(57)【要約】【課題】複数の固体酸化物形燃料電池がカスケード接続された場合において、後段側の固体酸化物形燃料電池の温度を適正に維持することにより、発電性能の低下を抑制し、優れたシステム効率を実現する。【解決手段】燃料電池発電システムは、第１燃料電池と、第１燃料電池から排出される第２燃料ガスを用いて電力を発生する第２燃料電池とを備える。第２燃料電池に対する酸化剤ガスの供給量は、第２燃料電池の温度が基準値になるように、調整バルブによって調整される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１燃料ガス、及び、第１酸化剤ガスを用いて、電力を発生する第１燃料電池と、
前記第１燃料電池から排出される第２燃料ガス、及び、第２酸化剤ガスを用いて、電力を発生する第２燃料電池と、
前記第２燃料電池に対する前記第２酸化剤ガスの供給量を調整可能な調整バルブと、
を備え、
前記調整バルブは、前記第２燃料電池の温度が基準値になるように調整される、燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記第１酸化剤ガス、及び、前記第２酸化剤ガスは、共通の酸化剤ガス供給源に対して互いに並列に設けられた第１酸化剤ガス供給ライン及び第２酸化剤ガス供給ラインを介して、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池にそれぞれ供給され、
前記調整バルブは、前記第１酸化剤ガス供給ライン又は前記第２酸化剤ガス供給ラインの少なくとも一方に配置される、請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記第１酸化剤ガスが前記第１燃料電池から排出された後、前記第２酸化剤ガスとして前記第２燃料電池に供給されるように、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池間に設けられる第３酸化剤ガス供給ラインと、
前記第３酸化剤ガス供給ラインから前記第２燃料電池を迂回するように分岐する第４酸化剤ガス供給ラインと、
を備え、
前記調整バルブは、前記第３酸化剤ガス供給ライン又は前記第４酸化剤ガス供給ラインの少なくとも一方に配置される、請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記第２燃料電池から排出される第３燃料ガスを燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器の下流側に設けられたタービンと、
前記タービンにより駆動するコンプレッサと、
を備え、
前記第２酸化剤ガスは前記第２燃料電池から排出された後、前記燃焼器を介さずに、前記タービンに供給される、請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記第１酸化剤ガスは前記第１燃料電池から排出された後、前記燃焼器に供給される、請求項４に記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
前記第２燃料電池から排出される第３燃料ガスを燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器の下流側に設けられた前記タービンと、
前記タービンによる駆動する前記コンプレッサと、
を備え、
前記第１酸化剤ガス及び前記第２酸化剤ガスは、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池からそれぞれ排出された後、前記燃焼器に供給される、請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
前記第１燃料電池、前記、第２燃料電池を収容する圧力容器を更に備え、
前記調整バルブは、前記圧力容器の外部に配置される、請求項１から６のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項８】
前記第２燃料ガスに含まれる水分を回収する水分回収器と、
前記水分回収器で前記水分が回収された前記第２燃料ガスの一部を前記第１燃料電池に再循環する再循環ラインと、
を備える、請求項１から７のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項９】
複数の前記第１燃料電池の間に前記第２燃料電池が配置される燃料電池ユニットを少なくとも一つ備える、請求項１から８のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、複数の燃料電池を用いて発電を行う燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
発電デバイスの一つとして固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）が知られている。固体酸化物形燃料電池は、従来、ガスタービンや蒸気タービンのような他の発電デバイスと組み合わされることにより、複合発電システムとして利用されていた。複合発電システムでは、前段の固体酸化物形燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガス（空気ガス）を供給し、発電を行うとともに、固体酸化物形燃料電池から排出される出口燃料ガス（排燃料ガス）と出口酸化剤ガス（排空気ガス）とを混合し、燃焼器で燃焼させて、後段のガスタービンや蒸気タービンに投入することで、これらのタービンに結合した発電器で発電を行う。タービンから排出される排ガスのエネルギは、更に、排気回収システムで回収される。
【０００３】
このような複合発電システムでは、ガスタービンや蒸気タービンの効率は、固体酸化物形燃料電池に比べて低い。そこで特許文献１では、ガスタービンや蒸気タービンに代えて後段側にも固体酸化物形燃料電池を採用することで、複数の固体酸化物形燃料電池をカスケード接続した高効率な発電システムが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３９２４２４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１のように複数の固体酸化物形燃料電池をカスケード接続したシステムでは、前段の固体酸化物形燃料電池で使用された燃料ガスが後段の固体酸化物形燃料電池で利用される。そのため、後段の固体酸化物形燃料電池で使用される燃料ガスは、前段の固体酸化物形燃料電池に比べて濃度が少なくなる。その結果、後段の固体酸化物形燃料電池では前段の固体酸化物形燃料電池に比べて出力が抑制され発電に伴う発熱量が小さくなり、固体酸化物形燃料電池を適正に運用するための温度を維持することが困難になる場合がある。この場合、後段の固体酸化物形燃料電池では、発電電圧が低下し、特に部分負荷運転時にシステム効率が低下してしまうおそれがある。
【０００６】
本発明の少なくとも一実施形態は上述の事情に鑑みなされたものであり、複数の固体酸化物形燃料電池がカスケード接続された場合において、後段側の固体酸化物形燃料電池の温度を適正に維持することにより、発電性能の低下を抑制し、優れたシステム効率を実現可能な燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る燃料電池発電システムは上記課題を解決するために、
第１燃料ガス、及び、第１酸化剤ガスを用いて、電力を発生する第１燃料電池と、
前記第１燃料電池から排出される第２燃料ガス、及び、第２酸化剤ガスを用いて、電力を発生する第２燃料電池と、
前記第２燃料電池に対する前記第２酸化剤ガスの供給量を調整可能な調整バルブと、
を備え、
前記調整バルブは、前記第２燃料電池の温度が基準値になるように調整される。
【０００８】
上記（１）の構成によれば、第１燃料電池に対して後段側に配置される第２燃料電池に供給される第２酸化剤ガスが、調整バルブによって調整可能に構成される。調整バルブの調整は、第２燃料電池の温度が基準値になるように制御されるため、後段側の固体電解質型の温度を適正に維持することができ、高効率な燃料電池発電システムを実現できる。
【０００９】
（２）幾つかの実施形態では上記（１）の構成において、
前記第１酸化剤ガス、及び、前記第２酸化剤ガスは、共通の酸化剤ガス供給源に対して互いに並列に設けられた第１酸化剤ガス供給ライン及び第２酸化剤ガス供給ラインを介して、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池にそれぞれ供給され、
前記調整バルブは、前記第１酸化剤ガス供給ライン又は前記第２酸化剤ガス供給ラインの少なくとも一方に配置される。
【００１０】
上記（２）の構成によれば、第１燃料電池及び第２燃料電池は、第１酸化剤ガス供給ライン及び第２酸化剤ガス供給ラインを介して、酸化剤ガス供給源に対して並列に接続される。このような第１酸化剤ガス供給ライン又は第２酸化剤ガス供給ラインの少なくとも一方に調整バルブを設置することで、第１燃料電池及び第２燃料電池に対する酸化剤ガスの供給比率の調整が可能となる。これにより、後段側の固体酸化物形燃料電池に対する酸化剤ガスの供給量を調整するための構成を、効率的なレイアウトで実現できる。
【００１１】
（３）幾つかの実施形態では上記（１）の構成において、
前記第１酸化剤ガスが前記第１燃料電池から排出された後、前記第２酸化剤ガスとして前記第２燃料電池に供給されるように、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池間に設けられる第３酸化剤ガス供給ラインと、
前記第３酸化剤ガス供給ラインから前記第２燃料電池を迂回するように分岐する第４酸化剤ガス供給ラインと、
を備え、
前記調整バルブは、前記第３酸化剤ガス供給ライン又は前記第４酸化剤ガス供給ラインの少なくとも一方に配置される。
【００１２】
上記（３）の構成によれば、第１燃料電池で使用された酸化剤ガスは、第３酸化剤ガス供給ラインを介して、後段側の第２燃料電池に送られて利用される。このように酸化剤ガスの供給経路を、第１燃料電池及び第２燃料電池にわたって直列的に設けた場合においても、第３酸化剤供給ラインから第２燃料電池を迂回するように分岐する第４酸化剤供給ラインを設け、第３酸化剤供給ライン又は第４酸化剤供給ラインの少なくとも一方に調整バルブを設置することで、第１燃料電池及び第２燃料電池に対する酸化剤ガスの供給比率の調整が可能となる。これにより、後段側の固体酸化物形燃料電池に対する酸化剤ガスの供給量を調整するための構成を、効率的なレイアウトで実現できる。
【００１３】
（４）幾つかの実施形態では上記（１）から（３）のいずれか一構成において、
前記第２燃料電池から排出される第３燃料ガスを燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器の下流側に設けられたタービンと、
前記タービンにより駆動するコンプレッサと、
を備え、
前記第２酸化剤ガスは前記第２燃料電池から排出された後、前記燃焼器を介さずに、前記タービンに供給される。
【００１４】
上記（４）の構成によれば、第２燃料電池から排出される酸化剤ガスは、燃焼器を介さずに、ターボチャージャに対して直接的に供給される。これにより、燃焼器を介した場合に生じる圧損増加を回避でき、ターボチャージャにおける回収動力の低下を抑制できる。
【００１５】
（５）幾つかの実施形態では上記（４）の構成において、
前記第１酸化剤ガスは前記第１燃料電池から排出された後、前記燃焼器に供給される。
【００１６】
上記（５）の構成によれば、第１燃料電池から排出される酸化剤ガスは、第２燃料電池に供給されることなく、燃焼器に供給される。これにより、第２燃料電池から排出される第３燃料ガスと混合されて燃焼器で燃焼されることで、ターボチャージャを効率よく駆動することが可能となる。
【００１７】
（６）幾つかの実施形態では上記（１）から（３）のいずれか一構成において、
前記第２燃料電池から排出される第３燃料ガスを燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器の下流側に設けられた前記タービンと、
前記タービンによる駆動する前記コンプレッサと、
を備え、
前記第１酸化剤ガス及び前記第２酸化剤ガスは、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池からそれぞれ排出された後、前記燃焼器に供給される。
【００１８】
上記（６）の構成によれば、
第１燃料電池及び第２燃料電池からそれぞれ排出される酸化剤ガスは、燃焼器に供給される。これらの酸化剤ガスは、第２燃料電池から排出される第３燃料ガスと混合されて燃焼器で燃焼されることで、ターボチャージャを効率よく駆動することが可能となる。
【００１９】
（７）幾つかの実施形態では上記（１）から（６）のいずれか一構成において、
前記第１燃料電池、前記、第２燃料電池を収容する圧力容器を更に備え、
前記調整バルブは、前記圧力容器の外部に配置される。
【００２０】
上記（７）の構成によれば、調整バルブを圧力容器の外部に配置することで、調整バルブに対して容易にアクセスできる。これにより、例えば、第２燃料電池に対する酸化剤ガスの供給量を調整するために、作業員による調整バルブのマニュアル操作が容易になる。
【００２１】
（８）幾つかの実施形態では上記（１）から（７）のいずれか一構成において、
前記第２燃料ガスに含まれる水分を回収する水分回収器と、
前記水分回収器で前記水分が回収された前記第２燃料ガスの一部を前記第１燃料電池に再循環する再循環ラインと、
を備える。
【００２２】
上記（８）の構成によれば、第２燃料電池に供給される第２燃料ガスは、水分回収器によって第２燃料電池への供給前に水分が回収される。また水分が回収された第２燃料ガスの一部は、再循環ラインを介して第１燃料電池に再循環される。これにより、第２燃料電池に供給される第２燃料ガスの発熱量を増加させることができ、第２燃料電池の出力低下を抑制できる。
【００２３】
（９）幾つかの実施形態では上記（１）から（８）のいずれか一構成において、
複数の前記第１燃料電池の間に前記第２燃料電池が配置される燃料電池ユニットを少なくとも一つ備える。
【００２４】
上記（９）の構成によれば、発熱量が低い燃料ガスを取り扱う第２燃料電池を、第１燃料電池の間に配置することで、第２燃料電池における温度低下をより効果的に抑制し、優れたシステム効率を実現できる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の少なくとも一実施形態によれば、複数の固体酸化物形燃料電池がカスケード接続された場合において、後段側の固体酸化物形燃料電池の温度を適正に維持することにより、発電性能の低下を抑制し、優れたシステム効率を実現可能な燃料電池発電システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池発電システムの全体構成を示す模式図である。
【図２】第２実施形態に係る燃料電池発電システムの全体構成を示す模式図である。
【図３】第３実施形態に係る燃料電池発電システムの全体構成を示す模式図である。
【図４】第４実施形態に係る燃料電池発電システムの全体構成を示す模式図である。
【図５】図４の変形例である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００２８】
＜第１実施形態＞
図１は第１実施形態に係る燃料電池発電システム１の全体構成を示す模式図である。燃料電池発電システム１は、第１燃料電池２及び第２燃料電池４を備える。第１燃料電池２及び第２燃料電池４は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）であり、燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて電気化学反応により発電を行う。燃料ガスは、例えば、メタンガス（天然ガス）又はプロパンガスであり、酸化剤ガスは、例えば、空気である。
【００２９】
第１燃料電池２は、発電した直流電力を第１電力系統５０に対応する交流電力に変換するための第１インバータ５２を有する。第１燃料電池２の温度（発電室温度）は、第１温度センサ５４によって監視されており、第１インバータ５２の電流量の調整によって、第１温度センサ５４の検出値が所定温度になるように制御することができる。
【００３０】
第２燃料電池４は、発電した直流電力を第２電力系統６０に対応する交流電力に変換するための第２インバータ６２を有する。第２インバータ６２の電流量は第1燃料電池２から排出される第２燃料ガス量に応じて適切な値に設定される。第２燃料電池４の温度（発電室温度）は、第２温度センサ６４によって監視されており、第２温度センサ６４の検出値が所定温度になるように酸化剤ガス流量で制御することができる。
尚、後に詳述するように、第２温度センサ６４の検出値が基準値以下になる場合には、調整バルブ４０によって第２燃料電池４に対する酸化剤ガスの供給量を減少させることで、第２燃料電池４の温度が適正範囲に調整される。
【００３１】
燃料ガス（第１燃料ガスＧｆ１）は、燃料ガス供給源６から第１燃料ガス供給ライン８を介して第１燃料電池２に供給される。第１燃料電池２は複数の電池セル（不図示）を含んでおり、第１燃料ガス供給ライン８は各電池セルに分岐することで並列に燃料ガスを供給する。
【００３２】
第１燃料電池２の各電池セルから排出される燃料ガス（第２燃料ガスＧｆ２）は、第２燃料ガス供給ライン１０を介して、第２燃料電池４に供給される。第２燃料電池４は少なくとも一つの電池セル（不図示）を含む。
【００３３】
第２燃料電池４から排出される燃料ガス（第３燃料ガスＧｆ３）は、燃料ガス排出ライン１２を介して排出される。燃料ガス排出ライン１２上には、燃料ガスを燃焼するための燃焼器１４と、燃焼器１４によって生成された燃焼ガスによって駆動可能なタービン１６が設置されている。燃焼器１４は触媒燃焼器であってもよい。タービン１６は、後述するように酸化剤ガス供給ライン１８上に設けられたコンプレッサ２０に連結されており、コンプレッサ２０とともにターボチャージャ２２を構成する。
【００３４】
第２燃料ガス供給ライン１０上には水分回収器１３が設置されてもよい。水分回収器１３は、第１燃料電池２から排出される燃料ガス（第２燃料ガスＧｆ２）に含まれる水分を回収するための装置であって、例えば、第２燃料ガス供給ライン１０上の燃料ガス（第２燃料ガスＧｆ２）を、外部冷却媒体と熱交換することにより、燃料ガス（第２燃料ガスＧｆ２）に含まれる水分を凝縮して回収可能な凝縮器として構成される。これにより、第２燃料電池４に供給される燃料ガス（第２燃料ガスＧｆ２）に含まれる水分を減少させることで、第２燃料電池４に供給される燃料ガスの発熱量を向上し、第２燃料電池４の発電出力を向上できる。
【００３５】
また第２燃料ガス供給ライン１０のうち水分回収器１３より下流側には、再循環ライン２４が分岐される。再循環ライン２４上にはブロワ２５が設置されており、ブロワ２５を駆動することにより、第２燃料ガス供給ライン１０を流れる燃料ガス（第２燃料ガスＧｆ２）の一部が、第１燃料電池２の入り口側に再循環されるように構成される。再循環ライン２４上には、第１再生熱交換器２６が設置されており、再循環ライン２４を通過する燃料ガスが、第２燃料ガス供給ライン１０と通過する燃料ガスと熱交換することにより昇温可能に構成されている。
【００３６】
また燃料ガス排出ライン１２のうち燃焼器１４より上流側には、第２再生熱交換器２８が設置される。第２再生熱交換器２８は、第２燃料電池４から排出される燃料ガス（第３燃料ガスＧｆ３）を、第２燃料ガス供給ライン１０を流れる燃料ガス（第２燃料ガスＧｆ２）と熱交換することにより昇温可能に構成される。これにより、燃焼器１４に供給される燃料ガスの温度を上昇させ、燃焼器１４の燃焼温度を高めることができる。
【００３７】
酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給源３０から酸化剤ガス供給ライン１８を介して第１燃料電池２及び第２燃料電池４に供給される。酸化剤ガス供給ライン１８上には酸化剤ガスを圧縮供給するためのコンプレッサ２０が配置されており、前述のタービン１６とともにターボチャージャ２２を構成する。
【００３８】
酸化剤ガス供給ライン１８は、コンプレッサ２０より下流側において第１酸化剤ガス供給ライン３２及び第２酸化剤ガス供給ライン３４に分岐される。第１酸化剤ガス供給ライン３２は第１燃料電池２に接続されており、第２酸化剤ガス供給ライン３４は第２燃料電池４に接続される。これにより、第１燃料電池２及び第２燃料電池４は、酸化剤ガス供給源３０に対して並列に接続される。
【００３９】
第１酸化剤ガス供給ライン３２又は第２酸化剤ガス供給ライン３４の少なくとも一方には、第２燃料電池４に対する酸化剤ガスの供給量を調整するための調整バルブ４０が設けられる。図１の例では、第２燃料電池４に接続される第２酸化剤ガス供給ライン３４上に調整バルブ４０が設けられており、調整バルブ４０の開度を調整することにより、第２燃料電池４に対する酸化剤ガス（第２酸化剤ガスＧｏ２）の供給量を調整可能に構成される。
【００４０】
調整バルブ４０の初期開度は、第１燃料電池２に対する酸化剤ガス（第１酸化剤ガスＧｏ１）の供給量に対して所定割合になるように設定されるが、後述するように、この初期開度は、第２温度センサ６４の検出値に応じて可変制御される。
【００４１】
尚、本実施形態のバリエーションとして、第１燃料電池２に接続される第１酸化剤ガス供給ライン３２上に調整バルブ４０を設け、第１燃料電池２に対する酸化剤ガス（第１酸化剤ガスＧｏ１）の供給量を規制することにより、間接的に第２燃料電池４に対する酸化剤ガス（第２酸化剤ガスＧｏ２）の供給量を調整してもよい。またコスト面では不利になるが、第１酸化剤ガス供給ライン３２及び第２酸化剤ガス供給ライン３４上にそれぞれ調整バルブ４０を設け、各調整バルブ４０の開度を調整することで、第１燃料電池２及び第２燃料電池４に対する酸化剤ガス（第１酸化剤ガスＧｏ１及び第２酸化剤ガスＧｏ２）の供給量をきめ細かく調整するようにしてもよい。
【００４２】
このように第１酸化剤ガス供給ライン３２又は第２酸化剤ガス供給ライン３４の少なくとも一方に調整バルブ４０を設置することで、第１燃料電池２及び第２燃料電池４に対する酸化剤ガスの供給比率の調整が可能となる。これにより、後段側の第２燃料電池４に対する酸化剤ガス（第２酸化剤ガスＧｏ２）の供給量を調整するための構成を、効率的なレイアウトで実現できる。
【００４３】
また第２燃料電池４には、前述したように、第２燃料電池４の発電室温度を検出するための第２温度センサ６４が設置される。そして調整バルブ４０は、第２温度センサ６４で検出された第２燃料電池４の温度が、予め設定された基準値になるように調整される。基準値は、第２燃料電池４が適正な運用状態を実現するために必要な温度（例えば８８０〜９３０度）として規定される。例えば、第２温度センサ６４で検出された第２燃料電池４の温度が基準値未満である場合には、調整バルブ４０の開度を減少させることで、第２燃料電池４への酸化剤ガス（第２酸化剤ガスＧｏ２）の供給量を減少させる。これにより、第２燃料電池４では酸化剤ガス（第２酸化剤ガスＧｏ２）による冷却能力が抑制される分、温度が上昇することとなる。その結果、後段側の第２燃料電池４の温度が基準値に適正に維持されることから、高効率な燃料電池発電システムが実現される。
【００４４】
尚、第２温度センサ６４の検出値に基づく調整バルブ４０の開度制御は、作業員によってマニュアル的に行われてもよい。本実施形態では、第１燃料電池２及び第２燃料電池４は、圧力容器４４内に収容されているが、調整バルブ４０が圧力容器４４の外部に配置されるようにレイアウトされている。これにより、作業員が調整バルブ４０に容易にアクセスでき、調整バルブ４０の操作がしやすいようになっている。
【００４５】
また第２温度センサ６４の検出値に基づく調整バルブ４０の開度制御は、例えばコンピュータのような電子演算装置を用いた自動制御として実施されてもよい。この場合、第２温度センサ６４の検出値を電気信号として制御装置に入力し、第２温度センサ６４の検出値に対応する開度に対応する制御信号を調整バルブ４０に出力することにより、調整バルブ４０の自動制御が行われる。
【００４６】
第１燃料電池２から排出される酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス排出ライン４６を介して燃焼器１４に供給される。燃焼器１４では、第１酸化剤ガス排出ラインから排出される酸化剤ガスと、燃料ガス排出ライン１２から供給される第３燃料ガスＧｆ３とが混合されて燃焼される。
【００４７】
第２燃料電池４から排出される酸化剤ガスは、第２酸化剤ガス排出ライン４８を介して、燃焼器１４より下流側に供給される。つまり、第２酸化剤ガス排出ライン４８は燃焼器１４を迂回するように燃焼器１４とタービン１６との間に接続されることで、第２燃料電池４から排出される酸化剤ガスが燃焼器１４を介さずに、タービン１６に供給されるように構成される。これにより、燃焼器１４を介した場合に生じる圧損増加を回避でき、ターボチャージャ２２における回収動力の低下を抑制できる。
【００４８】
尚、第２酸化剤ガス排出ライン４８における許容圧損が十分大きい場合には、第２酸化剤ガス排出ライン４８を、第１酸化剤ガス排出ライン４６と同様に燃焼器１４に接続してもよい。
【００４９】
＜第２実施形態＞
図２は第２実施形態に係る燃料電池発電システム１’の全体構成を示す模式図である。尚、燃料電池発電システム１’のうち前述の実施形態に対応する構成については共通の符号で示しており、重複する説明は適宜省略する。
【００５０】
第２実施形態では、第１燃料電池２及び第２燃料電池４に対する燃料ガスの供給系統は、前述の第１実施形態と同じであるが、酸化剤ガスの供給系統が異なる。具体的には、コンプレッサ２０から供給される酸化剤ガス（第１酸化剤ガスＧｏ１）は、酸化剤ガス供給ライン１８を介して、まず第１燃料電池２に導かれる（第２実施形態では、酸化剤ガス供給ライン１８は、第１実施形態のように第１酸化剤ガス供給ライン３２及び第２酸化剤が第２酸化剤ガス供給ライン３４に分岐せず、第１燃料電池２のみに接続される）。
【００５１】
第１燃料電池２で供給された酸化剤ガス（第１酸化剤ガスＧｏ１）は、第１燃料電池２において発電に使用された後、第２酸化剤ガスＧｏ２として第１燃料電池２から排出される。第１燃料電池２から排出された酸化剤ガス（第２酸化剤ガスＧｏ２）は、第１燃料電池２及び第２燃料電池４間に設けられる第３酸化剤ガス供給ライン７０を介して第２燃料電池４に供給される。このように第１燃料電池２で使用された酸化剤ガスは、第３酸化剤ガス供給ライン７０を介して、後段側の第２燃料電池４に送られる。
【００５２】
第３酸化剤ガス供給ライン７０には、第２燃料電池４を迂回するように第４酸化剤ガス供給ライン７２が分岐するように設けられる。そして第３酸化剤ガス供給ライン７０又は第４酸化剤ガス供給ライン７２の少なくとも一方には、調整バルブ４０が配置される。図２の例では、第４酸化剤ガス供給ライン７２上に調整バルブ４０が設けられており、調整バルブ４０の開度を調整することにより、第４酸化剤ガス供給ライン７２上の酸化剤ガスの流量を規制することにより、第２燃料電池４に対する酸化剤ガスの供給量を調整可能に構成される。
【００５３】
調整バルブ４０の初期開度は、第１燃料電池２に対する酸化剤ガス（第１酸化剤ガスＧｏ１）の供給量に対する第２燃料電池４に対する酸化剤ガス（第２酸化剤ガスＧｏ２）の供給量が所定割合になるように設定されるが、後述するように、この初期開度は、第２温度センサ６４の検出値に応じて可変制御される。
【００５４】
尚、本実施形態のバリエーションとして、第３酸化剤ガス供給ライン７０上に調整バルブ４０を設けることにより、第２燃料電池４に対する酸化剤ガスの供給量を直接的に調整してもよい。またコスト面では不利になるが、第３酸化剤ガス供給ライン７０及び第４酸化剤ガス供給ライン７２上にそれぞれ調整バルブ４０を設け、各調整バルブ４０の開度を調整することで、第１燃料電池２及び第２燃料電池４に対する酸化剤ガスの供給量をきめ細かく調整するようにしてもよい。
【００５５】
このように第３酸化剤ガス供給ライン７０又は第４酸化剤ガス供給ライン７２の少なくとも一方に調整バルブ４０を設置することで、第１燃料電池２及び第２燃料電池４に対する酸化剤ガスの供給比率の調整が可能となる。これにより、後段側の第２燃料電池４に対する酸化剤ガスの供給量を調整するための構成を、効率的なレイアウトで実現できる。
【００５６】
また第４酸化剤ガス供給ライン７２の下流側は燃焼器１４に接続されることにより、第４酸化剤ガス供給ライン７２を通過する酸化剤ガスが、燃料ガス排出ライン１２を通過する燃焼ガス（第３燃料ガスＧｆ３）とともに燃焼器１４で燃焼するように構成される。このような構成に代えて、図１に倣って、第４酸化剤ガス供給ライン７２の下流側を燃焼器１４とタービン１６との間に接続することで、燃焼器１４による圧損を低減するように構成してもよい。
【００５７】
＜第３実施形態＞
図３は第３実施形態に係る燃料電池発電システム１’’の全体構成を示す模式図である。尚、燃料電池発電システム１’’のうち前述の実施形態に対応する構成については共通の符号で示しており、重複する説明は適宜省略する。
【００５８】
第３実施形態では、第１燃料電池２及び第２燃料電池４に対する燃料ガスの供給系統は、前述の第１実施形態と同じであるが、第１燃料電池２及び第２燃料電池４からの酸化剤ガスの供給系統が異なる。
【００５９】
本実施形態では、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給源３０から酸化剤ガス供給ライン１８を介して、第１燃料電池２の各電池セルに供給される。そして、酸化剤ガス供給ライン１８のうち第１燃料電池２の各電池セルへの分岐の一部を取り出すように第５酸化剤ガス供給ライン８０を第２燃料電池４に向けて取り出すことで、第１燃料電池２に供給される酸化剤ガスの一部が第２燃料電池４に供給されるように構成される。
【００６０】
第１燃料電池２で使用された酸化剤ガスは、第３酸化剤ガス排出ライン８２を介して燃焼器１４に排出される。第２燃料電池４で使用された酸化剤ガスは、第４酸化剤ガス排出ライン８４を介して排出される。第４酸化剤ガス排出ライン８４は、下流側で第３酸化剤ガス排出ライン８２に合流する。これにより、第１燃料電池２及び第２燃料電池４からそれぞれ排出される酸化剤ガスは、それぞれ燃焼器１４に供給されることで、燃料ガス排出ライン１２から排出された燃料ガス（第３燃料ガスＧｆ３）とともに燃焼される。
【００６１】
＜第４実施形態＞
図４は第４実施形態に係る燃料電池発電システム１’’’の全体構成を示す模式図である。尚、燃料電池発電システム１’’’のうち前述の実施形態に対応する構成については共通の符号で示しており、重複する説明は適宜省略する。
【００６２】
燃料電池発電システム１’’’は、前述の各実施形態に対応する第１燃料電池２及び第２燃料電池４を含む燃料電池ユニットを少なくとも一つ備える。図４では、第１燃料電池ユニットＵ１及び第２燃料電池ユニットＵ２を備える燃料電池発電システム１’’’が示されている。
尚、図４では燃料ガスの供給系統が簡略的に示されているが、その構成は上記実施形態と同様である。また図４では酸化剤ガスの供給系統の図示を省略しているが、その構成は上記実施形態と同様であり、各実施形態の組み合わせもまた可能である。
【００６３】
燃料電池発電システム１’’’が備える各燃料電池ユニットは、第２燃料電池４が２つの第１燃料電池２の間に配置されるように構成される。第２燃料電池４は、前述したように、第１燃料電池２より後段側に配置され、第１燃料電池２で使用された発熱量が低い燃料ガスを再利用する。そのため、発熱量が低い燃料ガスを取り扱う第２燃料電池４を、第１燃料電池２の間に配置することで、第２燃料電池４における温度低下をより効果的に抑制できる。
【００６４】
図５は図４の変形例である。この変形例では、各燃料電池ユニットは第１燃料電池２及び第２燃料電池４を一つずつ含んでおり、複数の燃料電池ユニットが所定方向に配列された際に、第１燃料電池２及び第２燃料電池４が交互に配置されることで、発熱量が低い燃料ガスを取り扱う第２燃料電池４を、隣接する各燃料電池ユニットの第１燃料電池２の間に配置している。このように構成しても、図４の場合と同様に、第２燃料電池４における温度低下をより効果的に抑制できる。
【００６５】
以上説明したように上述の各実施形態によれば、複数の固体酸化物形燃料電池がカスケード接続された場合において、後段側の固体酸化物形燃料電池の温度を適正に維持することにより、発電性能の低下を抑制し、優れたシステム効率を実現可能な燃料電池発電システムを提供できる。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明の少なくとも一実施形態は、複数の燃料電池を用いて発電を行う燃料電池発電システムに利用可能である。
【符号の説明】
【００６７】
１  燃料電池発電システム
２  第１燃料電池
４  第２燃料電池
６  燃料ガス供給源
８  第１燃料ガス供給ライン
１０  第２燃料ガス供給ライン
１２  燃料ガス排出ライン
１３  水分回収器
１４  燃焼器
１６  タービン
１８  酸化剤ガス供給ライン
２０  コンプレッサ
２２  ターボチャージャ
２４  再循環ライン
２５  ブロワ
２６  第１再生熱交換器
２８  第２再生熱交換器
３０  酸化剤ガス供給源
３２  第１酸化剤ガス供給ライン
３４  第２酸化剤ガス供給ライン
４０  調整バルブ
４４  圧力容器
４６  第１酸化剤ガス排出ライン
４８  第２酸化剤ガス排出ライン
５０  第１電力系統
５２  第１インバータ
５４  第１温度センサ
６０  第２電力系統
６２  第２インバータ
６４  第２温度センサ
７０  第３酸化剤ガス供給ライン
７２  第４酸化剤ガス供給ライン
８０  第５酸化剤ガス供給ライン
８２  第３酸化剤ガス排出ライン
８４  第４酸化剤ガス排出ライン
【図１】
2020140782.tif 000003
【図２】
2020140782.tif 000004
【図３】
2020140782.tif 000005
【図４】
2020140782.tif 000006
【図５】
2020140782.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】令和1年9月9日(2019.9.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１燃料ガス、及び、第１酸化剤ガスを用いて、電力を発生する第１燃料電池と、
前記第１燃料電池から排出される第２燃料ガス、及び、酸化剤ガス供給源又は前記第１燃料電池の少なくとも一方から供給される第２酸化剤ガスを用いて、電力を発生する第２燃料電池と、
前記第２燃料電池に対する前記第２酸化剤ガスの供給量を調整可能な調整バルブと、
を備え、
前記調整バルブは、前記第２燃料電池の温度が基準値になるように調整される、燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記第１酸化剤ガス、及び、前記第２酸化剤ガスは、共通の酸化剤ガス供給源に対して互いに並列に設けられた第１酸化剤ガス供給ライン及び第２酸化剤ガス供給ラインを介して、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池にそれぞれ供給され、
前記調整バルブは、前記第１酸化剤ガス供給ライン又は前記第２酸化剤ガス供給ラインの少なくとも一方に配置される、請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記第１酸化剤ガスが前記第１燃料電池から排出された後、前記第２酸化剤ガスとして前記第２燃料電池に供給されるように、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池間に設けられる第３酸化剤ガス供給ラインと、
前記第３酸化剤ガス供給ラインから前記第２燃料電池を迂回するように分岐する第４酸化剤ガス供給ラインと、
を備え、
前記調整バルブは、前記第３酸化剤ガス供給ライン又は前記第４酸化剤ガス供給ラインの少なくとも一方に配置される、請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記第２燃料電池から排出される第３燃料ガスを燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器の下流側に設けられたタービンと、
前記タービンにより駆動するコンプレッサと、
を備え、
前記第２酸化剤ガスは前記第２燃料電池から排出された後、前記燃焼器を介さずに、前記タービンに供給される、請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記第１酸化剤ガスは前記第１燃料電池から排出された後、前記燃焼器に供給される、請求項４に記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
前記第２燃料電池から排出される第３燃料ガスを燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器の下流側に設けられた前記タービンと、
前記タービンによる駆動する前記コンプレッサと、
を備え、
前記第１酸化剤ガス及び前記第２酸化剤ガスは、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池からそれぞれ排出された後、前記燃焼器に供給される、請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
前記第１燃料電池、前記、第２燃料電池を収容する圧力容器を更に備え、
前記調整バルブは、前記圧力容器の外部に配置される、請求項１から６のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項８】
前記第２燃料ガスに含まれる水分を回収する水分回収器と、
前記水分回収器で前記水分が回収された前記第２燃料ガスの一部を前記第１燃料電池に再循環する再循環ラインと、
を備える、請求項１から７のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項９】
複数の前記第１燃料電池の間に前記第２燃料電池が配置される燃料電池ユニットを少なくとも一つ備える、請求項１から８のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る燃料電池発電システムは上記課題を解決するために、
第１燃料ガス、及び、第１酸化剤ガスを用いて、電力を発生する第１燃料電池と、
前記第１燃料電池から排出される第２燃料ガス、及び、酸化剤ガス供給源又は前記第１燃料電池の少なくとも一方から供給される第２酸化剤ガスを用いて、電力を発生する第２燃料電池と、
前記第２燃料電池に対する前記第２酸化剤ガスの供給量を調整可能な調整バルブと、
を備え、
前記調整バルブは、前記第２燃料電池の温度が基準値になるように調整される。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
上記（１）の構成によれば、第１燃料電池に対して後段側に配置される第２燃料電池に供給される第２酸化剤ガスが、調整バルブによって調整可能に構成される。調整バルブの調整は、第２燃料電池の温度が基準値になるように制御されるため、後段側の固体電解質型の温度を適正に維持することができ、高効率な燃料電池発電システムを実現できる。
尚、第１酸化剤ガスは例えば空気であり、第２酸化剤ガスは例えば空気もしくは酸素濃度が空気より低下したガスである。
【手続補正書】
【提出日】令和1年12月4日(2019.12.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１燃料ガス、及び、第１酸化剤ガスを用いて、電力を発生する第１燃料電池と、
前記第１燃料電池から排出される第２燃料ガス、及び、酸化剤ガス供給源又は前記第１燃料電池の少なくとも一方から供給される第２酸化剤ガスを用いて、電力を発生する第２燃料電池と、
前記第２燃料電池に対する前記第２酸化剤ガスの供給量を調整可能な調整バルブと、
を備え、
前記調整バルブは、前記第２燃料電池の温度が基準値になるように調整される、燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記第１酸化剤ガス、及び、前記第２酸化剤ガスは、共通の酸化剤ガス供給源に対して互いに並列に設けられた第１酸化剤ガス供給ライン及び第２酸化剤ガス供給ラインを介して、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池にそれぞれ供給され、
前記調整バルブは、前記第１酸化剤ガス供給ライン又は前記第２酸化剤ガス供給ラインの少なくとも一方に配置される、請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記第１酸化剤ガスが前記第１燃料電池から排出された後、前記第２酸化剤ガスとして前記第２燃料電池に供給されるように、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池間に設けられる第３酸化剤ガス供給ラインと、
前記第３酸化剤ガス供給ラインから前記第２燃料電池を迂回するように分岐する第４酸化剤ガス供給ラインと、
を備え、
前記調整バルブは、前記第３酸化剤ガス供給ライン又は前記第４酸化剤ガス供給ラインの少なくとも一方に配置される、請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記第２燃料電池から排出される第３燃料ガスを燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器の下流側に設けられたタービンと、
前記タービンにより駆動するコンプレッサと、
を備え、
前記第２酸化剤ガスは前記第２燃料電池から排出された後、前記燃焼器を介さずに、前記タービンに供給される、請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記第１酸化剤ガスは前記第１燃料電池から排出された後、前記燃焼器に供給される、請求項４に記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
前記第２燃料電池から排出される第３燃料ガスを燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器の下流側に設けられたタービンと、
前記タービンによる駆動する前記コンプレッサと、
を備え、
前記第１酸化剤ガス及び前記第２酸化剤ガスは、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池からそれぞれ排出された後、前記燃焼器に供給される、請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
前記第１燃料電池、前記、第２燃料電池を収容する圧力容器を更に備え、
前記調整バルブは、前記圧力容器の外部に配置される、請求項１から６のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項８】
前記第２燃料ガスに含まれる水分を回収する水分回収器と、
前記水分回収器で前記水分が回収された前記第２燃料ガスの一部を前記第１燃料電池に再循環する再循環ラインと、
を備える、請求項１から７のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項９】
複数の前記第１燃料電池の間に前記第２燃料電池が配置される燃料電池ユニットを少なくとも一つ備える、請求項１から８のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム。
【手続補正書】
【提出日】令和2年6月18日(2020.6.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１燃料ガス、及び、第１酸化剤ガスを用いて、電力を発生する第１燃料電池と、
前記第１燃料電池から排出される第２燃料ガス、及び、酸化剤ガス供給源又は前記第１燃料電池の少なくとも一方から供給される第２酸化剤ガスを用いて、電力を発生する第２燃料電池と、
前記第２燃料電池に対する前記第２酸化剤ガスの供給量を調整可能な調整バルブと、
を備え、
前記調整バルブは、前記第２燃料電池の温度が基準値になるように調整され、
前記第１酸化剤ガス、及び、前記第２酸化剤ガスは、共通の酸化剤ガス供給源に対して互いに並列に設けられた第１酸化剤ガス供給ライン及び第２酸化剤ガス供給ラインを介して、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池にそれぞれ供給され、
前記調整バルブは、前記第１酸化剤ガス供給ライン又は前記第２酸化剤ガス供給ラインの一方に配置される、燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記第１酸化剤ガス、及び、前記第２酸化剤ガスは、共通の酸化剤ガス供給源に対して互いに並列に設けられた第１酸化剤ガス供給ライン及び第２酸化剤ガス供給ラインを介して、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池にそれぞれ供給され、
前記調整バルブは、前記第１酸化剤ガス供給ライン又は前記第２酸化剤ガス供給ラインの少なくとも一方に配置される、請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記第１酸化剤ガスが前記第１燃料電池から排出された後、前記第２酸化剤ガスとして前記第２燃料電池に供給されるように、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池間に設けられる第３酸化剤ガス供給ラインと、
前記第３酸化剤ガス供給ラインから前記第２燃料電池を迂回するように分岐する第４酸化剤ガス供給ラインと、
を備え、
前記調整バルブは、前記第３酸化剤ガス供給ライン又は前記第４酸化剤ガス供給ラインの少なくとも一方に配置される、請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記第２燃料電池から排出される第３燃料ガスを燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器の下流側に設けられたタービンと、
前記タービンにより駆動するコンプレッサと、
を備え、
前記第２酸化剤ガスは前記第２燃料電池から排出された後、前記燃焼器を介さずに、前記タービンに供給される、請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記第１酸化剤ガスは前記第１燃料電池から排出された後、前記燃焼器に供給される、請求項４に記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
前記第２燃料電池から排出される第３燃料ガスを燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器の下流側に設けられたタービンと、
前記タービンによる駆動する前記コンプレッサと、
を備え、
前記第１酸化剤ガス及び前記第２酸化剤ガスは、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池からそれぞれ排出された後、前記燃焼器に供給される、請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
前記第１燃料電池、前記、第２燃料電池を収容する圧力容器を更に備え、
前記調整バルブは、前記圧力容器の外部に配置される、請求項１から６のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項８】
前記第２燃料ガスに含まれる水分を回収する水分回収器と、
前記水分回収器で前記水分が回収された前記第２燃料ガスの一部を前記第１燃料電池に再循環する再循環ラインと、
を備える、請求項１から７のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項９】
複数の前記第１燃料電池の間に前記第２燃料電池が配置される燃料電池ユニットを少なくとも一つ備える、請求項１から８のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１０】
第１燃料ガス、及び、第１酸化剤ガスを用いて、電力を発生する第１燃料電池と、
前記第１燃料電池から排出される第２燃料ガス、及び、酸化剤ガス供給源又は前記第１燃料電池の少なくとも一方から供給される第２酸化剤ガスを用いて、電力を発生する第２燃料電池と、
前記第２燃料電池に対する前記第２酸化剤ガスの供給量を調整可能な調整バルブと、
を備え、
前記調整バルブは、前記第２燃料電池の温度が基準値になるように調整され、
前記第１酸化剤ガスが前記第１燃料電池から排出された後、前記第２酸化剤ガスとして前記第２燃料電池に供給されるように、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池間に設けられる第３酸化剤ガス供給ラインと、
前記第３酸化剤ガス供給ラインから前記第２燃料電池を迂回するように分岐する第４酸化剤ガス供給ラインと、
を備え、
前記調整バルブは、前記第３酸化剤ガス供給ライン又は前記第４酸化剤ガス供給ラインの少なくとも一方に配置される、燃料電池発電システム。