(57)【要約】【課題】燃料電池セルスタックの耐久性に優れた燃料電池システムを提供する。【解決手段】水素ガスを用いて発電を行う第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から排出された未反応の前記水素ガスを含むアノードオフガスから、少なくとも一部の水蒸気を分離する分離手段と、前記分離手段の下流に配置され、少なくとも一部の水蒸気が分離された前記アノードオフガスを用いて発電を行う第２燃料電池セルスタックと、を備え、前記第１燃料電池セルスタックの出口における前記アノードオフガスの燃料濃度を第１燃料濃度、前記第２燃料電池セルスタックの出口における前記アノードオフガスの燃料濃度を第２燃料濃度とし、前記第１燃料濃度及び前記第２燃料濃度の値が等しくなるときの値をＣとすると、前記第１燃料濃度及び前記第２燃料濃度がそれぞれ０．９Ｃ以上を満たす燃料電池システム。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ガスを用いて発電を行う第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から排出された未反応の前記水素ガスを含むアノードオフガスから、少なくとも一部の水蒸気を分離する分離手段と、
前記分離手段の下流に配置され、少なくとも一部の水蒸気が分離された前記アノードオフガスを用いて発電を行う第２燃料電池セルスタックと、
を備え、
前記第１燃料電池セルスタックの出口における前記アノードオフガスの燃料濃度を第１燃料濃度、前記第２燃料電池セルスタックの出口における前記アノードオフガスの燃料濃度を第２燃料濃度とし、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全体の燃料利用率が特定値である場合に前記第１燃料濃度及び前記第２燃料濃度の値が等しくなるときの値をＣとすると、前記全体の燃料利用率が前記特定値である場合の前記第１燃料濃度及び前記第２燃料濃度がそれぞれ０．９Ｃ以上を満たす燃料電池システム。
【請求項２】
前記分離手段にて少なくとも一部の水蒸気が分離された前記アノードオフガスの露点は、９０．５℃以下である請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記第１燃料電池セルスタックが備える燃料電池セルの有効表面積の合計をα１、前記第２燃料電池セルスタックが備える燃料電池セルの有効表面積の合計をα２としたとき、α１／α２が３．０超である請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第１燃料電池セルスタックが備える燃料電池スタックと前記第２燃料電池セルスタックが備える燃料電池スタックとが同一である場合、第１燃料電池セルスタックにおける燃料電池スタックの数β１、第２燃料電池セルスタックにおける燃料電池スタックの数β２としたとき、β１／β２が３．０超である請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記第１燃料濃度及び前記第２燃料濃度がそれぞれ６体積％以上である請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記第１燃料濃度及び前記第２燃料濃度がそれぞれ１２体積％以上である請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記水素ガスは、水素濃度が９９体積％以上である請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池システムを用いた発電方法。
【請求項９】
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を等しい電流密度で作動させて発電を行う請求項８に記載の発電方法。
【請求項１０】
前記第１燃料電池セルスタックが備える燃料電池セルにおいて、有効表面積と前記第１燃料電池セルスタックを作動させたときの電流密度との積の合計をγ１、前記第２燃料電池セルスタックが備える燃料電池セルにおいて、有効表面積と前記第２燃料電池セルスタックを作動させたときの電流密度との積の合計をγ２としたとき、γ１／γ２を３．０超に調整して発電を行う請求項８又は請求項９に記載の発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及び発電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムにおいて、発電効率を向上させるため、燃料電池セルスタックを複数設けて多段式とする手法が知られている。例えば、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の燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−３１９８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、特許文献１に記載の多段式の燃料電池システムでは、前段及び後段の燃料電池セルスタックから排出されるアノードオフガス中の燃料濃度については何ら検討されていない。多段式の燃料電池システムにおいて、前段及び後段の燃料電池セルスタックから排出されるアノードオフガス中の燃料濃度、すなわち、前段及び後段の燃料電池セルスタックの出口における燃料濃度が低い場合、燃料電池セルスタックの酸化等により燃料電池セルスタックの耐久性が低下するおそれがある。
【０００５】
本発明は、燃料電池セルスタックの耐久性に優れた燃料電池システム、及びこの燃料電池システムを用いた発電方法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】
【０００６】
上記課題は、例えば以下の手段により解決される。
＜１＞  水素ガスを用いて発電を行う第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から排出された未反応の前記水素ガスを含むアノードオフガスから、少なくとも一部の水蒸気を分離する分離手段と、前記分離手段の下流に配置され、少なくとも一部の水蒸気が分離された前記アノードオフガスを用いて発電を行う第２燃料電池セルスタックと、を備え、前記第１燃料電池セルスタックの出口における前記アノードオフガスの燃料濃度を第１燃料濃度、前記第２燃料電池セルスタックの出口における前記アノードオフガスの燃料濃度を第２燃料濃度とし、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全体の燃料利用率が特定値である場合に前記第１燃料濃度及び前記第２燃料濃度の値が等しくなるときの値をＣとすると、前記全体の燃料利用率が前記特定値である場合の前記第１燃料濃度及び前記第２燃料濃度がそれぞれ０．９Ｃ以上を満たす燃料電池システム。
【０００７】
本形態の燃料電池システムでは、分離手段により第１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から、少なくとも一部の水蒸気が分離され、アノードオフガスが再生されてその燃料濃度が上昇する。そして、燃料濃度が上昇したアノードオフガスが第２燃料電池セルスタックに供給されるため、本形態の燃料電池システムでは高い燃料利用率での運転が可能となり、高い発電効率を得ることができる。
【０００８】
一般的に、多段式の燃料電池システムでは、第１燃料電池セルスタック中でのアノードガスの燃料濃度は、第１燃料電池セルスタックの入口にて最も高く、第１燃料電池セルスタックの出口にて最も低くなる。第２燃料電池セルスタック中でのアノードガスの燃料濃度についても同様である。ここで、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において、燃料電池セルスタック中におけるアノードガスの燃料濃度が低下すると、燃料電池セルスタックの酸化等により燃料電池セルスタックの耐久性が低下するおそれがある。そのため、燃料濃度が最も低くなる、第１燃料電池セルスタックの出口及び第２燃料電池セルスタックの出口における燃料濃度を高めて燃料電池セルスタックの酸化（例えば、燃料極の酸化）等を抑制することが好ましい。
【０００９】
そこで、本形態の燃料電池システムでは、分離手段によりアノードオフガスを再生させて燃料濃度を高めるとともに、第１燃料電池セルスタックの出口における燃料濃度（第１燃料濃度）及び第２燃料電池セルスタックの出口における燃料濃度（第２燃料濃度）を高めることで、燃料電池セルスタックの酸化等を抑制している。より具体的には、第１燃料濃度及び第２燃料濃度を等しくすることで、第１燃料濃度及び第２燃料濃度の値をともに高い値とすることができ、燃料電池セルスタックの酸化等を好適に抑制することができ、燃料電池セルスタックの耐久性により優れた燃料電池システムを提供することができる。また、全体の燃料利用率が特定値である場合に第１燃料濃度及び第２燃料濃度が等しいときの値をＣとしたとき、全体の燃料利用率が前述の特定値である場合の第１燃料濃度及び第２燃料濃度が、０．９Ｃ以上、すなわち、それぞれの濃度が等しいときの９０％以上であれば、第１燃料濃度と第２燃料濃度との差を抑制することができ、また、燃料電池セルスタックの酸化等のリスクを抑制し、燃料電池セルスタックの耐久性に優れた燃料電池システムを提供することができる。
【００１０】
＜２＞  前記分離手段にて少なくとも一部の水蒸気が分離された前記アノードオフガスの露点は、９０．５℃以下である前記＜１＞に記載の燃料電池システム。
【００１１】
本形態の燃料電池システムでは、アノードオフガスの露点が上記数値範囲を満たすことにより、アノードオフガスが再生されてその燃料濃度が好適に上昇する。そのため、本形態の燃料電池システムではより高い燃料利用率での運転が可能となり、より高い発電効率を得ることができる。
【００１２】
＜３＞  前記第１燃料電池セルスタックが備える燃料電池セルの有効表面積の合計をα１、前記第２燃料電池セルスタックが備える燃料電池セルの有効表面積の合計をα２としたとき、α１／α２が３．０超である前記＜１＞又は＜２＞に記載の燃料電池システム。
＜４＞  前記第１燃料電池セルスタックが備える燃料電池スタックと前記第２燃料電池セルスタックが備える燃料電池スタックとが同一である場合、第１燃料電池セルスタックにおける燃料電池スタックの数β１、第２燃料電池セルスタックにおける燃料電池スタックの数β２としたとき、β１／β２が３．０超である前記＜１＞〜＜３＞のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【００１３】
本形態の燃料電池システムでは、α１／α２又はβ１／β２が３．０超であることにより、α１／α２又はβ１／β２が３．０以下である場合と比較して、第１燃料濃度及び第２燃料濃度の値をともに高い値とすることができる。そのため、燃料電池セルスタックの酸化等を好適に抑制することができ、燃料電池セルスタックの耐久性により優れた燃料電池システムを提供することができる。
【００１４】
＜５＞  前記第１燃料濃度及び前記第２燃料濃度がそれぞれ６体積％以上である＜１＞〜＜４＞のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
＜６＞  前記第１燃料濃度及び前記第２燃料濃度がそれぞれ１２体積％以上である＜１＞〜＜５＞のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【００１５】
本形態の燃料電池システムでは、第１燃料濃度及び第２燃料濃度の値を上記数値範囲内とすることにより、燃料電池セルスタックの酸化等を好適に抑制することができ、燃料電池セルスタックの耐久性により優れた燃料電池システムを提供することができる。
【００１６】
＜７＞  前記水素ガスは、水素濃度が９９体積％以上である前記＜１＞〜＜６＞のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【００１７】
本形態の燃料電池システムでは、水素濃度が高い水素ガスを燃料電池の燃料ガスとして用いることにより、二酸化炭素の排出を抑制することができる。
【００１８】
＜８＞  ＜１＞〜＜７＞のいずれか１つに記載の燃料電池システムを用いた発電方法。
＜９＞  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を等しい電流密度で作動させて発電を行う＜８＞に記載の発電方法。
【００１９】
本形態の発電方法では、前述の燃料電池システムを用いて発電を行うため、燃料電池セルスタックの耐久性に優れ、長期的に安定した発電が可能となる。
【００２０】
＜１０＞  前記第１燃料電池セルスタックが備える燃料電池セルにおいて、有効表面積と前記第１燃料電池セルスタックを作動させたときの電流密度との積の合計をγ１、前記第２燃料電池セルスタックが備える燃料電池セルにおいて、有効表面積と前記第２燃料電池セルスタックを作動させたときの電流密度との積の合計をγ２としたとき、γ１／γ２を３．０超に調整して発電を行う＜８＞又は＜９＞に記載の発電方法。
【００２１】
本形態の発電方法では、γ１／γ２が３．０超であることにより、γ１／γ２が３．０以下である場合と比較して、第１燃料濃度及び第２燃料濃度の値をともに高い値とすることができる。そのため、燃料電池セルスタックの酸化等を好適に抑制することができ、燃料電池セルスタックの耐久性により優れ、より長期的に安定した発電が可能となる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、燃料電池セルスタックの耐久性に優れた燃料電池システム、及びこの燃料電池システムを用いた発電方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】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。
【図２】水蒸気除去率が９９％である場合における、第１燃料電池セルスタックの燃料利用率と、第１燃料濃度及び第２燃料濃度との関係を示すグラフである。
【図３】アノードオフガス中の水蒸気の除去率とスタック比との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本開示において、「〜」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。
本開示中に段階的に記載されている数値範囲において、一つの数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。また、本開示中に記載されている数値範囲において、その数値範囲の上限値又は下限値は、実施例の一例に示されている値に置き換えてもよい。
【００２５】
以下、本発明の実施形態について説明する。但し、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態において、その構成要素は、特に明示した場合を除き、必須ではない。数値及びその範囲についても同様であり、本発明を制限するものではない。
【００２６】
以下、本発明の燃料電池システムの一実施形態について図１を用いて説明する。図１は、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。一実施形態に係る燃料電池システム１０は、水素ガスを用いて発電を行う第１燃料電池セルスタック１１と、第１燃料電池セルスタック１１から排出された未反応の前記水素ガスを含むアノードオフガスから、少なくとも一部の水蒸気を分離する分離手段１６と、分離手段１６の下流に配置され、少なくとも一部の水蒸気が分離されたアノードオフガスを用いて発電を行う第２燃料電池セルスタック１２と、を備え、第１燃料電池セルスタック１１の出口におけるアノードオフガスの燃料濃度を第１燃料濃度、第２燃料電池セルスタック１２の出口におけるアノードオフガスの燃料濃度を第２燃料濃度とし、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全体の燃料利用率が特定値である場合に第１燃料濃度及び第２燃料濃度の値が等しくなるときの値をＣとすると、全体の燃料利用率が前述の特定値である場合の第１燃料濃度及び第２燃料濃度がそれぞれ０．９Ｃ以上を満たす。すなわち、燃料電池システム１０は、全体の燃料利用率が前述の特定値である場合の第１燃料濃度及び第２燃料濃度がそれぞれ０．９Ｃ以上を満たすように運転が行われる。
【００２７】
本実施形態の燃料電池システム１０では、分離手段１６により第１燃料電池セルスタック１１から排出されたアノードオフガスから、少なくとも一部の水蒸気が分離され、アノードオフガスが再生されてその燃料濃度が上昇する。そして、燃料濃度が上昇したアノードオフガスが第２燃料電池セルスタック１２に供給されるため、燃料電池システム１０では高い燃料利用率での運転が可能となり、高い発電効率を得ることができる。
【００２８】
一般的に、多段式の燃料電池システムでは、第１燃料電池セルスタック中でのアノードガスの燃料濃度は、第１燃料電池セルスタックの入口にて最も高く、第１燃料電池セルスタックの出口にて最も低くなる。第２燃料電池セルスタック中でのアノードガスの燃料濃度についても同様である。ここで、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において、燃料電池セルスタック中のアノードガスの燃料濃度が低下すると、燃料電池セルスタックの酸化等により燃料電池セルスタックの耐久性が低下するおそれがある。そのため、燃料濃度が最も低くなる、第１燃料電池セルスタックの出口及び第２燃料電池セルスタックの出口における燃料濃度を高めて燃料電池セルスタックの酸化等を抑制することが好ましい。
【００２９】
そこで、燃料電池システム１０では、分離手段１６によりアノードオフガスを再生させて燃料濃度を高めるとともに、第１燃料電池セルスタック１１の出口における燃料濃度（第１燃料濃度）及び第２燃料電池セルスタック１２の出口における燃料濃度（第２燃料濃度）を高めることで、燃料電池セルスタックの酸化等を抑制している。より具体的には、第１燃料濃度及び第２燃料濃度を等しくすることで、第１燃料濃度及び第２燃料濃度の値をともに高い値とすることができ、燃料電池セルスタックの酸化等を好適に抑制することができ、燃料電池セルスタックの耐久性により優れたシステムを提供することができる。また、全体の燃料利用率が特定値である場合に第１燃料濃度及び第２燃料濃度が等しいときの値をＣとしたとき、全体の燃料利用率が前述の特定値である場合の第１燃料濃度及び第２燃料濃度が、０．９Ｃ以上、すなわち、それぞれの濃度が等しいときの９０％以上であれば、第１燃料濃度と第２燃料濃度との差を抑制することができ、また、燃料電池セルスタックの酸化等のリスクを抑制し、燃料電池セルスタックの耐久性に優れたシステムを提供することができる。
【００３０】
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、例えば、第１燃料電池セルスタック１１が備える燃料電池セルの有効表面積の合計（α１）に対する第２燃料電池セルスタックが備える燃料電池セルの有効表面積の合計（α２）の比率（α１／α２）を調整したり、第１燃料電池セルスタック１１が備える燃料電池スタックの数（β１）に対する第２燃料電池セルスタックが備える燃料電池スタックの数（β２）の比率（β１／β２）を調整したり、第１燃料電池セルスタック１１が備える燃料電池セルの電流密度及び第２燃料電池セルスタックが備える燃料電池セルの電流密度をそれぞれ調整したり、分離手段における水蒸気の分離の度合いを調整したりする等により、第１燃料濃度及び第２燃料濃度を０．９Ｃ以上に調整することができる。
【００３１】
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。
【００３２】
（水素ガス供給経路）
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、水素ガスを第１燃料電池セルスタック１１のアノード（図示せず）に供給する水素ガス供給経路４２を備えている。水素ガス供給経路４２には、水素ガスを第１燃料電池セルスタック１１のアノードへ送るための水素ガスブロワ２４が設置されている。
【００３３】
水素ガス供給経路４２内を流通する水素ガスとしては、水素を含むガスであればよく、水素濃度が９９体積％以上である水素ガス（純水素ガス）であることが好ましい。水素濃度が高い水素ガスを燃料電池の燃料ガスとして用いることにより、二酸化炭素の排出を抑制することができる。
【００３４】
純水素ガスを得る方法としては、メタン、メタノール等の改質可能な炭素化合物原料を改質して水素ガスを含む改質ガスを改質器にて生成し、改質器にて生成された改質ガスを水素精製器を用いて純水素ガスとそれ以外の成分とに分離する方法、再生可能エネルギーに由来する電気を用い、水を電気分解する方法などが挙げられる。再生可能エネルギーとしては、太陽光、太陽熱、風力、水力、地熱、バイオマス、潮力、波力、海流等のエネルギーが挙げられる。
【００３５】
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、炭素化合物原料を改質して改質ガスを生成する改質器及び改質器にて生成された改質ガスを精製して純水素ガスとする水素精製器を更に備えていてもよい。
【００３６】
また、本実施形態に係る燃料電池システム１０を、再生可能エネルギーを利用して発電する発電装置、及び発電装置での発電により生じた電力を用いて水を電気分解する水電解装置と組み合わせて発電システムとしてもよい。
【００３７】
（空気供給経路）
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、空気を第１燃料電池セルスタック１１のカソード（図示せず）に供給する空気供給経路４４を備えている。空気供給経路４４には、水素ガスを第１燃料電池セルスタック１１のカソードへ送るための空気ブロワ２５が設置されている。
【００３８】
（第１燃料電池セルスタック）
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、水素ガス供給経路４２を通じて供給された水素ガスを用いて発電を行う第１燃料電池セルスタック１１を備えている。第１燃料電池セルスタック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を複数積層あるいは複数接続した燃料電池スタックを少なくとも一つ備えた燃料電池セルスタックである。また、第１燃料電池セルスタックとしては、６００℃〜１０００℃程度で作動する高温型の燃料電池、例えば、６００℃〜１０００℃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。なお、第１燃料電池セルスタック１１及び後述の第２燃料電池セルスタック１２としては、燃料濃度の低下を抑制でき、燃料電池セルスタックの酸化等のリスクをより好適に抑制できる点から、固体酸化物形燃料電池であることが好ましい。
【００３９】
第１燃料電池セルスタック１１が固体酸化物形燃料電池の場合、第１燃料電池セルスタック１１のカソードには、空気供給経路４４を通じて空気が供給される。空気がカソードに供給されることにより、以下の式（ａ）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。
Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２−・・・・（ａ）
【００４０】
第１燃料電池セルスタック１１が固体酸化物形燃料電池の場合、第１燃料電池セルスタック１１のアノードには、水素ガス供給経路４２を通じて水素ガスが供給される。アノードと固体酸化物電解質との界面にて水素が固体酸化物電解質の内部を移動する酸素イオンと反応することにより、以下の式（ｂ）に示す反応が起こる。
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−・・・・（ｂ）
【００４１】
第１燃料電池セルスタック１１が溶融炭酸塩形燃料電池の場合、第１燃料電池セルスタック１１のカソード（図示せず）には、空気供給経路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（ｃ）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。
Ｏ２＋２ＣＯ２＋４ｅ−→２ＣＯ３２−・・・・（ｃ）
【００４２】
第１燃料電池セルスタック１１が溶融炭酸塩形燃料電池の場合、第１燃料電池セルスタック１１のアノードには、水素ガス供給経路４２を通じて水素ガスが供給される。アノードと電解質との界面にて水素が電解質の内部を移動する炭酸イオンと反応することにより、以下の式（ｄ）に示す反応が起こる。
Ｈ２＋ＣＯ３２−→Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２＋２ｅ−・・・・（ｄ）
【００４３】
上記式（ｂ）及び式（ｄ）に示すように、第１燃料電池セルスタック１１での水素ガスの電気化学的な反応により、固体酸化物形燃料電池及び溶融炭酸塩形燃料電池では水蒸気が生成される。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燃料電池セルスタック１１にて発電が行われる。
【００４４】
カソードから排出されたカソードオフガスは、下流側の空気供給経路４４を通じて、第２燃料電池セルスタック１２のカソード（図示せず）に供給される。
【００４５】
一方、アノードから排出された未反応の水素ガスを含むアノードオフガスは、オフガス経路５２を通じて分離手段１６へ供給される。ここで、未反応の水素ガスを含むアノードオフガスは、第１燃料電池セルスタック１１が固体酸化物形燃料電池の場合、水素、水蒸気などを含む混合ガスであり、第１燃料電池セルスタック１１が溶融炭酸塩形燃料電池の場合、水素、水蒸気、二酸化炭素などを含む混合ガスである。
【００４６】
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内を流通するアノードオフガスと、オフガス経路５４内を流通する少なくとも一部の水蒸気が分離されたアノードオフガスとの間で熱交換を行う。これにより、オフガス経路５２内を流通するアノードオフガスは、分離手段１６により少なくとも一部の水蒸気を分離する際に好ましい温度まで冷却され、オフガス経路５４内を流通する少なくとも一部の水蒸気が分離されたアノードオフガスは、第２燃料電池セルスタック１２の作動温度に適した温度に加熱される。そのため、システム全体の発電効率及び熱効率がより向上する。
【００４７】
（分離手段）
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、第１燃料電池セルスタック１１から排出された未反応の水素ガスを含むアノードオフガスから、少なくとも一部の水蒸気を分離する分離手段１６を備えている。
【００４８】
燃料電池システム１０では、分離手段１６にて少なくとも一部の水蒸気が分離されるため、第２燃料電池セルスタック１２に供給されるアノードオフガス中の水蒸気濃度を低くすることができ、燃料電池システム１０の発電効率を高めることができる。
【００４９】
分離手段１６としては、アノードオフガスから少なくとも一部の水蒸気を分離できるものであれば限定されず、水吸収材、水吸着剤、分離膜、凝縮器等が挙げられる。
【００５０】
分離膜としては、アノードオフガス中の少なくとも一部の水蒸気を分離できるものであればよく、有機高分子膜、無機材料膜、有機高分子−無機材料複合膜、液体膜等が挙げられる。また、分離膜は、ガラス状高分子膜、ゴム状高分子膜、イオン交換樹脂膜、アルミナ膜、シリカ膜、炭素膜、ゼオライト膜、セラミック膜、アミン水溶液膜又はイオン液体膜であることが好ましい。また、分離膜は、多孔質性の支持体に支持されていてもよい。
【００５１】
水吸収材、水吸着剤及び分離膜において、アノードオフガス中の水蒸気除去率、及び少なくとも一部の水蒸気が分離されたアノードオフガスの露点は、アノードオフガスの流量、アノードオフガスの温度等を調節することにより、適宜調節することができる。
分離膜を用いる場合、分離効率を向上させるため、透過側にスイープガスを供給してもよい。
【００５２】
凝縮器としては、アノードオフガス中の水蒸気を凝縮により分離できるものであればよい。また、凝縮器におけるアノードオフガス中の水蒸気除去率、及び少なくとも一部の水蒸気が分離されたアノードオフガスの露点は、凝縮温度を調節することにより、適宜調節することができる。
【００５３】
また、分離手段としては、アノードオフガスを再生させてその燃料濃度を好適に上昇させる点から、少なくとも一部の水蒸気が分離されたアノードオフガスの露点は、９０．５℃以下であることが好ましく、９０℃以下であることがより好ましく、８５℃以下であることが更に好ましく、８０℃以下であることが特に好ましい。アノードオフガスを再生させてその燃料濃度を好適に上昇させることにより、燃料電池システムにおいて、より高い燃料利用率での運転が可能となり、より高い発電効率を得ることができる。また、前記アノードオフガスの露点は、２０℃以上であってもよい。
【００５４】
また、分離手段としては、アノードオフガスを再生させてその燃料濃度を好適に上昇させる点から、水蒸気除去率が６０％以上を満たすことが好ましく、６５％以上を満たすことがより好ましく、７０％以上を満たすことが更に好ましく、８０％以上を満たすことが特に好ましい。アノードオフガスを再生させてその燃料濃度を好適に上昇させることにより、燃料電池システムにおいて、より高い燃料利用率での運転が可能となり、より高い発電効率を得ることができる。また、水蒸気除去率の上限は、１００％以下であればよく、例えば、９９％以下であってもよい。
【００５５】
第１燃料電池セルスタック１１が溶融炭酸塩形燃料電池の場合、分離手段１６としては、未反応の水素ガスを含むアノードオフガスから、少なくとも一部の水蒸気とともに少なくとも一部の二酸化炭素を分離するものであってもよい。このとき、１つの分離手段にて未反応の水素ガスを含むアノードオフガスから、少なくとも一部の水蒸気及び少なくとも一部の二酸化炭素を分離してもよく、２つ以上の分離手段を組み合わせて未反応の水素ガスを含むアノードオフガスから、少なくとも一部の水蒸気及び少なくとも一部の二酸化炭素を分離してもよい。
【００５６】
１つの分離手段を用いて未反応の水素ガスを含むアノードオフガスから、少なくとも一部の水蒸気及び少なくとも一部の二酸化炭素を分離する場合、この分離手段としては、吸収材、吸着剤、分離膜等が挙げられる。分離膜としては、前述したものが挙げられる。
【００５７】
２つ以上の分離手段を用いて未反応の水素ガスを含むアノードオフガスから、少なくとも一部の水蒸気及び少なくとも一部の二酸化炭素を分離する場合、少なくとも一部の二酸化炭素を分離する分離手段としては、二酸化炭素吸収材、二酸化炭素吸着剤、分離膜、吸収液等が挙げられる。分離膜としては、前述したものが挙げられる。
【００５８】
吸収液としては、アノードオフガス中の二酸化炭素を吸収できるものであればよく、例えば、アミン等のアルカリ性水溶液が挙げられる。また、吸収液としては、アミン等のアルカリ性水溶液のように、アノードオフガスと接触させ二酸化炭素を吸収させた後に加熱することで二酸化炭素を分離できるものであってもよい。
【００５９】
第１燃料電池セルスタック１１が溶融炭酸塩形燃料電池の場合、分離手段としては、アノードオフガスを再生させてその燃料濃度を好適に上昇させる点から、二酸化炭素除去率が６０％以上を満たすことが好ましく、６５％以上を満たすことがより好ましく、７０％以上を満たすことが更に好ましく、８０％以上を満たすことが特に好ましい。アノードオフガスを再生させてその燃料濃度を好適に上昇させることにより、燃料電池システムにおいて、より高い燃料利用率での運転が可能となり、より高い発電効率を得ることができる。また、二酸化炭素除去率の上限は、１００％以下であればよく、例えば、９９％以下であってもよい。
【００６０】
（第２燃料電池セルスタック）
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、分離手段１６の下流に配置され、少なくとも一部の水蒸気が分離されたアノードオフガスを用いて発電を行う第２燃料電池セルスタック１２を備えている。第２燃料電池セルスタック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を複数積層あるいは複数接続した燃料電池スタックを少なくとも一つ備えた燃料電池セルスタックである。なお、第２燃料電池セルスタック１２における電気化学的反応は、上述の第１燃料電池セルスタック１１と同様であるため、その説明は省略する。
【００６１】
燃料電池システム１０では、第２燃料電池セルスタック１２は、少なくとも一部の水蒸気が分離されたアノードオフガスを用いて発電を行う。そのため、第２燃料電池セルスタック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、アノードオフガス中の少なくとも一部の水蒸気が分離されたことに起因して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、高い発電効率を得ることができる。
【００６２】
＜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好ましい条件＞
本実施形態に係る燃料電池システム１０では、全体の燃料利用率が特定値である場合に第１燃料濃度及び前記第２燃料濃度の値が等しくなるときの値をＣとすると、全体の燃料利用率が前述の特定値である場合の第１燃料濃度及び第２燃料濃度がそれぞれ０．９Ｃ以上を満たしていればよく、好ましくは、第１燃料濃度及び第２燃料濃度がそれぞれ０．９５Ｃ以上を満たしていればよい。なお、第１燃料濃度の上限としては特に限定されず、例えば、１．７Ｃ以下であってもよく、１．５Ｃ以下であってもよく、１．１Ｃ以下であってもよい。第２燃料濃度の上限としては、特に限定されず、例えば、１．２Ｃ以下であってもよく、１．１Ｃ以下であってもよい。
【００６３】
本実施形態に係る燃料電池システム１０では、第１燃料電池セルスタック１１が備える燃料電池セルの有効表面積の合計をα１、第２燃料電池セルスタック１２が備える燃料電池セルの有効表面積の合計をα２としたとき、α１／α２が３．０超であることが好ましい。これにより、α１／α２が３．０以下である場合と比較して、第１燃料濃度及び第２燃料濃度の値をともに高い値とすることができるため、燃料電池セルスタックの酸化等を好適に抑制することができ、燃料電池セルスタックの耐久性により優れた燃料電池システムを提供することができる。なお、燃料電池セルの有効表面積が増加すると、水素ガスの消費量も増加する傾向にある。
α１／α２は、３．５以上であることがより好ましい。
【００６４】
α１／α２は、第１燃料濃度及び第２燃料濃度の値の低下を抑制する、特に、第１燃料濃度の値の低下を抑制する点から、１５以下であることが好ましく、１２以下であることがより好ましく、１０以下であることが更に好ましく、８．０以下であることが特に好ましく、６．０以下であることがより一層好ましい。
【００６５】
なお、第１燃料電池セルスタック１１及び第２燃料電池セルスタック１２にそれぞれ含まれる燃料電池スタックが同一のものである場合等には、第１燃料電池セルスタック１１における燃料電池スタックの数β１、第２燃料電池セルスタック１２における燃料電池スタックの数β２としたとき、β１／β２が３．０超であることが好ましい。β１／β２の好ましい数値範囲は、上述のα１／α２と同様である。
【００６６】
また、本実施形態に係る燃料電池システム１０を用いて発電を行う場合、第１燃料電池セルスタック１１及び第２燃料電池セルスタック１２を等しい電流密度で作動させて発電を行うことが好ましい。前述の＜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好ましい条件＞を満たしつつ、第１燃料電池セルスタック１１及び第２燃料電池セルスタック１２を等しい電流密度で作動させて発電を行うことにより、燃料電池セルスタックの耐久性に優れ、長期的に安定した発電が可能となる。
【００６７】
また、第１燃料電池セルスタック１１が備える燃料電池セルの有効表面積と第１燃料電池セルスタック１１を作動させたときの当該燃料電池セルの電流密度との積の合計をγ１、第２燃料電池セルスタック１２が備える燃料電池セルの有効表面積と第２燃料電池セルスタック１２を作動させたときの当該燃料電池セルの電流密度との積の合計をγ２としたとき、γ１／γ２を３．０超に調整して発電を行うことも好ましい。これにより、γ１／γ２が３．０以下である場合と比較して、第１燃料濃度及び第２燃料濃度の値をともに高い値とすることができるため、燃料電池セルスタックの酸化等を好適に抑制することができ、燃料電池セルスタックの耐久性により優れ、より長期的に安定した発電が可能となる。γ１／γ２の好ましい数値範囲は、上述のα１／α２と同様である。
なお、第１燃料電池セルスタック１１が備える特定の燃料電池セルの有効表面積と、この燃料電池セルの電流密度との積を求め、かつ、第１燃料電池セルスタック１１が備える他の燃料電池セルについても同様に積を求めたときの、これらの積の合計値がγ１に対応し、γ２についても同様である。
また、γ１及びγ２は、それぞれ第１燃料電池セルスタック１１及び第２燃料電池セルスタック１２における水素ガスの消費量と比例関係にある。
【００６８】
燃料電池セルスタックの酸化等を好適に抑制する点から、第１燃料濃度及び第２燃料濃度がそれぞれ６体積％以上であることが好ましく、１２体積％以上であることがより好ましく、１４体積％以上であることが更に好ましく、１６体積％以上であることが特に好ましく、１８体積％以上であることがより一層好ましい。
【００６９】
本実施形態に係る燃料電池システム１０では、全体の燃料利用率が８０％以上であることが好ましく、８５％以上であることがより好ましく、８５％以上９５％以下であることが更に好ましく、９０％以上９５％以下であることが特に好ましい。本実施形態に係る燃料電池システム１０では、分離手段を設けることにより、第２燃料電池セルスタックでの燃料利用率及び全体の燃料利用率を高めるとともに、上記条件を満たすように第１燃料濃度及び第２燃料濃度を調整している。そのため、本実施形態に係る燃料電池システムでは、高い燃料利用率による発電効率の向上と、燃料電池セルスタックの耐久性の向上とを両立している。
【００７０】
第２燃料電池セルスタック１２のカソードからカソードオフガスが排出され、第２燃料電池セルスタック１２のアノードからアノードオフガスが排出される。
【００７１】
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、第１燃料濃度及び第２燃料濃度がそれぞれ０．９Ｃ以上を満たすように第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作動条件を制御する制御部を備えていてもよい。また、制御部は、水蒸気除去率又は少なくとも一部の水蒸気が分離されたアノードオフガスの露点に基づき、第１燃料濃度及び第２燃料濃度がそれぞれ０．９Ｃ以上を満たすように第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作動条件を制御する構成であってもよい。例えば、制御部は、前述の水蒸気除去率又は前述のアノードオフガスの露点に基づき、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燃料利用率を調節すればよい。燃料利用率は、例えば、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での電流量、燃焼温度、ガス流量等を変動させて調節すればよい。
また、第１燃料電池セルスタック１１が溶融炭酸塩形燃料電池の場合、制御部は、水蒸気除去率又は少なくとも一部の水蒸気が分離されたアノードオフガスの露点、及び二酸化炭素除去率に基づき、第１燃料濃度及び第２燃料濃度がそれぞれ０．９Ｃ以上を満たすように第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作動条件を制御する構成であってもよい。
【００７２】
前述の一実施形態では、空気供給経路４４が直列となっているため、第１燃料電池セルスタック１１に空気を供給した後、第２燃料電池セルスタック１２に第１燃料電池セルスタック１１から排出されたカソードオフガスが供給されるが、空気供給経路４４は並列であってもよい。つまり、空気が流通する空気供給経路４４が分岐し、第１燃料電池セルスタック１１及び第２燃料電池セルスタック１２のカソードに空気をそれぞれ供給する構成であってもよい。
【００７３】
［本発明の一例］
以下、本発明の一例の燃料電池システムについて検討する。燃料電池システムとしては、第１燃料電池セルスタック、分離手段及び第２燃料電池セルスタックを備えるシステムについて検討した。検討における条件は以下の通りである。
＜条件＞
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：固体酸化物形燃料電池
燃料ガス：水素
セルの負荷電流：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で同じ
全体の燃料利用率：９３（％）
燃料利用率の関係：Ｕf(total)＝［Ｕf(first)＋（１−Ｕf(first)）・Ｕf(second)］（式中、Ｕf(total)は全体の燃料利用率、Ｕf(first)は第１燃料電池セルスタックの燃料利用率及びＵf(second)は第２燃料電池セルスタックの燃料利用率を指す。）
第１燃料電池セルスタックの入口における燃料濃度Ｃ０：９９％（体積％）
＜各パラメータの算出式＞
第２燃料電池セルスタックの燃料利用率：Ｕf(second)＝（Ｕf(total)−Ｕf(first)）／（１−Ｕf(first)）
第２燃料電池セルスタックのスタック数に対する第１燃料電池セルスタックのスタック数の比率（燃料電池セルスタックを構成する燃料電池スタック及び電流密度は全て同じ、β１／β２に対応）：Ｕf(first)／（Ｕf(total)−Ｕf(first)）
第１燃料電池セルスタックの出口におけるアノードオフガスの濃度（第１燃料濃度Ｃ１）：Ｃ０×（１−Ｕf(first)）
第２燃料電池セルスタックの入口における燃料濃度（第３燃料濃度Ｃ３）：Ｃ１／{１−除去率（１−Ｃ１）}
第２燃料電池セルスタックの出口におけるアノードオフガスの濃度（第２燃料濃度Ｃ２）：Ｃ３×（１−Ｕf(second)）
【００７４】
（検討１）
分離手段にて水蒸気を少なくとも一部分離除去する場合について説明する。以下、分離手段にて水蒸気を６０％〜９９％分離除去する場合（前述の算出式における「除去率」が０．６〜０．９９である場合）の燃料電池システムについて検討する。
【００７５】
水蒸気の除去率が９９％である場合において、第１燃料電池セルスタックの燃料利用率と、第１燃料濃度及び第２燃料濃度との関係を図２に示す。燃料電池システムの全体の燃料利用率が一定である場合、図２に示すように、第１燃料電池セルスタックの燃料利用率を増加させると、第１燃料濃度Ｃ１が小さくなる。一方、燃料電池システムの全体の燃料利用率が一定の条件にて第１燃料電池セルスタックの燃料利用率が増加した場合、第２燃料電池セルスタックの燃料利用率が低下する効果が大きいため、図２に示すように、第２燃料濃度Ｃ２は大きくなる。そして、図２に示すように、第１燃料濃度Ｃ１及び第２燃料濃度Ｃ２が等しくなるときに、第１燃料濃度Ｃ１及び第２燃料濃度Ｃ２の最小値が最大となり、燃料濃度の低下によるセルスタック酸化等のリスクを低減することができる。
【００７６】
分離手段にて水蒸気を９９％分離除去する場合、すなわち除去率が０．９９である場合に、第１燃料濃度Ｃ１及び第２燃料濃度Ｃ２が等しくなるとき、前述の算出式に基づき、以下の値が算出される。
第１燃料電池セルスタックの燃料利用率Ｕf(first)：０．７３７８（７３．７８％）
第２燃料電池セルスタックの燃料利用率Ｕf(second)：０．７３３（７３．３％）
第１燃料濃度Ｃ１及び第２燃料濃度Ｃ２が等しくなるときの値（最大濃度）：２５．９６％
第２燃料電池セルスタックのスタック数に対する第１燃料電池セルスタックのスタック数の比率（スタック比）：３．８４
【００７７】
次に、第１燃料濃度Ｃ１及び第２燃料濃度Ｃ２が、第１燃料濃度Ｃ１及び第２燃料濃度Ｃ２の最小値が最大となるときの９０％以上、すなわち、２５．９６％の９０％以上であれば、第１燃料濃度Ｃ１及び第２燃料濃度Ｃ２をともに高い値とすることができ、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にて燃料濃度の低下によるセルスタック酸化等のリスクを低減することができる。そこで、第１燃料濃度Ｃ１及び第２燃料濃度Ｃ２の下限値を算出すると２３．３６％となる。
【００７８】
第１燃料濃度Ｃ１が２３．３６％である場合、前述の算出式に基づき、以下の値が算出される（表３参照）。
第１燃料電池セルスタックの燃料利用率Ｕf(first)：０．７６４（７６．４％）
第２燃料電池セルスタックの燃料利用率Ｕf(second)：０．７０３４（７０．３４％）
第２燃料電池セルスタックのスタック数に対する第１燃料電池セルスタックのスタック数の比率（スタック比）：４．６
【００７９】
また、第２燃料濃度Ｃ２が２３．３６％である場合、前述の算出式に基づき、以下の値が算出される（表２参照）。
第１燃料電池セルスタックの燃料利用率Ｕf(first)：０．７０７５（７０．７５％）
第２燃料電池セルスタックの燃料利用率Ｕf(second)：０．７６０７（７６．０７％）
第２燃料電池セルスタックのスタック数に対する第１燃料電池セルスタックのスタック数の比率（スタック比）：３．１８
【００８０】
したがって、上記条件を満たし、かつ、分離手段にて水蒸気を９９％分離除去する場合、セルスタック酸化等のリスクを低減する点から、第１燃料濃度Ｃ１及び第２燃料濃度Ｃ２をともに２３．３６％以上とし、スタック比を３．１８以上４．６以下とすることが好ましい。
【００８１】
次に、検討１において、分離手段にて水蒸気を６０％〜９５％分離除去する場合における、最大濃度、第１燃料電池セルスタックの燃料利用率Ｕf(first)、第２燃料電池セルスタックの燃料利用率Ｕf(second)、第２燃料電池セルスタックのスタック数に対する第１燃料電池セルスタックのスタック数の比率（スタック比）、及び９０％濃度（最大濃度の９０％）を前述の各パラメータの算出式に従い、それぞれ算出した。
分離手段にて水蒸気をともに９９％分離除去する場合とともに結果を表１〜表３及び図３に示す。スタック比としては、図３における最大値及び最小値の間の範囲を取ることが好ましい。
なお、表１中において、「露点」は、水蒸気を６０％〜９９％除去したアノードオフガスの露点を意味する。
また、表１中において、「最大濃度」は、全体の燃料利用率が９３％であり、かつ水蒸気除去率が６０％〜９９％である場合に第１燃料濃度及び第２燃料濃度が等しくなるときの値を意味する。
また、表１において、「９０％濃度」は、最大濃度の９０％の値を意味し、第１燃料濃度及び第２燃料濃度がともに表１に示す９０％濃度以上であれば、燃料電池セルスタックの酸化等のリスクが軽減される。
表２では、第２燃料濃度Ｃ２を表１の９０％濃度の値にしたときのＵf(first)、Ｕf(second)及びスタック比を示している。
また、表３では、第１燃料濃度Ｃ１を表１の９０％濃度の値にしたときのＵf(first)、Ｕf(second)及びスタック比を示している。
【００８２】
【表１】
2020017338.tif 000003
【００８３】
【表２】
2020017338.tif 000004
【００８４】
【表３】
2020017338.tif 000005
【符号の説明】
【００８５】
１０…燃料電池システム、１１…第１燃料電池セルスタック、１２…第２燃料電池セルスタック、１６…分離手段、２１…熱交換器、２４…水素ガスブロワ、２５…空気ブロワ、４２…水素ガス供給経路、４４…空気供給経路、５２、５４…アノードオフガス経路
【図１】
2020017338.tif 000006
【図２】
2020017338.tif 000007
【図３】
2020017338.tif 000008