JP6097807B1 - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】複数の燃料電池を備え、水自立が成立可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】炭化水素ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質器と、改質ガスを用いて発電を行なう、直列に接続されたＮ個（Ｎは２以上の整数）の燃料電池と、Ｎ個の燃料電池のうち、隣り合う２つの燃料電池の間にそれぞれ設けられ、より上流の燃料電池から排出されたオフガス中の水蒸気を回収し、水蒸気が回収されたオフガスをより下流の燃料電池に供給する水蒸気回収手段と、を備え、回収された水蒸気を炭化水素ガスの水蒸気改質に用い、（Ａ）及び（Ｂ）のいずれか一方を満たす燃料電池システム。（Ａ）Ｕｆ（１）＞２ｎ／（ｍ＋２ｎ） （１）（Ｂ）Ｕｆ（ｘ）（１−Ｕｆ（１））（１−Ｕｆ（２））・・・（１−Ｕｆ（ｘ−２））（１−Ｕｆ（ｘ−１））＞２ｎ／（ｍ＋２ｎ） （２）【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

６００℃以上の温度で作動する固体酸化物形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池などの高温作動形燃料電池のシステムでは、効率化を図る点から、高温作動形燃料電池のアノードからそれぞれ排出されるアノードオフガスを燃焼したガスに含まれる水蒸気を凝縮して回収し、その回収した凝縮水を気化した水蒸気を炭化水素ガスの水蒸気改質に用いることがある。このとき、凝縮して回収される水蒸気の量が、炭化水素ガスの水蒸気改質に必要な水蒸気量よりも多くなるようにして、外部からの改質水供給が不要となる水自立が成立することが好ましい。

また、燃料吸入流が供給された燃料電池スタックを運転して電気と２００℃を超える温度の燃料排気流とを生成し、前記燃料排気流の温度を２００℃以下に下げ、前記燃料排気流を第一の燃料排気分流と第二の燃料排気分流とに分割した後、蒸気を含む前記第一の燃料排気分流を前記燃料吸入流へとリサイクルする燃料電池システムの運転方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許第５５４２３３２号公報

例えば、特許文献１に記載の技術では、燃料電池から排出されたアノードオフガス中の蒸気を含む第一の燃料排気分流を燃料吸入流へとリサイクルし、燃料吸入流中の炭化水素燃料を改質し、得られた水素と一酸化炭素とを燃料電池スタックの燃料吸入口へ供給している。

しかしながら、特許文献１に記載の技術は、一つの燃料電池スタックを備える燃料電池システムであり、複数の燃料電池スタックを備える燃料電池システムではない。さらに、複数の燃料電池スタックを備える燃料電池システムについては従来検討されておらず、さらに、外部からの改質水供給が不要となる水自立が成立する際の条件は知られていない。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、複数の燃料電池を備え、水自立が成立可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記課題は、例えば以下の手段により解決される。
＜１＞ 原料ガスに含まれる炭化水素ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質器と、前記改質器から供給された前記改質ガスを用いて発電を行なう、直列に接続されたＮ個（Ｎは２以上の整数）の燃料電池と、前記Ｎ個の燃料電池のうち、隣り合う２つの前記燃料電池の間にそれぞれ設けられ、より上流の前記燃料電池から排出された未反応の前記改質ガスを含むオフガス中の水蒸気を回収し、水蒸気が回収されたオフガスをより下流の前記燃料電池に供給する水蒸気回収手段と、を備え、前記水蒸気回収手段にて回収された水蒸気を前記炭化水素ガスの水蒸気改質に用い、以下の（Ａ）及び（Ｂ）のいずれか一方を満たす燃料電池システム。
（Ａ）最も上流にある第１燃料電池と、前記第１燃料電池と隣り合う第２燃料電池と、の間に設けられた前記水蒸気回収手段にて回収される水蒸気を前記炭化水素ガスの水蒸気改質に用いる場合、前記第１燃料電池の燃料利用率をＵ_ｆ（１）とし、前記炭化水素ガスをＣ_ｎＨ_ｍ（ｎ、ｍはともに正の実数）とするとき、以下の式（１）を満たす。
Ｕ_ｆ（１）＞２ｎ／（ｍ＋２ｎ） （１）
（Ｂ）上流からみてｘ番目（ｘは２以上Ｎ−１以下の整数）の第ｘ燃料電池と、ｘ＋１番目の第ｘ＋１燃料電池と、の間に設けられた前記水蒸気回収手段にて回収される水蒸気を前記炭化水素ガスの水蒸気改質に用いる場合、上流からみてｋ番目（ｋは１以上ｘ以下の整数）の燃料電池の燃料利用率をＵ_ｆ（ｋ）とし、前記炭化水素ガスをＣ_ｎＨ_ｍ（ｎ、ｍはともに正の実数）とするとき、以下の式（２）を満たす。
Ｕ_ｆ（ｘ）（１−Ｕ_ｆ（１））（１−Ｕ_ｆ（２））・・・（１−Ｕ_{ｆ（ｘ−２）}）（１−Ｕ_{ｆ（ｘ−１）}）＞２ｎ／（ｍ＋２ｎ） （２）

本形態に係る燃料電池システムでは、隣り合う２つの前記燃料電池の間に水蒸気回収手段がそれぞれ設けられており、より上流の燃料電池から排出された未反応の改質ガスを含むオフガス中の水蒸気を回収する構成となっている。本形態に係る燃料電池システムでは、Ｎ個の燃料電池が直列に接続しているため、Ｎ−１個の水蒸気回収手段が設けられることになる。

さらに、本形態に係る燃料電池システムでは、式（１）及び式（２）のいずれか一方を満たすように、燃料利用率を調整することにより、Ｎ−１個設けられた水蒸気回収手段のいずれか１つにて回収された水蒸気を用いることで、外部からの改質水供給が不要となる水自立を成立させている。ここで、式（１）は、第１燃料電池と第２燃料電池との間に設けられた水蒸気回収手段にて回収される水蒸気を水蒸気改質に用いることで、水自立を成立させるための条件式である。式（２）は、第ｘ燃料電池と第ｘ＋１燃料電池との間に設けられた水蒸気回収手段にて回収される水蒸気を水蒸気改質に用いることで、水自立を成立させるための条件式である。

以上により、複数の燃料電池を備え、水自立が成立可能な燃料電池システムが提供される。

＜２＞ 原料ガスに含まれる炭化水素ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質器と、前記改質器から供給された前記改質ガスを用いて発電を行なう、直列に接続されたＮ’個（Ｎ’は３以上の整数）の燃料電池と、前記Ｎ’個の燃料電池のうち、隣り合う２つの前記燃料電池の間にそれぞれ設けられ、より上流の前記燃料電池から排出された未反応の前記改質ガスを含むオフガス中の水蒸気を回収し、水蒸気が回収されたオフガスをより下流の前記燃料電池に供給する水蒸気回収手段と、を備え、前記水蒸気回収手段にて回収された水蒸気を前記炭化水素ガスの水蒸気改質に用い、以下の（Ｃ）を満たす燃料電池システム。
（Ｃ）上流からみてｘ＋１番目（ｘは２以上Ｎ’−１以下の整数）の第ｘ＋１燃料電池よりも上流側に設けられたｘ個の前記水蒸気回収手段にて回収される水蒸気を前記炭化水素ガスの水蒸気改質に用いる場合、上流からみてｋ番目（ｋは１以上ｘ以下の整数）の燃料電池の燃料利用率をＵ_ｆ（ｋ）とし、前記炭化水素ガスをＣ_ｎＨ_ｍ（ｎ、ｍはともに正の実数）とするとき、以下の式（３）を満たす。
Ｕ_ｆ（１）＋Ｕ_ｆ（２）（１−Ｕ_ｆ（１））＋Ｕ_ｆ（３）（１−Ｕ_ｆ（１））（１−Ｕ_ｆ（２））＋・・・＋Ｕ_{ｆ（ｘ−１）}（１−Ｕ_ｆ（１））（１−Ｕ_ｆ（２））・・・（１−Ｕ_{ｆ（ｘ−３）}）（１−Ｕ_{ｆ（ｘ−２）}）＋Ｕ_ｆ（ｘ）（１−Ｕ_ｆ（１））（１−Ｕ_ｆ（２））・・・（１−Ｕ_{ｆ（ｘ−２）}）（１−Ｕ_{ｆ（ｘ−１）}）＞２ｎ／（ｍ＋２ｎ） （３）

本形態に係る燃料電池システムでは、隣り合う２つの前記燃料電池の間に水蒸気回収手段がそれぞれ設けられており、より上流の燃料電池から排出された未反応の改質ガスを含むオフガス中の水蒸気を回収する構成となっている。本形態に係る燃料電池システムでは、上流からみてｘ＋１番目の第ｘ＋１燃料電池よりも上流側にはｘ個の燃料電池が設けられているため、第ｘ＋１燃料電池よりも上流側には、ｘ個の水蒸気回収手段が設けられていることになる。

さらに、本形態に係る燃料電池システムでは、式（３）を満たすように、燃料利用率を調整することにより、前述のｘ個の水蒸気回収手段にて回収された水蒸気を用いることで、外部からの改質水供給が不要となる水自立を成立させている。ここで、式（３）は、第ｘ＋１燃料電池よりも上流に設けられたｘ個の水蒸気回収手段にて回収される水蒸気を水蒸気改質に用いることで、水自立を成立させるための条件式である。

以上により、複数の燃料電池を備え、水自立が成立可能な燃料電池システムが提供される。

＜３＞ 前記水蒸気回収手段に供給される前記オフガスと、前記水蒸気回収手段から排出された前記オフガスと、の間で熱交換を行なう熱交換器をさらに備える＜１＞又は＜２＞に記載の燃料電池システム。

本形態に係る燃料電池システムでは、水蒸気回収手段に供給されるオフガスが水蒸気の回収に適した温度に冷却されるとともに、水蒸気回収手段から排出され、燃料電池に供給されるオフガスが発電に適した温度に加熱される。よって、システム全体の発電効率及び熱効率がより向上する。

本発明によれば、複数の燃料電池を備え、水自立が成立可能な燃料電池システムを提供することができる。

本発明の第一実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。 本発明の第二実施形態に係る燃料電池システムが、Ｎ段の燃料電池を備えることを示す概略構成図である。 本発明の第三実施形態に係る燃料電池システムが、Ｎ’段の燃料電池を備えることを示す概略構成図である。

本明細書において、「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。

＜第１実施形態＞
〔燃料電池システム〕
以下、本発明の第一実施形態に係る燃料電池システム１０について図１を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図であり、本燃料電池システムでは２個の燃料電池が直列に接続されている。

本実施形態に係る燃料電池システムは、改質部１９及び燃焼部１８を有する改質器１４と、第１燃料電池１１と、水蒸気回収手段である水タンク３１と、第２燃料電池１２と、を備え、水タンク３１にて回収された水蒸気を炭化水素ガスの水蒸気改質に用いるシステムである。さらに、燃料電池システム１０は、第１燃料電池１１と第２燃料電池１２との間に設けられた水タンク３１にて回収される水蒸気を炭化水素ガスの水蒸気改質に用いており、第１燃料電池１１の燃料利用率をＵ_ｆ（１）とし、炭化水素ガスをＣ_ｎＨ_ｍ（ｎ、ｍはともに正の実数）とするとき、以下の式（１）を満たすシステムである。
Ｕ_ｆ（１）＞２ｎ／（ｍ＋２ｎ） （１）

本実施形態に係る燃料電池システムでは、第１燃料電池１１と第２燃料電池１２の間に水タンク３１が設けられており、第１燃料電池１１から排出されたオフガス中の水蒸気を回収する構成となっている。

さらに、本実施形態に係る燃料電池システム１０は、式（１）を満たすように、Ｕ_ｆ（１）を調整することにより、水タンク３１にて回収された水蒸気を用いて、外部からの改質水供給が不要となる水自立を成立させている。以下、その理由について説明する。

まず、Ｃ_ｎＨ_ｍ（ｎ、ｍはともに正の実数）で表される炭化水素ガスを水蒸気改質して一酸化炭素及び水蒸気を生成するときの反応式は、以下の式（ｘ）で表される。
Ｃ_ｎＨ_ｍ＋ｎＨ_２Ｏ→ｎＣＯ＋（ｍ／２＋ｎ）Ｈ_２ （ｘ）

式（ｘ）で表されるように、１モルの炭化水素ガスを供給する場合、化学量論的に必要な水蒸気のモル数はｎモルであり、このとき、発生する水素のモル数は（ｍ／２＋ｎ）モルとなる。また、燃料電池での反応において、１モルの水素が反応した場合、１モルの水蒸気が発生したことになる。

そのため、第１燃料電池１１の燃料利用率をＵ_ｆ（１）としたとき、第１燃料電池１１にて反応する水素のモル数、すなわち、第１燃料電池１１にて生成する水蒸気のモル数は、（ｍ／２＋ｎ）Ｕ_ｆ（１）モルである。ここで、第１燃料電池１１で生成する水蒸気が全て水蒸気回収手段にて回収されたとすると、水タンク３１にて回収される水蒸気のモル数は、（ｍ／２＋ｎ）Ｕ_ｆ（１）モルとなる。

式（ｘ）で表されるように、１モルの炭化水素ガスを供給する場合に必要な水蒸気のモル数はｎモルであるため、水タンク３１にて回収された水蒸気で外部からの改質水供給が不要となる水自立を成立させるためには、以下の式（１）’を満たす必要がある。
（ｍ／２＋ｎ）Ｕ_ｆ（１）＞ｎ （１）’

この式（１）’を整理することにより、前述の式（１）となる。したがって、外部からの改質水供給が不要となる水自立を成立させるためには、前述の式（１）を満たせばよい。以上により、複数の燃料電池を備え、水自立が成立可能な燃料電池システム１０が提供される。また、本実施形態に係る燃料電池システム１０では、定格発電時だけでなく、起動時においても前述の式（１）を満たすことが好ましい。

以下、本実施形態に係る燃料電池システム１０の各構成について説明する。

（原料ガス供給経路）
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、炭化水素ガスを含む原料ガスを改質器１４に供給する原料ガス供給経路２４を備えており、原料ガス供給経路２４は、原料ガスを流通させるためのブロワ２５が設置されている。

原料ガス供給経路２４内を流通する原料ガスとしては、水蒸気改質が可能な炭化水素ガスを含むものであれば特に限定されず、例えば、天然ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）、石炭改質ガス、低級炭化水素ガスなどが例示される。低級炭化水素ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭素数４以下の低級炭化水素が挙げられ、特にメタンが好ましい。なお、炭化水素ガスとしては、上述した低級炭化水素ガスを混合したものであってもよい。

原料ガス供給経路２４は、後述する水蒸気供給経路３７と接続しており、水蒸気供給経路３７内を流通する水蒸気が原料ガス供給経路２４に供給される。そして、水蒸気供給経路３７より供給された水蒸気は、原料ガスとともに改質器１４に供給される。なお、原料ガス供給経路２４は、経路内での水蒸気の凝縮を防ぐ観点から、水蒸気供給経路３７と接続されずに水蒸気が水蒸気供給経路３７を通じて改質器１４に直接供給される構成であってもよい。

（改質器）
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質器１４を備えている。改質器１４は、例えば、バーナ又は燃焼触媒を配置した燃焼部１８と、改質用触媒を備える改質部１９とを備える。

改質部１９は、上流側にて原料ガス供給経路２４と接続しており、下流側にて改質ガス供給経路４２と接続している。そのため、原料ガス供給経路２４を通じてメタンなどの炭化水素ガスを含む原料ガスが改質部１９に供給され、改質部１９にて炭化水素ガスを水蒸気改質した後に、生成された改質ガスが改質ガス供給経路４２を通じて第１燃料電池１１に供給される。

燃焼部１８は、上流側にて酸素供給経路４４及びオフガス経路４６と接続しており、下流側にて排気経路４８と接続している。燃焼部１８は、第２燃料電池１２のカソード側から排出され、酸素供給経路４４を通じて供給された未反応の酸素を含むガスと、第２燃料電池１２のアノード側から排出され、オフガス経路４６を通じて供給されたオフガスとの混合ガスを燃焼させ、改質部１９内の改質用触媒を加熱する。燃焼部１８からの排ガスは、排気経路４８内を流通する。

改質部１９で起こる水蒸気改質は大きな吸熱を伴うので、反応の進行のためには外部から熱の供給が必要であり、そのため、燃焼部１８で発生する燃焼熱により改質部１９を加熱することが好ましい。

炭化水素ガスの一例であるメタンを水蒸気改質させた場合、改質部１９にて、以下の式（ａ）の反応により一酸化炭素および水素が生成される。
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ_２ （ａ）

改質部１９内に設置される改質用触媒としては、水蒸気改質反応の触媒となるものであれば特に限定されないが、Ｎｉ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｒｅ，Ｃｏ，Ｆｅ及びＭｏの少なくとも一つを触媒金属として含む水蒸気改質用触媒が好ましい。

改質器１４の改質部１９に供給される単位時間当たりの水蒸気の分子数Ｓと、改質器１４の改質部１９に供給される単位時間当たりの炭化水素ガスの炭素原子数Ｃと、の比であるスチームカーボン比Ｓ／Ｃは、１．５〜３．５であることが好ましく、２．０〜３．０であることがより好ましく、２．０〜２．５であることがさらに好ましい。スチームカーボン比Ｓ／Ｃがこの範囲にあることにより、炭化水素ガスが効率よく水蒸気改質され、水素および一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。さらに、燃料電池システム１０内での炭素析出を抑制することができ、燃料電池システム１０の信頼性を高めることができる。

また、燃焼部１８は、水蒸気改質を効率よく行なう観点から、改質部１９を、６００℃〜８００℃に加熱することが好ましく、６００℃〜７００℃に加熱することがより好ましい。

排気経路４８内を流通する排ガスは、気化器の役割を有する熱交換器２３にて、改質水供給経路３３内を流通する改質水と熱交換を行なう。これにより、排気経路４８内を流通する排ガスは冷却され、改質水供給経路３３内を流通する改質水は気化された後に水蒸気供給経路３７を通じて原料ガス供給経路２４に供給される。

熱交換器２３にて熱交換が行なわれた排ガスは、熱交換器２２にて、酸素供給経路４４内を流通する酸素を含むガスと熱交換を行なう。これにより、排ガスは冷却された後に水タンク３２（凝縮器）に供給され、酸素を含むガスは加熱された後に、第１燃料電池１１のカソードに供給されて発電に用いられる。

水タンク３２は、排気経路４８内を流通する排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮して得られた水を貯留する容器である。水タンク３２では、水蒸気以外の排ガスは外部に排出され、凝縮された水は外部に排水される。

酸素供給経路４４は、空気などの酸素を含むガスが流通する経路であり、酸素を含むガスを第１燃料電池に送るためのブロワ２６が設けられている。酸素を含むガスは熱交換器２２により第１燃料電池１１の作動温度に適した温度に加熱された後に第１燃料電池１１のカソードに供給される。

（第１燃料電池）
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、改質ガス供給経路４２を通じて改質器１４から供給された改質ガスを用いて発電を行なう第１燃料電池１１を備えている。第１燃料電池１１としては、例えば、空気極（カソード）、電解質及び燃料極（アノード）を備える燃料電池セルであってもよく、燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックであってもよい。また、第１燃料電池１１としては、６００℃〜８００℃程度で作動する高温型の燃料電池、例えば、７００℃〜８００℃程度で作動する固体酸化物形燃料電池、６００℃〜７００℃程度で作動する溶融炭酸塩形燃料電池が挙げられる。

第１燃料電池１１が固体酸化物形燃料電池の場合、第１燃料電池１１のカソード（図示せず）には、酸素供給経路４４を通じて酸素を含むガスが供給される。酸素を含むガスがカソードに供給されることにより、以下の式（ｂ）に示す反応が起こり、その際、酸素イオンが固体酸化物電解質（図示せず）の内部を移動する。
Ｏ_２＋４ｅ⁻→２Ｏ^２− （ｂ）

第１燃料電池１１が固体酸化物形燃料電池の場合、第１燃料電池１１のアノード（図示せず）には、改質ガス供給経路４２を通じて水素を含む改質ガスが供給される。固体酸化物電解質の内部を移動する酸素イオンからアノードと固体酸化物電解質との界面にて水素が電子を受け取ることにより、以下の式（ｃ）に示す反応が起こる。
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ （ｃ）

第１燃料電池１１が溶融炭酸塩形燃料電池の場合、第１燃料電池１１のカソード（図示せず）には、酸素供給経路４４を通じて酸素及び二酸化炭素を含むガスが供給される。酸素及び二酸化炭素を含むガスがカソードに供給されることにより、以下の式（ｄ）に示す反応が起こり、その際、炭酸イオンが電解質（図示せず）の内部を移動する。
Ｏ_２＋２ＣＯ_２＋４ｅ⁻→２ＣＯ_３ ^２− （ｄ）

第１燃料電池１１が溶融炭酸塩形燃料電池の場合、第１燃料電池１１のアノード（図示せず）には、改質ガス供給経路４２を通じて水素を含む改質ガスが供給される。電解質の内部を移動する炭酸イオンからアノードと電解質との界面にて水素が電子を受け取ることにより、以下の式（ｅ）に示す反応が起こる。
Ｈ_２＋ＣＯ_３ ^２−→Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ_２＋２ｅ⁻ （ｅ）

上記式（ｃ）及び式（ｅ）に示すように、第１燃料電池１１での改質ガスの電気化学的な反応により、固体酸化物形燃料電池では主に水蒸気が生成され、溶融炭酸塩形燃料電池では主に水蒸気及び二酸化炭素が生成される。また、アノードで生成された電子は、外部回路を通じてカソードに移動する。このようにして電子がアノードからカソードに移動することにより、第１燃料電池１１にて発電が行なわれる。なお、固体酸化物形燃料電池であっても、一部の一酸化炭素が発電に用いられることで、二酸化炭素が生成される。

カソードから排出された未反応の酸素を含むガスは、下流側の酸素供給経路４４を通じて、第２燃料電池１２のカソード（図示せず）に供給される。

一方、アノードから排出された未反応の改質ガスを含むオフガスは、オフガス経路５２を通じて水タンク３１へ供給される。ここで、未反応の改質ガスを含むオフガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気などを含む混合ガスである。

オフガス経路５２及びオフガス経路５４には熱交換器２１が設置されており、熱交換器２１により、オフガス経路５２内を流通するオフガスと、オフガス経路５４内を流通する水蒸気が回収されたオフガスと、の間で熱交換を行なう。これにより、オフガス経路５２内を流通するオフガスは冷却され、水タンク３１にて水蒸気が凝縮される温度に近づくとともに、第２燃料電池１２に供給される水蒸気が回収されたオフガスは、発電に適した温度に加熱される。よって、システム全体の発電効率及び熱効率がより向上する。熱交換器２１により冷却されたオフガスは、水タンク３１に供給される。

水タンク３１は、オフガス経路５２内を流通するオフガス中に含まれる水蒸気を凝縮して得られた水を貯留することで、オフガス中に含まれる水蒸気を回収するための容器である。水タンク３１は、改質水供給経路３３と接続しており、改質水供給経路３３には、改質水ポンプ３４及び水処理装置３８が設けられている。

改質水ポンプ３４により、水タンク３１に貯留された水は改質水として、改質水供給経路３３を通じて水処理装置３８にて不純物が除去された後、熱交換器２３に供給される。

水処理装置３８は、改質水供給経路３３内を流通する水に含まれる不純物を除去するための装置であり、交換や薬品による再生処理が必要なイオン交換樹脂を有する水処理装置、イオン交換樹脂を電気的に再生可能な電気脱イオン式の水処理装置などが挙げられる。

また、排気経路４８内を流通する排ガスと、改質水供給経路３３内を流通する改質水と、の間で熱交換を行なう熱交換器２３の代わりに、改質部１９、第１燃料電池１１、第２燃料電池１２の内少なくとも一つより放出される熱を利用して、改質水を気化する気化器を設けてもよい。

本実施形態に係る燃料電池システム１０では、水タンク３１にて回収される水を改質水として用いているが、排ガス中に含まれる水蒸気を回収する水タンク３２にて回収される水を改質水としては用いていない。そのため、水タンク３２に貯留される水を改質水とするために必要な機構は不要となり、システムが簡略化されている。さらに、水タンク３２にて回収される水を改質水として使用しない場合、システムの運転条件によっては、改質水が不足し、水自立がしないおそれがあるが、燃料電池システム１０では、前述の式（１）を満たすシステムであるため、システムの水自立を成立させることができる。

次に、水蒸気が回収された後のオフガスは、水タンク３１からオフガス経路５４内を流通し、第２燃料電池１２へ供給される。このとき、前述のように、オフガス経路５２及びオフガス経路５４に設置された熱交換器２１により、オフガス経路５４内を流通する水蒸気回収後のオフガスは、第２燃料電池１２の作動温度に適した温度に加熱される。

（第２燃料電池）
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、水タンク３１の下流に配置され、水蒸気が回収されたオフガスを用いて発電を行なう第２燃料電池１２を備えている。第２燃料電池１２としては、例えば、空気極（カソード）、電解質及び燃料極（アノード）を備える燃料電池セルであってもよく、燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックであってもよい。なお、第２燃料電池１２は、上述の第１燃料電池１１と同様の構成であるため、共通する事項に関する説明は省略する。

燃料電池システム１０では、第２燃料電池１２は、水蒸気が回収されたオフガスを用いて発電を行なう。そのため、第２燃料電池１２では、電極間の酸素分圧差に起因する理論電圧が向上するとともに、オフガス中の水蒸気に起因する濃度過電圧が低減され、特に高電流密度時に高い性能を発揮することができる。よって、燃料電池システム１０は、後段の燃料電池にて水蒸気が分離されていないオフガスを用いて発電を行なう多段式の燃料電池システムと比較して、高い発電効率を得ることができる。

第２燃料電池１２のカソードから排出されたオフガスは、下流側の酸素供給経路４４を通じて改質器１４の燃焼部１８へ供給される。一方、第２燃料電池１２のアノードから排出されたオフガスは、オフガス経路４６を通じて改質器１４の燃焼部１８へ供給される。

本実施形態では、酸素供給経路４４が直列となっているため、第１燃料電池１１に酸素を供給した後、第２燃料電池１２に酸素が供給されるが、酸素供給経路４４は並列であってもよい。つまり、酸素が流通する酸素供給経路４４が分岐し、第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２のカソードに酸素をそれぞれ供給する構成であってもよい。

本実施形態に係る燃料電池システム１０では、第１燃料電池１１と第２燃料電池１２との間に、第１燃料電池１１のアノードから排出された未反応の改質ガスを含むオフガスから二酸化炭素を除去する二酸化炭素分離手段を設けてもよい。これにより、第２燃料電池１２では、電極間の酸素分圧差に起因する理論電圧が向上するとともに、オフガス中の水蒸気及び二酸化炭素に起因する濃度過電圧が低減される。よって、燃料電池システム１０は、より高い発電効率を得ることができる。二酸化炭素分離手段としては、オフガスに含まれる二酸化炭素を分離できるものであれば特に限定されず、分離膜、吸収材、吸着材などが挙げられる。

本実施形態では、排気経路４８に熱交換器２２、２３を設け、排気経路４８内を流通する排ガスを熱交換器２２、２３にて熱交換により冷却した後に、水タンク３２へ供給しているが、本発明はこれに限定されず、熱交換器２２、２３及び水タンク３２を設けなくてもよい。すなわち、排気経路４８内を流通する排ガスをそのまま排気してもよい。これにより、本発明に係る燃料電池システムの構成をより簡素化することができる。

また、本実施形態では、水蒸気回収手段として水タンク３１を用いているが、これに限定されず、オフガス中の水蒸気を少なくとも分離する水蒸気分離膜を用いてもよく、水タンク３１と水蒸気分離膜とを組み合わせてもよい。

水蒸気分離膜を用いることにより、凝縮水を再度気化するための気化器（熱交換器）を設ける必要はなく、また、水蒸気を凝縮するためにオフガスを１００℃以下の常温近くまで冷却する必要がないため、システムの簡素化及びシステムの熱効率の向上を図ることができる。

＜第二実施形態＞
以下、本発明の第二実施形態に係る燃料電池システムについて図２を用いて説明する。
図２は、本発明の第二実施形態に係る燃料電池システムが、Ｎ段の燃料電池を備えることを示す概略構成図である。第一実施形態に係る燃料電池システム１０は、２つの燃料電池及び１つの水蒸気回収手段を有するシステムであるが、本実施形態に係る燃料電池システムは、Ｎ個の燃料電池及びＮ−１個の水蒸気回収手段を有するシステムである。なお、本実施形態では、３つ以上の燃料電池を備える燃料電池システムについて説明する。

第二実施形態に係る燃料電池システムは、改質部及び燃焼部を有する改質器と、Ｎ個の燃料電池と、隣り合う燃料電池間に設けられた水蒸気回収手段と、を備える。さらに、本実施形態に係る燃料電池システムは、上流からみてｘ番目（ｘは２以上Ｎ−１以下の整数）の第ｘ燃料電池と、ｘ＋１番目の第ｘ＋１燃料電池と、の間に設けられた水蒸気回収手段にて回収される水蒸気を炭化水素ガスの水蒸気改質に用いており、上流からみてｋ番目（ｋは１以上ｘ以下の整数）の燃料電池の燃料利用率をＵ_ｆ（ｋ）とし、前記炭化水素ガスをＣ_ｎＨ_ｍ（ｎ、ｍはともに正の実数）とするとき、以下の式（２）を満たすシステムである。
Ｕ_ｆ（ｘ）（１−Ｕ_ｆ（１））（１−Ｕ_ｆ（２））・・・（１−Ｕ_{ｆ（ｘ−２）}）（１−Ｕ_{ｆ（ｘ−１）}）＞２ｎ／（ｍ＋２ｎ） （２）

本実施形態に係る燃料電池システムでは、隣り合う燃料電池間に水蒸気回収手段が設けられており、各燃料電池から排出されたオフガス中の水蒸気を回収する構成となっている。さらに、図２に示すように、本実施形態に係る燃料電池システムでは、上流からみてｘ番目の第ｘ燃料電池と、ｘ＋１番目の第ｘ＋１燃料電池と、の間に設けられた水蒸気回収手段（図示せず）にて回収される水蒸気を炭化水素ガスの水蒸気改質に使用している。

このとき、本実施形態に係る燃料電池システムでは、式（２）を満たすように、燃料利用率を調整することにより、水蒸気回収手段にて回収された水蒸気を用いて、外部からの改質水供給が不要となる水自立を成立させることができる。以下、その理由について説明する。

前述のように、最も上流に位置する第１燃料電池の燃料利用率をＵ_ｆ（１）としたとき、第１燃料電池にて生成する水蒸気のモル数は、（ｍ／２＋ｎ）Ｕ_ｆ（１）モルである。ここで、各燃料電池で生成する水蒸気が、全て水蒸気回収手段にて回収され、水蒸気が回収されたオフガスがより下流の燃料電池に供給されたとすると、第１燃料電池と第２燃料電池との間に設けられた水蒸気回収手段にて回収される水蒸気のモル数は、（ｍ／２＋ｎ）Ｕ_ｆ（１）モルとなる。

次に、第２燃料電池の燃料利用率をＵ_ｆ（２）としたとき、第２燃料電池に供給されるオフガスに含まれる水素のモル数が、（ｍ／２＋ｎ）（１−Ｕ_ｆ（１））であるため、第２燃料電池にて生成する水蒸気のモル数は、（ｍ／２＋ｎ）（１−Ｕ_ｆ（１））Ｕ_ｆ（２）モルである。したがって、第２燃料電池と第３燃料電池との間に設けられた水蒸気回収手段にて回収される水蒸気のモル数は、（ｍ／２＋ｎ）（１−Ｕ_ｆ（１））Ｕ_ｆ（２）モルとなる。

以上により、第ｘ燃料電池の燃料利用率をＵ_ｆ（ｘ）としたとき、第ｘ燃料電池にて生成される水蒸気のモル数、すなわち、第ｘ燃料電池と第ｘ＋１燃料電池との間に設けられた水蒸気回収手段にて回収される水蒸気のモル数は、（ｍ／２＋ｎ）（１−Ｕ_ｆ（１））（１−Ｕ_ｆ（２））・・・（１−Ｕ_{ｆ（ｘ−２）}）（１−Ｕ_{ｆ（ｘ−１）}）Ｕ_ｆ（ｘ）となる。

前述の式（ｘ）で表されるように、１モルの炭化水素ガスを供給する場合に必要な水蒸気のモル数はｎモルであるため、第ｘ燃料電池と第ｘ＋１燃料電池との間に設けられた水蒸気回収手段にて回収された水蒸気で外部からの改質水供給が不要となる水自立を成立させるためには、以下の式（２）’を満たす必要がある。
（ｍ／２＋ｎ）（１−Ｕ_ｆ（１））（１−Ｕ_ｆ（２））・・・（１−Ｕ_{ｆ（ｘ−２）}）（１−Ｕ_{ｆ（ｘ−１）}）Ｕ_ｆ（ｘ）＞ｎ （２）’

この式（２）’を整理することにより、前述の式（２）となる。したがって、外部からの改質水供給が不要となる水自立を成立させるためには、前述の式（２）を満たせばよい。以上により、複数の燃料電池を備え、水自立が成立可能な燃料電池システムが提供される。また、本実施形態に係る燃料電池システムでは、定格発電時だけでなく、起動時においても前述の式（２）を満たすことが好ましい。

なお、本実施形態に係る燃料電池システムの変形例として、最も上流にある第１燃料電池と、第１燃料電池と隣り合う第２燃料電池との間に設けられた水蒸気回収手段にて回収される水蒸気を炭化水素ガスの水蒸気改質に用いて水自立を成立させてもよい。この場合、水自立を成立させるためには、前述の第一実施形態と同様、式（１）を満たせばよい。

＜第三実施形態＞
以下、本発明の第三実施形態に係る燃料電池システムについて図３を用いて説明する。
図３は、本発明の第三実施形態に係る燃料電池システムが、Ｎ’（Ｎ’は３以上の整数）段の燃料電池を備えることを示す概略構成図である。第二実施形態に係る燃料電池システムは、第ｘ燃料電池と第ｘ＋１燃料電池との間に設けられた水蒸気回収手段にて回収された水蒸気で水自立を成立させるように設計されているシステムであるが、本実施形態に係る燃料電池システムは、第ｘ＋１燃料電池よりも上流に設けられたｘ個の水蒸気回収手段にて回収された水蒸気で水自立を成立させるように設計されているシステムである。

第三実施形態に係る燃料電池システムは、改質部及び燃焼部を有する改質器と、Ｎ’個の燃料電池と、隣り合う燃料電池間にそれぞれ設けられた水蒸気回収手段と、を備える。さらに、本実施形態に係る燃料電池システムは、上流からみてｘ＋１番目（ｘは２以上Ｎ’−１以下の整数）の第ｘ＋１燃料電池よりも上流側に設けられたｘ個の水蒸気回収手段にて回収される水蒸気を前記炭化水素ガスの水蒸気改質に用いており、上流からみてｋ番目（ｋは１以上ｘ以下の整数）の燃料電池の燃料利用率をＵ_ｆ（ｋ）とし、前記炭化水素ガスをＣ_ｎＨ_ｍ（ｎ、ｍはともに正の実数）とするとき、以下の式（３）を満たすシステムである。
Ｕ_ｆ（１）＋Ｕ_ｆ（２）（１−Ｕ_ｆ（１））＋Ｕ_ｆ（３）（１−Ｕ_ｆ（１））（１−Ｕ_ｆ（２））＋・・・＋Ｕ_{ｆ（ｘ−１）}（１−Ｕ_ｆ（１））（１−Ｕ_ｆ（２））・・・（１−Ｕ_{ｆ（ｘ−３）}）（１−Ｕ_{ｆ（ｘ−２）}）＋Ｕ_ｆ（ｘ）（１−Ｕ_ｆ（１））（１−Ｕ_ｆ（２））・・・（１−Ｕ_{ｆ（ｘ−２）}）（１−Ｕ_{ｆ（ｘ−１）}）＞２ｎ／（ｍ＋２ｎ） （３）

本実施形態に係る燃料電池システムでは、隣り合う燃料電池間に水蒸気回収手段が設けられており、各燃料電池から排出されたオフガス中の水蒸気を回収する構成となっている。さらに、図３に示すように、本実施形態に係る燃料電池システムでは、上流からみてｘ＋１番目の第ｘ＋１燃料電池よりも上流側にはｘ個の燃料電池が設けられているため、第ｘ＋１燃料電池よりも上流側には、ｘ個の水蒸気回収手段が設けられていることになる。そして、ｘ個の水蒸気回収手段にて回収される水蒸気を炭化水素ガスの水蒸気改質に使用している。

ここで、第ｘ＋１燃料電池よりも上流側に設けられたｘ個の水蒸気回収手段にて回収される水蒸気のモル数の合計は、下記式（３）’の左辺の通りであり、この合計が炭化水素ガス１モルの水蒸気改質に必要な水蒸気のモル数ｎモルよりも大きい場合に、水自立が成立する。
（ｍ／２＋ｎ）{Ｕ_ｆ（１）＋Ｕ_ｆ（２）（１−Ｕ_ｆ（１））＋Ｕ_ｆ（３）（１−Ｕ_ｆ（１））（１−Ｕ_ｆ（２））＋・・・＋Ｕ_{ｆ（ｘ−１）}（１−Ｕ_ｆ（１））（１−Ｕ_ｆ（２））・・・（１−Ｕ_{ｆ（ｘ−３）}）（１−Ｕ_{ｆ（ｘ−２）}）＋Ｕ_ｆ（ｘ）（１−Ｕ_ｆ（１））（１−Ｕ_ｆ（２））・・・（１−Ｕ_{ｆ（ｘ−２）}）（１−Ｕ_{ｆ（ｘ−１）}）}＞ｎ （３）’

この式（３）’を整理することにより、前述の式（３）となる。したがって、外部からの改質水供給が不要となる水自立を成立させるためには、前述の式（３）を満たせばよい。以上により、複数の燃料電池を備え、水自立が成立可能な燃料電池システムが提供される。また、本実施形態に係る燃料電池システムでは、定格発電時だけでなく、起動時においても前述の式（３）を満たすことが好ましい。

本発明は、前述の第一実施形態〜第三実施形態に限定されず、本発明の技術的思想内で、当業者によって、前述の各実施形態を組み合わせて実施される。また、本発明において、例えば、熱交換器の設置位置、組み合わせなどはこれらの実施形態に限定されない。また、ガス、水などの各種流体の加熱及び冷却には熱交換器以外の手段を用いてもよい。

［実施の一例］
以下、第一実施形態に係る燃料電池システム１０の実施の一例について説明する。炭化水素ガスとしてメタン（ＣＨ_４）を用いた場合、前述の式（１）より、Ｕ_ｆ（１）を１／３より大きくすることで、外部からの改質水供給が不要となる水自立が成立する。

１０…燃料電池システム、１１…第１燃料電池、１２…第２燃料電池、１４…改質器、１８…燃焼部、１９…改質部、２１、２２、２３…熱交換器、２４…原料ガス供給経路、２５、２６…ブロワ、３１、３２…水タンク、３３…改質水供給経路、３４…改質水ポンプ、３７…水蒸気供給経路、３８…水処理装置、４２…改質ガス供給経路、４４…酸素供給経路、４６、５２、５４…オフガス経路、４８…排気経路

Claims (3)

1. 原料ガスに含まれる炭化水素ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質器と、
   前記改質器から供給された前記改質ガスを用いて発電を行なう、直列に接続されたＮ個（Ｎは２以上の整数）の燃料電池と、
   前記Ｎ個の燃料電池のうち、隣り合う２つの前記燃料電池の間にそれぞれ設けられ、前記隣り合う２つの燃料電池のうちの上流側の前記燃料電池から排出された未反応の前記改質ガスを含むオフガス中の水蒸気を回収し、水蒸気が回収されたオフガスを前記隣り合う２つの燃料電池のうちの下流側の前記燃料電池に供給する水蒸気回収手段と、
   を備え、
   前記水蒸気回収手段にて回収された水蒸気を前記炭化水素ガスの水蒸気改質に用い、
   以下の（Ａ）及び（Ｂ）のいずれか一方を満たす燃料電池システム。
   （Ａ）最も上流にある第１燃料電池と、前記第１燃料電池と隣り合う第２燃料電池と、の間に設けられた前記水蒸気回収手段にて回収される水蒸気を前記炭化水素ガスの水蒸気改質に用いる場合、前記第１燃料電池の燃料利用率をＵ_ｆ（１）とし、前記炭化水素ガスをＣ_ｎＨ_ｍ（ｎ、ｍはともに正の実数）とするとき、以下の式（１）を満たし、前記第１燃料電池と前記第２燃料電池との間に設けられた前記水蒸気回収手段により回収された水蒸気のみを水蒸気改質に用いる。
   Ｕ_ｆ（１）＞２ｎ／（ｍ＋２ｎ） （１）
   （Ｂ）上流からみてｘ番目（ｘは２以上Ｎ−１以下の整数）の第ｘ燃料電池と、ｘ＋１番目の第ｘ＋１燃料電池と、の間に設けられた前記水蒸気回収手段にて回収される水蒸気を前記炭化水素ガスの水蒸気改質に用いる場合、上流からみてｋ番目（ｋは１以上ｘ以下の整数）の燃料電池の燃料利用率をＵ_ｆ（ｋ）とし、前記炭化水素ガスをＣ_ｎＨ_ｍ（ｎ、ｍはともに正の実数）とするとき、以下の式（２）を満たし、前記第ｘ燃料電池と前記第ｘ＋１燃料電池との間に設けられた前記水蒸気回収手段により回収された水蒸気のみを水蒸気改質に用いる。
   Ｕ_ｆ（ｘ）（１−Ｕ_ｆ（１））（１−Ｕ_ｆ（２））・・・（１−Ｕ_{ｆ（ｘ−２）}）（１−Ｕ_{ｆ（ｘ−１）}）＞２ｎ／（ｍ＋２ｎ） （２）
2. 原料ガスに含まれる炭化水素ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質部及び燃焼熱により前記改質部を加熱する燃焼部を備える改質器と、
   前記改質器から供給された前記改質ガスを用いて発電を行なう、直列に接続されたＮ’個（Ｎ’は３以上の整数）の燃料電池と、
   前記Ｎ’個の燃料電池のうち、隣り合う２つの前記燃料電池の間にそれぞれ設けられ、前記隣り合う２つの燃料電池のうちの上流側の前記燃料電池から排出された未反応の前記改質ガスを含むオフガス中の水蒸気を回収し、水蒸気が回収されたオフガスを前記隣り合う２つの燃料電池のうちの下流側の前記燃料電池に供給する水蒸気回収手段と、
   前記燃焼部から排出された排ガス中の水蒸気を回収する凝縮器と、
   を備え、
   前記水蒸気回収手段にて回収された水蒸気を前記炭化水素ガスの水蒸気改質に用い、
   以下の（Ｃ）を満たす燃料電池システム。
   （Ｃ）上流からみてｘ＋１番目（ｘは２以上Ｎ’−１以下の整数）の第ｘ＋１燃料電池よりも上流側に設けられたｘ個の水蒸気回収手段にて回収される水蒸気を前記炭化水素ガスの水蒸気改質に用いる場合、上流からみてｋ番目（ｋは１以上ｘ以下の整数）の燃料電池の燃料利用率をＵ_ｆ（ｋ）とし、前記炭化水素ガスをＣ_ｎＨ_ｍ（ｎ、ｍはともに正の実数）とするとき、以下の式（３）を満たし、前記ｘ個の水蒸気回収手段にて回収された水蒸気のみを水蒸気改質に用いる。
   Ｕ_ｆ（１）＋Ｕ_ｆ（２）（１−Ｕ_ｆ（１））＋Ｕ_ｆ（３）（１−Ｕ_ｆ（１））（１−Ｕ_ｆ（２））＋・・・＋Ｕ_{ｆ（ｘ−１）}（１−Ｕ_ｆ（１））（１−Ｕ_ｆ（２））・・・（１−Ｕ_{ｆ（ｘ−３）}）（１−Ｕ_{ｆ（ｘ−２）}）＋Ｕ_ｆ（ｘ）（１−Ｕ_ｆ（１））（１−Ｕ_ｆ（２））・・・（１−Ｕ_{ｆ（ｘ−２）}）（１−Ｕ_{ｆ（ｘ−１）}）＞２ｎ／（ｍ＋２ｎ） （３）
3. 前記水蒸気回収手段に供給される前記オフガスと、前記水蒸気回収手段から排出された前記オフガスと、の間で熱交換を行なう熱交換器をさらに備える請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。