JP6765465B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は燃料電池システムに関する。

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して再生燃料ガスを生成し、後段の燃料電池セルスタックへ供給している。このように、アノードオフガスを再利用して発電に供することにより、燃料電池システムの発電効率を向上させることができる。

特開２０１６−１１５４９５号公報

このような燃料電池システムにおいて、炭化水素系の原料を改質して発電に用いる場合、燃料ガスの経路において、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、燃料電池セルスタックから排出されたアノードオフガスを再利用する場合に、当該アノードオフガス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生成された水素を含む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１燃料電池セルスタックにおける発電が行われないときに、前記第２アノードへ供給されるガスの炭素化合物ガス濃度を前記第２アノードにおいて炭素析出が抑制される濃度となるように、前記第１燃料電池セルスタックにおける発電が行われているときに非実行とされる調整を行う、調整部と、を備えている。

通常、第１燃料電池セルスタックにおける発電が行われないときには、第１アノードで水が生成されないため、アノードオフガス中に含まれる水蒸気が少なくなり、第２アノードにおいて炭素析出が生じやすくなる。そこで、請求項１に係る燃料電池システムでは、調整部により、第２アノードへ供給される炭素化合物ガス濃度を、炭素析出が抑制される濃度となるように調整する。これにより、第１燃料電池セルスタックにおける発電が行われないときには、アノードオフガスにおける炭素析出を抑制することができる。

請求項２記載の発明に係る燃料電池システムは、前記調整部が、前記第１アノードから排出された前記アノードオフガスの少なくとも一部を、前記燃料再生部を非通過で前記第２アノードへ送出するバイパス路、を含んでいる。

請求項２記載の燃料電池システムでは、アノードオフガスの少なくとも一部が、バイパス路を経て、燃料再生部を非通過で第２アノードへ送出されるので、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を多く残して第２アノードへ供給することができる。これにより、第２アノードへ供給される炭素化合物ガス濃度を低下させて、炭素析出が抑制される濃度となるように調整することができる。

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部を有し、前記調整部は、前記凝縮部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３記載の燃料電池システムでは、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４記載の発明に係る燃料電池システムは、前記燃料再生部は、前記アノードオフガスと前記第１燃料電池セルスタック及び前記第２燃料電池セルスタックの少なくとも一方へ供給される前記空気との熱交換を行う空気熱交換部を有し、前記調整部は、前記空気熱交換部へ供給される空気の流量を制御すること、を特徴とする。

請求項４記載の燃料電池システムでは、空気熱交換部において、アノードオフガスと第１燃料電池セルスタック及び第２燃料電池セルスタックの少なくとも一方へ供給される空気との間で熱交換が行われ、アノードオフガスが冷却される。調整部により、空気熱交換部へ供給される空気の流量を制御することにより、アノードオフガスに残る水蒸気の量が調整される。これにより、第２アノードへ供給される炭素化合物ガス濃度を低下させて、炭素析出が抑制される濃度となるように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、前記調整部は、前記分離膜の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５記載の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の圧力などを調整することにより、燃料再生部によるアノードオフガス中の水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方の除去を抑制して、水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方を再生燃料ガス中に多く残して、第２アノードへ供給することができる。

請求項６記載の発明に係る燃料電池システムは、前記分圧調整部は、前記透過側を減圧するポンプを含んで構成されている。

請求項６に係る燃料電池システムによれば、ポンプにより透過側を減圧することにより、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７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７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８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分圧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８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分圧や、供給するスイープガスの絶対圧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９記載の発明に係る燃料電池システムは、前記第１アノードへは、前記燃料ガスと共に水蒸気が供給され、前記調整部は、前記第１アノードへ供給する水蒸気流量を制御する。

請求項９に係る燃料電池システムによれば、第１アノードへ供給する水蒸気流量を制御することにより、第２アノードへ供給されるガスの炭素化合物ガス濃度が炭素析出を抑制できる濃度となるように調整することができる。

請求項１０記載の発明に係る燃料電池システムは、前記調整部は、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追加酸化剤ガス供給部、を含んで形成されている。

請求項１０に係る燃料電池システムによれば、追加酸化剤ガス供給部により第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、追加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。

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、アノードオフガスにおける炭素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第１発電停止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第２発電停止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第３発電停止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実施形態の変形例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第４発電停止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、補助酸化剤ガスブロワ３２、制御部４０、パワーコンディショナ４１、第１電流制御器４２、第２電流制御器４３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。

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。
また、固体酸化物形の燃料電池として、水素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池（ＰＣＦＣ：Proton Ceramic Solid Oxide Fuel Cell）を用いることもできる。

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。

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Ｐ１３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。

第１燃料電池セルスタック１６は、電気配線４２Ａを介して第１電流制御器４２と接続されている。第１電流制御器４２は、電気配線４２Ｂを介してパワーコンディショナ４１と電気的に接続されている。第１電流制御器４２は、電気配線４２Ａ、４２Ｂを流れる電流の大きさを制御可能とされている。第２燃料電池セルスタック１８は、電気配線４３Ａを介して第２電流制御器４３と接続されている。第２電流制御器４３は、電気配線４３Ｂを介してパワーコンディショナ４１と電気的に接続されている。第２電流制御器４３は、電気配線４３Ａ、４３Ｂを流れる電流の大きさを制御可能とされている。
なお、本実施形態では第１燃料電池セルスタック１６と第２燃料電池セルスタック１８の電気配線を個別に取り出しているが、第１燃料電池セルスタック１６と第２燃料電池セルスタック１８の電気配線を直列に接続した電気配線としてもよい。

パワーコンディショナ４１は、制御部４０と電気的に接続されている。パワーコンディショナ４１は、第１電流制御器４２、第２電流制御器４３を介して電気配線４２Ａ、４２Ｂ、４３Ａ、４３Ｂを流れる各々の電流の大きさを制御可能とされ、電気配線４２Ａ、４２Ｂ、４３Ａ、４３Ｂを流れる各々の電流の大きさは、パワーコンディショナ４１を介して制御部４０によって制御されている。また、パワーコンディショナ４１は、図示しない変電機器を介して図示しない電力負荷に接続されている。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で発電された電力は、直流→交流や電圧変換などの変電処理を経て電力負荷で消費される。

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（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ：プロセッサ）４０Ａ、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）４０Ｂ、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）４０Ｃ、ストレージ４０Ｄ、入出力インターフェース（Ｉ／Ｆ）４０Ｅ、を有する。各構成は、バス４０Ｆを介して相互に通信可能に接続されている。

ＣＰＵ４０Ａは、中央演算処理ユニットであり、各種プログラムを実行したり、各部を制御したりする。すなわち、ＣＰＵ４０Ａは、ＲＯＭ４０Ｂまたはストレージ４０Ｄからプログラムを読み出し、ＲＡＭ４０Ｃを作業領域としてプログラムを実行する。ＣＰＵ４０Ａは、ＲＯＭ４０Ｂまたはストレージ４０Ｄに記録されているプログラムにしたがって、上記各構成の制御および各種の演算処理を行う。

ＲＯＭ４０Ｂは、各種プログラムおよび各種データを格納する。ＲＡＭ４０Ｃは、作業領域として一時的にプログラムまたはデータを記憶する。ストレージ４０Ｄは、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）またはＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）により構成され、オペレーティングシステムを含む各種プログラム、および各種データを格納する。本実施形態では、ＲＯＭ４０Ｂまたはストレージ４０Ｄには、燃料電池システム１０Ａの発電停止時における処理についてのプログラム等が格納されている。入出力Ｉ／Ｆ４０Ｅは、信号線を介して、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、及びパワーコンディショナ４１、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、定常運転時には、規定量のメタンが原料供給ブロワ２４により気化器１２へ供給され、水供給ポンプ２６により、規定量の水（液相）が気化器１２へ送出される。気化器１２では、供給されたメタン及び水が混合されると共に、燃焼排ガス管Ｐ１０を流通する燃焼排ガスから熱を得て加熱され、水が気化され水蒸気となる。

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、改質反応により、水素を含む燃料ガスが生成される。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の第１カソード１６Ｂには、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。これにより、第１燃料電池セルスタック１６では、前述の反応により発電が行われる。上記反応により第１燃料電池セルスタック１６は発熱し、発電が行われる。この発電に伴い第１燃料電池セルスタック１６の第１アノード１６Ａからは、アノードオフガスが排出される。また、第１カソード１６Ｂからは、カソードオフガスが排出される。第１カソードオフガスは、カソードオフガス管Ｐ６を通って第２燃料電池セルスタック１８の第２カソード１８Ｂへ供給される。第２カソード１８Ｂへ供給された第１カソードオフガスは、発電に供されて第２カソードオフ管Ｐ１２へ排出され、燃焼部２０へ供給される。

第１アノード１６Ａから排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス管Ｐ７に導かれ、熱交換部３０を経て、燃料再生部２２へ供給される。アノードオフガスは、燃料再生部２２で二酸化炭素及び水蒸気の内の少なくとも一方が除去されて、再生燃料ガスとなる。再生燃料ガスは、再生燃料ガス管Ｐ９を通って第２アノード１８Ａへ供給される。再生燃料ガスは、第２アノード１８Ａで発電に供される。第２アノードオフガスは、アノードオフガス管Ｐ１１を経て燃焼部２０へ送出され、第２アノードオフガス中の未反応水素、一酸化炭素は、燃焼部２０で燃焼する。燃焼部２０からは、燃焼排ガス管Ｐ１０から燃焼排ガスが排出される。燃焼排ガスは、気化器１２で熱交換後に排出される。

次に、第１発電停止時処理について説明する。第１発電停止時処理は、燃料電池システム１０Ａにおいて、発電を停止させる時（以下「発電停止時」という）に実行される。ここでの発電停止は、燃料電池システム１０Ａを完全に停止させる場合の他、一時的に負荷電力がゼロの状態が継続する等の事情により発電を停止する場合を含む。

運転中の燃料電池システム１０Ａにおいて、制御部４０へ、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における発電を停止する旨の信号が入力されると、図３に示される第１発電停止時処理が実行される。第１発電停止時処理では、まず、ステップＳ１０で、パワーコンディショナ４１へ、電流の取り出しを停止するように指示を出力する。これにより、第１電流制御器４２及び第２電流制御器４３による電流の取り出しが停止される。

次に、ステップＳ１２で、補助酸化剤ガスブロワ３２を駆動させる。これにより、第２アノード１８Ａへ酸化剤ガス（空気）が供給される。第１燃料電池セルスタック１６では、発電が停止されているため、水の生成反応が生じない。第１アノード１８Ａから排出されたガスは、定常運転時よりも水の含有量が少ないにもかかわらず、燃料再生部２２で二酸化炭素及び水の少なくとも一方が除去される。そこで、本実施形態では、補助酸化剤ガスブロワ３２から酸化剤ガスを供給する。これにより、空気中のＣＯ_２やＯ_２を酸化剤として第２燃料電池セルスタック１８では、酸化反応が生じ、炭素の析出は抑制される。

次に、ステップＳ１４で、燃料電池システム１０Ａでの発電を再開するか否かを判断する。判断が肯定された場合には、ステップＳ１６で、パワーコンディショナ４１へ、電流の取り出しを行うように指示を出力する。これにより、第１電流制御器４２及び第２電流制御器４３による電流の取り出しが再開される。そして、ステップＳ１８で、補助酸化剤ガスブロワ３２を停止して、本処理を終了する。

ステップＳ１４での判断が否定された場合には、ステップＳ２０で、燃料電池システム１０Ａを完全に停止させるか否かを判断する。判断が肯定された場合には、ステップＳ２２で燃料電池システム１０Ａの完全停止処理を行う。ステップＳ２０での判断が否定された場合には、ステップＳ１４へ戻り、上記の処理を繰り返す。

本実施形態によれば、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での発電を停止した時に、第２燃料電池セルスタック１８へ酸化剤ガスを追加供給するので、炭素の析出を抑制することができる。したがって、燃料電池システム１０Ａの一時停止や完全停止を、炭素の析出を抑制しつつ安全に行うことができる。

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。

なお、気化器１２から送出された水蒸気が、燃料電池セルスタックや配管途中で凝縮すると、燃料電池セルスタックの劣化や、配管の詰まりの原因となることが考えられる。そこで、水供給ポンプ２６で供給する水の流量は、アノードライン（配管Ｐ３、改質器１４、燃料ガス管Ｐ４、第１アノード１８Ａ、アノードオフガス管Ｐ７、熱交換部３０、燃料再生部２２、再生燃料ガス管Ｐ９、第２アノード１８Ａ、配管Ｐ１１）で最も低温部分の温度よりも露点が高くなるように制御してもよい。これにより、水蒸気が燃料電池セルスタックや配管途中で凝縮することを抑制でき、燃料電池セルスタックの劣化や、配管の詰まりを抑制することができる。

水蒸気の凝縮抑制は、水供給ポンプ２６で供給する水の流量を制御することにより行う他、アノードラインの最も低温部分の温度を、露点以下とならないように高く維持するようにすることで行ってもよい。

［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。

運転中の燃料電池システム１０Ｂにおいて、制御部４０へ、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での発電を停止する旨の信号が入力されると、図６に示される第２発電停止時処理が実行される。ステップＳ１０で、パワーコンディショナ４１へ、電流の取り出しを停止するように指示を出力する。これにより、第１電流制御器４２及び第２電流制御器４３による電流の取り出しが停止される。

次に、ステップＳ２４で、三方弁４４をアノードオフガス直接供給管Ｐ８側が開となるように制御する。これにより、アノードオフガスが燃料再生部２２へ供給されず、第１アノード１６Ａから第２アノード１８Ａへ直接供給される。したがって、アノードオフガス中のＨ_２ＯやＣＯ_２が低減されることなく、第２アノード１８Ａへ供給される。

次に、ステップＳ１４で、燃料電池システム１０Ａでの発電を再開するか否かを判断する。判断が肯定された場合には、ステップＳ１６で、パワーコンディショナ４１へ、電流の取り出しを行うように指示を出力する。これにより、第１電流制御器４２及び第２電流制御器４３による電流の取り出しが再開される。そして、ステップＳ２６で、三方弁４４をアノードオフガス管Ｐ７−１側が開となるように制御して、本処理を終了する。

ステップＳ１４での判断が否定された場合には、ステップＳ２０で、燃料電池システム１０Ａを完全に停止させるか否かを判断する。判断が肯定された場合には、ステップＳ２２で燃料電池システム１０Ａを停止する。ステップＳ２０での判断が否定された場合には、ステップＳ１４へ戻り、上記の処理を繰り返す。

本実施形態によれば、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での発電を停止した時に、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、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Ｐ７−１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。図８に示すように、水凝縮制御部４６は、制御部４０と接続されている。

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。

運転中の燃料電池システム１０Ｃにおいて、制御部４０へ、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での発電を停止する旨の信号が入力されると、図９示される第３発電停止時処理が実行される。第３発電停止時処理は、まず、ステップＳ１０で、パワーコンディショナ４１へ、電流の取り出しを停止するように指示を出力する。これにより、第１電流制御器４２及び第２電流制御器４３による電流の取り出しが停止される。

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。これにより、第３発電停止時処理中に、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、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。

次に、ステップＳ１４で、燃料電池システム１０Ｃでの発電を再開するか否かを判断する。判断が肯定された場合には、ステップＳ１６で、パワーコンディショナ４１へ、電流の取り出しを行うように指示を出力する。これにより、第１電流制御器４２及び第２電流制御器４３による電流の取り出しが再開される。そして、ステップＳ３６で、Ｔｃが最低許容温度Ｔｍｉｎよりも低くなるように制御され、本処理を終了する。

ステップＳ１４での判断が否定された場合には、ステップＳ２０で、燃料電池システム１０Ｃを完全に停止させるか否かを判断する。判断が肯定された場合には、ステップＳ２２で燃料電池システム１０Ｃを停止する。ステップＳ２０での判断が否定された場合には、ステップＳ１４へ戻り、上記の処理を繰り返す。

本実施形態によれば、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での発電を停止した時に、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。

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１０Ａ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。

運転中の燃料電池システム１０Ｄにおいて、制御部４０へ、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での発電を停止する旨の信号が入力されると、図１２示される第４発電停止時処理が実行される。第４発電停止時処理は、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、パワーコンディショナ４１へ、電流の取り出しを停止するように指示を出力する。これにより、第１電流制御器４２及び第２電流制御器４３による電流の取り出しが停止される。

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。

次に、ステップＳ１４で、燃料電池システム１０Ｄでの発電を再開するか否かを判断する。判断が肯定された場合には、ステップＳ１６で、パワーコンディショナ４１へ、電流の取り出しを行うように指示を出力する。これにより、第１電流制御器４２及び第２電流制御器４３による電流の取り出しが再開される。そして、ステップＳ４２で、加湿器５２を停止して、本処理を終了する。

ステップＳ１４での判断が否定された場合には、ステップＳ２０で、燃料電池システム１０Ｃを完全に停止させるか否かを判断する。判断が肯定された場合には、ステップＳ２２で燃料電池システム１０Ｄを停止する。ステップＳ２０での判断が否定された場合には、ステップＳ１４へ戻り、上記の処理を繰り返す。

本実施形態によれば、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での発電を停止した時に、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。

また、図１０Ｂに示されるように、排出管Ｐ１５にポンプＰ１を設け、透過部４８Ｂのガスを吸引することにより透過部４８Ｂを減圧し、透過部４８Ｂにおける酸化剤ガスの分圧を調整してもよい。その他、スイープガスの絶対圧を調整することで、水蒸気や二酸化炭素の分圧を調整しても良い。

なお、第１〜第４実施形態では、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の両方において発電を停止する場合について説明したが、第１燃料電池セルスタック１６のみにおいて発電を停止する場合においても、同様の発電停止時処理（第１発電停止時処置〜第５発電停止時処理）を実施してもよい。

また、本発明は、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において発電が行われていないときであれば適用することができ、例えば、燃料電池システムの起動時に適用することもできる。

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、１０Ｅ 燃料電池システム
１６ 第１燃料電池セルスタック
１８ 第２燃料電池セルスタック
１６Ａ 第１アノード
１８Ａ 第２アノード
１６Ｂ 第１カソード
１８Ｂ 第２カソード
２０ 燃焼部
２２ 燃料再生部
２２Ａ 凝縮器（凝縮部）
３０ 熱交換部
３２ 補助酸化剤ガスブロワ（追加酸化剤ガス供給部）
３３ 補助空気ブロワ（冷却用空気供給部）
３４ 第２熱交換部（空気熱交換部）
４０ 制御部（調整部）
４４ 三方弁（調整部）
４６ 水凝縮制御部（調整部）
４８ 分離器
４８Ａ 流入部
４８Ｂ 透過部
４８Ｃ 分離膜
５０ スイープ用ブロワ（分圧調整部）
５２ 加湿器（分圧調整部）
Ｐ１ ポンプ

Claims (10)

1. 炭化水素系の原料ガスを改質して生成された水素を含む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１燃料電池セルスタックにおける発電が行われないときに、前記第２アノードへ供給されるガスの炭素化合物ガス濃度を前記第２アノードにおいて炭素析出が抑制される濃度となるように、前記第１燃料電池セルスタックにおける発電が行われているときに非実行とされる調整を行う、調整部と、
   を備えた燃料電池システム。
2. 前記調整部は、前記第１アノードから排出された前記アノードオフガスの少なくとも一部を、前記燃料再生部を非通過で前記第２アノードへ送出するバイパス路、を含んでいる、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 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部を有し、
   前記調整部は、前記凝縮部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または請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料再生部は、前記アノードオフガスと前記第１燃料電池セルスタック及び前記第２燃料電池セルスタックの少なくとも一方へ供給される前記空気との熱交換を行う空気熱交換部を有し、
   前記調整部は、前記空気熱交換部へ供給される空気の流量を制御すること、を特徴とする、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、
   前記調整部は、前記分離膜の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〜請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記分圧調整部は、前記透過側を減圧するポンプを含んで構成されている、請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記分圧調整部は、前記透過側へ供給する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５または請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記分圧調整部は、前記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分圧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または請求項６に記載の燃料電池システム。
9. 前記第１アノードへは、前記燃料ガスと共に水蒸気が供給され、
   前記調整部は、前記第１アノードへ供給する水蒸気流量を制御する、請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
10. 前記調整部は、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追加酸化剤ガス供給部、を含んで形成されている、請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。