JP6134832B1 - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料極と空気極の圧力差を小さくして電解質膜の劣化を抑制する。【解決手段】第１−１アノード１６Ａ及び第１−２アノード１７Ａからは、第１アノードオフガス管Ｐ７−１へ、第１アノードオフガスＧ３が排出される。第１アノードオフガス管Ｐ７−１には、圧力計５０及びガスポンプ５２が配設されている。ガスポンプ５２は、圧力計５０で検知された圧力に基づいて、吐出圧力を制御して、第１アノードオフガスＧ３を、第２燃料電池セルスタック１８の第２アノード１８Ａへ送出する。【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システムに関する。

燃料電池システムにおいて、エネルギー利用効率を向上させるための構成として、燃料電池セルスタックを複数設け、前段の燃料電池セルスタックから排出された使用済みの燃料ガス中の未反応の燃料ガスを後段の燃料電池セルスタックで再利用する多段式が知られている。（例えば、特許文献１参照）。多段式の燃料電池システムでは、複数の燃料電池セルスタックへの燃料ガスや空気を供給するための流路構成等により、燃料極と空気極の圧力差が大きくなる場合がある。

特開２００６−３１９８９号公報

燃料電池において燃料極と空気極の間は薄い電解質膜で仕切られているが、燃料極と空気極の圧力差や圧力変動が大きいと、電解質膜の機械的強度の低下などの電解質膜の劣化が起こる。

本発明は上記事実を考慮して成されたもので、燃料極と空気極の圧力差を小さくして電解質膜の劣化を抑制することができる燃料電池システムを得ることが目的である。

請求項１記載の発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスが供給される第１燃料極及び前記第１燃料極と電解質膜で仕切られ空気が供給される第１空気極を備えた第１燃料電池セルスタックと、前記第１燃料極から排出された第１アノードオフガスが供給される第２燃料極及び前記第２燃料極と電解質膜で仕切られ空気が供給される第２空気極を備えた第２燃料電池セルスタックと、前記第１燃料極から前記第２燃料極まで下流に向けて非分岐とされ、前記第１アノードオフガスを前記第２燃料極に導く第１アノードオフガス流路と、前記第２燃料極から第２アノードオフガスが排出される第２アノードオフガス流路と、第１アノードオフガス流路及び第２アノードオフガス流路の少なくとも一方に設けられ、前記第１燃料極の圧力を調整する圧力調整装置と、を備えている。

請求項１に係る燃料電池システムは、第１燃料電池セルスタックと、第２燃料電池セルスタックと、を備えている。第１燃料極へ供給された燃料ガスは、第１燃料電池セルスタックでの発電に供され、未反応の水素等の燃料を含む第１アノードオフガスが、第１燃料極から第１アノードオフガス流路を経て第２燃料極へ導かれる。第２燃料極では、第１アノードオフガスが発電に供され、使用後の第２アノードオフガスが第２アノードオフガス流路へ排出される。

第１アノードオフガス流路及び第２アノードオフガス流路の少なくとも一方には、圧力調整装置が設けられている。したがって、第１アノードオフガス流路に圧力調整装置を設けた場合には、第１燃料極の圧力を調整することができる。また、第２アノードオフガス流路に圧力調整装置を設けた場合には、第１燃料極及び第２燃料極の圧力を調整することができる。この圧力調整により、少なくとも、第１燃料電池セルスタックの第１燃料極と第１空気極の圧力差を小さくして、両者の間の電解質膜への負荷を軽減し、劣化を抑制することができる。

請求項３記載の発明に係る燃料電池システムは、前記第１アノードオフガス流路には、前記第１アノードオフガスの熱を回収する熱交換器が配設され、前記圧力調整装置は、前記第１アノードオフガス流路の前記熱交換器で熱を回収された後の前記第１アノードオフガスが流通する部分に配設されている。

請求項３記載の発明に係る燃料電池システムでは、熱交換器により第１アノードオフガスの熱を回収することにより、熱効率を向上させることができる。また、圧力調整装置は、熱交換器で熱を回収された後の第１アノードオフガスが流通する部分に配設されているので、通過する第１アノードオフガスの温度は低温となる。したがって、圧力調整装置に求められる耐高温性能が緩和され、圧力調整装置の選択の自由度が高くなる。

請求項２記載の発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスが供給される第１燃料極、及び前記第１燃料極と電解質膜で仕切られ空気が供給される第１空気極を備えた第１燃料電池セルスタックと、前記第１燃料極から排出された第１アノードオフガスが供給される第２燃料極及び前記第２燃料極と電解質膜で仕切られ空気が供給される第２空気極を備えた第２燃料電池セルスタックと、前記第１アノードオフガスから二酸化炭素及び水の少なくとも一方を除去する燃料再生器が配設され、前記燃料再生器よりも上流側、及び、二酸化炭素及び水の少なくとも一方が除去された後の前記第１アノードオフガスが送出される前記燃料再生器よりも下流側において、下流に向けて非分岐とされ、前記燃料再生器を経由した前記第１アノードオフガスを前記第２燃料極に導く第１アノードオフガス流路と、前記第２燃料極から第２アノードオフガスが排出される第２アノードオフガス流路と、第１アノードオフガス流路及び第２アノードオフガス流路の少なくとも一方に設けられ、前記第１燃料極の圧力を調整する圧力調整装置と、を備えている。

請求項２に係る燃料電池システムでは、燃料再生器により、第１アノードオフガスから二酸化炭素及び水の少なくとも一方が除去される。したがって、第２燃料電池セルスタックへ供給される未反応の水素等の燃料の濃度が高くなり、第２燃料電池セルスタックでの発電効率を向上させることができる。また、燃料再生器を配設すると、配設された機器で生じる圧力損失により、第２燃料極へ送出される第１アノードオフガスの圧力低下が生じるため、通常、第１燃料極へ送出する燃料ガスの圧力が高くなり、それに伴い、第１燃料極の圧力が高くなる。したがって、第１燃料極の圧力を調整する圧力調整装置を設ける必要性が高く、圧力調整装置をより有効に機能させることができる。

請求項４記載の発明に係る燃料電池システムは、前記圧力調整装置は、昇圧装置を含んで構成され、前記第１アノードオフガス流路に配設されている。

請求項４記載の発明に係る燃料電池システムでは、昇圧装置が第１アノードオフガス流路に配設されている。昇圧装置は、昇圧装置以降（下流側）の圧力損失に相当する圧力分を昇圧することができる。したがって、最上流の送出装置では、昇圧装置以降の圧力低下分を昇圧する必要がなくなり、最上流の送出装置の選択の自由度が高くなる。

請求項５記載の発明に係る燃料電池システムは、前記第１アノードオフガス流路には、前記第１アノードオフガスから二酸化炭素及び水の少なくとも一方を除去する燃料再生器としての分離器が配設され、前記昇圧装置は前記分離器よりも上流側に配設されている。

請求項５記載の発明に係る燃料電池システムでは、分離器よりも上流側に昇圧装置が配設されているので、分離器の非透過側の圧力を高く保ったまま、第１燃料極の圧力を調整することができる。
請求項６記載の発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスが供給される第１燃料極、及び前記第１燃料極と電解質膜で仕切られ空気が供給される第１空気極を備えた第１燃料電池セルスタックと、前記第１燃料極から排出された第１アノードオフガスが供給される第２燃料極及び前記第２燃料極と電解質膜で仕切られ空気が供給される第２空気極を備えた第２燃料電池セルスタックと、前記第１アノードオフガスを前記第２燃料極に導く第１アノードオフガス流路と、前記第２燃料極から第２アノードオフガスが排出される第２アノードオフガス流路と、昇圧装置を含んで構成され、前記第１アノードオフガス流路に設けられ、前記第１燃料極の圧力を調整する圧力調整装置と、を備えている。

本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料極と空気極の圧力差を小さくして電解質膜の劣化を抑制することができる。

第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 第１実施形態に係る燃料電池システムの一部概略構成図である。 第１実施形態の変形例に係る燃料電池システムの概略構成図である。 第２実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 第２実施形態の変形例に係る燃料電池システムの概略構成図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態の一例を詳細に説明する。

〔第１実施形態〕
図１には、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１０Ａが示されている。燃料電池システム１０Ａは、主要な構成として、気化器１２、改質器１４、第１−１燃料電池セルスタック１６、第１−２燃料電池セルスタック１７、第２燃料電池セルスタック１８、及び燃焼器４０を備えている。本実施形態の燃料電池システム１０Ａは、第１−１燃料電池セルスタック１６及び第１−２燃料電池セルスタック１７で発電に供された後の未反応の燃料を第２燃料電池セルスタック１８で利用する多段式の燃料電池システムとなっている。

気化器１２には、原料ガス管Ｐ１の一端が接続されており、原料ガス管Ｐ１の他端は図示しないガス源に接続されている。ガス源からは、ブロアＢ１によりメタンが気化器１２へ送出される。原料ガス管Ｐ１の中間部には、水供給管Ｐ２が接続されている。水供給管Ｐ２からは、水（液相）が気化器１２へ送出される。気化器１２では、水が気化される。気化には、後述する燃焼器４０から排出された燃焼排ガスＧ１０の熱が用いられる。なお、本実施形態では、原料ガスとしてメタンを用いるが、改質が可能なガスであれば特に限定されず、炭化水素燃料を用いることができる。炭化水素燃料としては、天然ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）、石炭改質ガス、低級炭化水素ガスなどが例示される。低級炭化水素ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭素数４以下の低級炭化水素が挙げられ、本実施形態で用いるメタンが好ましい。なお、炭化水素燃料としては、上述した低級炭化水素ガスを混合したものであってもよい。メタン及び水蒸気は、気化器１２から配管Ｐ３を介して改質器１４へ送出される。

改質器１４では、メタンを改質し、水素を含む６００℃程度の温度の燃料ガスＧ１を生成する。改質器１４には、燃料ガス管Ｐ４の一端が接続されている。燃料ガス管Ｐ４の他端は、第１−１燃料電池セルスタック１６の第１−１アノード（第１燃料極）１６Ａ、及び第１−２燃料電池セルスタック１７の第１−２アノード（第１燃料極）１７Ａと並列接続されている。改質器１４で生成された燃料ガスＧ１は、燃料ガス管Ｐ４を介して第１−１アノード１６Ａ及び第１−２アノード１７Ａに供給される（図２参照）。

第１−１燃料電池セルスタック１６、第１−２燃料電池セルスタック１７、及び第２燃料電池セルスタック１８は、固体酸化物形の燃料電池セルスタックであり(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)、積層された複数の燃料電池セルを有している。第１−１燃料電池セルスタック１６、第１−２燃料電池セルスタック１７、及び第２燃料電池セルスタック１８は、作動温度が６５０℃程度に設定されている。第１−１燃料電池セルスタック１６、第１−２燃料電池セルスタック１７、及び第２燃料電池セルスタック１８は、同様の基本構成を有しており、第１−１アノード１６Ａに対応する第１−２アノード１７Ａ、第２アノード１８Ａ、及びカソード１６Ｂに対応するカソード１７Ｂ、１８Ｂ、及び、電解質膜１６Ｃに対応する電解質膜１７Ｃ、１８Ｃを、各々有している。以下では、第１−１燃料電池セルスタック１６の構成及び反応についてのみ説明し、第１−２燃料電池セルスタック１７、及び第２燃料電池セルスタック１８の構成についての説明は省略する。

図２に示されるように、第１−１燃料電池セルスタック１６の個々の燃料電池セルは、電解質膜１６Ｃと、当該電解質膜１６Ｃの表裏面にそれぞれ積層されたアノード（燃料極）１６Ａ、及びカソード（空気極）１６Ｂと、を有している。

第１燃料電池セルスタック１６のカソード１６Ｂには、酸化ガスＧ５（空気）が供給される。カソード１６Ｂでは、下記（１）式に示すように、酸化ガス中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。生成された酸素イオンは電解質膜１６Ｃを通って第１燃料電池セルスタック１６の第１−１アノード１６Ａに到達する。

（空気極反応）
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻ →Ｏ^２− …（１）

カソード１６Ｂからは、カソードオフガスが排出される。

一方、第１燃料電池セルスタック１６の第１−１アノード１６Ａでは、下記（２）式及び（３）式に示すように、電解質膜１６Ｃを通ってきた酸素イオンが燃料ガス中の水素及び一酸化炭素と反応し、水(水蒸気)及び二酸化炭素と電子が生成される。第１−１アノード１６Ａで生成された電子が第１−１アノード１６Ａから外部回路を通ってカソード１６Ｂに移動することで、各燃料電池セルスタックにおいて発電される。また、各燃料電池セルスタックは、発電時に発熱する。

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

第１−１アノード１６Ａ及び第１−２アノード１７Ａには、第１アノードオフガス管Ｐ７−１の一端が並列接続されている。第１−１アノード１６Ａ及び第１−２アノード１７Ａから第１アノードオフガス管Ｐ７−１へ、第１アノードオフガスＧ３が排出される。第１アノードオフガスＧ３には、未反応の水素、未反応の一酸化炭素、二酸化炭素及び水蒸気等が含まれている。

第１アノードオフガス管Ｐ７−１の他端は、第２燃料電池セルスタック１８の第２アノード１８Ａと接続されている。第１アノードオフガスＧ３は、第１アノードオフガス管Ｐ７−１によって、第２燃料電池セルスタック１８の第２アノード１８Ａへ導かれる。

第１アノードオフガス管Ｐ７−１には、圧力計５０及びガスポンプ５２が配設されている。圧力計５０は、第１アノードオフガス管Ｐ７−１のガスポンプ５２よりも上流側に配置され、第１アノードオフガス管Ｐ７−１の圧力を検出する。ガスポンプ５２は、圧力計５０で検知された圧力に基づいて、吐出圧力、もしくは送出流量を制御して、第１アノードオフガスＧ３を、第２燃料電池セルスタック１８の第２アノード１８Ａへ送出する。

なお、圧力計５０は、必ずしもガスポンプ５２の直前に設置する必要はなく、ブロワＢ１からガスポンプ５２までの間のいずれかに設置してもよい。圧力計５０とガスポンプ５２との間に配置された機器の流量、温度と圧力損失との関係がわかれば、当該圧力損失を加味してガスポンプ５２の直上流の圧力を求め、当該圧力に基づいて、ガスポンプ５２の吐出圧力を制御することができる。

また、圧力計５０は、ガスポンプ５２よりも下流側に設置してもよい。ガスポンプ５２よりも下流側に設置された機器の流量、温度と圧力損失との関係がわかれば、当該圧力損失を加味してガスポンプ５２の吐出圧力を求め、当該圧力に基づいて、ガスポンプ５２の吐出圧力を制御することができる。

第２燃料電池セルスタック１８の第２アノード１８Ａには、第２アノードオフガス管Ｐ７−２の一端が接続されている。第２アノードオフガス管Ｐ７−２の他端は、燃焼器４０と接続されている。第２アノードオフガス管Ｐ７−２により、第２燃料電池セルスタック１８からの第２アノードオフガスＧ７が燃焼器４０へ送出される。第２アノードオフガス管Ｐ７−２には、背圧制御器５４が配設されている。背圧制御器５４により、第２アノード１８Ａの圧力が制御されている。

一方、第１−１燃料電池セルスタック１６のカソード１６Ｂ、及び第１−２燃料電池セルスタック１７のカソード１７Ｂには、酸化ガス管Ｐ５の一端が並列接続され、酸化ガス管Ｐ５の他端には、ブロアＢ２が接続されている。ブロアＢ２の下流側には、圧力計５６が設けられている。ブロアＢ２から送出された空気は、酸化ガスＧ５として、酸化ガス管Ｐ５によって、カソード１６Ｂ、及びカソード１７Ｂへ供給される。

カソード１６Ｂ及びカソード１７Ｂには、第１カソードオフガス管Ｐ９−１の一端が並列接続されている。第１カソードオフガス管Ｐ９−１の他端には、第２燃料電池セルスタック１８のカソード１８Ｂが接続されている。カソード１６Ｂ及びカソード１７Ｂから第１カソードオフガス管Ｐ９−１を経てカソードオフガスＧ９が送出される。

燃焼器４０では、第２燃料電池セルスタック１８の第２アノード１８Ａから排出された第２アノードオフガスＧ７が燃焼される。燃焼器４０の出口側には、燃焼排ガス管Ｐ１０の一端が接続されている。燃焼排ガス管Ｐ１０は、気化器１２に導入され、気化器１２において熱交換が行われた後、外部に排出される。なお、燃焼排ガス管Ｐ１０は、気化器１２に導入される前に、ブロアＢ２で送出された空気との間で熱交換を行ってもよい。

次に、本実施形態の燃料電池システム１０Ａの第１−１燃料電池セルスタック１６、第１−２燃料電池セルスタック１７、及び第２燃料電池セルスタック１８における、気体（燃料ガスＧ１、酸化ガスＧ５、アノードオフガスＧ３、カソードオフガスＧ９等）の圧力について説明する。

ブロアＢ２により、必要な流量を供給するための吐出圧力で送出された酸化ガスＧ５は、カソード１６Ｂ、カソード１７Ｂへ供給され、発電に供された後、第１カソードオフガス管Ｐ９−１を経てカソード１８Ｂへ送出される。そして、カソード１８Ｂで発電に供された後、第２カソードオフガス管Ｐ９−２を経て燃焼器４０へ送出される。このときのカソード１６Ｂ、カソード１７Ｂにおける酸化ガスＧ５等の圧力をカソード圧ＫＰ１とし、カソード１８ＢにおけるカソードオフガスＧ９等の圧力をカソード圧ＫＰ２とする。

ブロアＢ１により必要な流量を供給するための吐出圧力で送出されたメタンは、気化器１２及び改質器１４を経て燃料ガスＧ１へ改質され、第１−１アノード１６Ａ、及び第１−２アノード１７Ａへ供給され、発電に供される。そして、未反応の水素等の燃料を含む第１アノードオフガスＧ３が、第１−１アノード１６Ａ、及び第１−２アノード１７Ａから第１アノードオフガス管Ｐ７−１へ送出される。第１アノードオフガス管Ｐ７−１へ送出された第１アノードオフガスＧ３は、ガスポンプ５２で昇圧され、第２アノード１８Ａへ供給される。

第１−１アノード１６Ａ、及び第１−２アノード１７Ａにおける燃料ガス等の圧力を、アノード圧ＡＰ１とする。アノード圧ＡＰ１は、圧力計５０で検出された圧力値をガスポンプ５２にフィードバックして吐出圧力を制御することにより調整され、圧力ＦＡＰに維持される。圧力ＦＡＰは、カソード圧ＫＰ１に近い値とされており、アノード圧ＡＰ１とカソード圧ＫＰ１の圧力差が３０ｋＰａ以内、好ましくは２０ｋＰａ以内、より好ましくは１０ｋＰａ以内に設定されている。なお、カソード圧ＫＰ１は、圧力計５６で検出された圧力、及び、圧力計５６よりも下流側に配置された機器による圧力損失に基づき、求めることができる。

第２アノード１８Ａにおける第１アノードオフガスＧ３の圧力をアノード圧ＡＰ２とすると、アノード圧ＡＰ２は、背圧制御器５４により所定の圧力ＢＡＰになるように、制御されている。圧力ＢＡＰは、カソード圧ＫＰ２に近い値とされており、アノード圧ＡＰ２とカソード圧ＫＰ２の圧力差が３０ｋＰａ以内、好ましくは２０ｋＰａ以内、より好ましくは１０ｋＰａ以内に設定されている。

本実施形態によれば、第１−１燃料電池セルスタック１６内におけるカソード圧ＫＰ１とアノード圧ＡＰ１、及び、第１−２燃料電池セルスタック１７内におけるカソード圧ＫＰ１とアノード圧ＡＰ１の圧力差が小さくなるようにガスポンプ５２が駆動されている。したがって、燃料電池システム１０Ａの出力の変動等により、ブロアＢ１の吐出圧力が変動しても、カソード圧ＫＰ１とアノード圧ＡＰ１の圧力差が小さく抑えられる。これにより、電解質膜１６Ｃ、１７Ｃへの負荷が軽減され、電解質膜１６Ｃ、１７Ｃの劣化を抑制することができる。

また、本実施形態では、第２アノードオフガス管Ｐ７−２に背圧制御器５４が配設されており、背圧制御器５４は、アノード圧ＡＰ２を圧力ＢＡＰになるように制御して、第２燃料電池セルスタック１８内におけるカソード圧ＫＰ２とアノード圧ＡＰ２の圧力差が小さくなるように維持する。したがって、燃料電池システム１０Ａの出力の変動等により、ブロアＢ１の吐出圧力が変動しても、カソード圧ＫＰ２とアノード圧ＡＰ２の圧力差が小さく抑えられる。これにより、電解質膜１８Ｃへの負荷が軽減され、電解質膜１８Ｃの劣化を抑制することができる。

なお、本実施形態では、ガスポンプ５２によりアノード圧ＡＰ１を調整したが、ブロアなどその他の昇圧装置を用いてアノード圧ＡＰ１を調整してもよい。また、ガスポンプ５２に代えて背圧弁やオリフィスなどの背圧制御器を用いてアノード圧ＡＰ１を調整してもよい。本実施形態のように、ポンプなどの昇圧装置を用いることにより、第１アノードオフガスＧ３を昇圧して第２燃料電池セルスタック１８へ送出することができる。これにより、ブロアＢ１だけで燃料ガスＧ１等を送出する場合と比較して、ブロアＢ１での送出圧力が小さくなるので、ブロアＢ１として使用する装置の選択の自由度が高くなる。

また、本実施形態では、圧力計５０を用いて第１アノードオフガス管Ｐ７−１の圧力を検出し、その検出値に基づいてガスポンプ５２の吐出圧力を制御したが、流量計を用いて第１アノードオフガス管Ｐ７−１の流量を検出し、検出された流量に基づいてガスポンプ５２を制御してもよい。

また、本実施形態では、第１アノードオフガス管Ｐ７−１にガスポンプ５２を配設してアノード圧ＡＰ１を調整したが、第１アノードオフガス管Ｐ７−１にガスポンプ５２を配設せずに、第２アノードオフガス管Ｐ７−２に配設された背圧制御器５４のみで、アノード圧ＡＰ２と共にアノード圧ＡＰ１を調整してもよい。

また、本実施形態では、１段目に２つの燃料電池セルスタック（第１−１燃料電池セルスタック１６と第１−２燃料電池セルスタック１７）が並列に配置された燃料電池システムについて説明したが、１段目に１つの燃料電池セルスタックのみを配置した燃料電池システムとしてもよい。

また、本実施形態では、カソード１６Ｂ及びカソード１７Ｂと、カソード１８Ｂとが、直列的に接続されている例について説明したが、図３に示されるように、カソード１６Ｂ及びカソード１７Ｂと、カソード１８Ｂとは、並列的に接続されていてもよい。すなわち、ブロアＢ２から送出された空気は、カソード１６Ｂ、カソード１７Ｂを経由せずに、直接カソード１８Ｂへ送出されてもよい。この場合には、カソード１６Ｂ及びカソード１７Ｂから排出されたカソードオフガスＧ９は、燃焼器４０へ直接送出される。
このように、ブロアＢ２から並列的に空気を送出する場合には、１段目のカソード１６Ｂ及びカソード１７Ｂの圧力が低く抑えられるため、カソード１６Ｂ及びカソード１７Ｂとアノード１６Ａ及びアノード１７Ａとの圧力差が大きくなりやすい。したがって、本実施形態の圧力調整の必要性が高く、ガスポンプ５２をより有効に機能させることができる。

また、本実施形態では、第２アノードオフガス管Ｐ７−２に背圧制御器５４を配設して、第２アノード１８Ａの圧力を制御したが、背圧制御器５４は必須ではない。背圧制御器５４を配設せずに、アノード圧ＡＰ１を調整するために駆動されるガスポンプ５２での送出のみとしてもよい。

さらに、本実施形態では、燃料電池セルスタックを、前段と後段の２段に接続して用いる例について説明したが、本発明は２段に限定されず、燃料電池セルスタックを３段、４段以上で接続した場合にも適用することができる。

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

図４に示されるように、本実施形態の燃料電池システム１０Ｂは、第１アノードオフガス管Ｐ７−１に、分離器２０、及び水タンク２２が配設されている。分離器２０は、水タンク２２よりも上流側に配設されている。第１アノードオフガス管Ｐ７−１の、分離器２０よりも上流側を、第１アノードオフガス管Ｐ７−１Ａとし、分離器２０から水タンク２２までを第１アノードオフガス管Ｐ７−１Ｂとし、水タンク２２よりも下流側を第１アノードオフガス管Ｐ７−１Ｃとする。

第１アノードオフガス管Ｐ７−１には、第１熱交換器３１が配設されている。第１熱交換器３１では、第１アノードオフガスＧ３と後述する再生燃料ガスＧ６とで熱交換が行われ、第１アノードオフガスＧ３の熱が再生燃料ガスＧ６で回収される。

第１アノードオフガス管Ｐ７−１Ａは、分離器２０の非透過側の入口と接続されている。分離器２０は、第１アノードオフガスＧ３から主に二酸化炭素を分離する分離膜（不図示）を備えている。分離器２０では、第１アノードオフガスＧ３から二酸化炭素が分離される。なお、分離器２０では、水蒸気を分離してもよいし、二酸化炭素と水蒸気の両方を分離してもよい。

分離器２０には、第１アノードオフガス管Ｐ７−１Ｂの一端が接続されている。第１アノードオフガス管Ｐ７−１Ｂの他端は、第３熱交換器３３を経て水タンク２２と接続されている。第３熱交換器３３では、分離器２０により二酸化炭素が分離された後の第１アノードオフガスＧ３と後述する酸化ガスＧ５とで熱交換が行われ、第１アノードオフガスＧ３の熱が酸化ガスＧ５で回収される。水タンク２２では、第１アノードオフガスＧ３の水蒸気が凝縮されて、水が貯留される。水タンク２２には、水供給管Ｐ２が接続されており、ポンプＰにより水タンク２２に貯留された水が気化器１２へ供給される。第１アノードオフガスＧ３は、水蒸気が凝縮されて除去され、再生燃料ガスＧ６となる。

水タンク２２には、第１アノードオフガス管Ｐ７−１Ｃの一端が接続されている。第１アノードオフガス管Ｐ７−１Ｃの他端は、第２燃料電池セルスタック１８の第２アノード１８Ａと接続されている。

第１アノードオフガス管Ｐ７−１Ｃには、圧力計５０、ガスポンプ５２、及び、第１熱交換器３１が配設されている。圧力計５０は、第１アノードオフガス管Ｐ７−１Ｃのガスポンプ５２よりも上流側の圧力を検出する。ガスポンプ５２は、圧力計５０よりも下流側に配設され、圧力計５０で検知された圧力に基づいて、吐出圧力を制御して再生燃料ガスＧ６を昇圧し、第２燃料電池セルスタック１８の第２アノード１８Ａへ送出する。第１熱交換器３１は、ガスポンプ５２よりも下流側に配設され、再生燃料ガスＧ６と第１アノードオフガスＧ３とで熱交換が行われ、第１アノードオフガスＧ３の熱が再生燃料ガスＧ６で回収される。

酸化ガス管Ｐ５には、上流側から順に、第３熱交換器３３、第５熱交換器３５、が配設されている。第３熱交換器３３では、第１アノードオフガス管Ｐ７−１Ｂを流れる第１アノードオフガスＧ３と酸化ガスＧ５とで熱交換が行われ、第１アノードオフガスＧ３の熱が酸化ガスＧ５に回収される。第５熱交換器３５では、燃焼排ガス管Ｐ１０を流れる燃焼排ガスＧ１０と酸化ガスＧ５とで熱交換が行われ、燃焼排ガスＧ１０の熱が酸化ガスＧ５で回収される。第５熱交換器３５を経た酸化ガスＧ５は、カソード１６Ｂ及びカソード１７Ｂへ供給される。

本実施形態でも、第１実施形態と同様に、第１−１燃料電池セルスタック１６内におけるカソード圧ＫＰ１とアノード圧ＡＰ１、及び、第１−２燃料電池セルスタック１７内におけるカソード圧ＫＰ１とアノード圧ＡＰ１の圧力差が小さくなるようにガスポンプ５２が駆動されている。したがって、カソード圧ＫＰ１とアノード圧ＡＰ１の圧力差が小さく抑えられ、電解質膜１６Ｃ、１７Ｃへの負荷が軽減され、電解質膜１６Ｃ、１７Ｃの劣化を抑制することができる。

また、本実施形態では、第１熱交換器３１、及び、第３熱交換器３３で熱が回収され、第１アノードオフガスＧ３よりも低温の再生燃料ガスＧ６が流通する第１アノードオフガス管Ｐ７−１Ｃに圧力計５０及びガスポンプ５２が配設されている。したがって、圧力計５０やガスポンプ５２などの圧力調整装置に求められる耐高温性能や耐水蒸気性能が緩和され、圧力調整装置の選択の自由度が高くなる。

また、本実施形態では、分離器２０や水タンク２２などで構成され、第１アノードオフガスＧ３から二酸化炭素や水蒸気を除去して、未反応の水素や一酸化炭素の濃度を高くする燃料再生器を備えているので、第２燃料電池セルスタックでの発電効率を向上させることができる。このように燃料再生器を配設すると、第２アノード１８Ａへ送出される第１アノードオフガスＧ３の圧力低下が生じるため、通常、第１−１アノード１６Ａ、第１−２アノード１７Ａへ送出する燃料ガスＧ１の圧力が高く設定されるので、圧力調整の必要性が高く、ガスポンプ５２をより有効に機能させることができる。

なお、本実施形態では、燃料再生器として、分離器や水タンクを例としたが、他の燃料再生器を用いてもよい。例えば、二酸化炭素の吸着剤や水蒸気の吸着剤、熱交換器、空冷装置等を用いることもできる。

また、分離器として、例えば水素透過膜など、透過側に未反応の水素等の燃料が多く送出される分離膜を用い、透過側の気体を再生燃料とする場合には、分離器の下流側にガスポンプ５２を配設することで、透過側の圧力を下げることができる。その結果、分離器において透過側における水素等の燃料の分圧が非透過側より低くなるため、分離性能を向上させることができる。

また、本実施形態では、圧力計５０及びガスポンプ５２を第１アノードオフガス管Ｐ７−１Ｃに配設したが、図５に示されるように、圧力計５０及びガスポンプ５２を第１アノードオフガス管Ｐ７−１Ａの第２熱交換器３２の下流側、分離器２０の上流側に配設してもよい。圧力計５０及びガスポンプ５２を上記の位置に配設することにより、分離器２０へ昇圧した第１アノードオフガスＧ３を送出することができる。したがって、非透過側の圧力を高く保ったまま第１アノード１６Ａの圧力を調整することができ、分離膜の非透過側の圧力が分離膜の分離性能に影響を与える場合には、分離膜による分離性能を維持することができる。

また、本実施形態では、第１熱交換器３１、第２熱交換器３２、第３熱交換器３３により、第１アノードオフガスＧ３の熱が回収され、再生燃料ガスＧ６や酸化ガスＧ５の加熱に用いられているので、燃料電池システム１０Ｂの熱効率を向上させることができる。

なお、本実施形態においても、１段目に１つの燃料電池セルスタックのみを配置した燃料電池システムとすることもできる。また、カソード１６Ｂ及びカソード１７Ｂと、カソード１８Ｂとを並列的に接続してもよい。さらに、背圧制御器５４を設けない構成としてもよい。

また、本実施形態では、分離器２０の下流側に第３熱交換器３３、水タンク２２を設けたが、これらを設けない構成にしてもよい。この場合には、気化器１２への水の供給は、他の給水手段を用いる。

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

さらに、本発明は、本発明の技術的思想内で、当業者によって、既知の装置を組み合わせて実施することができる。例えば、熱交換器の設置、組み合わせなどを、種々に設定することができる。

１０Ａ 燃料電池システム
１０Ｂ 燃料電池システム
１６ 第１−１燃料電池セルスタック（第１燃料電池セルスタック）
１６Ａ 第１−１アノード（第１燃料極）
１７ 第１−２燃料電池セルスタック（第１燃料電池セルスタック）
１７Ａ 第１−１アノード（第１燃料極）
１８ 第２燃料電池セルスタック
１８Ａ 第２アノード（第２燃料極）
２０ 分離器（燃料再生器）
２２ 水タンク（燃料再生器）
３１ 第１熱交換器（熱交換器）
３２ 第２熱交換器（熱交換器）
３３ 第３熱交換器（熱交換器）
４０ 燃焼器
５２ ポンプ（昇圧装置、圧力調整装置）
５４ 背圧制御器（圧力調整装置）
Ｇ１ 燃料ガス
Ｇ３ 第１アノードオフガス
Ｇ７ 第２アノードオフガス
Ｇ６ 再生燃料ガス（第１アノードオフガス）
Ｐ７−１ 第１アノードオフガス管（第１アノードオフガス流路）
Ｐ７−２ 第２アノードオフガス管（第２アノードオフガス流路）

Claims (6)

1. 燃料ガスが供給される第１燃料極、及び前記第１燃料極と電解質膜で仕切られ空気が供給される第１空気極を備えた第１燃料電池セルスタックと、
   前記第１燃料極から排出された第１アノードオフガスが供給される第２燃料極及び前記第２燃料極と電解質膜で仕切られ空気が供給される第２空気極を備えた第２燃料電池セルスタックと、
   前記第１燃料極から前記第２燃料極まで下流に向けて非分岐とされ、前記第１アノードオフガスを前記第２燃料極に導く第１アノードオフガス流路と、
   前記第２燃料極から第２アノードオフガスが排出される第２アノードオフガス流路と、
   第１アノードオフガス流路及び第２アノードオフガス流路の少なくとも一方に設けられ、前記第１燃料極の圧力を調整する圧力調整装置と、
   を備えた燃料電池システム。
2. 燃料ガスが供給される第１燃料極、及び前記第１燃料極と電解質膜で仕切られ空気が供給される第１空気極を備えた第１燃料電池セルスタックと、
   前記第１燃料極から排出された第１アノードオフガスが供給される第２燃料極及び前記第２燃料極と電解質膜で仕切られ空気が供給される第２空気極を備えた第２燃料電池セルスタックと、
   前記第１アノードオフガスから二酸化炭素及び水の少なくとも一方を除去する燃料再生器が配設され、前記燃料再生器よりも上流側、及び、二酸化炭素及び水の少なくとも一方が除去された後の前記第１アノードオフガスが送出される前記燃料再生器よりも下流側において、下流に向けて非分岐とされ、前記燃料再生器を経由した前記第１アノードオフガスを前記第２燃料極に導く第１アノードオフガス流路と、
   前記第２燃料極から第２アノードオフガスが排出される第２アノードオフガス流路と、
   第１アノードオフガス流路及び第２アノードオフガス流路の少なくとも一方に設けられ、前記第１燃料極の圧力を調整する圧力調整装置と、
   を備えた燃料電池システム。
3. 前記第１アノードオフガス流路には、前記第１アノードオフガスの熱を回収する熱交換器が配設され、
   前記圧力調整装置は、前記第１アノードオフガス流路の前記熱交換器で熱を回収された後の前記第１アノードオフガスが流通する部分に配設されている、
   請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記圧力調整装置は、昇圧装置を含んで構成され、前記第１アノードオフガス流路に配設されている、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記第１アノードオフガス流路には、前記第１アノードオフガスから二酸化炭素及び水の少なくとも一方を除去する燃料再生器としての分離器が配設され、前記昇圧装置は前記分離器よりも上流側に配設されている、請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 燃料ガスが供給される第１燃料極、及び前記第１燃料極と電解質膜で仕切られ空気が供給される第１空気極を備えた第１燃料電池セルスタックと、
   前記第１燃料極から排出された第１アノードオフガスが供給される第２燃料極及び前記第２燃料極と電解質膜で仕切られ空気が供給される第２空気極を備えた第２燃料電池セルスタックと、
   前記第１アノードオフガスを前記第２燃料極に導く第１アノードオフガス流路と、
   前記第２燃料極から第２アノードオフガスが排出される第２アノードオフガス流路と、
   前記第１アノードオフガスの圧力を昇圧して前記第２燃料極へ送出する昇圧装置を含んで構成され、前記第１アノードオフガス流路に設けられ、前記第１燃料極の圧力を調整する圧力調整装置と、
   を備えた燃料電池システム。

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