JP3886887B2 - 燃料電池発電システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
【非特許文献】
「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)」
図１１は、上記非特許文献に記載の燃料電池発電システムの従来例として、天然ガスを燃料とした固体高分子形燃料電池システムの構成を示している。すなわち、この従来技術による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、改質器バーナ５３、ＣＯシフトコンバータ４、ＣＯ選択酸化器５、凝縮器３９、固体高分子形燃料電池セルスタック９、出力調整装置２０、気化器１４、気化器バーナ３５、水タンク９０、流量制御弁（１０、１１、１２等）、補給水ポンプ４２、空気供給用ブロワ１３、及び配管類である。
【０００３】
図１１において、１は燃料である天然ガス、２は天然ガス１中の硫黄成分を除去する脱硫器、３は燃料の水蒸気改質反応を行わせる改質器、４は水蒸気改質反応によって生成する一酸化炭素（ＣＯ）を水性シフト反応によって二酸化炭素に変換し、水素を得るＣＯシフトコンバータ、５は水性シフト反応後に残存する一酸化炭素を酸化して二酸化炭素とするＣＯ選択酸化器、９は固体高分子形燃料電池セルスタック、６は固体高分子形燃料電池セルスタック９の燃料極、７は固体高分子形燃料電池セルスタック９の固体高分子電解質、８は固体高分子形燃料電池セルスタック９の空気極、１０、１１、及び１２は空気供給用ブロワ１３からの空気１８の流量を制御する流量制御弁、１３は空気供給用ブロワ、１４は水蒸気改質反応に使われる水蒸気を発生させる気化器、１５は気化器用ポンプ、１６は気化器１４で発生する水蒸気、１７は固体高分子形燃料電池セルスタック空気極排出ガス、１８は空気供給用ブロワ１３からの空気、１９は固体高分子形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス、２０は出力調整装置、２１は負荷、２２は燃料電池直流出力、２３は送電端交流出力、２４は改質器バーナ燃焼排出ガス、２５はＣＯ選択酸化器５の排出ガスである、一酸化炭素の濃度をｐｐｍオーダーに低減させた改質ガス、２６はＣＯシフトコンバータ４の排出ガスである、一酸化炭素の濃度を１％以下に低減させた改質ガス、２７は改質器３の排出ガスである、水素豊富（水素リッチ）な改質ガス、２８は水蒸気と脱硫天然ガスの混合ガス、２９は脱硫器２の排出ガスである脱硫天然ガス、３０は空気供給用ブロワ１３からの空気１８の流量を制御する流量制御弁、３１は気化器バーナ用空気、３２は固体高分子形燃料電池セルスタック用空気、３３はＣＯ選択酸化器用空気、３４は改質器バーナ用空気、３５は気化器バーナ、３６は気化器バーナ燃焼排出ガス、３７は天然ガス１の流量を制御する流量制御弁、３９はＣＯ選択酸化器５の排出ガスである改質ガス２５中の水分を凝縮させる凝縮器、３８は凝縮器３９で未反応水蒸気を凝縮させた後の改質ガス、４０は固体高分子形燃料電池セルスタック９での電池反応による生成水、４１は凝縮器３９で生じた凝縮水、４２は補給水ポンプ、４３は補給水、４４は気化器１４に供給される水、４５は脱硫器２に供給される発電用天然ガス、４６は気化器バーナ用天然ガス、４７及び４８は天然ガス１の流量を制御する流量制御弁、４９は改質器バーナ用天然ガス、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の流量を制御する流量制御弁、５２はＣＯ選択酸化器用改質ガス、５３は改質器バーナ、９０は水タンク、９１は気化器１４からの排出ガス、９３は気化器１４からの水蒸気１６の流量を制御する流量制御弁である。
【０００４】
上記「水素豊富（水素リッチ）」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。
【０００５】
図１１において、固体高分子形燃料電池セルスタック９が１組の燃料極６、固体高分子電解質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、燃料電池セルスタック９は前記単セルを複数積層することによって構成されている。
【０００６】
以下、図１１を用いて、この従来技術による燃料電池発電システムの作用について説明する。燃料の天然ガス１は、発電用天然ガス４５、気化器バーナ用天然ガス４６、及び改質器バーナ用天然ガス４９として、それぞれ脱硫器２、気化器バーナ３５、及び改質器バーナ５３に供給する。発電用天然ガス４５の供給量は、予め設定された燃料電池直流出力２２の電池電流及び改質器３の温度（改質器温度）と流量制御弁３７の開度（すなわち、発電用天然ガス４５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の電池電流と改質器温度に見合った値に設定する。
【０００７】
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の改質触媒と固体高分子形燃料電池セルスタック９の燃料極６での電極触媒の劣化原因となる発電用天然ガス４５中のメルカプタン等の腐臭剤に含まれる硫黄分を水添脱硫により除去する。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て硫化亜鉛を生成させることによって、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、水素リッチな、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、発電用天然ガス４５の供給量）と流量制御弁５１の開度（すなわち、脱硫器リサクル用改質ガス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、発電用天然ガス４５の供給量と見合った値に設定する。水添脱硫反応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。
【０００８】
脱硫器２で硫黄分が除去された脱硫天然ガス２９は、気化器１４から供給された水蒸気１６と混合し、水蒸気と脱硫天然ガスの混合ガス２８として、改質触媒であるニッケル系触媒やルテニウム系触媒が充填された改質器３に供給する。脱硫天然ガス２９と混合する水蒸気１６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、発電用天然ガス４５の供給量）と流量制御弁９３の開度（すなわち、水蒸気１６の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁９３の開度を制御することによって、予め設定された所定のスチームカーボン比（水蒸気対天然ガス中炭素比）となるように設定する。
【０００９】
気化器１４では、水タンク９０から気化器用ポンプ１５で供給した水４４を気化させる。水４４の気化に必要な熱は、後述する高温の改質器バーナ燃焼排出ガス２４を気化器１４に供給し、水４４と熱交換させることによって供給する。水４４と気化器１４で熱交換を行った改質器バーナ燃焼排出ガス２４は、排出ガス９１として排出する。気化器１４での水４４の気化に必要な熱の供給が、改質器バーナ燃焼排出ガス２４との熱交換だけでは不足する場合には、天然ガス１を気化器バーナ用天然ガス４６として気化器バーナ３５に供給し、同様に空気供給用ブロア１３で取り込んだ空気１８の一部を気化器バーナ用空気３１として気化器バーナ３５に供給し、両者を燃焼反応させることによって、気化器１４にさらに熱を供給する。気化器バーナ３５に供給する気化器バーナ用天然ガス４６の供給量は、予め設定された気化器１４の温度と流量制御弁４７の開度（すなわち、気化器バーナ用天然ガス４６の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁４７の開度を制御することによって設定する。また、気化器バーナ３５に供給する気化器バーナ用空気３１の供給量は、予め設定された流量制御弁４７の開度（すなわち、気化器バーナ用天然ガス４６の供給量）と流量制御弁３０の開度（すなわち、気化器バーナ用空気３１の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁３０の開度を制御することによって、予め設定された所定の空燃比（空気対燃料比）となるように設定する。
【００１０】
水タンク９０には、後述する凝縮器３９で凝縮させた凝縮水４１と後述する固体高分子形燃料電池セルスタック９で電池反応により生成した生成水４０を供給する。これだけでは水タンク９０の水が不足する場合には、必要に応じて補給水ポンプ４２を作動させ、補給水４３を水タンク９０に供給する。
【００１１】
改質器３では、充填された改質触媒の働きにより天然ガス１に含まれる炭化水素の水蒸気改質反応が行われ、水素リッチな改質ガス２７がつくられる。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。
【００１２】
（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るので、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℃に維持しなければならない。このため、後述する約２０％の未反応水素を含む固体高分子形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス１９を改質器バーナ５３に供給し、同様に空気供給用ブロワ１３で取り込んだ空気１８の一部を改質器バーナ５３に供給した改質器バーナ用空気３４と燃焼反応させることによって、改質器３に水蒸気改質反応に必要な反応熱を供給する。改質器バーナ５３に供給する改質器バーナ用空気３４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、発電用天然ガス４５の供給量）と流量制御弁１２の開度（すなわち、改質器バーナ用空気３４の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１２の開度を制御することによって、予め設定された所定の空燃比となるように設定する。
【００１３】
改質器３での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱の供給が、改質器バーナ５３での固体高分子形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス１９の燃焼だけでは不足する場合には、天然ガス１を改質器バーナ用天然ガス４９として改質器バーナ５３に供給し、改質器バーナ用空気３４と燃焼反応させることによって、改質器３にさらに熱を供給する。改質器バーナ５３に供給する改質器バーナ用天然ガス４９の供給量は、予め設定された改質器３の温度と流量制御弁４８の開度（すなわち、改質器バーナ用天然ガス４９の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁４８の開度を制御することによって、改質器３の温度に見合った値に設定する。また、改質器バーナ５３に供給する改質器バーナ用空気３４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、発電用天然ガス４５の供給量）及び流量制御弁４８の開度（すなわち、改質器バーナ用天然ガス４９の供給量）と流量制御弁１２の開度（すなわち、改質器バーナ用空気３４の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１２の開度を制御することによって、予め設定された所定の空燃比となるように設定する。
【００１４】
改質器３の排出ガスである水素リッチな改質ガス２７中には、固体高分子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、水素リッチな改質ガス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（２）式に示す水性シフト反応を行わせることによって、水素リッチな改質ガス２７中に含まれる一酸化炭素の濃度を１％以下まで低減させる。
【００１５】
（水性シフト反応）
ＣＯ ＋ Ｈ２Ｏ → ＣＯ２ ＋ Ｈ２ （２）
この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の水添脱硫反応と硫化亜鉛の生成反応の反応熱として利用する。
【００１６】
ＣＯシフトコンバータ４でつくられた、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、一酸化炭素の濃度が１００ｐｐｍ以上であると固体高分子形燃料電池セルスタック９の燃料極６に供給した場合に電極触媒の劣化原因となるので、一酸化炭素の濃度を数十ｐｐｍレベルまで低減させるために、ＣＯ選択酸化器用改質ガス５２として、白金、ルテニウム等の貴金属系触媒がＣＯ選択酸化触媒として充填されたＣＯ選択酸化器５に供給する。また、空気供給用ブロワ１３で取り込んだ空気１８の一部を、ＣＯ選択酸化器用空気３３としてＣＯ選択酸化器５に供給する。ＣＯ選択酸化器５では、ＣＯ選択酸化器用改質ガス５２に含まれる一酸化炭素を、発熱反応である下記（３）式に示すＣＯ選択酸化反応によりＣＯ選択酸化用空気３３中の酸素と反応させることによって二酸化炭素に変換し、ＣＯ選択酸化器用改質ガス５２中の一酸化炭素の濃度を数十ｐｐｍレベルまで低減させる。
【００１７】
（一酸化炭素の酸化反応）
ＣＯ ＋ １/２Ｏ２ → ＣＯ２ （３）
ＣＯ選択酸化器用空気３３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、発電用天然ガス４５の供給量）と流量制御弁１１の開度（すなわち、ＣＯ選択酸化器用空気３３の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１１の開度を制御することによって、発電用天然ガス４５の供給量に見合った値に設定する。
【００１８】
ＣＯ選択酸化器５でつくられた、一酸化炭素の濃度をｐｐｍオーダーに低減させた改質ガス２５中に含まれる未反応水蒸気は、凝縮器３９で１００℃以下に冷却することによって、凝縮水４１として回収する。この凝縮水４１は、水タンク９０に供給し、気化器１４に供給する水４４として再利用する。凝縮器３９で未反応水蒸気を凝縮させた後の改質ガス３８は、固体高分子形燃料電池セルスタック９の燃料極６に供給する。一方、空気供給用ブロワ１３で取り込んだ空気１８の一部を、高分子形燃料電池セルスタック用空気３２として、固体高分子形燃料電池セルスタック９の空気極８に供給する。固体高分子形燃料電池セルスタック９の発電温度は、６０〜８０℃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。固体高分子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、高分子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。
【００１９】
固体高分子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、未反応水蒸気を凝縮させた後の改質ガス３８中に含まれる水素の約８０％が、下記（４）式に示す燃料極反応により水素イオンと電子に変わる。
【００２０】
（燃料極反応）
Ｈ２ → ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− （４）
燃料極６で生成した水素イオンは、ナフィオン等のスルフォン酸基を有するフッ素系高分子から構成される固体高分子電解質７の内部を移動し、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。
【００２１】
固体高分子形燃料電池セルスタック９の空気極８では、白金系電極触煤の働きで、燃料極６から固体高分子電解質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８に供給された固体高分子形燃料電池セルスタック用空気３２中の酸素が、下記（５）式に示す空気極反応により反応し、水が生成する。
【００２２】
（空気極反応）
２Ｈ＋ ＋ １/２Ｏ２ ＋ ２ｅ− → Ｈ２Ｏ （５）
（４）式と（５）式をまとめると、固体高分子形燃料電池セルスタック９の電池反応は、下記（６）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。
【００２３】
（電池反応）
Ｈ２ ＋ １/２Ｏ２ → Ｈ２Ｏ （６）
固体高分子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装置２０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２３として負荷２１に供給する。なお、図１１の例では、出力調整装置２０で直流から交流への変換を行っているが、出力調整装置２０で電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷２１に供給してもよい。
【００２４】
未反応水蒸気を凝縮させた後の改質ガス３８は、固体高分子形燃料電池セルスタック９の燃料極６で水素の約８０％を（４）式に示した燃料極反応により消費した後に、固体高分子形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス１９として排出する。一方、固体高分子形燃料電池セルスタック用空気３２は、固体高分子形燃料電池セルスタック９の空気極８で酸素の一部を（５）式に示した空気極反応により消費した後に、固体高分子形燃料電池セルスタック空気極排出ガス１７として排出する。
【００２５】
固体高分子形燃料電池セルスタック９で（６）式に示した電池反応により生成した生成水４０は、凝縮水４１と同様に水タンク９０に供給し、気化器１４に供給する水４４として再利用する。固体高分子形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス１９は、約２０％の未反応水素を含んでいるので、前述したように改質器バーナ５３の燃料として用いる。
【００２６】
【発明が解決しようとする課題】
次に、前述したような従来の技術による燃料電池発電システムの問題点について説明する。図１１に示した従来の燃料電池発電システムでは、改質器３で発電用天然ガス４５に含まれる炭化水素の水蒸気改質反応を行わせるのに、固体高分子形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス１９を改質器バーナ５３に供給し燃焼させるだけでなく、改質器バーナ用天然ガス４９も改質器バーナ５３に供給し燃焼させる必要があった。また、固体高分子形燃料電池セルスタック９の発電温度が６０〜８０℃と低いために、１９０℃の発電温度を有するりん酸形燃料電池セルスタックを用いた場合のようにセルスタックの冷却過程で水蒸気を発生させることができないので、気化器１４を設け、改質器バーナ燃焼排出ガス２４と熱交換を行わせるとともに、気化器バーナ３５に供給した気化器バーナ用天然ガス４６を燃焼させることによって、外部から気化器１４に水４４の気化に必要な熱を供給し、改質器３での炭化水素の水蒸気改質に必要な水蒸気１６を発生させなければならなかった。このため、従来の燃料電池発電システムでは、送電端効率が低く、４０％未満であった。また、送電端効率が低いために、送電端出力も小さかった。
【００２７】
本発明の目的は、上記問題点を解決し、改質器と気化器でのエネルギー損失を低減することによってシステムの送電端効率を向上させるとともに、送電端出力を増加させた燃料電池発電システムを提供することにある。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明においては、請求項１に記載のように、
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とに変換する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に残存する一酸化炭素を酸素で酸化し二酸化炭素に変換するＣＯ選択酸化器と、前記ＣＯ選択酸化器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を有する燃料電池発電システムにおいて、前記改質器への前記燃料の供給量が増加した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの空気の供給量が減少するように制御され、前記改質器への前記燃料の供給量が減少した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの空気の供給量が増加するように制御されることを特徴とする燃料電池発電システムを構成する。
【００２９】
また、本発明においては、請求項２に記載のように、
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とに変換する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を有する燃料電池発電システムにおいて、前記改質器への前記燃料の供給量が増加した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの空気の供給量が減少するように制御され、前記改質器への前記燃料の供給量が減少した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの空気の供給量が増加するように制御されることを特徴とする燃料電池発電システムを構成する。
【００３０】
また、本発明においては、請求項３に記載のように、
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とに変換する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選択的に分離する水素分離器と、前記水素分離器で分離した前記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を有する燃料電池発電システムにおいて、前記改質器への前記燃料の供給量が増加した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの空気の供給量が減少するように制御され、前記改質器への前記燃料の供給量が減少した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの空気の供給量が増加するように制御されることを特徴とする燃料電池発電システムを構成する。
【００３１】
また、本発明においては、請求項４に記載のように、
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未反応燃料、未反応水素及び未反応一酸化炭素を酸素と燃焼反応させる燃焼器を有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。
【００３２】
また、本発明においては、請求項５に記載のように、
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未反応燃料、未反応水素及び未反応一酸化炭素と、前記第二の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の未反応燃料及び未反応水素、もしくは、未反応燃料、未反応水素及び未反応一酸化炭素とを酸素と燃焼反応させる燃焼器を有することを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池発電システムを構成する。
【００３３】
また、本発明においては、請求項６に記載のように、
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未反応燃料、未反応水素及び未反応一酸化炭素と、前記水素分離器における水素分離後の排出ガス中の未反応燃料及び水素を酸素と燃焼反応させる燃焼器を有することを特徴とする請求項３記載の燃料電池発電システムを構成する。
【００３４】
また、本発明においては、請求項７に記載のように、
前記燃焼器に供給される酸素含有ガスが前記第一の燃料電池セルスタックの空気極排出ガスであることを特徴とする請求項４、５または６記載の燃料電池発電システムを構成する。
【００３５】
また、本発明においては、請求項８に記載のように、
前記燃焼器に供給される酸素含有ガスが前記第二の燃料電池セルスタックの空気極排出ガスであることを特徴とする請求項４、５または６記載の燃料電池発電システムを構成する。
【００３６】
また、本発明においては、請求項９に記載のように、
前記燃焼器に供給される酸素含有ガスが前記第一の燃料電池セルスタックの空気極排出ガス及び前記第二の燃料電池セルスタックの空気極排出ガスであることを特徴とする請求項４、５または６記載の燃料電池発電システムを構成する。
【００３７】
また、本発明においては、請求項１０に記載のように、
前記燃焼器の排出ガスと熱交換させることによって、前記第一の燃料電池セルスタックの空気極に供給される酸素含有ガスを昇温する酸素含有ガス予熱器を有することを特徴とする請求項４、５、６、７、８または９記載の燃料電池発電システムを構成する。
【００３８】
また、本発明においては、請求項１１に記載のように、
前記燃焼器の排出ガスと熱交換させることによって、前記燃料を昇温する燃料予熱器を有することを特徴とする請求項４、５、６、７、８、９または１０記載の燃料電池発電システムを構成する。
【００３９】
また、本発明においては、請求項１２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固体高分子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、３、４、５、６、７、８、９、１０または１１記載の燃料電池発電システムを構成する。
【００４０】
また、本発明においては、請求項１３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２、３、４、５、７、８、９、１０または１１記載の燃料電池発電システムを構成する。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明による燃料電池発電システムの実施形態について説明する。以下に述べる実施形態では、固体酸化物形燃料電池セルスタックを第一の燃料電池セルスタックとし、固体高分子形燃料電池セルスタックを第二の燃料電池セルスタックとする。なお、りん酸形燃料電池セルスタックを第二の燃料電池セルスタックとすることも可能である。りん酸形燃料電池セルスタックを第二の燃料電池セルスタックとする場合には、下記実施形態におけるＣＯ選択酸化器は不要となり、ＣＯシフトコンバータから排出される改質ガスをそのまま第二の燃料電池セルスタックに燃料ガスとして供給してよい。
【００４２】
（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）を表す構成図を示している。図１において、前述した図１１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、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、５４は固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極、５５は固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の固体酸化物電解質、５６は固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の空気極、５８は固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気、６０は改質器リサイクル用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス、５９は改質器リサイクル用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６０の流量を制御する流量制御弁、６１は固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス、６２は固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の流量を制御する流量制御弁、６３は固体酸化物形燃料電池セルスタック空気極排出ガス、６４は排出用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス、７４及び７５は改質器４が排出する水素豊富（水素リッチ）な改質ガス２７の流量を制御する流量制御弁、８６は出力調整装置、８７は負荷、８８は燃料電池直流出力、８９は送電端交流出力である。
【００４３】
図１において、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５７が１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は前記単セルを複数積層することによって構成されている。なお、すでに述べたように、第二の燃料電池セルスタックである固体高分子形燃料電池セルスタック９も、同様に、単セルを複数積層することによって構成されている。
【００４４】
図１を用いて実施形態１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１１に示した従来の技術による燃料電池発電システムとは、図１に示したように、第二の燃料電池セルスタックである固体高分子形燃料電池セルスタック９以外に、第一の燃料電池セルスタックとして燃料極５４、固体酸化物電解質５５、及び空気極５６からなる単セルを複数積層した固体酸化物形燃料電池セルスタック５７を改質器３の近傍に設置し、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７で発電した燃料電池直流出力８８を出力調整装置８６で送電端交流出力８９に変換した後に負荷８７に供給する点が大きく異なる。
【００４５】
次に、本実施形態による燃料電池発電システムの作用について、図１を参照して説明する。発電用天然ガス４５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、発電用天然ガス４５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固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６０と混合した後に、水蒸気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固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス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、発電用天然ガス４５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固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス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、発電用天然ガス４５の供給量に見合った値に設定する。
【００４６】
改質器３では、充填された改質触媒の働きにより天然ガス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（水素リッチ）な改質ガス２７がつくられる。炭化水素の水蒸気改質反応は吸熱反応であるので、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℃に維持しなければならない。このため、後述する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の排熱を、炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として改質器３に供給する。
【００４７】
改質器３でつくられた水素リッチな改質ガス２７の一部は、ＣＯシフトコンバータ４に供給され、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への水素リッチな改質ガス２７の供給量は、予め設定された燃料電池直流出力２２の直流電流と流量制御弁７４の開度（すなわち、ＣＯシフトコンバータ４への水素リッチな改質ガス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の直流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への水素リッチな改質ガス２７の供給量は、予め設定した燃料電池直流出力８８の直流電流と流量制御弁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への水素リッチな改質ガス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の直流電流に見合った値に設定する。
【００４８】
固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の空気極５６には、空気供給用ブロワ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への水素リッチな改質ガス２７の供給量）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、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４への水素リッチな改質ガス２７の供給量に見合った値に設定する。同様に、固体高分子形燃料電池セルスタック９の空気極８への固体高分子形燃料電池セルスタック用空気３２の供給量は、予め設定した流量制御弁７４の開度（すなわち、ＣＯシフトコンバータ４への水素リッチな改質ガス２７の供給量）と流量制御弁１０の開度（すなわち、固体高分子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、ＣＯシフトコンバータ４への水素リッチな改質ガス２７の供給量に見合った値に設定する。
【００４９】
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煤の働きで、固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気５８中の酸素が下記（７）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。
【００５０】
（空気極反応）
１/２Ｏ２ ＋ ２ｅ− → Ｏ２− （７）
空気極５６で生成した酸素イオンは、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（８）式及び（９）式に示す燃料極反応により、燃料極５４に供給された水素リッチな改質ガス２７中の水素または一酸化炭素と反応し、水蒸気または二酸化炭素と電子とが生成する。
【００５１】
（燃料極反応）
Ｈ２ ＋ Ｏ２− → Ｈ２Ｏ ＋ ２ｅ− （８）
ＣＯ ＋ Ｏ２− → ＣＯ２ ＋ ２ｅ− （９）
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、（７）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。
【００５２】
（７）式と（８）式、及び（７）式と（９）式をまとめると、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の電池反応は、固体高分子形燃料電池セルスタック９の電池反応と同じ（６）式に示した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（１０）式に示す一酸化炭素と酸素から二酸化炭素が生成する電池反応として表すことができる。
【００５３】
（電池反応）
ＣＯ ＋ １/２Ｏ２ → ＣＯ２ （１０）
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装置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１の例では、出力調整装置８６で直流から交流への変換を行っているが、出力調整装置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。
【００５４】
固体酸化物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、固体酸化物燃料電池セルスタック５７の排熱は、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。実際、従来の固体酸化物形燃料電池発電システムでは、固体酸化物燃料電池セルスタック５７での電池反応による発熱量は多く、発電温度を維持するために、固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８を多量に固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の空気極５６に供給し、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の冷却を行っており、空気極５６での酸素利用率は２０％程度である。従って、発電用天然ガス４５の供給量に合わせて、固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の供給量を変化させ、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７から改質器３に供給する排熱量を制御することによって、改質器３で効率的に炭化水素の水蒸気改質反応を行わせることが可能である。すなわち、予め設定した流量制御弁３７の開度（すなわち、発電用天然ガス４５の供給量）と流量制御弁６２の開度の補正（すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の供給量の補正量）の関係に基づいて、発電用天然ガス４５の供給量が増加した場合には、流量制御弁６２の開度を小さくすることによって固体酸化物酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の供給量を減少させる制御を行い、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の発電温度を８００〜１０００℃に維持しながら、空気極５６での酸素利用率を上昇させるとともに、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７から改質器３に供給する排熱量を増やす。一方、発電用天然ガス４５の供給量が減少した場合には、流量制御弁６２の開度を大きくすることによって固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の供給量を増加させる制御を行い、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の発電温度を８００〜１０００℃に維持しながら、空気極５６での酸素利用率を低下させるとともに、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７から改質器３に供給する排熱量を減らす。
【００５５】
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固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６０としてリサイクルし、脱硫天然ガス２９と混合した水蒸気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。残りは、排出用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６４として排出する。この排出用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６４を、給湯、暖房、及び吸収式冷凍機による冷房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。また、固体酸化物形燃料電池セルスタック空気極排出ガス６３も、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。
【００５６】
図１に示した本発明の一実施形態では、図１１に示した従来例と比べて、固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６１中の水蒸気を炭化水素の水蒸気改質反応に利用するために、従来技術においては必要であった、水蒸気をつくる気化器１４（図１１に示す）が不要で水の気化に必要なエネルギーを削減することができ、また、改質器３での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の排熱を利用するために、炭化水素の水蒸気改質反応のために外部から新たに供給するエネルギーを削減することができるので、固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端効率を向上させることが可能である。さらに、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の排熱を改質器３での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ために、従来の固体酸化物形燃料電池発電システムと比較して、冷却に必要な固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の供給量を減少させることが可能で、固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の昇温に必要なエネルギーを削減することができるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の送電端効率を向上させることが可能である。このため、システム全体の送電端効率が向上するとともに、システム全体の送電端出力も増加する。
【００５７】
（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）を表す構成図を示している。図２において、前述した図１１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において、６８は水素分離器、６５は水素分離器６８によって分離された水素、６６は水素分離器６８における水素分離後の水素分離器排出ガス、６７は水素分離器排出ガス６６中の水分を凝縮させる凝縮器、６９は凝縮器６７によって水分含有量を低減された水素分離器乾燥排出ガス、７０はパージ弁、７１はパージガス、７２は燃料極水素排出ガス、７３は凝縮器６７から排出される凝縮水、９２は水素分離器用改質ガスである。
【００５８】
図２を用いて実施形態２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２に示したように、ＣＯ選択酸化器５と凝縮器３９の代わりに水素分離器６８と凝縮器６７を設けた点が大きく異なる。
【００５９】
次に、本実施形態による燃料電池発電システムの作用について、図２を参照して説明する。ＣＯシフトコンバータ４の排出ガスである、水素分離器用改質ガス９２は、パラジウム膜等の水素分離膜を有する水素分離器６８に供給され、水素６５が分離される。その際、効率的な水素分離を行うために、必要に応じて水素分離器用改質ガス９２の加圧を行う。水素６５は、固体高分子形燃料電池セルスタック９の燃料極６に供給され、空気３２中の酸素と電気化学的に反応することによって固体高分子形燃料電池セルスタック９の発電が行われる。未反応水素を含有する燃料極水素排出ガス７２は、固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端効率を向上させるために、すべて燃料極９にリサイクルして発電に利用する。しかし、燃料極水素排出ガス７２中には、水素以外の不純物が若干含まれるので、パージ弁７０を間欠的に開け、パージガス７１を放出する。水素分離器排出ガス６６は、凝縮器６７で凝縮水７３を凝縮させた後に、水素分離器乾燥排出ガス６９として排出する。
【００６０】
本実施形態においても、図１に示した実施形態１と同様に、図１１に示した従来例と比べて、固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６１中の水蒸気を炭化水素の水蒸気改質反応に利用するために、水蒸気をつくる気化器１４（図１１に示す）が不要で水の気化に必要なエネルギーを削減することができ、また、改質器３での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の排熱を利用するために、炭化水素の水蒸気改質反応のために外部から新たに供給するエネルギーを削減することができるので、固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端効率を向上させることが可能である。さらに、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の排熱を改質器３での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ために、従来の固体酸化物形燃料電池発電システムと比較して、冷却に必要な固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の供給量を減少させることが可能で、固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の昇温に必要なエネルギーを削減することができるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の送電端効率を向上させることが可能である。このため、システム全体の送電端効率が向上するとともに、システム全体の送電端出力も増加する。
【００６１】
（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）を表す構成図を示している。図３において、前述した図１１、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において、７６は燃焼器、７９は燃焼器用空気、７８は燃焼器排出ガス、７７は燃焼器用空気７９の流量を制御する流量制御弁である。
【００６２】
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、排出用固体酸化物燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６４と燃焼器用空気７９を供給して燃焼反応を行わせる燃焼器７６を設けた点が大きく異なる。
【００６３】
次に、本実施形態による燃料電池発電システムの作用について、図３を参照して説明する。排出用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６４を燃焼器７６に供給するとともに、空気供給用ブロワ１３で取り込んだ空気１８の一部を燃焼器用空気７９として燃焼器７６に供給し、排出用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス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７９中の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７８を生成させる。水素及び一酸化炭素の燃焼反応を、それぞれ、下記（１１）式及び（１２）式に示す。
【００６４】
（水素の燃焼反応）
Ｈ２ ＋ １/２Ｏ２ → Ｈ２Ｏ （１１)
（一酸化炭素の燃焼反応）
ＣＯ ＋ １/２Ｏ２ → ＣＯ２ （１２）
この高温の燃焼器排出ガス７８を給湯、暖房、及び吸収式冷凍機による冷房の熱源に利用することによって、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７９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への水素リッチな改質ガス２７の供給量）及び流量樹御弁５９の開度（すなわち、改質器リサイクル用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６０の供給量）と流量制御弁７７の開度（すなわち、燃焼器用空気７９の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁７７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への水素リッチな改質ガス２７の供給量と改質器リサイクル用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６０の供給量に見合った値に設定する。
【００６５】
本実施形態においても、図１に示した実施形態１と同様に、図１１に示した従来例と比べて、固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６１中の水蒸気を炭化水素の水蒸気改質反応に利用するために、水蒸気をつくる気化器１４が不要で水の気化に必要なエネルギーを削減することができ、また、改質器３での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の排熱を利用するために、炭化水素の水蒸気改質反応のために外部から新たに供給するエネルギーを削減することができるので、固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端効率を向上させることが可能である。さらに、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の排熱を改質器３での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ために、従来の固体酸化物形燃料電池発電システムと比較して、冷却に必要な固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の供給量を減少させることが可能で、固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の昇温に必要なエネルギーを削減することができるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の送電端効率を向上させることが可能である。このため、システム全体の送電端効率が向上するとともに、システム全体の送電端出力も増加する。
【００６６】
（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）を表す構成図を示している。図４において、前述した図１１、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。
【００６７】
図４を用いて実施形態４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４に示したように、排出用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６４、固体高分子形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス１９、及び燃焼器用空気７９を供給して燃焼反応を行わせる燃焼器７６を設けた点が大きく異なる。
【００６８】
次に、本実施形態による燃料電池発電システムの作用について、図４を参照して説明する。排出用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６４、固体高分子形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス１９、及び燃焼用空気７９を燃焼器７６に供給し、排出用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６４中の未反応燃料、未反応水素、及び未反応一酸化炭素と、固体高分子形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス１９中の未反応燃料及び未反応水素を、燃焼器用空気７９中の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７８を生成させる。
【００６９】
この高温の燃焼器排出ガス７８を給湯、暖房、及び吸収式冷凍機による冷房の熱源に利用することによって、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７９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への水素リッチな改質ガス２７の供給量）、流量制御弁５９の開度（すなわち、改質器リサイクル用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６０の供給量）、及び流量制御弁７４の開度（すなわち、ＣＯシフトコンバータ４への水素リッチな改質ガス２７の供給量）と流量制御弁７７の開度（すなわち、燃焼器用空気７９の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁７７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への水素リッチな改質ガス２７の供給量、改質器リサイクル用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６０の供給量、及びＣＯシフトコンバータ４への水素リッチな改質ガス２７の供給量に見合った値に設定する。
【００７０】
本実施形態においても、図１に示した実施形態１と同様に、図１１に示した従来例と比べて、固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６１中の水蒸気を炭化水素の水蒸気改質反応に利用するために、水蒸気をつくる気化器１４が不要で水の気化に必要なエネルギーを削減することができ、また、改質器３での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の排熱を利用するために、炭化水素の水蒸気改質反応のために外部から新たに供給するエネルギーを削減することができるので、固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端効率を向上させることが可能である。さらに、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の排熱を改質器３での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ために、従来の固体酸化物形燃料電池発電システムと比較して、冷却に必要な固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の供給量を減少させることが可能で、固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の昇温に必要なエネルギーを削減することができるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の送電端効率を向上させることが可能である。このため、システム全体の送電端効率が向上するとともに、システム全体の送電端出力も増加する。
【００７１】
（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）を表す構成図を示している。図５において、前述した図１１、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。
【００７２】
図５を用いて実施形態５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２に示した実施形態２とは、図５に示したように、凝縮器６７を削除し、排出用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６４、水素分離器６８において水素を分離された後の水素分離器排出ガス６６、及び燃焼器用空気７９を供給して燃焼反応を行わせる燃焼器７６を設けた点が大きく異なる。
【００７３】
次に、本実施形態による燃料電池発電システムの作用について、図５を参照して説明する。排出用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６４、水素分離器排出ガス６６、及び燃焼器用空気７９を燃焼器７６に供給し、排出用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６４中の未反応燃料、未反応水素、及び未反応一酸化炭素と、水素分離器排出ガス６６中の未反応燃料及び水素を、燃焼器用空気７９中の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７８を生成させる。
【００７４】
この高温の燃焼器排出ガス７８を給湯、暖房、及び吸収式冷凍機による冷房の熱源に利用することによって、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７９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への水素リッチな改質ガス２７の供給量）、流量制御弁５９の開度（すなわち、改質器リサイクル用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６０の供給量）、及び流量制御弁７４の開度（すなわち、ＣＯシフトコンバータ４への水素リッチな改質ガス２７の供給量）と流量制御弁７７の開度（すなわち、燃焼器用空気７９の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁７７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への水素リッチな改質ガス２７の供給量、改質器リサイクル用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６０の供給量、及びＣＯシフトコンバータ４への水素リッチな改質ガス２７の供給量に見合った値に設定する。
【００７５】
本実施形態においても、図１に示した実施形態１と同様に、図１１に示した従来例と比べて、固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６１中の水蒸気を炭化水素の水蒸気改質反応に利用するために、水蒸気をつくる気化器１４が不要で水の気化に必要なエネルギーを削減することができ、また、改質器３での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の排熱を利用するために、炭化水素の水蒸気改質反応のために外部から新たに供給するエネルギーを削減することができるので、固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端効率を向上させることが可能である。さらに、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の排熱を改質器３での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ために、従来の固体酸化物形燃料電池セルスタックを用いた燃料電池システムと比較して、冷却に必要な固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の供給量を減少させることが可能で、固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の昇温に必要なエネルギーを削減することができるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の送電端効率を向上させることが可能である。このため、システム全体の送電端効率が向上するとともに、システム全体の送電端出力も増加する。
【００７６】
（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）を表す構成図を示している。図６において、前述した図１１、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。
【００７７】
図６を用いて実施形態６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６に示したように、排出用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６４と、酸素含有ガスとして固体酸化物形燃料電池セルスタック空気極排出ガス６３とを供給して燃焼反応を行わせる燃焼器７６を設けた点が大きく異なる。
【００７８】
次に、本実施形態による燃料電池発電システムの作用について、図６を参照して説明する。排出用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６４と固体酸化物形燃料電池セルスタック空気極排出ガス６３を燃焼器７６に供給し、排出用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス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空気極排出ガス６３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７８を生成させる。この高温の燃焼器排出ガス７８を給湯、暖房、及び吸収式冷凍機による冷房の熱源に利用することによって、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。
【００７９】
本実施形態においても、図１に示した実施形態１と同様に、図１１に示した従来例と比べて、固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６１中の水蒸気を炭化水素の水蒸気改質反応に利用するために、水蒸気をつくる気化器１４が不要で水の気化に必要なエネルギーを削減することができ、また、改質器３での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の排熱を利用するために、炭化水素の水蒸気改質反応のために外部から新たに供給するエネルギーを削減することができるので、固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端効率を向上させることが可能である。さらに、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の排熱を改質器３での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ために、従来の固体酸化物形燃料電池発電システムと比較して、冷却に必要な固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の供給量を減少させることが可能で、固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の昇温に必要なエネルギーを削減することができるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の送電端効率を向上させることが可能である。このため、システム全体の送電端効率が向上するとともに、システム全体の送電端出力も増加する。
【００８０】
本実施形態は、燃焼器用空気７９に代えて固体酸化物形燃料電池セルスタック空気極排出ガス６３を用いるという変更を実施形態３に施したものであるが、これと同じ変更を実施形態４及び実施形態５に施しても、本実施形態と同様の効果が現われる。
【００８１】
（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）を表す構成図を示している。図７において、前述した図１１、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。
【００８２】
図７を用いて実施形態７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７に示したように、排出用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６４と、酸素含有ガスとして固体高分子形燃料電池セルスタック空気極排出ガス１７とを供給して燃焼反応を行わせる燃焼器７６を設けた点が大きく異なる。
【００８３】
次に、本実施形態による燃料電池発電システムの作用について、図７を参照して説明する。排出用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６４と固体高分子形燃料電池セルスタック空気極排出ガス１７を燃焼器７６に供給し、排出用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６４中の未反応燃料、未反応水素、及び未反応一酸化炭素を、固体高分子形燃料電池セルスタック空気極排出ガス１７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７８を生成させる。この高温の燃焼器排出ガス７８を給湯、暖房、及び吸収式冷凍機による冷房の熱源に利用することによって、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。
【００８４】
本実施形態においても、図１に示した実施形態１と同様に、図１１に示した従来例と比べて、固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６１中の水蒸気を炭化水素の水蒸気改質反応に利用するために、水蒸気をつくる気化器１４が不要で水の気化に必要なエネルギーを削減することができ、また、改質器３での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の排熱を利用するために、炭化水素の水蒸気改質反応のために外部から供給するエネルギーを削減することができるので、固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端効率を向上させることが可能である。さらに、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の排熱を改質器３での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ために、従来の固体酸化物形燃料電池発電システムと比較して、冷却に必要な固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の供給量を減少させることが可能で、固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の昇温に必要なエネルギーを削減することができるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の送電端効率を向上させることが可能である。このため、システム全体の送電端効率が向上するとともに、システム全体の送電端出力も増加する。
【００８５】
本実施形態は、燃焼器用空気７９に代えて固体高分子形燃料電池セルスタック空気極排出ガス１７を用いるという変更を実施形態３に施したものであるが、これと同じ変更を実施形態４及び実施形態５に施しても、本実施形態と同様の効果が現われる。
【００８６】
（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）を表す構成図を示している。図８において、前述した図１１、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。
【００８７】
図８を用いて実施形態８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８に示したように、排出用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６４と、酸素含有ガスとして固体酸化物形燃料電池セルスタック空気極排出ガス６３及び固体高分子形燃料電池セルスタック空気極排出ガス１７とを供給して燃焼反応を行わせる燃焼器７６を設けた点が大きく異なる。
【００８８】
次に、本実施形態による燃料電池発電システムの作用について、図８を参照して説明する。排出用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６４、固体酸化物形燃料電池セルスタック空気極排出ガス６３、及び固体高分子形燃料電池セルスタック空気極排出ガス１７を燃焼器７６に供給し、排出用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス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空気極排出ガス６３中及び固体高分子形燃料電池セルスタック空気極排出ガス１７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７８を生成させる。この高温の燃焼器排出ガス７８を給湯、暖房、及び吸収式冷凍機による冷房の熱源に利用することによって、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。
【００８９】
本実施形態においても、図１に示した実施形態１と同様に、図１１に示した従来例と比べて、固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６１中の水蒸気を炭化水素の水蒸気改質反応に利用するために、水蒸気をつくる気化器１４が不要で水の気化に必要なエネルギーを削減することができ、また、改質器３での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の排熱を利用するために、炭化水素の水蒸気改質反応のために外部から新たに供給するエネルギーを削減することができるので、固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端効率を向上させることが可能である。さらに、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の排熱を改質器３での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ために、従来の固体酸化物形燃料電池発電システムと比較して、冷却に必要な固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の供給量を減少させることが可能で、固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の昇温に必要なエネルギーを削減することができるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の送電端効率を向上させることが可能である。このため、システム全体の送電端効率が向上するとともに、システム全体の送電端出力も増加する。
【００９０】
本実施形態は、燃焼器用空気７９に代えて固体酸化物形燃料電池セルスタック空気極排出ガス６３及び固体高分子形燃料電池セルスタック空気極排出ガス１７を用いるという変更を実施形態３に施したものであるが、これと同じ変更を実施形態４及び実施形態５に施しても、本実施形態と同様の効果が現われる。
【００９１】
（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）を表す構成図を示している。図９において、前述した図１１、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において、８０は固体酸化物燃料電池セルスタック用空気予熱器、８２は固体酸化物形燃料電池セルスタック空気予熱器８０によって昇温された固体酸化物燃料電池セルスタック用空気、８４は固体酸化物形燃料電池セルスタック空気予熱器８０の排出ガスである。
【００９２】
図９を用いて実施形態９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９に示したように、排出用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６４と固体酸化物形燃料電池セルスタック空気極排出ガス６３を供給して燃焼反応を行わせる燃焼器７６と、燃焼器排出ガス７８と固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８を供給し、熱交換させることにより固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の昇温を行う固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気予熱器８０を設けた点が大きく異なる。
【００９３】
次に、本実施形態による燃料電池発電システムの作用について、図９を参照して説明する。固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気予熱器８０で、高温の燃焼器排出ガス７８と固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８を熱交換させることによって、第一の燃料電池セルスタックの空気極に供給される酸素含有ガスである固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８を昇温する。昇温された固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気８２は、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の空気極５６に供給し、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の発電に用いる。固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気予熱器８０で固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８と熱交換を行った燃焼器排出ガス７８は排出ガス８４として排出する。
【００９４】
本実施形態においても、図１に示した実施形態１と同様に、図１１に示した従来例と比べて、固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６１中の水蒸気を炭化水素の水蒸気改質反応に利用するために、水蒸気をつくる気化器１４が不要で水の気化に必要なエネルギーを削減することができ、また、改質器３での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の排熱を利用するために、炭化水素の水蒸気改質反応のために外部から新たに供給するエネルギーを削減することができるので、固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端効率を向上させることが可能である。さらに、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の排熱を改質器３での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ために、従来の固体酸化物形燃料電池発電システムと比較して、冷却に必要な固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の供給量を減少させることが可能であり、また、燃焼器排出ガス７８を用いて固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の昇温を行うために、固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の昇温に必要なエネルギーを削減することができるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の送電端効率を向上させることが可能である。このため、システム全体の送電端効率が向上するとともに、システム全体の送電端出力も増加する。
【００９５】
本実施形態は、燃焼器排出ガス７８と、第一の燃料電池セルスタックの空気極に供給される酸素含有ガスである固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８とを熱交換させる固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気予熱器８０を新たに設けるという変更を実施形態６に施したものであるが、これと同じ変更を実施形態３、実施形態４、実施形態５、実施形態７、及び実施形態８に施しても、本実施形態と同様の効果が現われる。
【００９６】
（実施形態１０）
図１０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１０とする）を表す構成図を示している。図１０において、前述した図１１、図１、図２、図３、図４、図５、図６、図７、図８、及び図９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１０において、８１は燃料予熱器、８３は燃料予熱器８１によって昇温された脱硫天然ガス、８５は燃料予熱器８１の排出ガスである。
【００９７】
図１０を用いて、実施形態１０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１０に示したように、排出用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６４と固体酸化物形燃料電池セルスタック空気極排出ガス６３を供給して燃焼反応を行わせる燃焼器７６と、燃焼器排出ガス７８と、第一の燃料電池セルスタックの空気極に供給される酸素含有ガスである固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８とを供給し、熱交換させることにより固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の昇温を行う固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気予熱器８０と、燃焼器排出ガス７８と燃料である脱硫天然ガス２９を供給し、熱交換させることによって燃料である脱硫天然ガス２９の昇温を行う燃料予熱器８１を設けた点が大きく異なる。
【００９８】
次に、本実施形態による燃料電池発電システムの作用について、図１０を参照して説明する。固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気予熱器８０で、高温の燃焼器排出ガス７８の一部と固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８を熱交換させることによって、固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８を昇温する。昇温された固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気８２は、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の空気極５６に供給し、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の発電に用いる。固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気予熱器８０で固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８と熱交換を行った燃焼器排出ガス７８は、排出ガス８４として排出する。
【００９９】
また、燃料予熱器８１で、高温の燃焼器排出ガス７８の残りと脱硫天然ガス２９を熱交換させることによって、脱硫天然ガス２９を昇温する。昇温された脱硫天然ガス８３は、改質器リサイクル用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６０と混合し、水蒸気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。燃料予熱器８１で脱硫天然ガス２９と熱交換を行った燃焼器排出ガス７８は、排出ガス８５として排出する。
【０１００】
本実施形態においても、図１に示した実施形態１と同様に、図１１に示した従来例と比べて、固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６１中の水蒸気を炭化水素の水蒸気改質反応に利用するために、水蒸気をつくる気化器１４が不要で水の気化に必要なエネルギーを削減することができ、また、改質器３での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の排熱を利用するために、炭化水素の水蒸気改質反応のために外部から新たに供給するエネルギーを削減することができるので、固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端効率を向上させることが可能である。さらに、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の排熱を改質器３での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ために、従来の固体酸化物形燃料電池発電システムと比較して、冷却に必要な固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の供給量を減少させることが可能であり、また、燃焼器排出ガス７８を用いて固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の昇温を行うために、固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の昇温に必要なエネルギーを削減することができるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の送電端効率を向上させることが可能である。この他に、燃焼器排出ガス７８を用いて燃料である脱硫天然ガス２９の昇温を行うので、燃料である脱硫天然ガス２９の昇温に必要なエネルギーも削減することができ、システム全体の送電端効率をさらに向上させることが可能である。このため、システム全体の送電端効率が向上するとともに、システム全体の送電端出力も増加する。
【０１０１】
本実施形態は、燃焼器排出ガス７８と固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８を熱交換させる固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気予熱器８０及び燃焼器排出ガス７８と脱硫天然ガス２９を熱交換させる燃料予熱器８１を新たに設けるという変更を実施形態６に施したものであるが、これと同じ変更を実施形態３、実施形態４、実施形態５、実施形態７、及び実施形態８に施しても、本実施形態と同様の効果が現われる。
【０１０２】
なお、図１、図２、図３、図４、図５、図６、図７、図８、図９、及び図１０に示した本発明の実施形態では、改質器３は１個であるが、天然ガス中の炭素数が２個以上の比較的低温で熱分解が起こり易い炭化水素の水蒸気改質反応を主に行わせる第一段目のプレ改質器と、熱分解が起こりにくいメタンの水蒸気改質反応を主に行わせる第二段目のスタック改質器の２個の改質器を用いることも可能である。
【０１０３】
以上説明したように本発明によれば、第一の燃料電池セルスタックからの排熱と第一の燃料電池セルスタックでの電池反応により生成した水蒸気を利用して改質器で燃料の水蒸気改質を行い、得られた水素リッチな改質ガスを第一の燃料電池セルスタックと第二の燃料電池セルスタックに供給し発電を行うことが可能で、システムの送電端効率が向上するとともに、システムの送電端出力も増加した燃料電池発電システムを提供できる。
【０１０４】
【発明の効果】
本発明の実施によって、改質器と気化器でのエネルギー損失を低減することによってシステムの送電端効率を向上させるとともに、送電端出力を増加させた燃料電池発電システムを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料電池発電システムの一実施形態を示す構成図である。
【図２】本発明による燃料電池発電システムの他の一実施形態を示す構成図である。
【図３】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を示す構成図である。
【図４】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を示す構成図である。
【図５】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を示す構成図である。
【図６】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を示す構成図である。
【図７】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を示す構成図である。
【図８】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を示す構成図である。
【図９】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を示す構成図である。
【図１０】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を示す構成図である。
【図１１】従来の技術による燃料電池発電システムを示す構成図である。
【符号の説明】
１…天然ガス、２…脱硫器、３…改質器、４…ＣＯシフトコンバータ、５…ＣＯ選択酸化器、６…燃料極、７…固体高分子電解質、８…空気極、９…固体高分子形燃料電池セルスタック、１０、１１、１２…流量制御弁、１３…空気供給用ブロワ、１４…気化器、１５…気化器用ポンプ、１６…水蒸気、１７…固体高分子形燃料電池セルスタック空気極排出ガス、１８…空気、１９…固体高分子形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス、２０…出力調整装置、２１…負荷、２２…燃料電池直流出力、２３…送電端交流出力、２４…改質器バーナ燃焼排出ガス、２５…一酸化炭素の濃度をｐｐｍオーダーに低減させた改質ガス、２６…一酸化炭素の濃度を１％以下に低減させた改質ガス、２７…水素リッチな改質ガス、２８…水蒸気と脱硫天然ガスの混合ガス、２９…脱硫天然ガス、３０…流量制御弁、３１…気化器バーナ用空気、３２…固体高分子形燃料電池セルスタック用空気、３３…ＣＯ選択酸化器用空気、３４…改質器バーナ用空気、３５…気化器バーナ、３６…気化器バーナ燃焼排出ガス、３７…流量制御弁、３８…未反応水蒸気を凝縮させた後の改質ガス、３９…凝縮器、４０…電池反応による生成水、４１…凝縮水、４２…補給水ポンプ、４３…補給水、４４…水、４５…発電用天然ガス、４６…気化器バーナ用天然ガス、４７、４８…流量制御弁、４９…改質器バーナ用天然ガス、５０…脱硫器リサイクル用改質ガス、５１…流量制御弁、５２…ＣＯ選択酸化器用改質ガス、５３…改質器バーナ、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固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス、６１…固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス、６２…流量制御弁、６３…固体酸化物形燃料電池セルスタック空気極排出ガス、６４…排出用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス、６５…水素、６６…水素分離器排出ガス、６７…凝縮器、６８…水素分離器、６９…水素分離器乾燥排出ガス、７０…パージ弁、７１…パージガス、７２…燃料極水素排出ガス、７３…凝縮水、７４、７５…流量制御弁、７６…燃焼器、７７…流量制御弁、７８…燃焼器排出ガス、７９…燃焼器用空気、８０…固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気予熱器、８１…燃料予熱器、８２…昇温された固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気、８３…昇温された脱硫天然ガス、８４、８５…排出ガス、８６…出力調整装置、８７…負荷、８８…燃料電池直流出力、８９…送電端交流出力、９０…水タンク、９１…排出ガス、９２…水素分離器用改質ガス、９３…流量制御弁。
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
【非特許文献】
「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)」
図１１は、上記非特許文献に記載の燃料電池発電システムの従来例として、天然ガスを燃料とした固体高分子形燃料電池システムの構成を示している。すなわち、この従来技術による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、改質器バーナ５３、ＣＯシフトコンバータ４、ＣＯ選択酸化器５、凝縮器３９、固体高分子形燃料電池セルスタック９、出力調整装置２０、気化器１４、気化器バーナ３５、水タンク９０、流量制御弁（１０、１１、１２等）、補給水ポンプ４２、空気供給用ブロワ１３、及び配管類である。
【０００３】
図１１において、１は燃料である天然ガス、２は天然ガス１中の硫黄成分を除去する脱硫器、３は燃料の水蒸気改質反応を行わせる改質器、４は水蒸気改質反応によって生成する一酸化炭素（ＣＯ）を水性シフト反応によって二酸化炭素に変換し、水素を得るＣＯシフトコンバータ、５は水性シフト反応後に残存する一酸化炭素を酸化して二酸化炭素とするＣＯ選択酸化器、９は固体高分子形燃料電池セルスタック、６は固体高分子形燃料電池セルスタック９の燃料極、７は固体高分子形燃料電池セルスタック９の固体高分子電解質、８は固体高分子形燃料電池セルスタック９の空気極、１０、１１、及び１２は空気供給用ブロワ１３からの空気１８の流量を制御する流量制御弁、１３は空気供給用ブロワ、１４は水蒸気改質反応に使われる水蒸気を発生させる気化器、１５は気化器用ポンプ、１６は気化器１４で発生する水蒸気、１７は固体高分子形燃料電池セルスタック空気極排出ガス、１８は空気供給用ブロワ１３からの空気、１９は固体高分子形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス、２０は出力調整装置、２１は負荷、２２は燃料電池直流出力、２３は送電端交流出力、２４は改質器バーナ燃焼排出ガス、２５はＣＯ選択酸化器５の排出ガスである、一酸化炭素の濃度をｐｐｍオーダーに低減させた改質ガス、２６はＣＯシフトコンバータ４の排出ガスである、一酸化炭素の濃度を１％以下に低減させた改質ガス、２７は改質器３の排出ガスである、水素豊富（水素リッチ）な改質ガス、２８は水蒸気と脱硫天然ガスの混合ガス、２９は脱硫器２の排出ガスである脱硫天然ガス、３０は空気供給用ブロワ１３からの空気１８の流量を制御する流量制御弁、３１は気化器バーナ用空気、３２は固体高分子形燃料電池セルスタック用空気、３３はＣＯ選択酸化器用空気、３４は改質器バーナ用空気、３５は気化器バーナ、３６は気化器バーナ燃焼排出ガス、３７は天然ガス１の流量を制御する流量制御弁、３９はＣＯ選択酸化器５の排出ガスである改質ガス２５中の水分を凝縮させる凝縮器、３８は凝縮器３９で未反応水蒸気を凝縮させた後の改質ガス、４０は固体高分子形燃料電池セルスタック９での電池反応による生成水、４１は凝縮器３９で生じた凝縮水、４２は補給水ポンプ、４３は補給水、４４は気化器１４に供給される水、４５は脱硫器２に供給される発電用天然ガス、４６は気化器バーナ用天然ガス、４７及び４８は天然ガス１の流量を制御する流量制御弁、４９は改質器バーナ用天然ガス、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の流量を制御する流量制御弁、５２はＣＯ選択酸化器用改質ガス、５３は改質器バーナ、９０は水タンク、９１は気化器１４からの排出ガス、９３は気化器１４からの水蒸気１６の流量を制御する流量制御弁である。
【０００４】
上記「水素豊富（水素リッチ）」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。
【０００５】
図１１において、固体高分子形燃料電池セルスタック９が１組の燃料極６、固体高分子電解質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、燃料電池セルスタック９は前記単セルを複数積層することによって構成されている。
【０００６】
以下、図１１を用いて、この従来技術による燃料電池発電システムの作用について説明する。燃料の天然ガス１は、発電用天然ガス４５、気化器バーナ用天然ガス４６、及び改質器バーナ用天然ガス４９として、それぞれ脱硫器２、気化器バーナ３５、及び改質器バーナ５３に供給する。発電用天然ガス４５の供給量は、予め設定された燃料電池直流出力２２の電池電流及び改質器３の温度（改質器温度）と流量制御弁３７の開度（すなわち、発電用天然ガス４５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の電池電流と改質器温度に見合った値に設定する。
【０００７】
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の改質触媒と固体高分子形燃料電池セルスタック９の燃料極６での電極触媒の劣化原因となる発電用天然ガス４５中のメルカプタン等の腐臭剤に含まれる硫黄分を水添脱硫により除去する。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て硫化亜鉛を生成させることによって、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、水素リッチな、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、発電用天然ガス４５の供給量）と流量制御弁５１の開度（すなわち、脱硫器リサクル用改質ガス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、発電用天然ガス４５の供給量と見合った値に設定する。水添脱硫反応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。
【０００８】
脱硫器２で硫黄分が除去された脱硫天然ガス２９は、気化器１４から供給された水蒸気１６と混合し、水蒸気と脱硫天然ガスの混合ガス２８として、改質触媒であるニッケル系触媒やルテニウム系触媒が充填された改質器３に供給する。脱硫天然ガス２９と混合する水蒸気１６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、発電用天然ガス４５の供給量）と流量制御弁９３の開度（すなわち、水蒸気１６の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁９３の開度を制御することによって、予め設定された所定のスチームカーボン比（水蒸気対天然ガス中炭素比）となるように設定する。
【０００９】
気化器１４では、水タンク９０から気化器用ポンプ１５で供給した水４４を気化させる。水４４の気化に必要な熱は、後述する高温の改質器バーナ燃焼排出ガス２４を気化器１４に供給し、水４４と熱交換させることによって供給する。水４４と気化器１４で熱交換を行った改質器バーナ燃焼排出ガス２４は、排出ガス９１として排出する。気化器１４での水４４の気化に必要な熱の供給が、改質器バーナ燃焼排出ガス２４との熱交換だけでは不足する場合には、天然ガス１を気化器バーナ用天然ガス４６として気化器バーナ３５に供給し、同様に空気供給用ブロア１３で取り込んだ空気１８の一部を気化器バーナ用空気３１として気化器バーナ３５に供給し、両者を燃焼反応させることによって、気化器１４にさらに熱を供給する。気化器バーナ３５に供給する気化器バーナ用天然ガス４６の供給量は、予め設定された気化器１４の温度と流量制御弁４７の開度（すなわち、気化器バーナ用天然ガス４６の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁４７の開度を制御することによって設定する。また、気化器バーナ３５に供給する気化器バーナ用空気３１の供給量は、予め設定された流量制御弁４７の開度（すなわち、気化器バーナ用天然ガス４６の供給量）と流量制御弁３０の開度（すなわち、気化器バーナ用空気３１の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁３０の開度を制御することによって、予め設定された所定の空燃比（空気対燃料比）となるように設定する。
【００１０】
水タンク９０には、後述する凝縮器３９で凝縮させた凝縮水４１と後述する固体高分子形燃料電池セルスタック９で電池反応により生成した生成水４０を供給する。これだけでは水タンク９０の水が不足する場合には、必要に応じて補給水ポンプ４２を作動させ、補給水４３を水タンク９０に供給する。
【００１１】
改質器３では、充填された改質触媒の働きにより天然ガス１に含まれる炭化水素の水蒸気改質反応が行われ、水素リッチな改質ガス２７がつくられる。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。
【００１２】
（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るので、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℃に維持しなければならない。このため、後述する約２０％の未反応水素を含む固体高分子形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス１９を改質器バーナ５３に供給し、同様に空気供給用ブロワ１３で取り込んだ空気１８の一部を改質器バーナ５３に供給した改質器バーナ用空気３４と燃焼反応させることによって、改質器３に水蒸気改質反応に必要な反応熱を供給する。改質器バーナ５３に供給する改質器バーナ用空気３４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、発電用天然ガス４５の供給量）と流量制御弁１２の開度（すなわち、改質器バーナ用空気３４の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１２の開度を制御することによって、予め設定された所定の空燃比となるように設定する。
【００１３】
改質器３での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱の供給が、改質器バーナ５３での固体高分子形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス１９の燃焼だけでは不足する場合には、天然ガス１を改質器バーナ用天然ガス４９として改質器バーナ５３に供給し、改質器バーナ用空気３４と燃焼反応させることによって、改質器３にさらに熱を供給する。改質器バーナ５３に供給する改質器バーナ用天然ガス４９の供給量は、予め設定された改質器３の温度と流量制御弁４８の開度（すなわち、改質器バーナ用天然ガス４９の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁４８の開度を制御することによって、改質器３の温度に見合った値に設定する。また、改質器バーナ５３に供給する改質器バーナ用空気３４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、発電用天然ガス４５の供給量）及び流量制御弁４８の開度（すなわち、改質器バーナ用天然ガス４９の供給量）と流量制御弁１２の開度（すなわち、改質器バーナ用空気３４の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１２の開度を制御することによって、予め設定された所定の空燃比となるように設定する。
【００１４】
改質器３の排出ガスである水素リッチな改質ガス２７中には、固体高分子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、水素リッチな改質ガス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（２）式に示す水性シフト反応を行わせることによって、水素リッチな改質ガス２７中に含まれる一酸化炭素の濃度を１％以下まで低減させる。
【００１５】
（水性シフト反応）
ＣＯ ＋ Ｈ２Ｏ → ＣＯ２ ＋ Ｈ２ （２）
この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の水添脱硫反応と硫化亜鉛の生成反応の反応熱として利用する。
【００１６】
ＣＯシフトコンバータ４でつくられた、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、一酸化炭素の濃度が１００ｐｐｍ以上であると固体高分子形燃料電池セルスタック９の燃料極６に供給した場合に電極触媒の劣化原因となるので、一酸化炭素の濃度を数十ｐｐｍレベルまで低減させるために、ＣＯ選択酸化器用改質ガス５２として、白金、ルテニウム等の貴金属系触媒がＣＯ選択酸化触媒として充填されたＣＯ選択酸化器５に供給する。また、空気供給用ブロワ１３で取り込んだ空気１８の一部を、ＣＯ選択酸化器用空気３３としてＣＯ選択酸化器５に供給する。ＣＯ選択酸化器５では、ＣＯ選択酸化器用改質ガス５２に含まれる一酸化炭素を、発熱反応である下記（３）式に示すＣＯ選択酸化反応によりＣＯ選択酸化用空気３３中の酸素と反応させることによって二酸化炭素に変換し、ＣＯ選択酸化器用改質ガス５２中の一酸化炭素の濃度を数十ｐｐｍレベルまで低減させる。
【００１７】
（一酸化炭素の酸化反応）
ＣＯ ＋ １/２Ｏ２ → ＣＯ２ （３）
ＣＯ選択酸化器用空気３３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、発電用天然ガス４５の供給量）と流量制御弁１１の開度（すなわち、ＣＯ選択酸化器用空気３３の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１１の開度を制御することによって、発電用天然ガス４５の供給量に見合った値に設定する。
【００１８】
ＣＯ選択酸化器５でつくられた、一酸化炭素の濃度をｐｐｍオーダーに低減させた改質ガス２５中に含まれる未反応水蒸気は、凝縮器３９で１００℃以下に冷却することによって、凝縮水４１として回収する。この凝縮水４１は、水タンク９０に供給し、気化器１４に供給する水４４として再利用する。凝縮器３９で未反応水蒸気を凝縮させた後の改質ガス３８は、固体高分子形燃料電池セルスタック９の燃料極６に供給する。一方、空気供給用ブロワ１３で取り込んだ空気１８の一部を、高分子形燃料電池セルスタック用空気３２として、固体高分子形燃料電池セルスタック９の空気極８に供給する。固体高分子形燃料電池セルスタック９の発電温度は、６０〜８０℃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。固体高分子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、高分子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。
【００１９】
固体高分子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、未反応水蒸気を凝縮させた後の改質ガス３８中に含まれる水素の約８０％が、下記（４）式に示す燃料極反応により水素イオンと電子に変わる。
【００２０】
（燃料極反応）
Ｈ２ → ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− （４）
燃料極６で生成した水素イオンは、ナフィオン等のスルフォン酸基を有するフッ素系高分子から構成される固体高分子電解質７の内部を移動し、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。
【００２１】
固体高分子形燃料電池セルスタック９の空気極８では、白金系電極触煤の働きで、燃料極６から固体高分子電解質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８に供給された固体高分子形燃料電池セルスタック用空気３２中の酸素が、下記（５）式に示す空気極反応により反応し、水が生成する。
【００２２】
（空気極反応）
２Ｈ＋ ＋ １/２Ｏ２ ＋ ２ｅ− → Ｈ２Ｏ （５）
（４）式と（５）式をまとめると、固体高分子形燃料電池セルスタック９の電池反応は、下記（６）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。
【００２３】
（電池反応）
Ｈ２ ＋ １/２Ｏ２ → Ｈ２Ｏ （６）
固体高分子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装置２０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２３として負荷２１に供給する。なお、図１１の例では、出力調整装置２０で直流から交流への変換を行っているが、出力調整装置２０で電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷２１に供給してもよい。
【００２４】
未反応水蒸気を凝縮させた後の改質ガス３８は、固体高分子形燃料電池セルスタック９の燃料極６で水素の約８０％を（４）式に示した燃料極反応により消費した後に、固体高分子形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス１９として排出する。一方、固体高分子形燃料電池セルスタック用空気３２は、固体高分子形燃料電池セルスタック９の空気極８で酸素の一部を（５）式に示した空気極反応により消費した後に、固体高分子形燃料電池セルスタック空気極排出ガス１７として排出する。
【００２５】
固体高分子形燃料電池セルスタック９で（６）式に示した電池反応により生成した生成水４０は、凝縮水４１と同様に水タンク９０に供給し、気化器１４に供給する水４４として再利用する。固体高分子形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス１９は、約２０％の未反応水素を含んでいるので、前述したように改質器バーナ５３の燃料として用いる。
【００２６】
【発明が解決しようとする課題】
次に、前述したような従来の技術による燃料電池発電システムの問題点について説明する。図１１に示した従来の燃料電池発電システムでは、改質器３で発電用天然ガス４５に含まれる炭化水素の水蒸気改質反応を行わせるのに、固体高分子形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス１９を改質器バーナ５３に供給し燃焼させるだけでなく、改質器バーナ用天然ガス４９も改質器バーナ５３に供給し燃焼させる必要があった。また、固体高分子形燃料電池セルスタック９の発電温度が６０〜８０℃と低いために、１９０℃の発電温度を有するりん酸形燃料電池セルスタックを用いた場合のようにセルスタックの冷却過程で水蒸気を発生させることができないので、気化器１４を設け、改質器バーナ燃焼排出ガス２４と熱交換を行わせるとともに、気化器バーナ３５に供給した気化器バーナ用天然ガス４６を燃焼させることによって、外部から気化器１４に水４４の気化に必要な熱を供給し、改質器３での炭化水素の水蒸気改質に必要な水蒸気１６を発生させなければならなかった。このため、従来の燃料電池発電システムでは、送電端効率が低く、４０％未満であった。また、送電端効率が低いために、送電端出力も小さかった。
【００２７】
本発明の目的は、上記問題点を解決し、改質器と気化器でのエネルギー損失を低減することによってシステムの送電端効率を向上させるとともに、送電端出力を増加させた燃料電池発電システムを提供することにある。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明においては、請求項１に記載のように、
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とに変換する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に残存する一酸化炭素を酸素で酸化し二酸化炭素に変換するＣＯ選択酸化器と、前記ＣＯ選択酸化器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を有する燃料電池発電システムにおいて、前記改質器への前記燃料の供給量が増加した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの空気の供給量が減少するように制御され、前記改質器への前記燃料の供給量が減少した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの空気の供給量が増加するように制御されることを特徴とする燃料電池発電システムを構成する。
【００２９】
また、本発明においては、請求項２に記載のように、
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とに変換する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を有する燃料電池発電システムにおいて、前記改質器への前記燃料の供給量が増加した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの空気の供給量が減少するように制御され、前記改質器への前記燃料の供給量が減少した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの空気の供給量が増加するように制御されることを特徴とする燃料電池発電システムを構成する。
【００３０】
また、本発明においては、請求項３に記載のように、
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とに変換する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選択的に分離する水素分離器と、前記水素分離器で分離した前記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を有する燃料電池発電システムにおいて、前記改質器への前記燃料の供給量が増加した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの空気の供給量が減少するように制御され、前記改質器への前記燃料の供給量が減少した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの空気の供給量が増加するように制御されることを特徴とする燃料電池発電システムを構成する。
【００３１】
また、本発明においては、請求項４に記載のように、
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未反応燃料、未反応水素及び未反応一酸化炭素を酸素と燃焼反応させる燃焼器を有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。
【００３２】
また、本発明においては、請求項５に記載のように、
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未反応燃料、未反応水素及び未反応一酸化炭素と、前記第二の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の未反応燃料及び未反応水素、もしくは、未反応燃料、未反応水素及び未反応一酸化炭素とを酸素と燃焼反応させる燃焼器を有することを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池発電システムを構成する。
【００３３】
また、本発明においては、請求項６に記載のように、
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未反応燃料、未反応水素及び未反応一酸化炭素と、前記水素分離器における水素分離後の排出ガス中の未反応燃料及び水素を酸素と燃焼反応させる燃焼器を有することを特徴とする請求項３記載の燃料電池発電システムを構成する。
【００３４】
また、本発明においては、請求項７に記載のように、
前記燃焼器に供給される酸素含有ガスが前記第一の燃料電池セルスタックの空気極排出ガスであることを特徴とする請求項４、５または６記載の燃料電池発電システムを構成する。
【００３５】
また、本発明においては、請求項８に記載のように、
前記燃焼器に供給される酸素含有ガスが前記第二の燃料電池セルスタックの空気極排出ガスであることを特徴とする請求項４、５または６記載の燃料電池発電システムを構成する。
【００３６】
また、本発明においては、請求項９に記載のように、
前記燃焼器に供給される酸素含有ガスが前記第一の燃料電池セルスタックの空気極排出ガス及び前記第二の燃料電池セルスタックの空気極排出ガスであることを特徴とする請求項４、５または６記載の燃料電池発電システムを構成する。
【００３７】
また、本発明においては、請求項１０に記載のように、
前記燃焼器の排出ガスと熱交換させることによって、前記第一の燃料電池セルスタックの空気極に供給される酸素含有ガスを昇温する酸素含有ガス予熱器を有することを特徴とする請求項４、５、６、７、８または９記載の燃料電池発電システムを構成する。
【００３８】
また、本発明においては、請求項１１に記載のように、
前記燃焼器の排出ガスと熱交換させることによって、前記燃料を昇温する燃料予熱器を有することを特徴とする請求項４、５、６、７、８、９または１０記載の燃料電池発電システムを構成する。
【００３９】
また、本発明においては、請求項１２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固体高分子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、３、４、５、６、７、８、９、１０または１１記載の燃料電池発電システムを構成する。
【００４０】
また、本発明においては、請求項１３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２、３、４、５、７、８、９、１０または１１記載の燃料電池発電システムを構成する。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明による燃料電池発電システムの実施形態について説明する。以下に述べる実施形態では、固体酸化物形燃料電池セルスタックを第一の燃料電池セルスタックとし、固体高分子形燃料電池セルスタックを第二の燃料電池セルスタックとする。なお、りん酸形燃料電池セルスタックを第二の燃料電池セルスタックとすることも可能である。りん酸形燃料電池セルスタックを第二の燃料電池セルスタックとする場合には、下記実施形態におけるＣＯ選択酸化器は不要となり、ＣＯシフトコンバータから排出される改質ガスをそのまま第二の燃料電池セルスタックに燃料ガスとして供給してよい。
【００４２】
（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）を表す構成図を示している。図１において、前述した図１１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、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、５４は固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極、５５は固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の固体酸化物電解質、５６は固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の空気極、５８は固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気、６０は改質器リサイクル用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス、５９は改質器リサイクル用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６０の流量を制御する流量制御弁、６１は固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス、６２は固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の流量を制御する流量制御弁、６３は固体酸化物形燃料電池セルスタック空気極排出ガス、６４は排出用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス、７４及び７５は改質器４が排出する水素豊富（水素リッチ）な改質ガス２７の流量を制御する流量制御弁、８６は出力調整装置、８７は負荷、８８は燃料電池直流出力、８９は送電端交流出力である。
【００４３】
図１において、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５７が１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は前記単セルを複数積層することによって構成されている。なお、すでに述べたように、第二の燃料電池セルスタックである固体高分子形燃料電池セルスタック９も、同様に、単セルを複数積層することによって構成されている。
【００４４】
図１を用いて実施形態１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１１に示した従来の技術による燃料電池発電システムとは、図１に示したように、第二の燃料電池セルスタックである固体高分子形燃料電池セルスタック９以外に、第一の燃料電池セルスタックとして燃料極５４、固体酸化物電解質５５、及び空気極５６からなる単セルを複数積層した固体酸化物形燃料電池セルスタック５７を改質器３の近傍に設置し、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７で発電した燃料電池直流出力８８を出力調整装置８６で送電端交流出力８９に変換した後に負荷８７に供給する点が大きく異なる。
【００４５】
次に、本実施形態による燃料電池発電システムの作用について、図１を参照して説明する。発電用天然ガス４５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、発電用天然ガス４５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固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６０と混合した後に、水蒸気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固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス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、発電用天然ガス４５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固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス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、発電用天然ガス４５の供給量に見合った値に設定する。
【００４６】
改質器３では、充填された改質触媒の働きにより天然ガス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（水素リッチ）な改質ガス２７がつくられる。炭化水素の水蒸気改質反応は吸熱反応であるので、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℃に維持しなければならない。このため、後述する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の排熱を、炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として改質器３に供給する。
【００４７】
改質器３でつくられた水素リッチな改質ガス２７の一部は、ＣＯシフトコンバータ４に供給され、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への水素リッチな改質ガス２７の供給量は、予め設定された燃料電池直流出力２２の直流電流と流量制御弁７４の開度（すなわち、ＣＯシフトコンバータ４への水素リッチな改質ガス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の直流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への水素リッチな改質ガス２７の供給量は、予め設定した燃料電池直流出力８８の直流電流と流量制御弁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への水素リッチな改質ガス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の直流電流に見合った値に設定する。
【００４８】
固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の空気極５６には、空気供給用ブロワ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への水素リッチな改質ガス２７の供給量）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、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４への水素リッチな改質ガス２７の供給量に見合った値に設定する。同様に、固体高分子形燃料電池セルスタック９の空気極８への固体高分子形燃料電池セルスタック用空気３２の供給量は、予め設定した流量制御弁７４の開度（すなわち、ＣＯシフトコンバータ４への水素リッチな改質ガス２７の供給量）と流量制御弁１０の開度（すなわち、固体高分子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、ＣＯシフトコンバータ４への水素リッチな改質ガス２７の供給量に見合った値に設定する。
【００４９】
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煤の働きで、固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気５８中の酸素が下記（７）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。
【００５０】
（空気極反応）
１/２Ｏ２ ＋ ２ｅ− → Ｏ２− （７）
空気極５６で生成した酸素イオンは、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（８）式及び（９）式に示す燃料極反応により、燃料極５４に供給された水素リッチな改質ガス２７中の水素または一酸化炭素と反応し、水蒸気または二酸化炭素と電子とが生成する。
【００５１】
（燃料極反応）
Ｈ２ ＋ Ｏ２− → Ｈ２Ｏ ＋ ２ｅ− （８）
ＣＯ ＋ Ｏ２− → ＣＯ２ ＋ ２ｅ− （９）
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、（７）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。
【００５２】
（７）式と（８）式、及び（７）式と（９）式をまとめると、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の電池反応は、固体高分子形燃料電池セルスタック９の電池反応と同じ（６）式に示した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（１０）式に示す一酸化炭素と酸素から二酸化炭素が生成する電池反応として表すことができる。
【００５３】
（電池反応）
ＣＯ ＋ １/２Ｏ２ → ＣＯ２ （１０）
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装置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１の例では、出力調整装置８６で直流から交流への変換を行っているが、出力調整装置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。
【００５４】
固体酸化物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、固体酸化物燃料電池セルスタック５７の排熱は、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。実際、従来の固体酸化物形燃料電池発電システムでは、固体酸化物燃料電池セルスタック５７での電池反応による発熱量は多く、発電温度を維持するために、固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８を多量に固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の空気極５６に供給し、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の冷却を行っており、空気極５６での酸素利用率は２０％程度である。従って、発電用天然ガス４５の供給量に合わせて、固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の供給量を変化させ、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７から改質器３に供給する排熱量を制御することによって、改質器３で効率的に炭化水素の水蒸気改質反応を行わせることが可能である。すなわち、予め設定した流量制御弁３７の開度（すなわち、発電用天然ガス４５の供給量）と流量制御弁６２の開度の補正（すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の供給量の補正量）の関係に基づいて、発電用天然ガス４５の供給量が増加した場合には、流量制御弁６２の開度を小さくすることによって固体酸化物酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の供給量を減少させる制御を行い、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の発電温度を８００〜１０００℃に維持しながら、空気極５６での酸素利用率を上昇させるとともに、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７から改質器３に供給する排熱量を増やす。一方、発電用天然ガス４５の供給量が減少した場合には、流量制御弁６２の開度を大きくすることによって固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の供給量を増加させる制御を行い、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の発電温度を８００〜１０００℃に維持しながら、空気極５６での酸素利用率を低下させるとともに、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７から改質器３に供給する排熱量を減らす。
【００５５】
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固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６０としてリサイクルし、脱硫天然ガス２９と混合した水蒸気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。残りは、排出用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６４として排出する。この排出用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６４を、給湯、暖房、及び吸収式冷凍機による冷房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。また、固体酸化物形燃料電池セルスタック空気極排出ガス６３も、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。
【００５６】
図１に示した本発明の一実施形態では、図１１に示した従来例と比べて、固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６１中の水蒸気を炭化水素の水蒸気改質反応に利用するために、従来技術においては必要であった、水蒸気をつくる気化器１４（図１１に示す）が不要で水の気化に必要なエネルギーを削減することができ、また、改質器３での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の排熱を利用するために、炭化水素の水蒸気改質反応のために外部から新たに供給するエネルギーを削減することができるので、固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端効率を向上させることが可能である。さらに、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の排熱を改質器３での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ために、従来の固体酸化物形燃料電池発電システムと比較して、冷却に必要な固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の供給量を減少させることが可能で、固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の昇温に必要なエネルギーを削減することができるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の送電端効率を向上させることが可能である。このため、システム全体の送電端効率が向上するとともに、システム全体の送電端出力も増加する。
【００５７】
（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）を表す構成図を示している。図２において、前述した図１１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において、６８は水素分離器、６５は水素分離器６８によって分離された水素、６６は水素分離器６８における水素分離後の水素分離器排出ガス、６７は水素分離器排出ガス６６中の水分を凝縮させる凝縮器、６９は凝縮器６７によって水分含有量を低減された水素分離器乾燥排出ガス、７０はパージ弁、７１はパージガス、７２は燃料極水素排出ガス、７３は凝縮器６７から排出される凝縮水、９２は水素分離器用改質ガスである。
【００５８】
図２を用いて実施形態２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２に示したように、ＣＯ選択酸化器５と凝縮器３９の代わりに水素分離器６８と凝縮器６７を設けた点が大きく異なる。
【００５９】
次に、本実施形態による燃料電池発電システムの作用について、図２を参照して説明する。ＣＯシフトコンバータ４の排出ガスである、水素分離器用改質ガス９２は、パラジウム膜等の水素分離膜を有する水素分離器６８に供給され、水素６５が分離される。その際、効率的な水素分離を行うために、必要に応じて水素分離器用改質ガス９２の加圧を行う。水素６５は、固体高分子形燃料電池セルスタック９の燃料極６に供給され、空気３２中の酸素と電気化学的に反応することによって固体高分子形燃料電池セルスタック９の発電が行われる。未反応水素を含有する燃料極水素排出ガス７２は、固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端効率を向上させるために、すべて燃料極９にリサイクルして発電に利用する。しかし、燃料極水素排出ガス７２中には、水素以外の不純物が若干含まれるので、パージ弁７０を間欠的に開け、パージガス７１を放出する。水素分離器排出ガス６６は、凝縮器６７で凝縮水７３を凝縮させた後に、水素分離器乾燥排出ガス６９として排出する。
【００６０】
本実施形態においても、図１に示した実施形態１と同様に、図１１に示した従来例と比べて、固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６１中の水蒸気を炭化水素の水蒸気改質反応に利用するために、水蒸気をつくる気化器１４（図１１に示す）が不要で水の気化に必要なエネルギーを削減することができ、また、改質器３での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の排熱を利用するために、炭化水素の水蒸気改質反応のために外部から新たに供給するエネルギーを削減することができるので、固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端効率を向上させることが可能である。さらに、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の排熱を改質器３での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ために、従来の固体酸化物形燃料電池発電システムと比較して、冷却に必要な固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の供給量を減少させることが可能で、固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の昇温に必要なエネルギーを削減することができるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の送電端効率を向上させることが可能である。このため、システム全体の送電端効率が向上するとともに、システム全体の送電端出力も増加する。
【００６１】
（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）を表す構成図を示している。図３において、前述した図１１、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において、７６は燃焼器、７９は燃焼器用空気、７８は燃焼器排出ガス、７７は燃焼器用空気７９の流量を制御する流量制御弁である。
【００６２】
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、排出用固体酸化物燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６４と燃焼器用空気７９を供給して燃焼反応を行わせる燃焼器７６を設けた点が大きく異なる。
【００６３】
次に、本実施形態による燃料電池発電システムの作用について、図３を参照して説明する。排出用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６４を燃焼器７６に供給するとともに、空気供給用ブロワ１３で取り込んだ空気１８の一部を燃焼器用空気７９として燃焼器７６に供給し、排出用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス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７９中の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７８を生成させる。水素及び一酸化炭素の燃焼反応を、それぞれ、下記（１１）式及び（１２）式に示す。
【００６４】
（水素の燃焼反応）
Ｈ２ ＋ １/２Ｏ２ → Ｈ２Ｏ （１１)
（一酸化炭素の燃焼反応）
ＣＯ ＋ １/２Ｏ２ → ＣＯ２ （１２）
この高温の燃焼器排出ガス７８を給湯、暖房、及び吸収式冷凍機による冷房の熱源に利用することによって、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７９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への水素リッチな改質ガス２７の供給量）及び流量樹御弁５９の開度（すなわち、改質器リサイクル用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６０の供給量）と流量制御弁７７の開度（すなわち、燃焼器用空気７９の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁７７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への水素リッチな改質ガス２７の供給量と改質器リサイクル用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６０の供給量に見合った値に設定する。
【００６５】
本実施形態においても、図１に示した実施形態１と同様に、図１１に示した従来例と比べて、固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６１中の水蒸気を炭化水素の水蒸気改質反応に利用するために、水蒸気をつくる気化器１４が不要で水の気化に必要なエネルギーを削減することができ、また、改質器３での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の排熱を利用するために、炭化水素の水蒸気改質反応のために外部から新たに供給するエネルギーを削減することができるので、固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端効率を向上させることが可能である。さらに、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の排熱を改質器３での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ために、従来の固体酸化物形燃料電池発電システムと比較して、冷却に必要な固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の供給量を減少させることが可能で、固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の昇温に必要なエネルギーを削減することができるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の送電端効率を向上させることが可能である。このため、システム全体の送電端効率が向上するとともに、システム全体の送電端出力も増加する。
【００６６】
（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）を表す構成図を示している。図４において、前述した図１１、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。
【００６７】
図４を用いて実施形態４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４に示したように、排出用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６４、固体高分子形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス１９、及び燃焼器用空気７９を供給して燃焼反応を行わせる燃焼器７６を設けた点が大きく異なる。
【００６８】
次に、本実施形態による燃料電池発電システムの作用について、図４を参照して説明する。排出用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６４、固体高分子形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス１９、及び燃焼用空気７９を燃焼器７６に供給し、排出用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６４中の未反応燃料、未反応水素、及び未反応一酸化炭素と、固体高分子形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス１９中の未反応燃料及び未反応水素を、燃焼器用空気７９中の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７８を生成させる。
【００６９】
この高温の燃焼器排出ガス７８を給湯、暖房、及び吸収式冷凍機による冷房の熱源に利用することによって、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７９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への水素リッチな改質ガス２７の供給量）、流量制御弁５９の開度（すなわち、改質器リサイクル用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６０の供給量）、及び流量制御弁７４の開度（すなわち、ＣＯシフトコンバータ４への水素リッチな改質ガス２７の供給量）と流量制御弁７７の開度（すなわち、燃焼器用空気７９の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁７７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への水素リッチな改質ガス２７の供給量、改質器リサイクル用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６０の供給量、及びＣＯシフトコンバータ４への水素リッチな改質ガス２７の供給量に見合った値に設定する。
【００７０】
本実施形態においても、図１に示した実施形態１と同様に、図１１に示した従来例と比べて、固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６１中の水蒸気を炭化水素の水蒸気改質反応に利用するために、水蒸気をつくる気化器１４が不要で水の気化に必要なエネルギーを削減することができ、また、改質器３での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の排熱を利用するために、炭化水素の水蒸気改質反応のために外部から新たに供給するエネルギーを削減することができるので、固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端効率を向上させることが可能である。さらに、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の排熱を改質器３での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ために、従来の固体酸化物形燃料電池発電システムと比較して、冷却に必要な固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の供給量を減少させることが可能で、固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の昇温に必要なエネルギーを削減することができるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の送電端効率を向上させることが可能である。このため、システム全体の送電端効率が向上するとともに、システム全体の送電端出力も増加する。
【００７１】
（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）を表す構成図を示している。図５において、前述した図１１、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。
【００７２】
図５を用いて実施形態５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２に示した実施形態２とは、図５に示したように、凝縮器６７を削除し、排出用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６４、水素分離器６８において水素を分離された後の水素分離器排出ガス６６、及び燃焼器用空気７９を供給して燃焼反応を行わせる燃焼器７６を設けた点が大きく異なる。
【００７３】
次に、本実施形態による燃料電池発電システムの作用について、図５を参照して説明する。排出用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６４、水素分離器排出ガス６６、及び燃焼器用空気７９を燃焼器７６に供給し、排出用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６４中の未反応燃料、未反応水素、及び未反応一酸化炭素と、水素分離器排出ガス６６中の未反応燃料及び水素を、燃焼器用空気７９中の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７８を生成させる。
【００７４】
この高温の燃焼器排出ガス７８を給湯、暖房、及び吸収式冷凍機による冷房の熱源に利用することによって、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７９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への水素リッチな改質ガス２７の供給量）、流量制御弁５９の開度（すなわち、改質器リサイクル用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６０の供給量）、及び流量制御弁７４の開度（すなわち、ＣＯシフトコンバータ４への水素リッチな改質ガス２７の供給量）と流量制御弁７７の開度（すなわち、燃焼器用空気７９の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁７７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への水素リッチな改質ガス２７の供給量、改質器リサイクル用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６０の供給量、及びＣＯシフトコンバータ４への水素リッチな改質ガス２７の供給量に見合った値に設定する。
【００７５】
本実施形態においても、図１に示した実施形態１と同様に、図１１に示した従来例と比べて、固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６１中の水蒸気を炭化水素の水蒸気改質反応に利用するために、水蒸気をつくる気化器１４が不要で水の気化に必要なエネルギーを削減することができ、また、改質器３での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の排熱を利用するために、炭化水素の水蒸気改質反応のために外部から新たに供給するエネルギーを削減することができるので、固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端効率を向上させることが可能である。さらに、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の排熱を改質器３での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ために、従来の固体酸化物形燃料電池セルスタックを用いた燃料電池システムと比較して、冷却に必要な固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の供給量を減少させることが可能で、固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の昇温に必要なエネルギーを削減することができるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の送電端効率を向上させることが可能である。このため、システム全体の送電端効率が向上するとともに、システム全体の送電端出力も増加する。
【００７６】
（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）を表す構成図を示している。図６において、前述した図１１、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。
【００７７】
図６を用いて実施形態６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６に示したように、排出用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６４と、酸素含有ガスとして固体酸化物形燃料電池セルスタック空気極排出ガス６３とを供給して燃焼反応を行わせる燃焼器７６を設けた点が大きく異なる。
【００７８】
次に、本実施形態による燃料電池発電システムの作用について、図６を参照して説明する。排出用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６４と固体酸化物形燃料電池セルスタック空気極排出ガス６３を燃焼器７６に供給し、排出用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス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空気極排出ガス６３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７８を生成させる。この高温の燃焼器排出ガス７８を給湯、暖房、及び吸収式冷凍機による冷房の熱源に利用することによって、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。
【００７９】
本実施形態においても、図１に示した実施形態１と同様に、図１１に示した従来例と比べて、固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６１中の水蒸気を炭化水素の水蒸気改質反応に利用するために、水蒸気をつくる気化器１４が不要で水の気化に必要なエネルギーを削減することができ、また、改質器３での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の排熱を利用するために、炭化水素の水蒸気改質反応のために外部から新たに供給するエネルギーを削減することができるので、固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端効率を向上させることが可能である。さらに、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の排熱を改質器３での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ために、従来の固体酸化物形燃料電池発電システムと比較して、冷却に必要な固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の供給量を減少させることが可能で、固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の昇温に必要なエネルギーを削減することができるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の送電端効率を向上させることが可能である。このため、システム全体の送電端効率が向上するとともに、システム全体の送電端出力も増加する。
【００８０】
本実施形態は、燃焼器用空気７９に代えて固体酸化物形燃料電池セルスタック空気極排出ガス６３を用いるという変更を実施形態３に施したものであるが、これと同じ変更を実施形態４及び実施形態５に施しても、本実施形態と同様の効果が現われる。
【００８１】
（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）を表す構成図を示している。図７において、前述した図１１、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。
【００８２】
図７を用いて実施形態７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７に示したように、排出用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６４と、酸素含有ガスとして固体高分子形燃料電池セルスタック空気極排出ガス１７とを供給して燃焼反応を行わせる燃焼器７６を設けた点が大きく異なる。
【００８３】
次に、本実施形態による燃料電池発電システムの作用について、図７を参照して説明する。排出用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６４と固体高分子形燃料電池セルスタック空気極排出ガス１７を燃焼器７６に供給し、排出用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６４中の未反応燃料、未反応水素、及び未反応一酸化炭素を、固体高分子形燃料電池セルスタック空気極排出ガス１７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７８を生成させる。この高温の燃焼器排出ガス７８を給湯、暖房、及び吸収式冷凍機による冷房の熱源に利用することによって、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。
【００８４】
本実施形態においても、図１に示した実施形態１と同様に、図１１に示した従来例と比べて、固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６１中の水蒸気を炭化水素の水蒸気改質反応に利用するために、水蒸気をつくる気化器１４が不要で水の気化に必要なエネルギーを削減することができ、また、改質器３での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の排熱を利用するために、炭化水素の水蒸気改質反応のために外部から供給するエネルギーを削減することができるので、固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端効率を向上させることが可能である。さらに、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の排熱を改質器３での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ために、従来の固体酸化物形燃料電池発電システムと比較して、冷却に必要な固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の供給量を減少させることが可能で、固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の昇温に必要なエネルギーを削減することができるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の送電端効率を向上させることが可能である。このため、システム全体の送電端効率が向上するとともに、システム全体の送電端出力も増加する。
【００８５】
本実施形態は、燃焼器用空気７９に代えて固体高分子形燃料電池セルスタック空気極排出ガス１７を用いるという変更を実施形態３に施したものであるが、これと同じ変更を実施形態４及び実施形態５に施しても、本実施形態と同様の効果が現われる。
【００８６】
（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）を表す構成図を示している。図８において、前述した図１１、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。
【００８７】
図８を用いて実施形態８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８に示したように、排出用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６４と、酸素含有ガスとして固体酸化物形燃料電池セルスタック空気極排出ガス６３及び固体高分子形燃料電池セルスタック空気極排出ガス１７とを供給して燃焼反応を行わせる燃焼器７６を設けた点が大きく異なる。
【００８８】
次に、本実施形態による燃料電池発電システムの作用について、図８を参照して説明する。排出用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６４、固体酸化物形燃料電池セルスタック空気極排出ガス６３、及び固体高分子形燃料電池セルスタック空気極排出ガス１７を燃焼器７６に供給し、排出用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス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空気極排出ガス６３中及び固体高分子形燃料電池セルスタック空気極排出ガス１７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７８を生成させる。この高温の燃焼器排出ガス７８を給湯、暖房、及び吸収式冷凍機による冷房の熱源に利用することによって、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。
【００８９】
本実施形態においても、図１に示した実施形態１と同様に、図１１に示した従来例と比べて、固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６１中の水蒸気を炭化水素の水蒸気改質反応に利用するために、水蒸気をつくる気化器１４が不要で水の気化に必要なエネルギーを削減することができ、また、改質器３での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の排熱を利用するために、炭化水素の水蒸気改質反応のために外部から新たに供給するエネルギーを削減することができるので、固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端効率を向上させることが可能である。さらに、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の排熱を改質器３での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ために、従来の固体酸化物形燃料電池発電システムと比較して、冷却に必要な固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の供給量を減少させることが可能で、固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の昇温に必要なエネルギーを削減することができるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の送電端効率を向上させることが可能である。このため、システム全体の送電端効率が向上するとともに、システム全体の送電端出力も増加する。
【００９０】
本実施形態は、燃焼器用空気７９に代えて固体酸化物形燃料電池セルスタック空気極排出ガス６３及び固体高分子形燃料電池セルスタック空気極排出ガス１７を用いるという変更を実施形態３に施したものであるが、これと同じ変更を実施形態４及び実施形態５に施しても、本実施形態と同様の効果が現われる。
【００９１】
（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）を表す構成図を示している。図９において、前述した図１１、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において、８０は固体酸化物燃料電池セルスタック用空気予熱器、８２は固体酸化物形燃料電池セルスタック空気予熱器８０によって昇温された固体酸化物燃料電池セルスタック用空気、８４は固体酸化物形燃料電池セルスタック空気予熱器８０の排出ガスである。
【００９２】
図９を用いて実施形態９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９に示したように、排出用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６４と固体酸化物形燃料電池セルスタック空気極排出ガス６３を供給して燃焼反応を行わせる燃焼器７６と、燃焼器排出ガス７８と固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８を供給し、熱交換させることにより固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の昇温を行う固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気予熱器８０を設けた点が大きく異なる。
【００９３】
次に、本実施形態による燃料電池発電システムの作用について、図９を参照して説明する。固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気予熱器８０で、高温の燃焼器排出ガス７８と固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８を熱交換させることによって、第一の燃料電池セルスタックの空気極に供給される酸素含有ガスである固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８を昇温する。昇温された固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気８２は、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の空気極５６に供給し、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の発電に用いる。固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気予熱器８０で固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８と熱交換を行った燃焼器排出ガス７８は排出ガス８４として排出する。
【００９４】
本実施形態においても、図１に示した実施形態１と同様に、図１１に示した従来例と比べて、固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６１中の水蒸気を炭化水素の水蒸気改質反応に利用するために、水蒸気をつくる気化器１４が不要で水の気化に必要なエネルギーを削減することができ、また、改質器３での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の排熱を利用するために、炭化水素の水蒸気改質反応のために外部から新たに供給するエネルギーを削減することができるので、固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端効率を向上させることが可能である。さらに、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の排熱を改質器３での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ために、従来の固体酸化物形燃料電池発電システムと比較して、冷却に必要な固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の供給量を減少させることが可能であり、また、燃焼器排出ガス７８を用いて固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の昇温を行うために、固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の昇温に必要なエネルギーを削減することができるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の送電端効率を向上させることが可能である。このため、システム全体の送電端効率が向上するとともに、システム全体の送電端出力も増加する。
【００９５】
本実施形態は、燃焼器排出ガス７８と、第一の燃料電池セルスタックの空気極に供給される酸素含有ガスである固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８とを熱交換させる固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気予熱器８０を新たに設けるという変更を実施形態６に施したものであるが、これと同じ変更を実施形態３、実施形態４、実施形態５、実施形態７、及び実施形態８に施しても、本実施形態と同様の効果が現われる。
【００９６】
（実施形態１０）
図１０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１０とする）を表す構成図を示している。図１０において、前述した図１１、図１、図２、図３、図４、図５、図６、図７、図８、及び図９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１０において、８１は燃料予熱器、８３は燃料予熱器８１によって昇温された脱硫天然ガス、８５は燃料予熱器８１の排出ガスである。
【００９７】
図１０を用いて、実施形態１０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１０に示したように、排出用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６４と固体酸化物形燃料電池セルスタック空気極排出ガス６３を供給して燃焼反応を行わせる燃焼器７６と、燃焼器排出ガス７８と、第一の燃料電池セルスタックの空気極に供給される酸素含有ガスである固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８とを供給し、熱交換させることにより固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の昇温を行う固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気予熱器８０と、燃焼器排出ガス７８と燃料である脱硫天然ガス２９を供給し、熱交換させることによって燃料である脱硫天然ガス２９の昇温を行う燃料予熱器８１を設けた点が大きく異なる。
【００９８】
次に、本実施形態による燃料電池発電システムの作用について、図１０を参照して説明する。固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気予熱器８０で、高温の燃焼器排出ガス７８の一部と固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８を熱交換させることによって、固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８を昇温する。昇温された固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気８２は、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の空気極５６に供給し、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の発電に用いる。固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気予熱器８０で固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８と熱交換を行った燃焼器排出ガス７８は、排出ガス８４として排出する。
【００９９】
また、燃料予熱器８１で、高温の燃焼器排出ガス７８の残りと脱硫天然ガス２９を熱交換させることによって、脱硫天然ガス２９を昇温する。昇温された脱硫天然ガス８３は、改質器リサイクル用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６０と混合し、水蒸気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。燃料予熱器８１で脱硫天然ガス２９と熱交換を行った燃焼器排出ガス７８は、排出ガス８５として排出する。
【０１００】
本実施形態においても、図１に示した実施形態１と同様に、図１１に示した従来例と比べて、固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス６１中の水蒸気を炭化水素の水蒸気改質反応に利用するために、水蒸気をつくる気化器１４が不要で水の気化に必要なエネルギーを削減することができ、また、改質器３での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の排熱を利用するために、炭化水素の水蒸気改質反応のために外部から新たに供給するエネルギーを削減することができるので、固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端効率を向上させることが可能である。さらに、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の排熱を改質器３での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ために、従来の固体酸化物形燃料電池発電システムと比較して、冷却に必要な固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の供給量を減少させることが可能であり、また、燃焼器排出ガス７８を用いて固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の昇温を行うために、固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の昇温に必要なエネルギーを削減することができるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の送電端効率を向上させることが可能である。この他に、燃焼器排出ガス７８を用いて燃料である脱硫天然ガス２９の昇温を行うので、燃料である脱硫天然ガス２９の昇温に必要なエネルギーも削減することができ、システム全体の送電端効率をさらに向上させることが可能である。このため、システム全体の送電端効率が向上するとともに、システム全体の送電端出力も増加する。
【０１０１】
本実施形態は、燃焼器排出ガス７８と固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８を熱交換させる固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気予熱器８０及び燃焼器排出ガス７８と脱硫天然ガス２９を熱交換させる燃料予熱器８１を新たに設けるという変更を実施形態６に施したものであるが、これと同じ変更を実施形態３、実施形態４、実施形態５、実施形態７、及び実施形態８に施しても、本実施形態と同様の効果が現われる。
【０１０２】
なお、図１、図２、図３、図４、図５、図６、図７、図８、図９、及び図１０に示した本発明の実施形態では、改質器３は１個であるが、天然ガス中の炭素数が２個以上の比較的低温で熱分解が起こり易い炭化水素の水蒸気改質反応を主に行わせる第一段目のプレ改質器と、熱分解が起こりにくいメタンの水蒸気改質反応を主に行わせる第二段目のスタック改質器の２個の改質器を用いることも可能である。
【０１０３】
以上説明したように本発明によれば、第一の燃料電池セルスタックからの排熱と第一の燃料電池セルスタックでの電池反応により生成した水蒸気を利用して改質器で燃料の水蒸気改質を行い、得られた水素リッチな改質ガスを第一の燃料電池セルスタックと第二の燃料電池セルスタックに供給し発電を行うことが可能で、システムの送電端効率が向上するとともに、システムの送電端出力も増加した燃料電池発電システムを提供できる。
【０１０４】
【発明の効果】
本発明の実施によって、改質器と気化器でのエネルギー損失を低減することによってシステムの送電端効率を向上させるとともに、送電端出力を増加させた燃料電池発電システムを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料電池発電システムの一実施形態を示す構成図である。
【図２】本発明による燃料電池発電システムの他の一実施形態を示す構成図である。
【図３】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を示す構成図である。
【図４】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を示す構成図である。
【図５】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を示す構成図である。
【図６】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を示す構成図である。
【図７】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を示す構成図である。
【図８】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を示す構成図である。
【図９】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を示す構成図である。
【図１０】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を示す構成図である。
【図１１】従来の技術による燃料電池発電システムを示す構成図である。
【符号の説明】
１…天然ガス、２…脱硫器、３…改質器、４…ＣＯシフトコンバータ、５…ＣＯ選択酸化器、６…燃料極、７…固体高分子電解質、８…空気極、９…固体高分子形燃料電池セルスタック、１０、１１、１２…流量制御弁、１３…空気供給用ブロワ、１４…気化器、１５…気化器用ポンプ、１６…水蒸気、１７…固体高分子形燃料電池セルスタック空気極排出ガス、１８…空気、１９…固体高分子形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス、２０…出力調整装置、２１…負荷、２２…燃料電池直流出力、２３…送電端交流出力、２４…改質器バーナ燃焼排出ガス、２５…一酸化炭素の濃度をｐｐｍオーダーに低減させた改質ガス、２６…一酸化炭素の濃度を１％以下に低減させた改質ガス、２７…水素リッチな改質ガス、２８…水蒸気と脱硫天然ガスの混合ガス、２９…脱硫天然ガス、３０…流量制御弁、３１…気化器バーナ用空気、３２…固体高分子形燃料電池セルスタック用空気、３３…ＣＯ選択酸化器用空気、３４…改質器バーナ用空気、３５…気化器バーナ、３６…気化器バーナ燃焼排出ガス、３７…流量制御弁、３８…未反応水蒸気を凝縮させた後の改質ガス、３９…凝縮器、４０…電池反応による生成水、４１…凝縮水、４２…補給水ポンプ、４３…補給水、４４…水、４５…発電用天然ガス、４６…気化器バーナ用天然ガス、４７、４８…流量制御弁、４９…改質器バーナ用天然ガス、５０…脱硫器リサイクル用改質ガス、５１…流量制御弁、５２…ＣＯ選択酸化器用改質ガス、５３…改質器バーナ、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固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス、６１…固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス、６２…流量制御弁、６３…固体酸化物形燃料電池セルスタック空気極排出ガス、６４…排出用固体酸化物形燃料電池セルスタック燃料極排出ガス、６５…水素、６６…水素分離器排出ガス、６７…凝縮器、６８…水素分離器、６９…水素分離器乾燥排出ガス、７０…パージ弁、７１…パージガス、７２…燃料極水素排出ガス、７３…凝縮水、７４、７５…流量制御弁、７６…燃焼器、７７…流量制御弁、７８…燃焼器排出ガス、７９…燃焼器用空気、８０…固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気予熱器、８１…燃料予熱器、８２…昇温された固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気、８３…昇温された脱硫天然ガス、８４、８５…排出ガス、８６…出力調整装置、８７…負荷、８８…燃料電池直流出力、８９…送電端交流出力、９０…水タンク、９１…排出ガス、９２…水素分離器用改質ガス、９３…流量制御弁。
Claims (13)
- 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とに変換する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に残存する一酸化炭素を酸素で酸化し二酸化炭素に変換するＣＯ選択酸化器と、前記ＣＯ選択酸化器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を有する燃料電池発電システムにおいて、前記改質器への前記燃料の供給量が増加した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの空気の供給量が減少するように制御され、前記改質器への前記燃料の供給量が減少した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの空気の供給量が増加するように制御され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とに変換する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を有する燃料電池発電システムにおいて、前記改質器への前記燃料の供給量が増加した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの空気の供給量が減少するように制御され、前記改質器への前記燃料の供給量が減少した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの空気の供給量が増加するように制御され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とに変換する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選択的に分離する水素分離器と、前記水素分離器で分離した前記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を有する燃料電池発電システムにおいて、前記改質器への前記燃料の供給量が増加した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの空気の供給量が減少するように制御され、前記改質器への前記燃料の供給量が減少した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの空気の供給量が増加するように制御されることを特徴とする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の前記燃料極排出ガス中の未反応燃料、未反応水素及び未反応一酸化炭素を酸素と燃焼反応させる燃焼器を有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の前記燃料極排出ガス中の未反応燃料、未反応水素及び未反応一酸化炭素と、前記第二の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の未反応燃料及び未反応水素、もしくは、未反応燃料、未反応水素及び未反応一酸化炭素とを酸素と燃焼反応させる燃焼器を有することを特徴とする請求項１または２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の前記燃料極排出ガス中の未反応燃料、未反応水素及び未反応一酸化炭素と、前記水素分離器における水素分離後の排出ガス中の未反応燃料及び水素を酸素と燃焼反応させる燃焼器を有することを特徴とする請求項３記載の燃料電池発電システム。
- 前記燃焼器に供給される酸素含有ガスが前記第一の燃料電池セルスタックの空気極排出ガスであることを特徴とする請求項４、５または６記載の燃料電池発電システム。
- 前記燃焼器に供給される酸素含有ガスが前記第二の燃料電池セルスタックの空気極排出ガスであることを特徴とする請求項４、５または６記載の燃料電池発電システム。
- 前記燃焼器に供給される酸素含有ガスが前記第一の燃料電池セルスタックの空気極排出ガス及び前記第二の燃料電池セルスタックの空気極排出ガスであることを特徴とする請求項４、５または６記載の燃料電池発電システム。
- 前記燃焼器の排出ガスと熱交換させることによって、前記第一の燃料電池セルスタックの空気極に供給される酸素含有ガスを昇温する酸素含有ガス予熱器を有することを特徴とする請求項４、５、６、７、８または９記載の燃料電池発電システム。
- 前記燃焼器の排出ガスと熱交換させることによって、前記燃料を昇温する燃料予熱器を有することを特徴とする請求項４、５、６、７、８、９または１０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固体高分子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、３、４、５、６、７、８、９、１０または１１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２、３、４、５、７、８、９、１０または１１記載の燃料電池発電システム。
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