JP4467924B2 - 燃料電池発電システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池発電システム、特に２種類の燃料電池セルスタックを組み合わせて発電を行なう燃料電池発電システムに関するものである。
図７は従来の燃料電池発電システムの構成を示す図である。図７において、１は燃料である天然ガス、２は天然ガス１の水蒸気改質反応を行なわせる改質器、３は第１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（以下、ＳＯＦＣスタックと略す）、４はＳＯＦＣスタック３の燃料極、５はＳＯＦＣスタック３の固体酸化物電解質、６はＳＯＦＣスタック３の空気極、７は燃焼器、８は燃料極排出ガス１１（説明後述）と天然ガス３９（説明後述）との混合ガス、９は改質器２により作られた水素リッチな改質ガス、１０は燃料極４から排出される燃料極排出ガス、１１は燃料極排出ガス１０のうち改質器２に供給される燃料極排出ガス、１２は空気極６から排出される空気極排出ガス、１３は燃焼器７の燃焼ガス、１４は天然ガス１の供給量を制御する流量制御弁、１５は燃料極排出ガス１１の改質器２への供給量を制御する流量制御弁、１７は燃料極排出ガス１０のうちＣＯシフトコンバータ２０（説明後述）に供給される燃料極排出ガス、２０は燃料極排出ガス１７中の一酸化炭素濃度を１％以下まで低減させるＣＯシフトコンバータ、２１は排出ガス２８（説明後述）中の一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーに低減させるＣＯ選択酸化器、２２は凝縮器、２３は第２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（以下、ＰＥＦＣスタックと略す）、２４はＰＥＦＣスタック２３の空気極、２５はＰＥＦＣスタック２３の固体高分子電解質、２６はＰＥＦＣスタック２３の燃料極、４４は一酸化炭素濃度を１％以下まで低減させたＣＯシフトコンバータ２０の排出ガス、２８は排出ガス４４のうちＣＯ選択酸化器２１に供給される排出ガス、２９は一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーまで低減させたＣＯ選択酸化器２１の排出ガス、３０はＣＯ選択酸化器２１の酸化用空気、３１は排出ガス２９から水蒸気を除去した凝縮器２２の排出ガス、３２はＰＥＦＣスタック２３の発電用空気、３３はＰＥＦＣスタック２３の空気極排出ガス、３４はＰＥＦＣスタック２３の燃料極排出ガス、３６はＳＯＦＣスタック３の発電用空気、３７は脱硫器リサイクルガス４５（説明後述）の供給量を制御する流量制御弁、３８は脱硫器、３９は昇温用熱交換器７０（説明後述）により昇温されかつ脱硫器３８により脱硫された天然ガス、４０は発電用空気３６の供給量を制御する流量制御弁、４１は発電用空気３２の供給量を制御する流量制御弁、４２は酸化用空気３０の供給量を制御する流量制御弁、４５は排出ガス４４のうち脱硫器３８に供給される脱硫器リサイクルガス、４６は凝縮器２２から排出される凝縮水、７０は天然ガス１を昇温するための昇温用熱交換器、７１は発電用空気３６を昇温するための昇温用熱交換器、７２は昇温用熱交換器７０により昇温された天然ガス、７３は昇温用熱交換器７１により昇温された発電用空気、７４は燃焼ガス１３のうち昇温用熱交換器７０に供給される昇温用燃焼ガス、７５は燃焼ガス１３のうち昇温用熱交換器７１に供給される昇温用燃焼ガス、７６は昇温用熱交換器７０から排出される昇温用熱交換器排出ガス、７７は昇温用熱交換器７１から排出される昇温用熱交換器排出ガス、７８は昇温用燃焼ガス７４の供給量を制御する流量制御弁、７９は昇温用燃焼ガス７５の供給量を制御する流量制御弁、８０は燃焼ガス１３のうちの燃焼排ガスである。
なお、上記「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。
また、図７において、ＳＯＦＣスタック３が一組の燃料極４、固体酸化物電解質５および空気極６からなるＳＯＦＣ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ＳＯＦＣスタック３は複数のＳＯＦＣ単セルから構成されている。
また、図７において、ＰＥＦＣスタック２３も一組の燃料極２４、固体高分子電解質２５および空気極２６からなるＰＥＦＣ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ＰＥＦＣスタック２３は複数のＰＥＦＣ単セルから構成されている。
つぎに、図７に示した燃料電池発電システムの作用について説明する。天然ガス１が昇温用熱交換器７０に供給される。天然ガス１の供給量は、予め設定されたＳＯＦＣスタック３の発電電流およびＰＥＦＣスタック２３の発電電流と流量制御弁１４の開度（すなわち、天然ガス１の供給量）との関係に基づいて、流量制御弁１４の開度を制御することによって、ＳＯＦＣスタック３の発電電流およびＰＥＦＣスタック２３の発電電流に見合った値に設定する。
昇温用熱交換器７０では、高温の昇温用燃焼ガス７４から天然ガス１に熱が供給され、天然ガス１の温度を予め設定した温度まで昇温する。昇温用熱交換器７０への昇温用燃焼ガス７４の供給量は、予め設定された流量制御弁１４の開度（すなわち、天然ガス１の供給量）と流量制御弁７８の開度（すなわち、昇温用燃焼ガス７４の供給量）との関係に基づいて、流量制御弁７８の開度を制御することによって、天然ガス１の供給量に見合った値に設定する。天然ガス１に熱を供給し温度が低下した昇温用燃焼ガス７４は、昇温用熱交換器排出ガス７６として昇温用熱交換器７０から排出される。昇温用熱交換器７０により昇温された天然ガス７２は脱硫器３８に供給される。
脱硫器３８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２の改質触媒、ＰＥＦＣスタック２３の燃料極２６の電極触媒およびＳＯＦＣスタック３の燃料極４の電極触媒の劣化の原因となる天然ガス７２中のメルカプタン等の腐臭剤に含まれる硫黄分を水素添加脱硫することにより吸着除去する。すなわち、コバルト−モリブデン系触媒により最初に硫黄と水素とを反応させて硫化水素を生成させ、つぎにこの硫化水素と酸化亜鉛とを反応させることによって硫化亜鉛を生成させて、硫黄分を除去する。脱硫器３８における硫化水素の生成に必要な水素を供給するために、ＣＯシフトコンバータ２０により一酸化炭素濃度を１％以下に低減された排出ガス４４の一部を、脱硫器リサイクルガス４５として脱硫器３８にリサイクルする。脱硫器リサイクルガス４５の供給量は、予め設定された流量制御弁１４の開度（すなわち、天然ガス１の供給量）と流量制御弁３７の開度（すなわち、脱硫器リサイクルガス４５の供給量）との関係に基づいて、流量制御弁３７の開度を制御することによって、天然ガス１の供給量に見合った値に設定する。硫化水素と硫化亜鉛と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２０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２０から脱硫器３８に供給することによってまかなう。
昇温用熱交換器７０により昇温されかつ脱硫器３８により脱硫された天然ガス３９は、水蒸気を含む燃料極排出ガス１１と混合され、燃料極排出ガス１１と天然ガス３９との混合ガス８は改質器２に供給される。燃料極排出ガス１１の供給量は、予め設定された流量制御弁１４の開度（すなわち、天然ガス１の供給量）と流量制御弁１５の開度（すなわち、ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１１の供給量）との関係に基づいて、流量制御弁１５の開度を制御することによって、天然ガス１の供給量に見合った値に設定する。改質器２では、充填された改質触媒の働きにより天然ガス３９（天然ガス１）中の炭化水素の水蒸気改質反応が行なわれ、水素リッチな改質ガスが作られる。天然ガス１の主成分であるメタンの水蒸気改質反応は(１)式で表される。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２ (１)
(１)式に示したメタンの水蒸気改質反応等の炭化水素の水蒸気改質反応は吸熱反応であり、効率的に水素を生成させるためには、外部から改質器２に必要な反応熱を供給し、改質器２の温度を７００〜７５０℃に維持することが必要である。このため、改質器２の近傍に設置されかつ８００〜１０００℃で発電を行なうＳＯＦＣスタック３の排熱を、改質反応に必要な反応熱として改質器２に供給する。改質器２で作られた水素リッチな改質ガス９は燃料極４に供給される。
また、発電用空気３６が昇温用熱交換器７１に供給される。発電用空気３６の供給量は、ＳＯＦＣスタック３の発電電流量と流量制御弁４０の開度（すなわち、発電用空気３６の供給量）との関係に基づいて、流量制御弁４０の開度を制御することによって、ＳＯＦＣスタック３の発電電流量に見合った値に設定する。昇温用熱交換器７１では、昇温用燃焼ガス７５から発電用空気３６に熱が供給され、発電用空気３６の温度を予め設定した温度まで昇温する。昇温用熱交換器７１への昇温用燃焼ガス７５の供給量は、予め設定された流量制御弁４０の開度（すなわち、発電用空気３６の供給量）と流量制御弁７９の開度（すなわち、昇温用燃焼ガス７５の供給量）との関係に基づいて、流量制御弁７９の開度を制御することによって、発電用空気３６の供給量に見合った値に設定する。
発電用空気３６に熱を供給し温度が低下した昇温用燃焼ガス７５は、昇温用熱交換器排出ガス７７として、昇温用熱交換器７０から排出される。昇温用熱交換器７１により昇温された発電用空気７３は空気極６に供給される。空気極６では、金属酸化物系電極触媒の働きで、発電用空気７３中の酸素が(２)式に示す空気極反応により電子と反応して酸素イオンに変わる。
１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２− (２)
空気極６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５の内部を移動し、燃料極４に到達する。燃料極４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６から固体酸化物電解質５の内部を移動してきた酸素イオンが、(３)式および(４)式に示す反応により燃料極４に供給された水素リッチな改質ガス９中の水素および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される。
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ− (３)
ＣＯ＋Ｏ２−→ＣＯ２＋２ｅ− (４)
燃料極４で生成した電子は、外部回路を移動し、空気極６に到達する。空気極６に到達した電子は、(２)式に示した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ＳＯＦＣスタック３の発電出力として取り出すことができる。
(２)式と(３)式、(２)式と(４)式をそれぞれまとめると、ＳＯＦＣスタック３の電池反応は(５)式に示す水素の酸化反応と、(６)式に示す一酸化炭素の酸化反応として表すことができる。
Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ (５)
ＣＯ＋１／２Ｏ２→ＣＯ２ (６)
ＳＯＦＣスタック３の発電温度は、一般的に８００〜１０００℃であり、電池反応による発熱により発電温度が維持されている。ＳＯＦＣスタック３の排熱は、前述したように改質器２での天然ガス３９（天然ガス１）中の炭化水素の水蒸気改質反応の反応熱として利用する。燃料極４で電池反応により生成した水蒸気を含む燃料極排出ガス１０の一部は、前述したように、改質器２での炭化水索の水蒸気改質反応に必要な水蒸気を供給するために、燃料極排出ガス１１として天然ガス３９と混合されて改質器２に供給される。燃料極排出ガス１１の供給量は、予め設定された流量制御弁１４の開度（すなわち、天然ガス１の供給量）と流量制御弁１５の開度（すなわち、燃料極排出ガス１１の供給量）との関係に基づいて、流量制御弁１５の開度を制御することによって、天然ガス１の供給量に見合った値に設定する。燃料極排出ガス１０の残りは、燃料極排出ガス１７としてＣＯシフトコンバータ２０に供給される。
燃料極排出ガス１７には燃料極２６の電極触媒の劣化の原因となる一酸化炭素が含まれているので、燃料極排出ガス１７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２０に供給され、シフト触媒の働きにより(７)式に示す水性シフト反応を行なわせることによって、燃料極排出ガス１７中の一酸化炭素濃度を１％以下まで低減する。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２ (７)
水性シフト反応は発熱反応であり、発生した熱は脱硫器３８に供給され、前述した吸熱反応である硫化水素と硫化亜鉛との生成反応の反応熱として利用する。
ＣＯシフトコンバータ２０で作られた一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた排出ガス４４の一部は、前述したように脱硫器リサイクルガス４５として脱硫器３８に供給され、残りである排出ガス２８はＣＯ選択酸化器２１に供給される。すなわち、燃料極２６に供給される排出ガス２８中の一酸化炭素濃度が１００ｐｐｍ以上であると、燃料極２６の電極触媒の劣化原因となるので、一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーに低減させるために、排出ガス２８を白金、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２１に供給する。また、酸化用空気３０がＣＯ選択酸化器２１に供給される。ＣＯ選択酸化器２１では、排出ガス２８に含まれる一酸化炭素を、発熱反応である(８)式に示すＣＯ選択酸化反応により酸化用空気３０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、排出ガス２８中の一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーに低減させる。
ＣＯ＋１／２Ｏ２→ＣＯ２ (８)
酸化用空気３０の供給量は、予め設定された流量制御弁１４の開度（すなわち、天然ガス１の供給量）および流量制御弁１５の開度（すなわち、排出ガス２８（燃料極排出ガス１１）の供給量）と流量制御弁４２の開度（すなわち、酸化用空気３０の供給量）との関係に基づいて、流量制御弁４２の開度を制御することによって、天然ガス１の供給量および排出ガス２８（燃料極排出ガス１１）の供給量に見合った値に設定する。
ＣＯ選択酸化器２１で作られた一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーまで低減させた排出ガス２９に含まれる未反応水蒸気は、凝縮器２２で１００℃以下に冷却することによって、凝縮水４６として回収される。凝縮器２２によって水蒸気が除去された排出ガス３１は、燃料極２６に供給される。一方、発電用空気３２は、空気極２４に供給される。発電用空気３２の供給量は、予め設定されたＰＥＦＣスタック２３の発電電流と流量制御弁４１の開度（すなわち、発電用空気３２の供給量）との関係に基づいて、流量制御弁４１の開度を制御することによって、ＰＥＦＣスタック２３の発電電流に見合った値に制御する。ＰＥＦＣスタック２３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。
燃料極２６では、白金系電極触媒の働きで、排出ガス３１中に含まれる水素の約８０％が、(９)式に示す燃料極反応により水素イオンと電子に変わる。
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ− (９)
燃料極２６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２５の内部を移動し、空気極２４に到達する。一方、燃料極２６で生成した電子は、外部回路を移動し、空気極２４に到達する。この電子が外部回路を移動する過程で、電気エネルギーを直流電力として取り出すことができる。空気極２４では、白金系電極触媒の働きで、燃料極２６から固体高分子電解質２５の内部を空気極２４まで移動してきた水素イオン、燃料極２６から外部回路を空気極２４まで移動してきた電子および空気極２４に供給された発電用空気３２中の酸素が、(１０)式に示す空気極反応により反応し、水が生成される。
２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ (１０)
(９)式と(１０)式をまとめると、ＰＥＦＣスタック２３の電池反応は、(１１)式に示す水素の電気化学的酸化反応として表すことができる。
Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ (１１)
発電用空気３２は、空気極２４で酸素の一部を(１０)式に示した空気極反応により消費された後に、空気極排出ガス３３として排出される。一方、排出ガス３１は、燃料極２６で水素の約８０％を(９)式に示した燃料極反応により消費された後に、燃料極排出ガス３４として排出され、燃料極排出ガス３４は燃焼器７に供給される。
燃焼器７では、燃料極排出ガス３４中の未反応水素および未反応燃料を、空気極排出ガス１２中の酸素と燃焼させることによって燃焼ガス１３が生成される。燃焼ガス１３は昇温用燃焼ガス７４、昇温用燃焼ガス７５および燃焼排ガス８０に分けられる。昇温用燃焼ガス７４は昇温用熱交換器７０に供給され、昇温用燃焼ガス７５は昇温用熱交換器７１に供給され、燃焼排ガス８０は外部へ放出される。このように、燃焼器７の排熱により燃料１および発電用空気３１が昇温される
A. L. Dicks, R. G. Felloes, C. M. Mesca1, and C. Seymour: "A study of SOFC-PEM hybrid systems", Jouma1 of Power Source, 86, pp.442〜448, 2000.
つぎに、従来の燃料電池発電システムの問題点について説明する。図７に示した従来の燃料電池発電システムでは、前述したように燃料極排出ガス３４を燃焼器７に供給し、燃料極排出ガス３４中の未反応水素および未反応燃料を空気極排出ガス１２中の未反応酸素と燃焼させて、天然ガス１と発電用空気３６とを予め設定した温度まで昇温するのに必要な燃焼ガス１３を生成している。この場合、ＰＥＦＣスタック２３の発電電力と燃料利用率すなわち水素利用率を一定にすると、燃焼器７に供給される燃料極排出ガス３４に含まれる水素の量も一定となる。燃焼器７に供給される燃料極排出ガス３４中には、未反応燃料に比べて未反応水素が多く含まれている。従って、燃焼器７で燃料極排出ガス３４を燃焼させることによって得られる燃焼熱は、ＰＥＦＣスタック２３の発電電力と水素利用率を一定にすると、ほぼ一定となる。
ＰＥＦＣスタック２３の発電電力と水素利用率を一定として、ＳＯＦＣスタック３の発電電力を大きくすると、天然ガス１の供給量と発電用空気３６の供給量も増加させねばならない。しかし、前述したように燃焼器７の燃焼熱は一定であるので、ＰＥＦＣスタック２３の発電電力が一定のままでＳＯＦＣスタック３の発電電力が大きくなると、昇温用燃焼ガス７４と昇温用燃焼ガス７５を用いて天然ガス１と発電用空気３６を所定の温度まで昇温することができなくなるから、ＳＯＦＣスタック３の発電温度が低下するので、ＳＯＦＣスタック３の発電性能も低下するという問題があった。
また、ＰＥＦＣスタック２３の水素利用率を低下させたり、天然ガス１を新たに燃焼器７に供給することにより、燃焼器７の燃焼熱を増加させれば、昇温用燃焼ガス７４と昇温用燃焼ガス７５を用いて天然ガス１と発電用空気３６を所定の温度まで昇温することができるが、燃料電池発電システムの発電効率が大幅に低下することは避けられなかった。
本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、発電効率の低下を抑制した高効率な燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明においては、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リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素または水素およ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り発電を行ない、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固体酸化物形燃料電池セルスタックからなる第１の燃料電池セルスタックと、前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の一酸化炭素を酸素と反応させて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なう固体高分子形燃料電池セルスタックからなる第２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、前記第１の燃料電池セルスタックの前記燃料極排出ガス中の水素、一酸化炭素および燃料を酸素と燃焼させる燃焼器を設け、前記燃焼器に前記第１の燃料電池セルスタックの空気極排出ガスおよび前記第２の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガスを供給し、前記燃焼器の排熱により前記燃料および前記第１の燃料電池セルスタックに供給される前記酸素を昇温することを特徴とする燃料電池発電システムを構成する。
また、本発明においては、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リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素または水素およ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り発電を行ない、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固体酸化物形燃料電池セルスタックからなる第１の燃料電池セルスタックと、前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を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なう固体高分子形燃料電池セルスタックからなる第２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、前記第１の燃料電池セルスタックの前記燃料極排出ガス中の水素、一酸化炭素および燃料を酸素と燃焼させる燃焼器を設け、前記燃焼器に前記第１の燃料電池セルスタックの空気極排出ガスおよび前記水素分離器の排出ガスを供給し、前記燃焼器の排熱により前記燃料および前記第１の燃料電池セルスタックに供給される前記酸素を昇温することを特徴とする燃料電池発電システムを構成する。
また、本発明においては、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リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素または水素およ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り発電を行ない、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固体酸化物形燃料電池セルスタックからなる第１の燃料電池セルスタックと、前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行なう固体高分子形燃料電池セルスタックからなる第２の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムにおいて、前記第１の燃料電池セルスタックの前記燃料極排出ガス中の水素、一酸化炭素および燃料を酸素と燃焼させる燃焼器を設け、前記燃焼器に前記第１の燃料電池セルスタックの空気極排出ガスおよび前記第２の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガスを供給し、前記燃焼器の排熱により前記燃料および前記第１の燃料電池セルスタックに供給される前記酸素を昇温することを特徴とする燃料電池発電システムを構成する。
また、本発明においては、請求項４に記載のように、燃料極における燃料の水蒸気改質反応によって水素と一酸化炭素とを生成させるとともに、前記水素または前記水素および前記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ない、前記発電に伴って発生した熱を前記水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費し、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記燃料極に供給する固体酸化物形燃料電池セルスタックからなる第１の燃料電池セルスタックと、前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の一酸化炭素を酸素と反応させて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なう固体高分子形燃料電池セルスタックからなる第２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、前記第１の燃料電池セルスタックの前記燃料極排出ガス中の水素、一酸化炭素および燃料を酸素と燃焼させる燃焼器を設け、前記燃焼器に前記第１の燃料電池セルスタックの空気極排出ガスおよび前記第２の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガスを供給し、前記燃焼器の排熱により前記燃料および前記第１の燃料電池セルスタックに供給される前記酸素を昇温することを特徴とする燃料電池発電システムを構成する。
また、本発明においては、請求項５に記載のように、燃料極における燃料の水蒸気改質反応によって水素と一酸化炭素とを生成させるとともに、前記水素または前記水素および前記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ない、前記発電に伴って発生した熱を前記水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費し、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記燃料極に供給する固体酸化物形燃料電池セルスタックからなる第１の燃料電池セルスタックと、前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を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なう固体高分子形燃料電池セルスタックからなる第２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、前記第１の燃料電池セルスタックの前記燃料極排出ガス中の水素、一酸化炭素および燃料を酸素と燃焼させる燃焼器を設け、前記燃焼器に前記第１の燃料電池セルスタックの空気極排出ガスおよび前記水素分離器の排出ガスを供給し、前記燃焼器の排熱により前記燃料および前記第１の燃料電池セルスタックに供給される前記酸素を昇温することを特徴とする燃料電池発電システムを構成する。
また、本発明においては、請求項６に記載のように、燃料極における燃料の水蒸気改質反応によって水素と一酸化炭素とを生成させるとともに、前記水素または前記水素および前記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ない、前記発電に伴って発生した熱を前記水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費し、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記燃料極に供給する固体酸化物形燃料電池セルスタックからなる第１の燃料電池セルスタックと、前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素と変換する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なう固体高分子形燃料電池セルスタックからなる第２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、前記第１の燃料電池セルスタックの前記燃料極排出ガス中の水素、一酸化炭素および燃料を酸素と燃焼させる燃焼器を設け、前記燃焼器に前記第１の燃料電池セルスタックの空気極排出ガスおよび前記第２の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガスを供給し、前記燃焼器の排熱により前記燃料および前記第１の燃料電池セルスタックに供給される前記酸素を昇温することを特徴とする燃料電池発電システムを構成する。
本発明によれば、第１の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガスを燃焼器に供給し燃焼させることによって、第２の燃料電池セルスタックの発電電力が一定で第１の燃料電池セルスタックの発電電力が大きくなった場合でも、燃料と第１の燃料電池セルスタックに供給される発電用の酸素を所定の温度まで効率的に昇温することが可能であるから、システムの発電効率の低下を抑制した高効率な燃料電池発電システムを提供できる。
図１は本発明の燃料電池発電システムの実施の形態の構成を示す図である。図１において、２７は燃料極排出ガス１０のうち燃焼器７に供給される燃料極排出ガス、４７は燃料極排出ガス２７の供給量を制御する流量制御弁である。
図１に示した実施の形態と図７に示した従来例とは、燃料極排出ガス１０の一部を、燃料極排出ガス２７として燃焼器７に供給する点が異なる。
つぎに、図１に示した実施の形態の作用について説明する。燃料極排出ガス１０の一部が燃料極排出ガス１１として改質器２にリサイクルされ、燃料極排出ガス１０の残りの一部が燃料極排出ガス１７としてＣＯシフトコンバータ２０に供給され、さらに燃料極排出ガス１０の残りが燃料極排出ガス２７として燃料極排出ガス３４および空気極排出ガス１２とともに燃焼器７に供給される。燃料極排出ガス２７の供給量は、予め設定された流量制御弁１４の開度（すなわち、天然ガス１の供給量）および流量制御弁１５の開度（すなわち、燃料極排出ガス１１の供給量）と流量制御弁４７の開度（すなわち、燃料極排出ガス２７の供給量）との関係に基づいて、流量制御弁４７の開度を制御することによって、天然ガス１の供給量および燃料極排出ガス１１の供給量に見合った値に設定する。
図１に示した実施の形態では、燃料極排出ガス２７が燃焼器７に供給され、燃料極排出ガス２７中の未反応水素、未反応一酸化炭素および未反応燃料と燃料極排出ガス３４中の未反応水素および未反応燃料を、空気極排出ガス１２中の未反応酸素と燃焼させることによって、燃焼ガス１３を生成する。
本実施の形態では、ＰＥＦＣスタック２３の発電電力が一定のままＳＯＦＣスタック３の発電電力が大きくなった場合でも、燃料極排出ガス２７、燃料極排出ガス３４および空気極排出ガス１２を燃焼器７に供給し、燃料極排出ガス２７中の未反応水素、未反応一酸化炭素および未反応燃料と燃料極排出ガス３４中の未反応水素および未反応燃料を空気極排出ガス１２中の未反応酸素と燃焼させるので、燃料極排出ガス３４と空気極排出ガス１２を燃焼器７に供給し、燃料極排出ガス３４中の未反応水素と未反応燃料を空気極排出ガス１２中の未反応酸素と燃焼させる図７に示した従来の燃料電池発電システムに比べて、燃焼器７で生成する燃焼熱を増加させることができる。このため、ＰＥＦＣスタック２３の発電電力が一定のままＳＯＦＣスタック３の発電電力が大きくなり、燃料極排出ガス３４中の未反応水素と未反応燃料を空気極排出ガス１２中の未反応酸素と燃焼器７で燃焼させるだけでは、生成する燃焼熱が少なくてＳＯＦＣスタック３とＰＥＦＣスタック２３の発電に必要な天然ガス１とＳＯＦＣスタック３の発電に必要な発電用空気３６を、昇温用燃焼ガス７４と昇温用燃焼ガス７５を用いて所定の温度まで昇温できない場合でも、本実施の形態では、天然ガス１と発電用空気３６を、昇温用燃焼ガス７４と昇温用燃焼ガス７５を用いて所定の温度まで昇温することが可能である。従って、本実施の形態では、天然ガス１と発電用空気３６を所定の温度まで昇温することができなくなることはなく、ＳＯＦＣスタック３の発電温度が低下することがないから、ＳＯＦＣスタック３の発電性能も低下することはない。
なお、燃料極排出ガス２７を新たに燃焼器７に供給するために、天然ガス１の供給量は増加させなければならないが、常温の天然ガス１をそのまま燃焼器７に供給して燃焼させる場合や、ＰＥＦＣスタック２３の水素利用率を低下させることによって未反応水素量を増やした１００℃以下の燃料極排出ガス３４を燃焼器７に供給して燃焼させる場合と比べて、本実施の形態では８００℃程度の高温の燃料極排出ガス２７を新たに燃焼器７に供給して燃焼させるので、燃焼器７で同じ燃焼熱を得るために必要な天然ガス１の増加量は少なく、燃料電池発電システムの発電効率の低下を抑制することができる。
図２は本発明の燃料電池発電システムの他の実施の形態の構成を示す図である。図２において、４８は水素分離器、５０は排出ガス４４のうち水素分離器４８に供給される排出ガス（水素分離器用改質ガス）、５１は水素分離器４８により作られた水素で、水素５１はＰＥＦＣスタック２３に供給される。５２は水素分離器４８から排出される排出ガス、６８は燃料極２６からのパージガス、６７はパージガス６８を放出するためのパージ弁、６９は燃料極水素排出ガスである。
図２に示した実施の形態は、図１に示した実施の形態とは、ＣＯ選択酸化器２１と凝縮器２２の代わりに水素分離器４８を設けた点が異なる。
つぎに、図２に示した実施の形態の作用について説明する。排出ガス５０はパラジウム膜等の水素分離膜を有する水素分離器４８に供給され、排出ガス５０から水素５１が分離される。その際、効率的な水素分離を行なうために、必要に応じて排出ガス５０の加圧を行なう。水素分離器４８で分離された水素５１は燃料極２６に供給される。水素分離器４８の排出ガス５２は、燃料極排出ガス２７および空気極排出ガス１２とともに、燃焼器７に供給される。水素分離器４８で分離された水素５１は燃料極２６に供給され、水素５１を発電用空気３２中の酸素と電気化学的に反応させることによってＰＥＦＣスタック２３の発電が行なわれる。未反応水素からなる燃料極水素排出ガス６９は、ＰＥＦＣスタック２３の発電効率を向上させるために、全て燃料極２６にリサイクルする。しかし、燃料極水素排出ガス６９中には水素以外の不純物が若千含まれているので、パージ弁６７を間欠的に開け、パージガス６８を放出する。
図２に示した実施の形態では、燃料極排出ガス２７を燃焼器７に供給し、燃料極排出ガス２７中の未反応水素、未反応一酸化炭素および未反応燃料と排出ガス５２中の未反応水素および未反応燃料を、空気極排出ガス１２中の未反応酸素と燃焼させることによって、燃焼ガス１３を生成する。
本実施の形態では、ＰＥＦＣスタック２３の発電電力が一定のままＳＯＦＣスタック３の発電電力が大きくなった場合でも、燃料極排出ガス２７、排出ガス５２および空気極排出ガス１２を燃焼器７に供給し、燃料極排出ガス２７中の未反応水素、未反応一酸化炭素および未反応燃料と排出ガス５２中の未反応水素および未反応燃料を、空気極排出ガス１２中の未反応酸素と燃焼させるので、排出ガス５２と空気極排出ガス１２を燃焼器７に供給し、排出ガス５２中の未反応水素と未反応燃料を、空気極排出ガス１２中の未反応酸素と燃焼させる燃料電池発電システムに比べて、燃焼器７で生成する燃焼熱を増加させることができる。このため、ＰＥＦＣスタック２３の発電電力が一定のままＳＯＦＣスタック３の発電電力が大きくなり、排出ガス５２中の未反応水素と未反応燃料を空気極排出ガス１２中の未反応酸素と燃焼器７で燃焼させるだけでは、生成する燃焼熱が少なくてＳＯＦＣスタック３とＰＥＦＣスタック２３の発電に必要な天然ガス１と、ＳＯＦＣスタック３の発電に必要な発電用空気３６を、昇温用燃焼ガス７４と昇温用燃焼ガス７５を用いて所定の温度まで昇温できない場合でも、本実施の形態では、天然ガス１と発電用空気３６を、昇温用燃焼ガス７４と昇温用燃焼ガス７５を用いて所定の温度まで昇温することが可能である。従って、本実施の形態では、天然ガス１と発電用空気３６を所定の温度まで昇温することができなくなることはなく、ＳＯＦＣスタック３の発電温度が低下することがないから、ＳＯＦＣスタック３の発電性能も低下することはない。
なお、燃料極排出ガス２７を新たに燃焼器７に供給するために、天然ガス１の供給量は増加させなければならないが、常温の天然ガス１をそのまま燃焼器７に供給して燃焼させる場合や、水素分離器４８の水素分離性能を低下させることによって未反応水素量を増やした２５０℃以下の排出ガス５２（ＣＯシフトコンバータ２０での(７)式に示した水性シフト反応の反応温度が２５０℃前後であるので、排出ガス５２の温度は２５０℃以下となる）を燃焼器７に供給して燃焼させる場合と比べて、本実施の形態では８００℃程度の高温の燃料極排出ガス２７を新たに燃焼器７に供給して燃焼させるので、燃焼器７で同じ燃焼熱を得るために必要な天然ガス１の増加量は少なく、燃料電池発電システムの発電効率の低下を抑制することができる。
図３は、本発明の燃料電池発電システムの他の実施の形態の構成を示す図である。図３において、５６は第２の燃料電池セルスタックであるりん酸形燃料電池スタック（以下、ＰＡＦＣスタックと略す）、５５は排出ガス４４のうち燃料極５９（説明後述）に供給される排出ガス（ＰＡＦＣスタック用改質ガス）、５７はＰＡＦＣスタック５６の空気極、５８はＰＡＦＣスタック５６のりん酸電解質、５９はＰＡＦＣスタック５６の燃料極、６０はＰＡＦＣスタック５６の発電用空気、６１は発電用空気６０の供給量を制御する流量制御弁、６２はＰＡＦＣスタック５６の空気極排出ガス、６３はＰＡＦＣスタック５６の燃料極排出ガスである。
図３に示した実施の形態は、図１に示した実施の形態とは、ＣＯ選択酸化器２１と凝縮器２２が不要で、第２の燃料電池セルスタックとしてＰＥＦＣスタック２３の変わりにＰＡＦＣスタック５６を用いる点が異なる。
つぎに、図３に示した実施の形態の作用について説明する。ＣＯシフトコンバータ２０で作られた一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた排出ガス４４の一部である排出ガス５５を燃料極５９に供給する。また、発電用空気６０を空気極５７に供給する。発電用空気６０の供給量は、予め設定されたＰＡＦＣスタック５６の発電電流と流量制御弁６１の開度（すなわち、発電用空気６０の供給量）との関係に基づいて、流量制御弁６１の開度を制御することによって、ＰＡＦＣスタック５６の発電電流に見合った値に設定する。ＰＡＦＣスタック５６の発電温度は、１９０℃が一般的であり、電池反応による発熱により発電温度が維持される。
燃料極５９では、白金系電極触媒の働きで、排出ガス５５に含まれる水素の約８０％が、ＰＥＦＣスタック２３の場合と同様に(９)式に示した燃料極反応により水素イオンと電子に変わる。
燃料極５９で生成した水素イオンは、りん酸電解質５８の内部を移動し、空気極５７に到達する。一方、燃料極５９で生成した電子は、外部回路を移動し、空気極５７に到達する。この電子が外部回路を移動する過程で、電気エネルギーを発電電力として取り出すことができる。
空気極５７では、白金系電極触媒の働きで、燃料極５９からりん酸電解質５８の内部を空気極５７まで移動してきた水素イオン、燃料極５９から外部回路を空気極５７まで移動してきた電子および空気極５７に供給された発電用空気６０中の酸素が、ＰＥＦＣスタック２３の場合と同様に(１０)式に示した空気極反応により反応し、水が生成される。
(９)式と(１０)式をまとめると、ＰＡＦＣスタック５６の電池反応は、ＰＥＦＣスタック２３の場合と同様に(１１)式に示した水素の電気化学的酸化反応として表すことができる。
発電用空気６０は、空気極５７で酸素の一部を(１０)式に示した空気極反応により消費した後に、空気極排出ガス６２として排出される。一方、排出ガス５５は、燃料極５９で水素の約８０％を(９)式に示した燃料極反応により消費した後に、燃料極排出ガス６３として、燃料極排出ガス２７および空気極排出ガス１２とともに、燃焼器７に供給される。
図３に示した実施の形態では、燃料極排出ガス２７を燃焼器７に供給し、燃料極排出ガス２７中の未反応水素、未反応一酸化炭素および未反応燃料と燃料極排出ガス６３中の未反応水素および未反応燃料を、空気極排出ガス１２中の未反応酸素と燃焼させることによって、燃焼ガス１３を生成する。
本実施の形態では、ＰＡＦＣスタック５６の発電電力が一定のままＳＯＦＣスタック３の発電電力が大きくなった場合でも、燃料極排出ガス２７、燃料極排出ガス６３および空気極排出ガス１２を燃焼器７に供給し、燃料極排出ガス２７中の未反応水素、未反応一酸化炭素および未反応燃料と燃料極排出ガス６３中の未反応水素および未反応燃料を、空気極排出ガス１２中の未反応酸素と燃焼させるので、燃料極排出ガス６３と空気極排出ガス１２を燃焼器７に供給し、燃料極排出ガス６３中の未反応水素と未反応燃料を、空気極排出ガス１２中の未反応酸素と燃焼させる燃料電池発電システムに比べて、燃焼器７で生成する燃焼熱を増加させることができる。このため、ＰＡＦＣスタック５６の発電電力が一定のままＳＯＦＣスタック３の発電電力が大きくなり、燃料極排出ガス６３中の未反応水素と未反応燃料を空気極排出ガス１２中の未反応酸素と燃焼器７で燃焼させるだけでは、生成する燃焼熱が少なくてＳＯＦＣスタック３とＰＡＦＣスタック５６の発電に必要な天然ガス１と、ＳＯＦＣスタック３の発電に必要な発電用空気３６を、昇温用燃焼ガス７４と昇温用燃焼ガス７５を用いて所定の温度まで昇温できない場合でも、本実施の形態では、天然ガス１と発電用空気３６を、昇温用燃焼ガス７４と昇温用燃焼ガス７５を用いて所定の温度まで昇温することが可能である。従って、本実施の形態では、天然ガス１と発電用空気３６を所定の温度まで昇温することができなくなることはなく、ＳＯＦＣスタック３の発電温度が低下することがないから、ＳＯＦＣスタック３の発電性能も低下することはない。
なお、燃料極排出ガス２７を新たに燃焼器７に供給するために、天然ガス１の供給量は増加させなければならないが、常温の天然ガス１をそのまま燃焼器７に供給して燃焼させる場合や、ＰＡＦＣスタック５６の燃料利用率すなわち水素利用率を低下させることによって未反応水素量を増やした２００℃以下の燃料極排出ガス６３を燃焼器７に供給して燃焼させる場合と比べて、本実施の形態では８００℃程度の高温の燃料極排出ガス２７を新たに燃焼器７に供給して燃焼させるので、燃焼器７で同じ燃焼熱を得るために必要な天然ガス１の増加量は少なく、燃料電池発電システムの発電効率の低下を抑制することができる。
図４は、本発明の燃料電池発電システムの他の実施の形態の構成を示す図である。
図４に示した実施の形態は、図１に示した実施の形態とは、改質器２が不要な点が異なる。
つぎに、図４に示した実施の形態の作用について説明する。昇温用熱交換器７０で昇温されかつ脱硫器３８で脱硫された天然ガス３９は、燃料極排出ガス１１と混合され、燃料極排出ガス１１と天然ガス３９との混合ガス８は燃料極４に供給される。燃料極４では、燃料極触媒の働きにより天然ガス３９（天然ガス１）に含まれる炭化水素（主にメタン）の水蒸気改質反応が行なわれ、水素と一酸化炭素が生成する。燃料極４で生成した水素と一酸化炭素がその場で、(３)式および(４)式に示した燃料極反応により消費され、ＳＯＦＣスタック３の発電が行なわれる。炭化水素の水蒸気改質反応は吸熱反応であるが、ＳＯＦＣスタック３の発電に伴って発生した熱を、炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として利用する。
燃料極排出ガス１０は、一部が燃料極排出ガス１１として燃料極４にリサイクルされ、燃料極排出ガス１０の残りの一部が燃料極排出ガス１７としてＣＯシフトコンバータ２０に供給され、さらに燃料極排出ガス１０の残りが燃料極排出ガス２７として燃料極排出ガス３４および空気極排出ガス１２とともに燃焼器７に供給される。
図４に示した実施の形態においても、図１に示した実施の形態と同様に、燃料極排出ガス２７を燃焼器７に供給し、燃料極排出ガス２７中の未反応水素、未反応一酸化炭素および未反応燃料と燃料極排出ガス３４中の未反応水素および未反応燃料を、空気極排出ガス１２中の未反応酸素と燃焼させることによって、燃焼ガス１３を生成する。
本実施の形態では、ＰＥＦＣスタック２３の発電電力が一定のままＳＯＦＣスタック３の発電電力が大きくなった場合でも、燃料極排出ガス２７、燃料極排出ガス３４および空気極排出ガス１２を燃焼器７に供給し、燃料極排出ガス２７中の未反応水素、未反応一酸化炭素および未反応燃料と燃料極排出ガス３４中の未反応水素および未反応燃料を、空気極排出ガス１２中の未反応酸素と燃焼させるので、燃料極排出ガス３４と空気極排出ガス１２を燃焼器７に供給し、燃料極排出ガス３４中の未反応水素と未反応燃料を、空気極排出ガス１２中の未反応酸素と燃焼させる図７に示した従来の燃料電池発電システムに比べて、燃焼器７で生成する燃焼熱を増加させることができる。このため、ＰＥＦＣスタック２３の発電電力が一定のままＳＯＦＣスタック３の発電電力が大きくなり、燃料極排出ガス３４中の未反応水素と未反応燃料を空気極排出ガス１２中の未反応酸素と燃焼器７で燃焼させるだけでは、生成する燃焼熱が少なくてＳＯＦＣスタック３とＰＥＦＣスタック２３の発電に必要な天然ガス１と、ＳＯＦＣスタック３の発電に必要な発電用空気３６を、昇温用燃焼ガス７４と昇温用燃焼ガス７５を用いて所定の温度まで昇温できない場合でも、本実施の形態では、天然ガス１と発電用空気３６を、昇温用燃焼ガス７４と昇温用燃焼ガス７５を用いて所定の温度まで昇温することが可能である。従って、本実施の形態では、天然ガス１と発電用空気３６を所定の温度まで昇温することができなくなることはなく、ＳＯＦＣスタック３の発電温度が低下することがないから、ＳＯＦＣスタック３の発電性能も低下することはない。
なお、燃料極排出ガス２７を新たに燃焼器７に供給するために、天然ガス１の供給量は増加させなければならないが、常温の天然ガス１をそのまま燃焼器７に供給して燃焼させる場合や、ＰＥＦＣスタック２３の水素利用率を低下させることによって未反応水素量を増やした１００℃以下のＰＥＦスタック２３の燃料極排出ガス３４を燃焼器７に供給して燃焼させる場合と比べて、本実施の形態では８００℃程度の高温の燃料極排出ガス２７を新たに燃焼器７に供給して燃焼させるので、燃焼器７で同じ燃焼熱を得るために必要な天然ガス１の増加量は少なく、燃料電池発電システムの発電効率の低下を抑制することができる。
図５は、本発明の燃料電池発電システムの他の実施の形態の構成を示す図である。
図５に示した実施の形態は、図２に示した実施の形態とは、改質器２が不要な点が異なる。
図５に示した実施の形態においても、図２に示した実施の形態と同様に、燃料極排出ガス２７を燃焼器に供給し、燃料極排出ガス２７中の未反応水素、未反応一酸化炭素および未反応燃料と水素分離諸排出ガス５２中の未反応水素および未反応燃料を、空気極排出ガス１２中の未反応酸素と燃焼させることによって、燃焼ガス１３を生成する。
本実施の形態では、ＰＥＦＣスタック２３の発電電力が一定のままＳＯＦＣスタック３の発電電力が大きくなった場合でも、燃料極排出ガス２７、排出ガス５２および空気極排出ガス１２を燃焼器７に供給し、燃料極排出ガス２７中の未反応水素、未反応一酸化炭素および未反応燃料と排出ガス５２中の未反応水素および未反応燃料を空気極排出ガス１２中の未反応酸素と燃焼させるので、排出ガス５２と空気極排出ガス１２を燃焼器７に供給し、排出ガス５２中の未反応水素と未反応燃料を、空気極排出ガス１２中の未反応酸素と燃焼させる燃料電池発電システムに比べて、燃焼器７で生成する燃焼熱を増加させることができる。このため、ＰＥＦＣスタック２３の発電電力が一定のままＳＯＦＣスタック３の発電電力が大きくなり、排出ガス５２中の未反応水素と未反応燃料を空気極排出ガス１２中の未反応酸素と燃焼器７で燃焼させるだけでは、生成する燃焼熱が少なくてＳＯＦＣスタック３とＰＥＦＣスタック２３の発電に必要な天然ガス１と、ＳＯＦＣスタック３の発電に必要な発電用空気３６を、昇温用燃焼ガス７４と昇温用燃焼ガス７５を用いて所定の温度まで昇温できない場合でも、本実施の形態では、天然ガス１と発電用空気３６を、昇温用燃焼ガス７４と昇温用燃焼ガス７５を用いて所定の温度まで昇温することが可能である。従って、本実施の形態では、天然ガス１と発電用空気３６を所定の温度まで昇温することができなくなることはなく、ＳＯＦＣスタック３の発電温度が低下することがないから、ＳＯＦＣスタック３の発電性能も低下することはない。
なお、燃料極排出ガス２７を新たに燃焼器７に供給するために、天然ガス１の供給量は増加させなければならないが、常温の天然ガス１をそのまま燃焼器７に供給して燃焼させる場合や、水素分離器４８の水素分離性能を低下させることによって未反応水素量を増やした２５０℃以下の排出ガス５２を燃焼器７に供給して燃焼させる場合と比べて、本実施の形態では８００℃程度の高温の燃料極排出ガス２７を新たに燃焼器７に供給して燃焼させるので、燃焼器７で同じ燃焼熱を得るために必要な天然ガス１の増加量は少なく、燃料電池発電システムの発電効率の低下を抑制することができる。
図６は、本発明の燃料電池発電システムの他の実施の形態の構成を示す図である。
図６に示した実施の形態は、図３に示した実施の形態とは、改質器２が不要な点が異なる。
図６に示した実施の形態においても、図３に示した実施の形態と同様に、燃料極排出ガス２７が燃焼器７に供給され、燃料極排出ガス２７中の未反応水素、未反応一酸化炭素および未反応燃料と燃料極排出ガス６３中の未反応水素および未反応燃料を、空気極排出ガス１２中の未反応酸素と燃焼させることによって、燃焼ガス１３を生成する。
本実施の形態では、ＰＡＦＣスタック５６の発電電力が一定のままＳＯＦＣスタック３の発電電力が大きくなった場合でも、燃料極排出ガス２７、燃料極排出ガス６３および空気極排出ガス１２を燃焼器７に供給し、燃料極排出ガス２７中の未反応水素、未反応一酸化炭素および未反応燃料と燃料極排出ガス６３中の未反応水素および未反応燃料を、空気極排出ガス１２中の未反応酸素と燃焼させるので、燃料極排出ガス６３と空気極排出ガス１２を燃焼器７に供給し、燃料極排出ガス６３中の未反応水素と未反応燃料を、空気極排出ガス１２中の未反応酸素と燃焼させる燃料電池発電システムに比べて、燃焼器７で生成する燃焼熱を増加させることができる。このため、ＰＡＦＣスタック５６の発電電力が一定のままＳＯＦＣスタック３の発電電力が大きくなり、燃料極排出ガス６３中の未反応水素と未反応燃料を、空気極排出ガス１２中の酸素と燃焼器７で燃焼させるだけでは、生成する燃焼熱が少なくてＳＯＦＣスタック３とＰＡＦＣスタック５６の発電に必要な天然ガス１と、ＳＯＦＣスタック３の発電に必要な発電用空気３６を、昇温用燃焼ガス７４と昇温用燃焼ガス７５を用いて所定の温度まで昇温できない場合でも、本実施の形態では、天然ガス１と発電用空気３６を、昇温用燃焼ガス７４と昇温用燃焼ガス７５を用いて所定の温度まで昇温することが可能である。従って、本実施の形態では、天然ガス１と発電用空気３６を所定の温度まで昇温することができなくなることはなく、ＳＯＦＣスタック３の発電温度が低下することがないから、ＳＯＦＣスタック３の発電性能も低下することはない。
なお、燃料極排出ガス２７を新たに燃焼器７に供給するために、天然ガス１の供給量は増加させなければならないが、常温の天然ガス１をそのまま燃焼器７に供給して燃焼させる場合や、ＰＡＦＣスタック５６の水素利用率を低下させることによって未反応水素量を増やした２００℃以下の燃料極排出ガス６３を燃焼器７に供給して燃焼させる場合と比べて、本実施の形態では８００℃程度の高温の燃料極排出ガス２７を新たに燃焼器７に供給して燃焼させるので、燃焼器７で同じ燃焼熱を得るために必要な天然ガス１の増加量は少なく、燃料電池発電システムの発電効率の低下を抑制することができる。
本発明の燃料電池発電システムの実施の形態の構成を示す図である。 本発明の燃料電池発電システムの他の実施の形態の構成を示す図である。 本発明の燃料電池発電システムの他の実施の形態の構成を示す図である。 本発明の燃料電池発電システムの他の実施の形態の構成を示す図である。 本発明の燃料電池発電システムの他の実施の形態の構成を示す図である。 本発明の燃料電池発電システムの他の実施の形態の構成を示す図である。 従来の燃料電池発電システムの構成を示す図である。
符号の説明
１…天然ガス
２…改質器
３…固体酸化物形燃料電池セルスタック
４…燃料極
７…燃焼器
９…改質ガス
１１…燃料極排出ガス
１２…空気極排出ガス
１７…燃料極排出ガス
２０…ＣＯシフトコンバータ
２１…ＣＯ選択酸化器
２３…個体高分子形燃料電池セルスタック
２７…燃料極排出ガス
２８…排出ガス
２９…排出ガス
３４…燃料極排出ガス
３６…発電用空気
４８…水素分離器
５０…排出ガス
５１…水素
５２…排出ガス
５５…排出ガス
５６…りん酸形燃料電池スタック
６３…燃料極排出ガス
７０…昇温用熱交換器
７１…昇温用熱交換器
７４…昇温用燃焼ガス
７５…昇温用燃焼ガス

Claims (6)

  1. 燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素または水素およ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り発電を行ない、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固体酸化物形燃料電池セルスタックからなる第１の燃料電池セルスタックと、前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の一酸化炭素を酸素と反応させて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なう固体高分子形燃料電池セルスタックからなる第２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、前記第１の燃料電池セルスタックの前記燃料極排出ガス中の水素、一酸化炭素および燃料を酸素と燃焼させる燃焼器を設け、前記燃焼器に前記第１の燃料電池セルスタックの空気極排出ガスおよび前記第２の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガスを供給し、前記燃焼器の排熱により前記燃料および前記第１の燃料電池セルスタックに供給される前記酸素を昇温することを特徴とする燃料電池発電システム。
  2. 燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素または水素およ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り発電を行ない、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固体酸化物形燃料電池セルスタックからなる第１の燃料電池セルスタックと、前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を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なう固体高分子形燃料電池セルスタックからなる第２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、前記第１の燃料電池セルスタックの前記燃料極排出ガス中の水素、一酸化炭素および燃料を酸素と燃焼させる燃焼器を設け、前記燃焼器に前記第１の燃料電池セルスタックの空気極排出ガスおよび前記水素分離器の排出ガスを供給し、前記燃焼器の排熱により前記燃料および前記第１の燃料電池セルスタックに供給される前記酸素を昇温することを特徴とする燃料電池発電システム。
  3. 燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素または水素およ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り発電を行ない、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固体酸化物形燃料電池セルスタックからなる第１の燃料電池セルスタックと、前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行なう固体高分子形燃料電池セルスタックからなる第２の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムにおいて、前記第１の燃料電池セルスタックの前記燃料極排出ガス中の水素、一酸化炭素および燃料を酸素と燃焼させる燃焼器を設け、前記燃焼器に前記第１の燃料電池セルスタックの空気極排出ガスおよび前記第２の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガスを供給し、前記燃焼器の排熱により前記燃料および前記第１の燃料電池セルスタックに供給される前記酸素を昇温することを特徴とする燃料電池発電システム。
  4. 燃料極における燃料の水蒸気改質反応によって水素と一酸化炭素とを生成させるとともに、前記水素または前記水素および前記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ない、前記発電に伴って発生した熱を前記水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費し、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記燃料極に供給する固体酸化物形燃料電池セルスタックからなる第１の燃料電池セルスタックと、前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の一酸化炭素を酸素と反応させて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なう固体高分子形燃料電池セルスタックからなる第２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、前記第１の燃料電池セルスタックの前記燃料極排出ガス中の水素、一酸化炭素および燃料を酸素と燃焼させる燃焼器を設け、前記燃焼器に前記第１の燃料電池セルスタックの空気極排出ガスおよび前記第２の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガスを供給し、前記燃焼器の排熱により前記燃料および前記第１の燃料電池セルスタックに供給される前記酸素を昇温することを特徴とする燃料電池発電システム。
  5. 燃料極における燃料の水蒸気改質反応によって水素と一酸化炭素とを生成させるとともに、前記水素または前記水素および前記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ない、前記発電に伴って発生した熱を前記水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費し、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記燃料極に供給する固体酸化物形燃料電池セルスタックからなる第１の燃料電池セルスタックと、前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を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なう固体高分子形燃料電池セルスタックからなる第２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、前記第１の燃料電池セルスタックの前記燃料極排出ガス中の水素、一酸化炭素および燃料を酸素と燃焼させる燃焼器を設け、前記燃焼器に前記第１の燃料電池セルスタックの空気極排出ガスおよび前記水素分離器の排出ガスを供給し、前記燃焼器の排熱により前記燃料および前記第１の燃料電池セルスタックに供給される前記酸素を昇温することを特徴とする燃料電池発電システム。
  6. 燃料極における燃料の水蒸気改質反応によって水素と一酸化炭素とを生成させるとともに、前記水素または前記水素および前記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ない、前記発電に伴って発生した熱を前記水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費し、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記燃料極に供給する固体酸化物形燃料電池セルスタックからなる第１の燃料電池セルスタックと、前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素と変換する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なう固体高分子形燃料電池セルスタックからなる第２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、前記第１の燃料電池セルスタックの前記燃料極排出ガス中の水素、一酸化炭素および燃料を酸素と燃焼させる燃焼器を設け、前記燃焼器に前記第１の燃料電池セルスタックの空気極排出ガスおよび前記第２の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガスを供給し、前記燃焼器の排熱により前記燃料および前記第１の燃料電池セルスタックに供給される前記酸素を昇温することを特徴とする燃料電池発電システム。
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