囲を外れたときは（Ｓ１０５においてＮＯ）、取り出し電流値（Ｉ１、Ｉ２）の調整を行い（Ｓ１０６）、さらに燃料供給量、供給比、改質器供給空気量を調整する（Ｓ１０３）。制御範囲内に維持されているときは（Ｓ１０５においてＹＥＳ）、Ｓ１０１に戻って新たな要求電力量（Ｐｄ）に対応して上述のフローを繰り返し行う。

＜第二の実施形態＞
次に、本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態は、第１スタックと第２スタックの間に第二の改質器（予備改質器）を配置する態様に関する。
図２（ａ）を参照して、本実施形態に係るＳＯＦＣ燃料電池システム２０の構成が上述の燃料電池システム１と異なる点は、第１スタック３と第２スタック４の間に第２スタックに投入するガスを予め改質する予備改質器２１を備えていることである。

図２（ｂ）を参照して、第１スタック３の燃料極３ａ出の燃料オフガスは流路２２、またバイパス燃料は流路２３を介してそれぞれ混合部２１ｂに導入されるように構成されている。予備改質器２１出の改質燃料は、流路２４を介して第２スタック４に供給されるように構成されている。流路２２、２３は高温モジュール２０ａ外部を通過するように配置されている。
その他の構成については、第一の実施形態と同様であるので、重複説明を省略する。

次に、予備改質器２１における燃料処理の態様について説明する。上述したように、混合部２１ｂ及び流路２２、２３がモジュール２０ａ外部に配置されているため、燃料オフガス及びバイパス燃料が比較的低温（１００℃〜４００℃）で混合するため、特に都市ガス中の炭素析出しやすいＣ２以上成分の熱分解反応による炭素析出を回避することができる。
低温状態で混合したガスは、改質部２１ａ内において高温（約７００℃）状態で、燃料オフガス中の水蒸気を用いて改質反応により一部がＨ２，ＣＯ成分に改質されるとともに、平衡条件により定まる組成で第２スタック４に導入されることになる。混合燃料は、高温環境にさらされる際には改質燃料になっているため、炭素析出を回避することができる。
第２スタック４における電気化学反応の態様については、第一の実施形態と同様であるので重複説明を省略する。

＜第三の実施形態＞
次に、本発明の他の実施形態について説明する。図３を参照して、本実施形態に係るＳＯＦＣ燃料電池システム３０の構成が上述の燃料電池システム１と異なる点は、第１スタック３出の燃料オフガスを改質器２側にリサイクルするのではなく、第２スタック４を出て燃焼器（図示せず）に入る前の燃料オフガスの一部を、分岐点３３からリサイクル回路３２を介して改質器２側にすることである。その他の構成については、燃料電池システム１と同様であるので、重複説明を省略する。
また、改質器及び各スタックにおける電気化学反応の態様については、第一の実施形態と同様であるので重複説明を省略する。

上記構成により、上述の各実施形態と比較して更にリサイクル燃料量を減らすことができる。これにより、燃料リサイクルブロワ等の構造を簡素化・小型化でき、ブロワの補機動力削減、リサイクルラインにおける熱ロスの削減による燃料電池システムの効率向上が可能となる。

＜第四の実施形態＞
さらに、他の実施形態について説明する。図４を参照して、本実施形態に係るＳＯＦＣ燃料電池システム４０の構成は、第２スタック４を出て燃焼器（図示せず）に入る前の燃料オフガスを、分岐点４４からリサイクル回路４３を介して改質器２側にリサイクルすることである。この点は、上述の燃料電池システム３０と同様である。
燃料電池システム３０と異なる点は、第１スタック３と第２スタック４の間に第２スタックに投入するガスを予め改質する予備改質器４１を備えていることである。第１スタック３出の燃料オフガスは流路４５を、バイパス燃料は流路４２を、それぞれ介して予備改質器４１に導入されるように構成されている。また、予備改質器４１出の改質燃料は、流路４６を介して第２スタック４に供給されるように構成されている。この点については、第二の実施形態に係る燃料電池システム２０と同様である。その他の構成については、上述の各実施形態と同様であるので、重複説明を省略する。
また、改質器及び各スタックにおける電気化学反応の態様についても、第一の実施形態と同様であるので重複説明を省略する。

以下、上述した要求電力量に対応する改質器空気量、主燃料量、副燃料量等の演算内容について説明する。
＜実施例１＞
以下、第一の実施形態のシステムにおける炭素析出回避実証の解析（シミュレーション）結果について説明する。
（1-1）運転条件
解析に際して、燃料及び燃料電池セルの条件は表１の通りである。この条件において、図５（ａ）の運転条件（燃料分配比、リサイクル率等）により運転することにより、以下に示すように炭素析出回避可能であることが実証された。

（1-2）スタックの空気比と炭素析出の関係
図５（ａ）において、改質器に入る燃料量をF1[mol/min]、バイパス燃料量をF2[mol/min]、リサイクル燃料をFr[mol/min]とする。また、スタック1で空気極から取り込まれる酸素の量をA1[mol/min]、スタック２で空気極から取り込まれる酸素の量をA2[mol/min]、リサイクルされる酸素の量をAr[mol/min]、オフガスのリサイクル率をrとする。

改質器にはF1+Frの燃料とArの酸素が投入され、スタック１へ取り込まれる。スタック１では発電反応によりA1の酸素が空気極から取り込まれ、スタック１出口ガス中にはF1+Frの燃料成分とA1+Arの酸素が含まれている。スタック１出口ガスの内、r倍の分だけ改質器にリサイクルされるため、FrとArは以下式で表される。
Fr = (F1 +
Fr) × r
Fr = F1 × r / (1 - r)
Ar = (A1 + Ar) × r
Ar = A1 × r / (1 - r)

スタック１で空気極から取り込まれる酸素の量（A1）は、以下式で表される。ただし、I[A]はスタック電流、S1は第１スタックの枚数、R[C/mol]はファラデー定数を表す。
A1 = I × 60 × S1 / (R × 4)
図５（a）より、F1 = 0.038、F2 = 0.057、I
= 10.2、S1 = 40、S2 = 60、r = 0.40、
R = 96485とすると、Fr、Ar、A1は以下の値となる。
Fr = 0.025[mol/min]
Ar = 0.042[mol/min]
A1 = 0.063[mol/min]

改質器には、F1+Frの燃料とAr=の酸素が投入されることになるため、スタック１入口の空気比は以下式となる。ただし、A0[mol/mol]は燃料1molを完全燃焼させるのに要する酸素量を表す。
スタック１空気比 = Ar / ((F1 + Fr) × A0)

またスタック２には、F1+F2の燃料とA1の酸素が投入されることになるため、スタック２入口の空気比は以下式となる。
スタック２空気比 = A1 / ((F1 + F2) × A0)
表１の都市ガスの場合、A0 = 2.25となり、前述のF1、F2、Fr、A1、Arより、スタック１と２共に空気比は０．３となり、第１、第２スタックとも炭素析出のない条件（λ≧0.3）が満たされる。

＜実施例２＞
次に、第三の実施形態のシステムにおける炭素析出回避実証解析結果について説明する。運転条件において実施例１と異なる点は、セル枚数比である。本実施例の場合は、第１スタック枚数２９枚、第２スタック枚数７１枚となる。
図５（ｂ）において、改質器に入る燃料量をF1[mol/min]、バイパス燃料量をF2[mol/min]、リサイクル燃料をFr[mol/min]とする。また、スタック1で空気極から取り込まれる酸素の量をA1[mol/min]、スタック２で空気極から取り込まれる酸素の量をA2[mol/min]、リサイクルされる酸素の量をAr[mol/min]
、オフガスのリサイクル率をrとする。

改質器にはF1+Frの燃料とArの酸素が投入され、スタック１へ取り込まれる。スタック１では発電反応によりA1の酸素が空気極から取り込まれ、スタック１出口ガス中にはF1+Frの燃料成分とA1+Arの酸素が含まれている。その後バイパス燃料が合流し、さらにスタック２では発電反応によりA2の酸素が空気極から取り込まれるため、スタック２出口ガス中にはF1+F2+Frの燃料成分とA1+A2+Arの酸素が含まれている。スタック２出口ガスの内、r倍の分だけ改質器にリサイクルされるため、FrとArは以下式で表される。

Fr = (F1 + F2 + Fr) × r
Fr = (F1 + F2) × r / (1 - r)
Ar = (A1 + A2 + Ar)× r
Ar = (A1 + A2) × r /(1 - r)

スタック１で空気極から取り込まれる酸素の量（A1）は、以下式で表される。ただし、I[A]はスタック電流、S1は第１スタックの枚数、R[C/mol]はファラデー定数を表す。
A1 = I × 60 ×S1 / (R × 4)
スタック２で空気極から取り込まれる酸素の量（A2）もA1同様以下式で表される。ただし、S2は第２スタックの枚数を表す。
A2 = I × 60 × S2 / (R × 4)

図５（b）より、F1 = 0.027、F2 = 0.067、I= 10.2、S1 = 29、S2 = 71、R = 96485とすると、Fr、Ar、A1、A2は以下の値となる。
Fr = 0.018[mol/min]
Ar = 0.030[mol/min]
A1 = 0.046[mol/min]
A2 = 0.113[mol/min]

改質器には、F1+Frの燃料とAr=の酸素が投入されることになるため、スタック１入口の空気比は以下式となる。ただし、A0[mol/mol]は燃料1molを完全燃焼させるのに要する酸素量を表す。
スタック１空気比 = Ar / ((F1 + Fr) × A0)
またスタック２には、F1+F2+Frの燃料とA1+Arの酸素が投入されることになるため、スタック２入口の空気比は以下式となる。
スタック２空気比 = (A1 + Ar) / ((F1 + F2 + Fr) × A0)
表１の都市ガスの場合、A0 = 2.25となり、前述のF1、F2、Fr、A1、Arより、スタック１と２共に空気比は０．３となり、第１、第２スタックとも炭素析出のない条件（λ≧0.3）が満たされる。

＜熱ロス、ブロワ動力低減量試算＞
上記実施例１，３における熱ロス及びブロワ動力の試算結果を表２に示す。従来リサイクルシステムと比較して、熱ロス・ブロワ動力ともに低減していることが分かる。

本発明は、ＳＯＦＣ燃料電池システムのみならず、ＭＣＦＣ、ＰＡＦＣ等の中高温燃料電池システムについても適用可能である。

１、２０，３０、４０・・・・固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システム
２０ａ・・・・高温モジュール
２・・・・水蒸気改質器
３・・・・第１スタック
４・・・・第２スタック
３ａ、４ａ・・・・燃料極
３ｂ、４ｂ・・・・空気極
３ｃ、４ｃ・・・・電解質
５・・・・・燃料供給手段
５ａ・・・・主流路
５ｂ、２３、４２・・・・バイパス流路
５ｄ・・・・混合部
６・・・・・第１スタック改質燃料流路
７・・・・・空気供給手段
８、２２、４５・・第1スタック燃料オフガス流路
９、３２、４３・・・・・アノードリサイクル回路
９ａ・・・・高温ブロア
９ｂ、３３、４４・・・・リサイクル燃料分岐部
１０・・・・パワーコンディショナー
１１・・・・第２スタック燃流オフガス
２１、４１・・・・予備改質器
２４、４６・・・・第２スタック改質燃料流路
Ｓ１、Ｓ２・・・・電流計

Claims

水蒸気改質方式による高温型燃料電池システムであって、
水蒸気改質触媒を充填した改質器と、
改質器の下流側に第一セルスタックと、
第一セルスタックの下流側に第二セルスタックと、
第一セルスタック出の燃料オフガスを、改質器に戻すリサイクル回路と、
改質器に炭化水素燃料を供給する主燃料供給手段と、
第二セルスタックに炭化水素燃料を供給する副燃料供給手段と、
を備えて成ることを特徴とする高温型燃料電池システム。
請求項１において、
前記リサイクル回路に替えて、前記第二セルスタック出の燃料オフガスの一部を前記改質器に戻すリサイクル回路を備えて成ることを特徴とする高温型燃料電池システム。
前記第一セルスタックと前記第二セルスタックの間に、水蒸気改質触媒を充填した予備改質器を、さらに備え、
前記第一セルスタック出の燃料オフガスと、前記副燃料供給手段を介して供給される燃料ガスとの混合ガスを該予備改質器において水蒸気改質した後に、前記第二セルスタックに導入可能に構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の高温型燃料電池システム。
請求項１乃至３のいずれかに記載の高温型燃料電池システムにおいて、
要求される電力量に対応して、前記改質器、前記第一セルスタック及び前記第二セルスタック内のガスを、炭素析出が生じない空気比相当の酸素割合となるように、改質水量、主燃料量、副燃料量、リサイクル量及び電流値を制御することを特徴とする高温型燃料電池システムの運転方法。