JP2021197288A

JP2021197288A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2021197288A
Application number: JP2020103292A
Authority: JP
Inventors: 麻理恵辻; Marie Tsuji; 徹波多江; Toru Hatae; 和郎中村; Kazuo Nakamura
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2020-06-15
Filing date: 2020-06-15
Publication date: 2021-12-27
Anticipated expiration: 2040-06-15
Also published as: JP6800367B1

Abstract

【課題】低コストで燃料電池の耐熱温度を高くする。【解決手段】燃料電池システム１０Ａは、原料ガスから水素及び一酸化炭素への改質率が所定の部分改質率よりも低い部分改質ガスを供給する、改質装置１２と、定格運転時における発電に伴う発熱により、部分改質ガスの温度よりも高い中心作動温度となるセルスタック１４Ｓを有し、部分改質ガスを内部改質して燃料ガスを生成すると共に、生成した燃料ガスと空気により発電する、燃料電池セルスタック１４と、を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システムに関する。

従来、高温で作動する高温作動型燃料電池を用いた燃料電池システムが提案されており、当該燃料電池システムでは、熱効率を向上させるため、燃料電池を改質器や燃焼器などの近傍の高温環境下に配置している。

特許５５４２３３２号特許６０１７６５９号

一方、高温作動型燃料電池は、高温の環境下に配置されるため、耐熱温度を高くする必要がある。そのため、燃料電池の製造コストが高くなっていた。燃料電池の耐熱温度を低くすれば製造コストを下げることができるが、単に従来の高温作動型燃料電池の燃料電池システム内に、耐熱温度が低い燃料電池を組み込むと、環境温度が高温のままであるため、燃料電池の劣化が懸念される。そこで、燃料電池システムのレイアウト等を変更することが考えられるが、設計変更のコストがかかってしまう。スタックの発電効率を維持するためには、環境温度をある程度の高温に維持する必要がある。燃料電池の耐熱温度を下げた場合、発電効率を維持可能な環境温度下では、燃料電池の劣化が懸念される。

本発明は上記事実を考慮して成されたものであり、低コストで燃料電池の耐熱温度を高くすることが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

請求項１に係る燃料電池システムは、炭化水素原料から水素及び一酸化炭素への改質率が所定の部分改質率よりも低い部分改質ガスを供給する、部分改質ガス供給部と、定格運転時における発電に伴う発熱により、前記部分改質ガス供給部から供給される前記部分改質ガスの温度よりも高い中心作動温度となるセルスタックを有し、前記部分改質ガスを内部改質して燃料ガスを生成すると共に、生成した燃料ガスと酸化剤ガスにより発電する、燃料電池と、を備えている。

請求項１に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電する燃料電池を備えている。燃料電池には、部分改質ガス供給部から部分改質ガスが供給される。この部分改質ガスは、炭化水素原料から水素及び一酸化炭素への改質率が所定の部分改質率よりも低い部分改質状態のガスである。

この燃料電池に備えられたセルスタックは、定格運転時における発電に伴う発熱により、部分改質ガス供給部から供給される部分改質ガスの温度よりも高い中心作動温度となる。燃料電池は、セルスタックからの発熱を利用して部分改質ガスを内部改質する。当該内部改質により、部分改質ガスがさらに改質されて水素濃度及び一酸化炭素濃度の高くなった燃料ガスが生成される。そして、改質反応は吸熱反応であるため、燃料電池の温度上昇が抑制される。

したがって、同程度の耐熱温度である燃料電池を用いた場合、燃料極に同じ温度の燃料ガスを供給した場合と比較して、燃料電池全体の温度上昇を抑制することができる。これにより、燃料電池の外側の環境温度の高温化を許容することができ、耐熱温度を上げることができるため、低コストで燃料電池の耐熱温度を高くすることができる。

請求項２に係る燃料電池システムは、前記部分改質ガス供給部は、前記炭化水素原料を改質する改質触媒層を有し、前記改質触媒層における改質温度を、前記中心作動温度よりも低い部分改質温度とすることで前記部分改質ガスを生成する。

請求項２に係る燃料電池システムによれば、改質触媒層における改質温度を、中心作動温度よりも低い部分改質温度とすることで、容易に部分改質ガスを生成することができる。

請求項３に係る燃料電池システムは、前記中心作動温度は、前記内部改質により前記炭化水素原料から水素及び一酸化炭素への改質率が前記部分改質率よりも高い高改質率以上となるように設定されている。

請求項３に係る燃料電池システムによれば、セルスタックの中心作動温度が、高改質率以上となるように設定されているので、燃料電池において、部分改質ガスを適切に内部改質することができる。

請求項４に係る燃料電池システムは、前記燃料電池の燃料極から排出されるアノードオフガスを前記燃料電池へ循環させて前記燃料電池での発電に供する循環路、を備えている。

請求項４に係る燃料電池システムによれば、アノードオフガスを循環させて発電に再利用することにより、発電効率を高めることができる。

請求項５に係る燃料電池システムは、前記燃料電池の燃料極から排出されるアノードオフガスが供給され、前記アノードオフガスを用いて発電する後段燃料電池、を備えている。

請求項５に係る燃料電池システムによれば、燃料電池からのアノードオフガスを後段燃料電池で発電に再利用することにより、発電効率を高めることができる。

請求項６に係る燃料電池システムは、前記後段燃料電池の後段燃料極へ供給する前記アノードオフガスの温度を、前記燃料極へ供給する部分改質ガスの温度よりも低温にするアノードオフガス冷却部、を備えている。

後段燃料電池については、前段に配置された燃料電池のように、部分改質ガスが供給されないので、燃料電池内部における改質での温度低下が生じない。そこで、アノードオフガス冷却部で、後段燃料電池の後段燃料極へ供給するアノードオフガスの温度を、燃料極へ供給する部分改質ガスの温度よりも低温にする。これにより、後段燃料電池について、全体の温度を下げることができ、高温環境下に当該環境温度よりも耐熱温度の低い高い後段燃料電池を配置することができる。

請求項７に係る燃料電池システムは、前記アノードオフガス冷却部は、前記アノードオフガスから二酸化炭素及び水の少なくとも一方を除去する燃料再生部である。

燃料再生部は、一般的に凝縮器や分離膜で形成されており、アノードオフガスの温度を下げる。したがって、アノードオフガスから二酸化炭素及び水の少なくとも一方を除去して、後段燃料電池の発電効率を高めると共に、後段燃料電池の温度を下げることができる。

請求項８に係る燃料電池システムは、前記後段燃料電池の空気極へ、前記燃料電池の空気極へ供給する酸化剤ガスの温度よりも低温の酸化剤ガスを供給する低温酸化剤ガス供給部、を備えている。

後段燃料電池については、前段に配置された燃料電池のように、部分改質ガスが供給されないので、内部における改質による温度低下を行うことができない。そこで、低温酸化剤ガス供給部で、後段燃料電池の空気極へ、燃料電池の空気極へ供給する酸化剤ガスの温度よりも低温の酸化剤ガスを供給する。これにより、後段燃料電池の温度を下げることができ、高温環境下に当該環境温度よりも耐熱温度の低い高い後段燃料電池を配置することができる。

本発明に係る燃料電池システムによれば、低コストで高温環境下に燃料電池を配置可能な燃料電池システムを提供することができる。

第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。第１実施形態の改質装置の内部の概略図である。第１実施形態の第１燃料電池セルスタックの内部の概略図である。第２実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。第２実施形態の変形例に係る燃料電池システムの概略構成図である。

［第１実施形態］
以下、図面を参照して本発明の第１実施形態について詳細に説明する。図１には、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０Ａの主要構成の概略が示されている。本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０Ａは、主要な構成として、改質装置１２、第１燃料電池セルスタック１４、第２燃料電池セルスタック１６、燃料再生部１８、燃焼部２０、原料ガス供給ブロワ２２、空気供給ブロワ２４、及び、熱交換部２６を備えている。

改質装置１２、第１燃料電池セルスタック１４、第２燃料電池セルスタック１６、及び燃焼部２０は、ホットボックスＨ内に配置されている。ホットボックスＨは、断熱壁に囲まれており、内部の環境温度ＴＨが、ホットボックスＨの外側の環境温度よりも高くなっている。

改質装置１２には、原料ガス供給管Ｐ１の一端が接続されており、原料ガス供給管Ｐ１から改質装置１２へ、原料ガスが供給される。なお、改質装置１２には、不図示の水蒸気供給部から改質に必要な水蒸気が供給される。

なお、本実施形態では、原料ガスとしてメタンを用いるが、改質が可能なガスであれば特に限定されず、炭化水素燃料を用いることができる。炭化水素燃料としては、天然ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）、石炭改質ガス、低級炭化水素ガスなどが例示される。低級炭化水素ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭素数４以下の低級炭化水素が挙げられ、本実施形態で用いるメタンが好ましい。なお、炭化水素燃料としては、上述した低級炭化水素ガスを混合したものであってもよく、上述した低級炭化水素ガスは天然ガス、都市ガス、ＬＰガス等のガスであってもよい。また、バイオガスを用いてもよい。

改質装置１２では、原料ガスを改質し、水素及び一酸化炭素を含む部分改質ガスを生成する。ここで、改質装置１２における部分改質、温度について説明する。図２に示されるように、改質装置１２の内部には、原料ガスが流通する改質空間Ｒが形成されており、改質空間Ｒには触媒粒子が充填された改質触媒層１２Ａが設けられている。改質空間Ｒに流入した原料ガスは、改質触媒層１２Ａにより改質反応を促進され、改質される。当該改質質反応は、得られるガスの、原料ガス（炭化水素ガス）から水素及び一酸化炭素への改質率が、後述する部分改質率Ｄ１未満になるように制御されている。ここでの改質率とは、原料ガスからの水素及び一酸化炭素への転化率を意味する。

なお、供給する改質水の量は、炭素に対しての比（Ｓ／Ｃ）が、一例として２．５程度となるようにすることができる。Ｓ／Ｃとしては、１．８〜３．０の範囲で設定可能である。

改質反応は吸熱反応であり、一般的には、改質率をなるべく高くするために改質温度が設定されている（ここで設定される改質温度を「高改質温度Ｔ２」、当該高改質温度Ｔ２における改質率を「高改質率Ｄ２」、得られたガスを「高改質ガス」と称する）。ここでの高改質率Ｄ２は、７０．０％以上が想定されており、７８．０％以上が好ましい。高温改質温度Ｔ２としては、６００℃〜７３０℃程度を設定することができ、６２０℃〜７００℃の範囲内が好ましい。本実施形態では、意図的に改質率を下げるために改質温度を高改質温度よりも低いＴ１（以下「部分改質温度Ｔ１」と称する）とする。部分改質温度Ｔ１は、原料ガスから水素及び一酸化炭素への改質率が所定の改質率（以下「部分改質率Ｄ１」と称する）以下になる温度である。部分改質率Ｄ１としては、５２．５％以上、８８．０％未満で設定することができ、５６．０％以上、８２．５％未満の範囲が好ましい。部分改質温度Ｔ１としては、５５０℃〜６５０℃程度を設定することができ、５６０℃〜６３０℃の範囲が好ましい。当該改質により得られた、原料ガスから水素及び一酸化炭素への改質率が、部分改質率Ｄ１の改質ガスを「部分改質ガス」と称する。なお、上記で示した高温改質率Ｄ２の範囲と部分改質率Ｄ１の範囲は、重複部分を有しているが、燃料電池システム１０Ａの運転の際に設定される、高温改質率Ｄ２と部分改質率Ｄ１の関係は、Ｄ２＞Ｄ１である。高改質温度Ｔ２と部分改質温度Ｔ１の関係も同様にＴ２＞Ｔ１である。部分高温改質温度Ｔ２及び部分改質温度Ｔ１は、改質触媒の特性、原料ガス等に応じて設定される。

改質装置１２は、第１燃料電池セルスタック１４の第１アノード（燃料極）１４Ａと接続されている。改質装置１２で生成された部分改質ガスは、改質ガス管Ｐ２を介して第１燃料電池セルスタック１４の第１アノード１４Ａに供給される。

第１燃料電池セルスタック１４は固体酸化物形の燃料電池セルスタックであり、複数の燃料電池セルを有している。第１燃料電池セルスタック１４は本発明における燃料電池の一例である。図３に示されるように、個々の燃料電池セルは、電解質層１４Ｃと、当該電解質層１４Ｃの表裏面にそれぞれ積層された第１アノード１４Ａ、及び第１カソード（空気極）１４Ｂと、を有している。当該燃料電池セルが複数積層され、セルスタック１４Ｓが構成されている。セルスタック１４Ｓは、筐体１４Ｋ内に収納されている。

セルスタック１４Ｓの中央部分には、熱電対Ｎが配置されている。熱電対Ｎにより、セルスタックＳの中心部分の温度（中心作動温度）が測定される。なお、熱電対Ｎは必須ではなく、同一構成の燃料電池セルスタックを用いた実験により、供給する部分改質ガスの温度やホットボックスＨ内の温度等から後述する中心作動温度Ｔ３を推定できれば、省略することができる。本実施形態の第１燃料電池セルスタック１４は、定格運転時において、発電反応に伴う発熱により、中心作動温度がＴ３程度とされている。中心作動温度Ｔ３は、部分改質温度Ｔ１よりも高く、高改質温度Ｔ２と同程度の温度である。

なお、第２燃料電池セルスタック１６についての基本構成は、第１燃料電池セルスタック１４と同様であり、第１アノード１４Ａに対応する第２アノード１６Ａ、及び第１カソード１４Ｂに対応する第２カソード１６Ｂを有している。セルスタック１６Ｓの中央部分には、熱電対Ｎが配置されている。

空気供給管Ｐ３には空気供給ブロワ２４が接続されており、空気供給ブロワ２４から空気供給管Ｐ３へ空気が送出される。空気供給管Ｐ３は、配管Ｐ３ＡとＰ３Ｂに分岐部Ｂ１で分岐されている。配管Ｐ３Ａは、第１燃料電池セルスタック１４の第１カソード１４Ｂに接続され、配管Ｐ３Ｂは、第２燃料電池セルスタック１６の第２カソード１６Ｂに接続されている。

第１燃料電池セルスタック１４の第１カソード１４Ｂには、配管Ｐ３Ａから空気が供給される。第１カソード１４Ｂでは、下記（１）式に示すように、空気中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。生成された酸素イオンは電解質層を通って第１燃料電池セルスタック１４の第１アノード１４Ａに到達する。

（空気極反応）
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻ →Ｏ^２− …（１）

また、第１カソード１４Ｂには、第１カソード１４Ｂからカソードオフガスを送出するカソードオフガス管Ｐ６Ａが接続されている。

一方、第１燃料電池セルスタック１４の第１アノード１４Ａでは、下記（２）式及び（３）式に示すように、部分改質ガス中に含まれるメタンの改質反応が生じる。これにより、部分改質ガス中の水素濃度及び一酸化炭素濃度が上昇する。

また、（４）式及び（５）式に示すように、電解質層を通ってきた酸素イオンが燃料ガス中の水素及び一酸化炭素と反応し、水(水蒸気)及び二酸化炭素と電子が生成される。第１アノード１４Ａで生成された電子が第１アノード１４Ａから外部回路を通って第１カソード１４Ｂに移動することで、各燃料電池セルにおいて発電される。また、各燃料電池セルは、発電時に発熱する。当該発熱により、セルスタック１４Ｓの中心作動温度がＴ３となる。

（燃料極反応）
ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２＋４Ｈ_２…(２)
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ → ＣＯ＋３Ｈ_２…(３)
Ｈ_２＋Ｏ^２− →Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ …(４)
ＣＯ＋Ｏ^２− →ＣＯ_２＋２ｅ⁻ …(５)

第１燃料電池セルスタック１４の第１アノード１４Ａにはアノードオフガス管Ｐ４の一端が接続されており、アノードオフガス管Ｐ４には、第１アノード１４Ａからアノードオフガスが排出される。アノードオフガスには、未反応の水素、未反応の一酸化炭素、二酸化炭素及び水蒸気等が含まれている。

なお、本発明の燃料電池としては、固体酸化物形の燃料電池(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)に限られるものではなく、他の燃料電池、例えば溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)であってもよい。

アノードオフガス管Ｐ４の他端は、燃料再生部１８と接続されている。燃料再生部１８は、アノードオフガスから、二酸化炭素、水の少なくとも一方を除去する。燃料再生部１８としては、例えば、凝縮器、水蒸気分離膜、二酸化炭素分離膜、二酸化炭素吸収剤、二酸化炭素吸着剤、二酸化炭素吸収液、等を用いることができる。

アノードオフガスは、アノードオフガス管Ｐ４に送出され、熱交換部２６を経て燃料再生部１８へ供給される。熱交換部２６については後述する。

燃料再生部１８では、アノードオフガスについて、二酸化炭素及び水の少なくとも一方の濃度が低減される。二酸化炭素及び水の少なくとも一方の濃度が低減されたアノードオフガスは、再生燃料ガスとして、再生燃料ガス管Ｐ５へ送出される。再生燃料ガス管Ｐ５は、第２燃料電池セルスタック１６の第２アノード１６Ａと接続されており、再生燃料ガスは、熱交換部２６を経て、第２燃料電池セルスタック１６の第２アノード１６Ａに供給される。

再生燃料ガス管Ｐ５は、熱交換部２６を経由して第２アノード１６Ａと接続されている。熱交換部２６では、第１アノード１４Ａから送出されて燃料再生部１８へ至る前のアノードオフガスと、再生燃料ガスとの間で熱交換が行われる。熱交換部２６において、再生燃料ガスは加熱され、アノードオフガスは冷却される。加熱後の再生燃料ガスの温度は、Ｔ４になるように熱交換部２６での熱交換量が設定されている。温度Ｔ４は、温度Ｔ１よりも低く設定されている。加熱後の再生燃料ガスの温度をＴ１よりも下げる方法として、例えば、熱交換部２６の性能を下げる方法を用いることができる。

なお、ホットボックスＨ内の環境温度ＴＨは、部分改質ガスの温度Ｔ１と同程度であり、温度Ｔ３よりも低い温度とされている。

本実施形態の燃料電池システム１０Ａは、第１燃料電池セルスタック１４で使用された燃料であるアノードオフガスが再生されて、燃料ガスとして第２燃料電池セルスタック１６で再利用される多段式の燃料電池システムとなっている。

第２燃料電池セルスタック１６の第２アノード１６Ａ及び第２カソード１６Ｂでは、再生燃料ガスを用いて発電がおこなわれる。なお、第２アノード１６Ａへ供給されるガスは、部分改質ガスでないため、第１アノード１４Ａと同様の改質反応は行われない。第２アノード１６Ａには、アノードオフガス管Ｐ７の一端が接続され、アノードオフガス管Ｐ７の他端は燃焼部２０に接続されている。

第２カソード１６Ｂの入口側には、配管Ｐ３Ｂが接続され、分岐部Ｂ１で分岐された空気が供給される。第２カソード１６Ｂの出口側には、カソードオフガス管Ｐ６Ｂが接続され、第２カソード１６Ｂから排出されたカソードオフガスは、カソードオフガス管Ｐ６Ｂへ排出される。カソードオフガス管Ｐ６ＡとＰ６Ｂは、合流部Ｇ１で合流され、合流後のカソードオフガスは、カソードオフガス管Ｐ６を経て燃焼部２０へ供給される。

燃焼部２０では、アノードオフガス管Ｐ７からのアノードオフガスが、カソードオフガス管Ｐ６からのカソードオフガスと混合されて燃焼する。燃焼部２０には、燃焼排ガス管Ｐ８が接続されており、燃焼排ガス管Ｐ８から燃焼排ガスが排出される。燃焼排ガスは、空気や燃料ガスを加熱するために用いることができる。

次に、本実施形態の燃料電池システム１０Ａの動作について説明する。

燃料電池システム１０Ａにおいては、原料ガス供給ブロワ２２によって原料ガスが、図示しない水蒸気供給部からの水蒸気と混合されて、原料ガス供給管Ｐ１へ送出される。また、空気供給ブロワ２４によって、空気が空気供給管Ｐ３へ送出される。

原料ガス供給管Ｐ１へ送出された原料ガスは、水蒸気と混合されて混合原料ガスとなり、改質装置１２へ供給される。改質装置１２では、混合原料ガスが、部分改質温度Ｔ１の下で改質反応により改質され、水素および一酸化炭素を含む部分改質ガスが生成される。部分改質ガスは改質ガス管Ｐ２を介して第１燃料電池セルスタック１４の第１アノード１４Ａに供給される。

空気供給管Ｐ３へ送出された空気は、分岐部Ｂ１で分岐され、第１燃料電池セルスタック１４の第１カソード１４Ｂ、及び、第２燃料電池セルスタック１６の第２カソード１６Ｂへ供給される。

第１燃料電池セルスタック１４では、前述の反応により発電が行われる。この発電に伴い燃料電池セルスタック１４は発熱する。一方、第１アノード１４Ａでは、部分改質ガスが改質される。当該改質反応は吸熱反応であり、発電反応に伴う発熱による温度上昇を抑制することができる。また、定格運転時における、スタック１４Ｓの中心作動温度Ｔ３は、高改質温度Ｔ２と同程度であるため、部分改質ガスの改質反応を効果的に促進することができる。

第１アノード１４Ａからは、アノードオフガスが排出される。また、第１カソード１４Ｂからは、カソードオフガスが排出される。カソードオフガスは、カソードオフガス管Ｐ６Ａへ送出される。

第１アノード１４Ａから排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス管Ｐ４に導かれ、熱交換部２６へ流入して冷却された後、燃料再生部１８へ供給される。燃料再生部１８では、アノードオフガスから、二酸化炭素、水の少なくとも一方が除去され、再生燃料ガスが生成される。再生燃料ガスは、再生燃料ガス管Ｐ５へ送出され、熱交換部２６で温度Ｔ４に加熱された後、第２燃料電池セルスタック１６の第２アノード１６Ａへ供給される。

第２燃料電池セルスタック１６では、前述の反応により発電が行われる。一方、再生燃料ガスは、部分改質ガスと異なり、メタンの成分が非常に低く、改質反応が期待できないため、改質による吸熱はほとんど行われない。そこで、本実施形態では、第２アノード１６Ａへ供給する再生燃料ガスの温度を、部分改質温度Ｔ１よりも低いＴ４に設定している。これにより、発電反応による発熱でセルスタック１６Ｓの中心作動温度がＴ３となった場合でも、第１アノード１６Ａへ流入する温度Ｔ４の再生燃料ガスにより、第２燃料電池セルスタック１６の温度上昇を抑制することができる。

なお、再生燃料ガスの温度を部分改質温度Ｔ１よりも低いＴ４にする方法としては、原料ガス供給管Ｐ１を通る原料ガス（加湿されていてもよい）と熱交換してもよいし、その他の温度Ｔ４より低温のガスと熱交換してもよい。ホットボックスＨ内の温度Ｔ４よりも低温のガスと熱交換してもよい。

本実施形態の燃料電池システム１０Ａでは、第１アノード１４Ａでは、部分改質ガスを改質することにより、その吸熱特性を利用して、発電反応の発熱による第１燃料電池セルスタック１４の温度上昇を抑制することができる。また、第２アノード１６Ａでは、第２アノード１６Ａへ供給する再生燃料ガスの温度を比較的低温（Ｔ４）とすることにより、発電反応の発熱による第２燃料電池セルスタック１６の温度上昇を抑制することができる。

上記より、第１燃料電池セルスタック１４、第２燃料電池セルスタック１６について、ホットボックスＨ内での劣化を抑制しつつ、耐熱温度を下げることができ、燃料電池システム１０Ａの製造の低コスト化を図ることができる。

なお、本実施形態では、再生燃料ガスの温度を下げることにより、第２燃料電池セルスタック１６の温度上昇を抑制したが、再生燃料ガスの温度を下げることに代えて、また併用して、第２カソード１６Ｂへ供給する空気の温度を下げてもよい。この場合には、分岐部Ｂ１で分岐されて第１カソード１４Ｂへ供給される空気の温度Ｔ６よりも、第２カソード１６Ｂへ供給される空気の温度が、より低いＴ５に設定される（Ｔ６＞Ｔ５）。

また、本実施形態では、第１燃料電池セルスタック１４、第２燃料電池セルスタック１６を１個ずつ使用する例について説明したが、いずれか、もしくは両方について、複数の燃料電池セルスタックを使用してもよい。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態では、第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。

図４には、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム１０Ｂが示されている。燃料電池システム１０Ｂは、第１実施形態で説明した燃料電池システム１０Ａと比較して、第２燃料電池セルスタック１６を有していない点が異なっている。

第１燃料電池セルスタック１４の第１アノード１４Ａにはアノードオフガス管Ｐ４の一端が接続されており、アノードオフガス管Ｐ４には、第１アノード１４Ａからアノードオフガスが排出される。アノードオフガス管Ｐ４は、分岐部Ｂ２で燃焼用オフガス管Ｐ７が分岐されている。アノードオフガス管Ｐ４は、燃料再生部１８と接続されている。燃焼用オフガス管Ｐ７は、燃焼部２０と接続されている。

燃料再生部１８の下流側（出口側）には、再生燃料ガス管Ｐ５の一端が接続されており、再生燃料ガス管Ｐ５の他端は、改質装置１２よりも下流側の合流部Ｇ２で改質ガス管Ｐ２と合流されている。再生燃料ガス管Ｐ５は、熱交換部２６を経由して改質ガス管Ｐ２と合流されている。熱交換部２６では、第１アノード１４Ａから送出されて燃料再生部１８へ至る前のアノードオフガスと、再生燃料ガスとの間で熱交換が行われる。熱交換部２６において、再生燃料ガスは加熱され、アノードオフガスは冷却される。加熱後の再生燃料ガスの温度は、部分改質温度Ｔ１程度になるように設定されている。

本実施形態の燃料電池システム１０Ｂは、第１燃料電池セルスタック１４から排出されたアノードオフガスの一部が再生されて、再度燃料ガスとして第１燃料電池セルスタック１４で再利用される循環式の燃料電池システムとなっている。

第１カソード１４Ｂには、カソードオフガス管Ｐ６の一端が接続されており、カソードオフガス管Ｐ６には、第１カソード１４Ｂからカソードオフガスが排出される。カソードオフガス管Ｐ６の他端は、燃焼部２０と接続されている。

次に、本実施形態の燃料電池システム１０Ｂの動作について説明する。

第１燃料電池セルスタック１４の第１アノード１４Ａから排出されたアノードオフガスは、分岐部Ｂ２で分流される。分流された一方は、熱交換部２６を経て燃料再生部１８へ供給される。分流された他方は、燃焼用オフガス管Ｐ７へ送出され、燃焼部２０へ供給される。

本実施形態の燃料電池システム１０Ｂでも、第１アノード１４Ａでは、再生燃料ガスと混合された部分改質ガスを改質することにより、その吸熱特性を利用して、発電反応の発熱による第１燃料電池セルスタック１４の温度上昇を抑制することができる。

これにより、第１燃料電池セルスタック１４について、ホットボックスＨ内での劣化を抑制しつつ、耐熱温度を下げることができ、燃料電池システム１０Ｂの製造の低コスト化を図ることができる。

なお、本実施形態でも、第１カソード１４Ｂへ供給する空気の温度を下げて、第１燃料電池セルスタック１４の温度上昇を抑制してもよい。この場合には、第１カソード１４Ｂへ供給される空気の温度は、一般的な多段式の燃料電池システムにおける前段の燃料電池セルスタックのカソードへ供給する空気の温度よりも低いＴ６に設定される。

また、本実施形態では、燃料再生装置１８及び熱交換部２６を設けたが、これらを設けることなく、アノードオフガスを第１燃料電池セルスタック１４へ戻して再利用してもよい。この場合には、図５に示される燃料電池システム１０Ｃのように、分岐部Ｂ２で分岐したアノードオフガス管Ｐ４が改質装置１２よりも上流側の合流部Ｇ２で合流される。戻されるアノードオフガスには、発電反応で生成された水が含まれているため、原料ガスへ添加する改質用の水の量を低減させることができる。

また、第１、第２実施形態では、燃料電池システム内の改質装置１２で原料ガスの改質が行われたが、原料ガスの部分改質は、燃料電池システム外で行い、部分改質ガスを第１アノード１４Ａへ供給してもよい。

また、本実施形態では、第１燃料電池セルスタック１４から排出されたアノードオフガスを再生して再度発電に用いる例について説明したが、アノードオフガスを再度発電に用いない燃料電池システムに本発明を適用することもできる。

１０Ａ、１０Ｂ燃料電池システム
１２改質装置（部分改質ガス供給部）
１２Ａ改質触媒層
１４第１燃料電池セルスタック（燃料電池）
１４Ａ第１アノード（燃料極）
１４Ｂ第１カソード（空気極）
１４Ｓセルスタック
１６第２燃料電池セルスタック（後段燃料電池）
１６Ａ第２アノード（後段燃料極）
１６Ｂ第２カソード（後段空気極）
１８燃料再生部（アノードオフガス冷却部）
２６熱交換部
Ｐ３Ｂ配管（低温酸化剤ガス供給部）

請求項１に係る燃料電池システムは、炭化水素原料から水素及び一酸化炭素への改質率が所定の部分改質率よりも低い部分改質ガスを供給する、部分改質ガス供給部と、定格運転時における発電に伴う発熱により、前記部分改質ガス供給部から供給される前記部分改質ガスの温度よりも高い中心作動温度となるセルスタックを有し、前記部分改質ガスを内部改質して燃料ガスを生成すると共に、生成した燃料ガスと酸化剤ガスにより発電する、固体酸化物形の燃料電池と、を備えている。

燃料電池システムは、前記燃料電池の燃料極から排出されるアノードオフガスを前記燃料電池へ循環させて前記燃料電池での発電に供する循環路、を備えることもできる。

この燃料電池システムによれば、アノードオフガスを循環させて発電に再利用することにより、発電効率を高めることができる。

請求項１に係る燃料電池システムは、前記燃料電池の燃料極から排出されるアノードオフガスが供給され、前記アノードオフガスを用いて発電する固体酸化物形の後段燃料電池、を備えている。

請求項１に係る燃料電池システムによれば、燃料電池からのアノードオフガスを後段燃料電池で発電に再利用することにより、発電効率を高めることができる。

請求項１に係る燃料電池システムは、前記後段燃料電池の後段燃料極へ供給する前記アノードオフガスの温度を、前記燃料極へ供給する部分改質ガスの温度よりも低温にするアノードオフガス冷却部、を備えている。

請求項４に係る燃料電池システムは、前記アノードオフガス冷却部は、前記アノードオフガスから二酸化炭素及び水の少なくとも一方を除去する燃料再生部である。

請求項５に係る燃料電池システムは、前記後段燃料電池の空気極へ、前記燃料電池の空気極へ供給する酸化剤ガスの温度よりも低温の酸化剤ガスを供給する低温酸化剤ガス供給部、を備えている。

後段燃料電池については、前段に配置された燃料電池のように、部分改質ガスが供給されないので、内部における改質による温度低下を行うことができない。そこで、低温酸化剤ガス供給部で、後段燃料電池の空気極へ、燃料電池の空気極へ供給する酸化剤ガスの温度よりも低温の酸化剤ガスを供給する。これにより、後段燃料電池の温度を下げることができ、高温環境下に当該環境温度よりも耐熱温度の低い高い後段燃料電池を配置することができる。
請求項６に係る燃料電池システムは、前記燃料電池及び前記後段燃料電池は、断熱壁に囲まれ内部の環境温度が外側の環境温度よりも高いホットボックス内に配置されている。

Claims

炭化水素原料から水素及び一酸化炭素への改質率が所定の部分改質率よりも低い部分改質ガスを供給する、部分改質ガス供給部と、
定格運転時における発電に伴う発熱により、前記部分改質ガス供給部から供給される前記部分改質ガスの温度よりも高い中心作動温度となるセルスタックを有し、前記部分改質ガスを内部改質して燃料ガスを生成すると共に、生成した燃料ガスと酸化剤ガスにより発電する、燃料電池と、
を備えた燃料電池システム。
前記部分改質ガス供給部は、前記炭化水素原料を改質する改質触媒層を有し、前記改質触媒層における改質温度を、前記中心作動温度よりも低い部分改質温度とすることで前記部分改質ガスを生成する、請求項１に記載の燃料電池システム。
前記中心作動温度は、前記内部改質により前記炭化水素原料から水素及び一酸化炭素への改質率が前記部分改質率よりも高い高改質率以上となるように設定されている、請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池の燃料極から排出されるアノードオフガスを前記燃料電池へ循環させて前記燃料電池での発電に供する循環路、を備えた、
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池の燃料極から排出されるアノードオフガスが供給され、前記アノードオフガスを用いて発電する後段燃料電池、を備えた、
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
前記後段燃料電池の後段燃料極へ供給する前記アノードオフガスの温度を、前記燃料極へ供給する部分改質ガスの温度よりも低温にするアノードオフガス冷却部、を備えた、
請求項５に記載の燃料電池システム。
前記アノードオフガス冷却部は、前記アノードオフガスから二酸化炭素及び水の少なくとも一方を除去する燃料再生部である、請求項６に記載の燃料電池システム。
前記後段燃料電池の後段空気極へ、前記燃料電池の空気極へ供給する酸化剤ガスの温度よりも低温の酸化剤ガスを供給する低温酸化剤ガス供給部、を備えた、
請求項５〜請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。