JP6688818B2

JP6688818B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP6688818B2
Application number: JP2018019503A
Authority: JP
Inventors: 達哉中島; 麻理恵白井; 中村　和郎; 和郎中村; 徹波多江
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2018-02-06
Filing date: 2018-02-06
Publication date: 2020-04-28
Anticipated expiration: 2038-02-06
Also published as: JP2019139859A

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、炭化水素系の原料を燃料電池システム内で改質して水素や一酸化炭素（以下これらをまとめて「燃料ガス」という）を得ることがある。水蒸気改質や二酸化炭素改質により改質を行う場合、吸熱反応用に改質器を昇温する必要があり、燃料電池での発電までに時間がかかる。一方、部分酸化反応により燃料ガスを合成する方法（以下、「部分酸化改質」という）であれば、発熱反応であり、改質器以外のシステム内が比較的低温でも燃料ガスの合成が可能であるため、燃料電池での発電開始までの時間を短縮することができる（例えば、特許文献１参照）。部分酸化改質では、原料と共に酸素を含む酸化剤ガス、例えば空気が改質器へ供給される。このように、起動時に炭化水素系の原料を導入しながら燃料電池システムを昇温させるためには、水、二酸化炭素、酸素などの炭化水素系原料を改質するための酸化剤ガスが必要となる。

特開２００４−３１９４２０号公報

例えば、酸素を酸化剤ガスとして燃料電池システムを起動する場合には、部分酸化改質を用いることにより、水の気化や吸熱反応が不要となる。したがって、システム全体を昇温することなく燃料電池システムを起動することができる。また、燃料電池システムの起動時に部分酸化改質を行い、昇温後に水蒸気改質や二酸化炭素改質に移行することも考えられる。いずれの場合においても、未反応の水や二酸化炭素などの酸化剤ガス、または部分酸化改質で得られた水や二酸化炭素が、改質器よりも下流側に流出される。この水や二酸化炭素などの酸化剤ガスの存在により、燃料電池セルスタックなどの改質器よりも下流側では、炭化水素系原料や一酸化炭素の酸化反応が生じるため、炭素の析出は抑制される。

しかしながら、燃料電池セルスタックからのアノードオフガスを燃料電池セルスタックで再利用する多段式の燃料電池システムでは、燃料再生器を用いてアノードオフガスから二酸化炭素や水を除去すると、再生燃料ガス中の酸化剤ガスが不足し、炭化水素系原料や一酸化炭素の熱分解により、炭素の析出が懸念される。

本発明は上記事実を考慮して成されたものであり、燃料電池システムにおいて、酸化剤ガスを用いて起動する場合に、後段の燃料電池セルスタックにおける炭素の析出を抑制することを目的とする。

請求項１記載の発明に係る燃料電池システムは、炭化水素系の原料ガスを改質して水素を含む燃料ガスを生成する改質部と、前記改質部へ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、前記燃料ガスと空気とを反応させて発電する第１燃料電池セルスタックと、前記第１燃料電池セルスタックの第１アノードから排出されたアノードオフガスと空気とを反応させて発電する第２燃料電池セルスタックと、前記アノードオフガスから、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を減じた再生燃料ガスを前記第２燃料電池セルスタックの第２アノードへ供給する燃料再生部と、前記第２アノードへ供給される空気量を調整する酸化剤ガス量調整部と、を備えている。

請求項１に係る燃料電池システムでは、燃料再生部により二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が減じられても、酸化剤ガス量調整部により第２アノードへ供給される空気量を調整することができる。そこで、起動時など、再生燃料ガス中の酸化剤ガスが不足している場合に、第２アノードへ酸化剤ガスが供給されるように空気量を調整する。これにより、燃料再生部を有する燃料電池システムにおいて、燃料再生部の下流側における炭素の析出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、炭化水素系の原料ガスを改質して水素を含む燃料ガスを生成する改質部と、前記改質部へ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、前記燃料ガスと空気とを反応させて発電する第１燃料電池セルスタックと、前記第１燃料電池セルスタックの第１アノードから排出されたアノードオフガスと空気とを反応させて発電する第２燃料電池セルスタックと、前記アノードオフガスから、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を減じた再生燃料ガスを前記第２燃料電池セルスタックの第２アノードへ供給する燃料再生部と、前記第２アノードへ供給される酸化剤ガス量を調整する酸化剤ガス量調整部と、を備え、前記燃料再生部は、水蒸気を透過させて分離する分離膜を有し、前記酸化剤ガス量調整部は、前記分離膜の透過側へ供給するスイープガスにより前記透過側における水蒸気の分圧を調整する分圧調整部、を含んで形成されている。

請求項６記載の発明に係る燃料電池システムは、前記酸化剤ガス量調整部が、前記第１燃料電池セルスタックよりも下流側から前記第２アノードへ酸化剤ガスを供給する補助酸化剤ガス供給部、を含んで形成されているものである。

請求項６に係る燃料電池システムによれば、補助酸化剤ガス供給部により前記第１燃料電池セルスタックよりも下流側から第２アノードへ酸化剤ガスが供給される。したがって、燃料再生部により二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を減じた再生燃料ガスが第２アノードへ供給されても、第２アノードへ炭素の析出抑制のために必要な酸化剤ガスを供給することができる。なお、補助酸化剤ガス供給部は、燃料再生部よりも下流側に配置しても、上流側に配置してもよい。

請求項７記載の発明に係る燃料電池システムは、前記第１アノードから前記第２アノードへ前記アノードオフガスを供給するアノードオフガス供給路と、前記燃料再生部から前記第２アノードへ前記再生燃料ガスを供給する再生燃料ガス供給路と、を備え、前記酸化剤ガス量調整部は、前記アノードオフガス供給路から前記第２アノードへのガス供給と、前記再生燃料ガス供給路から前記第２アノードへのガス供給とを切り換える切換部、を含んで形成されている。

請求項７に係る燃料電池システムによれば、切換部により、アノードオフガス供給路から第２アノードへのガス供給へ切り換えれば、第１アノードから第２アノードへアノードオフガスを供給することができる。これにより、燃料再生部によりアノードオフガス中の二酸化炭素及び水蒸気などの酸化剤ガスが減じられないように調整して、アノードオフガスを第２アノードへ供給することができる。

請求項８記載の発明に係る燃料電池システムは、前記燃料再生部が、前記アノードオフガス中の水蒸気を凝縮させる凝縮器を有し、前記酸化剤ガス量調整部が、前記凝縮器での水の凝縮量を制御する水凝縮制御部、を含んで形成されている。

請求項８に係る燃料電池システムによれば、水凝縮制御部により、アノードオフガス中の水蒸気の凝縮量を制御することにより、燃料再生部によるアノードオフガス中の水蒸気の除去を抑制して、水蒸気を第２アノードへ供給することができる。なお、アノードオフガス中の水蒸気の凝縮量は、アノードオフガスの温度、供給する燃料ガスの流量、酸化剤ガスの流量などを変えることにより、制御することができる。

請求項２記載の発明に係る燃料電池システムは、前記燃料再生部が、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を透過させて分離する分離膜を有し、前記酸化剤ガス量調整部は、前記分離膜の透過側へ供給するスイープガスにより前記透過側における二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の分圧を調整する分圧調整部、を含んで形成されている。

請求項２に係る燃料電池システムによれば、分圧調整部により、透過側における二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の分圧が高くなるように分離膜の透過側へスイープガスを供給することにより、燃料再生部によるアノードオフガス中の水蒸気及び水蒸気の少なくとも一方の除去を抑制して、酸化剤ガスとしての水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方を第２アノードへ供給することができる。

請求項４記載の発明に係る燃料電池システムは、前記分圧調整部は、前記スイープガスの流量により前記透過側における二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の分圧を調整すること、を特徴とする。

請求項４に係る燃料電池システムによれば、分離膜の透過側へ供給するスイープガスの流量を変えることにより、透過側における二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の分圧を調整することができる。

請求項５記載の発明に係る燃料電池システムは、前記分圧調整部は、前記透過側へ供給する前の前記スイープガスの二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の濃度により前記透過側における二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の分圧を調整すること、を特徴とする。

請求項５に係る燃料電池システムによれば、分離膜の透過側へ供給する前のスイープガスの二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の濃度を変えることにより、透過側における二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の分圧を調整することができる。

本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料再生を行う燃料電池システムにおいて、燃料再生部よりも下流側における炭素の析出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主要部の構成図である。第１実施形態に係る燃料電池システムの制御系のブロック図である。第１実施形態に係る燃料電池システムの起動時処理を示すフローチャートである。第２実施形態に係る燃料電池システムの主要部の構成図である。第２実施形態に係る燃料電池システムの制御系のブロック図である。第２実施形態に係る燃料電池システムの起動時処理を示すフローチャートである。第３実施形態に係る燃料電池システムの主要部の構成図である。第３実施形態に係る燃料電池システムの制御系のブロック図である。第３実施形態に係る燃料電池システムの起動時処理を示すフローチャートである。第４実施形態に係る燃料電池システムの主要部の構成図である。第４実施形態に係る燃料電池システムの制御系のブロック図である。第４実施形態に係る燃料電池システムの起動時処理を示すフローチャートである。

［第１実施形態］
以下、図面を参照して本発明の第１実施形態について詳細に説明する。図１には、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０Ａの主要構成の概略が示されている。本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０Ａは、主要な構成として、気化器１２、改質器１４、第１燃料電池セルスタック１６、第２燃料電池セルスタック１８、燃焼部２０、燃料再生部２２、原料供給ブロワ２４、水供給ポンプ２６、主酸化剤ガスブロワ２８、熱交換部３０、及び補助酸化剤ガスブロワ３２を備えている。また、図２に示されるように、燃料電池システム１０Ａを制御する制御部４０を備えている。なお、本実施形態では、空気（酸素）を酸化剤ガスとして起動する場合について説明するが、酸化剤ガスとしては、これに限定されず、水、二酸化炭素を用いることもできる。本発明での酸化剤ガスは、原料ガスを改質するガスを意味しており、酸素を含むガスだけでなく、二酸化炭素、水を含むガスも含んでいる。

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、原料供給ブロワ２４によりメタンが気化器１２へ送出される。また、気化器１２には、水供給管Ｐ２が接続されており、水供給ポンプ２６により、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、後述する燃焼部２０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く、上述した低級炭化水素ガスは天然ガス、都市ガス、ＬＰガス等のガスであってもよい。

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は、燃焼部２０と隣接されており、燃焼部２０との間で熱交換を行うことで加熱される。

改質器１４では、メタンを改質し、水素を含む燃料ガスを生成する。燃料電池システム１０Ａの起動時には、水供給ポンプ２６は停止した状態で、後述する開閉弁４２開放して改質器１４へ酸化剤ガス（空気）を供給し、部分酸化改質によりメタンの改質を行う。部分酸化改質、及び燃焼部２０でのオフガス燃焼により、気化器１２及び改質器１４が所定の温度ＴＨに昇温された後には、開閉弁４２を閉鎖すると共に、水供給ポンプ２６を駆動させて気化器１２へ水を供給する。気化器１２で気化された水は改質器１４へ供給され、水蒸気改質によりメタンが改質される。

改質器１４は、第１燃料電池セルスタック１６の第１アノード（燃料極）１６Ａと接続されている。改質器１４では、メタンを改質し、水素を含む燃料ガスが生成される。改質器１４で生成された燃料ガスは、燃料ガス管Ｐ４を介して第１燃料電池セルスタック１６の第１アノード１６Ａに供給される。

第１燃料電池セルスタック１６は固体酸化物形の燃料電池セルスタックであり、積層された複数の燃料電池セルを有している。第１燃料電池セルスタック１６は本発明における燃料電池（第１燃料電池）の一例であり、本実施形態では、作動温度が６５０℃程度とされている。個々の燃料電池セルは、電解質層と、当該電解質層の表裏面にそれぞれ積層された第１アノード１６Ａ、及び第１カソード（空気極）１６Ｂと、を有している。

なお、第２燃料電池セルスタック１８についての基本構成は、第１燃料電池セルスタック１６と同様であり、第１アノード１６Ａに対応する第２アノード１８Ａ、及び第１カソード１６Ｂに対応する第２カソード１８Ｂを有している。

第１燃料電池セルスタック１６の第１カソード１６Ｂには、酸化剤ガス管Ｐ５の一端が接続されており、酸化剤ガス管Ｐ５の他端に接続された主酸化剤ガスブロワ２８により酸化剤ガス（空気）が供給される。第１カソード１６Ｂでは、下記（１）式に示すように、酸化剤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層を通って第１燃料電池セルスタック１６の第１アノード１６Ａに到達する。

（空気極反応）
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻ →Ｏ^２− …（１）

また、第１カソード１６Ｂには、第１カソード１６Ｂから排出されるカソードオフガスを第２燃料電池セルスタック１８の第２カソード１８Ｂへ案内するカソードオフガス管Ｐ６が接続されている。

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

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

第１燃料電池セルスタック１６の第１アノード１６Ａにはアノードオフガス管Ｐ７の一端が接続されており、アノードオフガス管Ｐ７には、第１アノード１６Ａからアノードオフガスが排出される。アノードオフガスには、未反応の水素、未反応の一酸化炭素、二酸化炭素及び水蒸気等が含まれている。

なお、本発明の燃料電池としては、固体酸化物形の燃料電池(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)に限られるものではなく、アノードオフガスに二酸化炭素及び水素の少なくとも一方が含まれる他の燃料電池、例えば溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)であってもよい。

アノードオフガス管Ｐ７の他端は、熱交換部３０を経て燃料再生部２２と接続されている。燃料再生部２２は、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機能を有しており、凝縮器や分離膜等を用いて構成することができる。

燃料再生部２２の出口側には、再生燃料ガス管Ｐ９の一端が接続されている。再生燃料ガス管Ｐ９の他端は、熱交換部３０を経て、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。二酸化炭素及び水の少なくとも一方が除去されたアノードオフガスは、再生燃料ガスとなって、第２燃料電池セルスタック１８の第２アノード１８Ａに供給される。

熱交換部３０では、アノードオフガスと再生燃料ガスとの間で熱交換が行われる。ここでは、アノードオフガスが冷却され、再生燃料ガスが加熱される。

第２燃料電池セルスタック１８の第２アノード１８Ａ及び第２カソード１８Ｂでは、第１燃料電池セルスタック１６と同様の反応により発電が行われる。第２アノード１８Ａ及び第２カソード１８Ｂから排出された使用済のガスは、配管Ｐ１１、カソードオフ燃焼導入管Ｐ１２により燃焼部２０へ送出され、燃焼部２０で焼却に供される。本実施形態の燃料電池システム１０Ａは、第１燃料電池セルスタック１６で使用された燃料であるアノードオフガスが再生されて、燃料ガスとして第２燃料電池セルスタック１８で再利用される多段式の燃料電池システムとなっている。

燃焼部２０からは、燃焼排ガスが送出される。燃焼排ガスは、燃焼排ガス管Ｐ１０内を流通し、気化器１２での熱交換を経て排出される。

酸化剤ガス管Ｐ５は、中間部で２分岐されており、一方（符号Ｐ５−１で示す）は、前述のように第１カソード１６Ｂと接続されている。他方（符号Ｐ５−２で示す）は、燃料ガス配管Ｐ３に合流されている。酸化剤ガス管Ｐ５−２には、開閉弁４２が設けられている。

再生燃料ガス管Ｐ９の熱交換部３０よりも下流側には、補助酸化剤ガス管Ｐ１３の一端が接続されている。補助酸化剤ガス管Ｐ１２の他端には、補助酸化剤ガスブロワ３２が接続されており、補助酸化剤ガスブロワ３２により再生燃料ガス管Ｐ９を経て第２燃料電池セルスタック１８の第２アノード１８Ａに空気（酸化剤ガス）が送出される。

制御部４０は、燃料電池システム１０Ａの全体を制御するものであり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、メモリ等を含んで構成されている。メモリには、後述する起動時処理や、通常運転時の処理に必要なデータや手順等が記憶されている。図２に示されるように、制御部４０は、原料供給ブロワ２４、水供給ポンプ２６、主酸化剤ガスブロワ２８、補助酸化剤ガスブロワ３２、第１燃料電池セルスタック１６、及び第２燃料電池セルスタック１８、と接続されている。

次に、本実施形態の燃料電池システム１０Ａの動作について説明する。

燃料電池システム１０Ａでは、起動時に制御部４０において、図３に示す起動時後段炭素析出抑制処理（以下「炭素析出抑制処理」という）が実行される。起動時処理は、まず、ステップＳ１０で、開閉弁４２を開放し、ステップＳ１２で原料供給ブロワ２４、主酸化剤ガスブロワ２８、及び補助酸化剤ガスブロワ３２を駆動させる。これにより、改質器１４へ原料ガスであるメタン及び酸化剤ガス（空気）が供給され、第１カソード１６Ｂへ酸化剤ガス（空気）が供給される。また、第２アノード１８Ａへ酸化剤ガス（空気）が供給される。

改質器１４では（４）の部分酸化反応、（５）の完全酸化反応が生じる。
ＣＨ_４＋１／２Ｏ_２ → ＣＯ＋２Ｈ_２ … （４）
ＣＨ_４＋２Ｏ_２ → ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ … （５）

改質器１４からは、未反応のＣＨ_４や、部分酸化反応で生成されたＣＯ、Ｈ_２、完全酸化反応で生成されＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ、等が第１アノード１６Ａへ送出される。第１燃料電池セルスタック１６では、前述した（１）〜（３）の反応が生じると共に、ＣＯ_２やＨ_２Ｏを酸化剤として酸化反応が生じる。これにより、炭素の析出は抑制される。第１アノード１６Ａから送出されたアノードオフガスは、熱交換部３０で冷却され、燃料再生部２２において、二酸化炭素及び水の少なくとも一方が除去される。その後、熱交換部３０で加熱され、酸化剤ガスと共に第２アノード１８Ａへ供給される。

第２燃料電池セルスタック１８では、前述した（１）〜（３）の反応が生じると共に、空気中のＣＯ_２やＯ_２を酸化剤として酸化反応が生じる。これにより、炭素の析出は抑制される。

ステップＳ１４で、炭素析出抑制処理を終了してよいかどうかを判断する。炭素析出抑制処理を終了してよいかどうかについては、燃料電池システム１０Ａ内の各部の温度等に基づいて判断することができる。ステップＳ１４では、判断が肯定されるまで待機し、判断が肯定された場合には、ステップＳ１６で補助酸化剤ガスブロワ３２を停止させる。そして、ステップＳ１８で開閉弁４２を閉鎖し、炭素析出抑制処理を終了する。

炭素析出抑制処理の終了前または終了後に、水供給ポンプ２６の駆動が開始され、気化器１２へ水が供給されて気化され、改質器１４へ水蒸気が供給される。改質器１４では、部分改質反応に代わって水蒸気改質反応が行われ、定常運転へと移行される。定常運転時には、水の供給量を調整したり、第１燃料電池セルスタック１６における発電時の反応により水蒸気や二酸化炭素が生じたりすることにより、燃料再生部２２で再生される再生燃料ガスに含まれる水蒸気や二酸化炭素の量を確保することができる。

本実施形態によれば、起動時に部分酸化改質により、原料ガスの改質を行うので、燃料電池システム１０Ａ内の温度が比較的低い場合でも改質を開始でき、燃料電池システム１０Ａでの発電開始までの時間を短縮することができる。また、水を供給しない部分酸化改質時において、補助酸化剤ガスブロワ３２により、第２アノード１８Ａへ酸化剤ガスが供給されるので、多段式の燃料電池システム１０Ａにおいて、起動時に燃料を再生する場合であっても、第２アノード１８Ａでの炭素の析出を抑制することができる。

なお、本実施形態では、補助酸化剤ガスブロワ３２で空気を酸化剤ガスとして送出したが、水蒸気、二酸化炭素、酸素など、他の酸化剤ガスを供給してもよい。

また、本実施形態では、補助酸化剤ガスブロワ３２を燃料再生部２２よりも下流側に配置したが、燃料再生部２２よりも上流側に配置してもよい。

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

本実施形態の燃料電池システム１０Ｂは、図４に示すように、第１実施形態の補助酸化剤ガスブロワ３２を有していない。燃料電池システム１０Ｂには、アノードオフガス管Ｐ７の熱交換部３０よりも上流側から分岐して第１アノード１６Ａから第２アノード１８Ａへ燃料再生部２２を経由せずにアノードオフガスを供給するアノードオフガス直接供給管Ｐ８が設けられている。アノードオフガス管Ｐ７とアノードオフガス直接供給管Ｐ８との分岐部分には、切換部としての三方弁４４が設けられている。三方弁４４は、図５に示されるように、制御部４０と接続されている。制御部４０は、三方弁４４を制御し、第１アノード１６Ａから第２アノード１８Ａへの流路と第１アノード１６Ａから燃料再生部２２への流路とを切り換える。本実施形態では、三方弁４４よりも下流側のアノードオフガス管Ｐ７を、符号Ｐ７−１として区別する。

次に、本実施形態の燃料電池システム１０Ｂの動作について説明する。

燃料電池システム１０Ｂでは、起動時に制御部４０において、図６に示す炭素析出抑制処理が実行される。炭素析出抑制処理は、まず、ステップＳ１０で、開閉弁４２を開放し、ステップＳ２２で三方弁４４をアノードオフガス直接供給管側が開となるように制御する。ステップＳ２４で原料供給ブロワ２４、主酸化剤ガスブロワ２８を駆動させる。これにより、改質器１４へ原料ガスであるメタン及び酸化剤ガス（空気）が供給され、第１カソード１６Ｂへ酸化剤ガス（空気）が供給される。

改質器１４からは、未反応のＣＨ_４や、部分酸化反応で生成されたＣＯ、Ｈ_２、完全酸化反応で生成されＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ、等が第１アノード１６Ａへ送出される。第１燃料電池セルスタック１６では、前述した（１）〜（３）の反応が生じると共に、ＣＯ_２やＨ_２Ｏを酸化剤として酸化反応が生じる。これにより、炭素の析出は抑制される。

第１アノード１６Ａから送出されたアノードオフガスは、アノードオフガス直接供給管Ｐ８を経て、燃料再生部２２を経由せずに第２アノード１８Ａへ供給される。第２燃料電池セルスタック１８では、前述した（１）〜（３）の反応が生じると共に、第１燃料電池セルスタック１６と同様に、アノードオフガス中のＣＯ_２やＨ_２Ｏを酸化剤として酸化反応が生じる。これにより、炭素の析出は抑制される。

次に、ステップＳ１４で、炭素析出抑制処理を終了してよいかどうかを判断する。ステップＳ１４で判断が肯定された場合には、ステップＳ２８で三方弁４４のアノードオフガス管Ｐ７ー１側を開放する。そして、ステップＳ１８で開閉弁４２を閉鎖し、炭素析出抑制処理を終了する。

本実施形態によれば、部分酸化改質時において、第１アノード１６Ａから送出されたアノードオフガスは、アノードオフガス直接供給管Ｐ８を経て、燃料再生部２２を経由せずに第２アノード１８Ａへ供給される。したがって、多段式の燃料電池システム１０Ｂにおいて、起動時に、第２アノード１８Ａでの炭素の析出を抑制することができる。

また、本実施形態では、燃料再生部２２へ送出されることによるアノードオフガスの温度低下が抑制されるので、熱エネルギーのロスが抑制され、第２燃料電池セルスタック１８の昇温に要する時間を短縮することができる。

なお、本実施形態では、切換部として三方弁を用いたが、アノードオフガス管Ｐ７ー１とアノードオフガス直接供給管Ｐ８の各々に開閉弁を設けて、開閉を切り換えてもよい。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態では、第１、第２実施形態と同様の部分については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

本実施形態の燃料電池システム１０Ｃは、図７に示すように、第１実施形態の補助酸化剤ガスブロワ３２を有していない。燃料電池システム１０Ｃ、では、燃料再生部２２は、凝縮器２２Ａで構成されており、凝縮器２２Ａには、内部の温度を制御する水凝縮制御部４６が接続されている。

凝縮器２２Ａでは、水凝縮制御部４６によって、アノードオフガスの温度Ｔｃが、以下のように制御される。凝縮器２２Ａへの導入前のアノードオフガスの露点をＴｄとすると、アノードオフガスの温度ＴｃがＴｄ以上の場合には、Ｔｃが最高許容温度Ｔｍａｘよりも低くなるように制御される。また、アノードオフガスの温度ＴｃがＴｄよりも低い場合には、Ｔｃが最低許容温度Ｔｍｉｎよりも高くなるように制御される。ここで、最高許容温度Ｔｍａｘは、例えば、凝縮器２２Ａに関係する部材の耐用温度などに基づいて設定することができる。また、最低許容温度Ｔｍｉｎは、例えば、凝縮器２２Ａから送出されたガスが、配管、燃料電池等を通過する際に、炭素析出しない程度の水蒸気量が保てる温度に設定することができる。また、凝縮器２２Ａにおけるアノードオフガスの露点Ｔｄは、運転条件によって変化し、例えば原料ガス、酸化剤ガスの導入量や改質器温度などで予測することができる。

水凝縮制御部４６としては、ヒーターを用いて加熱したり、燃焼部２０からの燃焼排ガスを熱源として加熱したり、水供給ポンプ２６によって送出される水を分岐して冷却水として用いたり、外部熱源を用いたりすることができる。燃焼排ガスを熱源として加熱する場合には、燃焼排ガスの流量を調整することにより、凝縮器２２Ａの温度を調整することができる。

次に、本実施形態の燃料電池システム１０Ｃの動作について説明する。

燃料電池システム１０Ｃでは、起動時に制御部４０において、図９に示す炭素析出抑制処理が実行される。炭素析出抑制処理は、まず、ステップＳ１０で、開閉弁４２を開放し、ステップＳ２４で原料供給ブロワ２４、主酸化剤ガスブロワ２８を駆動させる。これにより、改質器１４へ原料ガスであるメタン及び酸化剤ガス（空気）が供給され、第１カソード１６Ｂへ酸化剤ガス（空気）が供給される。

次に、ステップＳ３０で、凝縮器２２Ａでのアノードオフガスの温度Ｔｃが露点Ｔｄ以上かどうかを判断する。判断が肯定された場合には、ステップＳ３２で、水凝縮制御部４６で、ＴｃがＴｍａｘよりも低くなるように凝縮器２２Ａの温度を制御する。判断が否定された場合には、ステップＳ３４で、水凝縮制御部４６で、ＴｃがＴｍｉｎよりも高くなるように凝縮器２２Ａの温度を制御する。

第１アノード１６Ａから送出されたアノードオフガスは、熱交換部３０を通って凝縮器２２Ａへ送出される。アノードオフガスの水蒸気はほとんど凝縮されずに再生燃料ガス管Ｐ９へ送出される。そして、熱交換部３０を経て第２アノード１８Ａへ供給される。

第２燃料電池セルスタック１８では、前述した反応により発電が行われると共に、空気中のＣＯ_２やＨ_２Ｏを酸化剤として改質反応が生じる。これにより、炭素の析出は抑制される。

次に、ステップＳ１４で、炭素析出抑制処理を終了してよいかどうかを判断する。ステップＳ１４で判断が否定された場合には、ステップＳ３０へ戻って上記のステップを繰り返す。これにより、炭素析出抑制処理中に、凝縮器２２Ａでのアノードオフガスの温度Ｔｃは、Ｔｍｉｎ〜Ｔｍａｘの範囲になるように制御される。ステップＳ１４で判断が肯定された場合には、ステップＳ１８で開閉弁４２を閉鎖し、炭素析出抑制処理を終了する。

本実施形態によれば、部分酸化改質時において、第１アノード１６Ａから送出されたアノードオフガス中の水蒸気は、凝縮器２２Ａで凝縮されず、または炭素析出しない程度の量が保たれた状態で、第２アノード１８Ａへ供給される。したがって、多段式の燃料電池システム１０Ｃにおいて起動時に、第２アノード１８Ａでの炭素の析出を抑制することができる。

また、本実施形態では、凝縮器２２Ａにおいてアノードオフガスの過剰な温度低下が抑制されるので、熱エネルギーのロスが抑制され、第２燃料電池セルスタック１８の昇温に要する時間を短縮することができる。

なお、本実施形態では、水凝縮制御部４６により、アノードオフガスの温度を制御したが、供給する原料ガス、酸化剤ガスの流量を変えることにより、アノードオフガス中の水蒸気の凝縮量を制御することもできる。

［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態では、第１〜第３実施形態と同様の部分については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

本実施形態の燃料電池システム１０Ｄは、図１０に示すように、第１実施形態の補助酸化剤ガスブロワ３２を有していない。燃料電池システム１０Ｄ、では、燃料再生部２２は、分離膜４８Ｃにより二酸化炭素及び水の少なくとも一方を除去する分離器４８で構成されている。

分離器４８は、分離膜４８Ｃを挟んで一方側が流入部４８Ａ、他方側が透過部４８Ｂとされている。流入部４８Ａがアノードオフガスの非透過側となり、透過部４８Ｂが透過側となる。分離器４８の流入部４８Ａの入口側に、アノードオフガス管Ｐ７が接続され、出口側に再生燃料ガス管Ｐ９が接続されている。分離器４８の透過部４８Ｂの入口側には、スイープ用の気体として、スイープ用ブロワ５０により送出される空気を流入させるスイープ用管Ｐ１４が接続されている。透過部４８Ｂの出口側には、排出管Ｐ１５が接続されている。スイープ用管Ｐ１４には、スイープ用ブロワ５０よりも上流側に加湿器５２が接続されている。加湿器５２は、駆動により内部で水を気化して水蒸気を生成可能とされており、生成された水蒸気は、スイープ用ブロワ５０により、空気と共に透過部４８Ｂへ供給される。

図１１に示されるように、スイープ用ブロワ５０及び加湿器５２は、制御部４０と接続されている。制御部４０は、スイープ用ブロワ５０及び加湿器５２の駆動を制御する。

次に、本実施形態の燃料電池システム１０Ｄの動作について説明する。

燃料電池システム１０Ｄでは、起動時に制御部４０において、図１２に示す炭素析出抑制処理が実行される。炭素析出抑制処理は、まず、ステップＳ４０で、加湿器５２を駆動させる。次に、ステップＳ１０で、開閉弁４２を開放し、ステップＳ４２で、原料供給ブロワ２４、主酸化剤ガスブロワ２８、スイープ用ブロワ５０を駆動させる。これにより、改質器１４へ原料ガスであるメタン及び酸化剤ガス（空気）が供給され、第１カソード１６Ｂへ酸化剤ガス（空気）が供給される。

第１アノード１６Ａから送出されたアノードオフガスは、熱交換部３０を通って分離器４８の流入部４８Ａへ送出される。ここで、透過部４８Ｂへは、空気と共に加湿器５２で生成された水蒸気も供給されている。したがって、透過部４８ＢはＨ_２Ｏの分圧が高く、流入部４８Ａから透過部４８ＢへＨ_２Ｏは透過しにくい。これにより、アノードオフガスの水蒸気はほとんどが透過部４８Ｂへ透過されずに再生燃料ガス管Ｐ９へ送出される。そして、熱交換部３０を経て第２アノード１８Ａへ供給される。

第２燃料電池セルスタック１８では、前述した（１）〜（３）の反応が生じると共に、空気中のＣＯ_２やＨ_２Ｏを酸化剤として酸化反応が生じる。これにより、炭素の析出は抑制される。

次に、ステップＳ１４で、炭素析出抑制処理を終了してよいかどうかを判断する。ステップＳ１４で判断が肯定された場合には、ステップＳ４４で、加湿器５２の駆動を停止する。これにより、スイープ用ブロワ５０により空気のみが透過部４８Ｂへ送出される。次に、ステップＳ１８で開閉弁４２を閉鎖し、炭素析出抑制処理を終了する。

本実施形態によれば、部分酸化改質時において、第１アノード１６Ａから送出されたアノードオフガス中の水蒸気は、流入部４８Ａから透過部４８Ｂへ透過されず、第２アノード１８Ａへ供給される。したがって、多段式の燃料電池システム１０Ｄにおいて、起動時に、第２アノード１８Ａでの炭素の析出を抑制することができる。

なお、本実施形態では、加湿器５２で空気を加湿することにより、透過部４８Ｂへ供給される前のスイープガスに含まれる水蒸気の濃度を高くした。この濃度調整により、透過部４８Ｂの水蒸気分圧を高くして、アノードオフガス中の水蒸気が分離膜４８Ｃを透過しないように制御したが、加湿器５２なしで透過部４８Ｂの水蒸気や二酸化炭素の分圧を高くしてもよい。例えば、燃焼排ガスをスイープガスとして透過部４８Ｂへ供給して二酸化炭素の濃度を高くしてもよいし、スイープ用ブロワ５０の出力を調整して、透過部４８Ｂへ供給するスイープガスの流量を増減させることにより、透過部４８Ｂにおける酸化剤ガスの分圧を調整してもよい。
また、スイープガスとして、原料ガスを用いてもよく、この場合には、原料ガスを加湿器で加湿して透過部４８Ｂにおける水蒸気分圧を高くしてもよい。

さらに、本発明は、第１〜第４実施形態を適宜組み合わせてもよいし、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、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ燃料電池システム
１４改質器
１６第１燃料電池セルスタック、１６Ａ第１アノード
１８第２燃料電池セルスタック、１８Ａ第２アノード
２２燃料再生部、２２Ａ凝縮器
２８主酸化剤ガスブロワ（酸化剤ガス供給部）
３２補助酸化剤ガスブロワ（補助酸化剤ガス供給部、酸化剤ガス量調整部）
４２開閉弁（酸化剤ガス供給部）
４４三方弁（切換部、酸化剤ガス量調整部）
４６水凝縮制御部（酸化剤ガス量調整部）
４８Ｂ透過部（透過側）、４８Ｃ分離膜
５２加湿器（分圧調整部、酸化剤ガス量調整部）
Ｐ８アノードオフガス直接供給管（アノードオフガス供給路）
Ｐ９再生燃料ガス管

Claims

炭化水素系の原料ガスを改質して水素を含む燃料ガスを生成する改質部と、
前記改質部へ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
前記燃料ガスと空気とを反応させて発電する第１燃料電池セルスタックと、
前記第１燃料電池セルスタックの第１アノードから排出されたアノードオフガスと空気とを反応させて発電する第２燃料電池セルスタックと、
前記アノードオフガスから、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を減じた再生燃料ガスを前記第２燃料電池セルスタックの第２アノードへ供給する燃料再生部と、
前記第２アノードへ供給される空気量を調整する酸化剤ガス量調整部と、
を備えた燃料電池システム。
前記燃料再生部は、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を透過させて分離する分離膜を有し、
前記酸化剤ガス量調整部は、前記分離膜の透過側へ供給するスイープガスにより前記透過側における二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の分圧を調整する分圧調整部、を含んで形成されている、請求項１項に記載の燃料電池システム。
炭化水素系の原料ガスを改質して水素を含む燃料ガスを生成する改質部と、
前記改質部へ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
前記燃料ガスと空気とを反応させて発電する第１燃料電池セルスタックと、
前記第１燃料電池セルスタックの第１アノードから排出されたアノードオフガスと空気とを反応させて発電する第２燃料電池セルスタックと、
前記アノードオフガスから、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を減じた再生燃料ガスを前記第２燃料電池セルスタックの第２アノードへ供給する燃料再生部と、
前記第２アノードへ供給される酸化剤ガス量を調整する酸化剤ガス量調整部と、
を備え、
前記燃料再生部は、水蒸気を透過させて分離する分離膜を有し、
前記酸化剤ガス量調整部は、前記分離膜の透過側へ供給するスイープガスにより前記透過側における水蒸気の分圧を調整する分圧調整部、を含んで形成されている、
燃料電池システム。
前記分圧調整部は、前記スイープガスの流量により前記透過側における二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の分圧を調整すること、を特徴とする、請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システム。
前記分圧調整部は、前記透過側へ供給する前の前記スイープガスの二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の濃度により前記透過側における二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の分圧を調整すること、を特徴とする、請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システム。
前記酸化剤ガス量調整部は、前記第１燃料電池セルスタックよりも下流側から前記第２アノードへ酸化剤ガスを供給する補助酸化剤ガス供給部、を含んで形成されている、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
前記第１アノードから前記第２アノードへ前記アノードオフガスを供給するアノードオフガス供給路と、前記燃料再生部から前記第２アノードへ前記再生燃料ガスを供給する再生燃料ガス供給路と、を備え、
前記酸化剤ガス量調整部は、前記アノードオフガス供給路から前記第２アノードへのガス供給と、前記再生燃料ガス供給路から前記第２アノードへのガス供給とを切り換える切換部、を含んで形成されている、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
前記燃料再生部は、前記アノードオフガス中の水蒸気を凝縮させる凝縮器を有し、
前記酸化剤ガス量調整部は、前記凝縮器での水の凝縮量を制御する水凝縮制御部、を含んで形成されている、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。