(57)【要約】【課題】従来よりも起電力が向上した燃料電池発電システムを提供する。【解決手段】燃料電池発電システム１は、固体酸化物電解質、燃料極、及び空気極を備える第１の燃料電池スタック７と、固体酸化物電解質、燃料極、及び空気極を備え、第１の燃料電池スタック７よりも下流に配置されている第２の燃料電池スタック１０と、第１の燃料電池スタック７及び第２の燃料電池スタック１０に接続され、第１の燃料電池スタック７の燃料極側から排出される排出ガスを第２の燃料電池スタック１０に供給する排出ガス供給管１２と、排出ガス供給管１２に接続されており、排出ガス供給管１２を介して、炭化水素燃料を第２の燃料電池スタック１０に供給する炭化水素燃料副供給管３と、排出ガス供給管１２に接続され、第２の燃料電池スタック１０に供給される少なくとも排出ガス中の二酸化炭素を除去する第１の二酸化炭素除去装置９と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物電解質、燃料極、及び空気極を備える第１の燃料電池スタックと、
固体酸化物電解質、燃料極、及び空気極を備え、前記第１の燃料電池スタックよりも下流に配置されている第２の燃料電池スタックと、
前記第１の燃料電池スタック及び前記第２の燃料電池スタックに接続され、前記第１の燃料電池スタックの燃料極側から排出される排出ガスを前記第２の燃料電池スタックに供給する第１の排出ガス供給管と、
前記第１の排出ガス供給管に接続されており、前記第１の排出ガス供給管を介して、炭化水素燃料を前記第２の燃料電池スタックに供給する第１の炭化水素燃料供給管と、
前記第１の排出ガス供給管に接続され、前記第２の燃料電池スタックに供給される少なくとも前記排出ガス中の二酸化炭素を除去する第１の二酸化炭素除去装置と、
を備える燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記第１の燃料電池スタックの上流に配置され、炭化水素燃料を水蒸気改質して改質ガスを生成する第１の改質器と、
前記第１の改質器と前記第１の燃料電池スタックとを連通し、前記改質ガスを前記第１の燃料電池スタックに供給する改質ガス供給管と、
をさらに備える請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記改質ガス供給管に接続され、前記改質ガス中の二酸化炭素を除去する第２の二酸化炭素除去装置をさらに備える請求項２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記第１の炭化水素燃料供給管は、前記第１の二酸化炭素除去装置よりも上流にて前記第１の排出ガス供給管と接続している、又は、前記第１の二酸化炭素除去装置よりも下流にて前記第１の排出ガス供給管と接続している請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記第１の排出ガス供給管に接続され、かつ、前記第１の排出ガス供給管と前記第１の炭化水素燃料供給管との接続部分、又は該接続部分よりも下流に配置された、前記第１の炭化水素燃料供給管より供給される炭化水素燃料を水蒸気改質する第２の改質器をさらに備える請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
固体酸化物電解質、燃料極、及び空気極を備える第（ｎ−１）の燃料電池スタック（ｎは３以上の整数）よりも下流に配置され、固体酸化物電解質、燃料極、及び空気極を備える第ｎの燃料電池スタックと、
前記第（ｎ−１）の燃料電池スタック及び前記第ｎの燃料電池スタックに接続され、前記第（ｎ−１）の燃料電池スタックの燃料極側から排出される排出ガスを前記第ｎの燃料電池スタックに供給する第（ｎ−１）の排出ガス供給管と、
前記第（ｎ−１）の排出ガス供給管に接続されており、前記第（ｎ−１）の排出ガス供給管を介して、炭化水素燃料を前記第ｎの燃料電池スタックに供給する第（ｎ−１）の炭化水素燃料供給管と、
前記第（ｎ−１）の排出ガス供給管に接続され、前記第ｎの燃料電池スタックに供給される少なくとも前記排出ガス中の二酸化炭素を除去する第ｎの二酸化炭素除去装置と、
をさらに備える請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
前記第（ｎ−１）の排出ガス供給管に接続され、かつ、前記第（ｎ−１）の排出ガス供給管と前記第（ｎ−１）の炭化水素燃料供給管との接続部分、又は該接続部分よりも下流に配置された、前記第（ｎ−１）の炭化水素燃料供給管より供給される炭化水素燃料を水蒸気改質する第ｎの改質器をさらに備える請求項６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】
本発明は、燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、新たなエネルギー源として、燃料電池発電システムに対する注目が大きくなってきている。燃料電池発電システムに備えられる燃料電池としては、様々なタイプが存在するが中でも、固体酸化物を電解質として利用する固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）は、最も発電効率が高い燃料電池であり有望であることが知られている。
【０００３】
ＳＯＦＣとして、固体酸化物電解質、燃料極、及び空気極から構成されている単電池を複数備える燃料電池スタックが用いられる。ＳＯＦＣを用いた発電方法では、例えば、燃料となるメタン（ＣＨ４）及び水蒸気を、ＳＯＦＣ外部の改質器に供給して水蒸気改質を行なうことで生成した水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）を、空気極に導入された空気中の酸素が電解質との界面で解離して発生する酸素イオン（Ｏ２−）と、電解質と燃料極との界面で電気化学的に反応させる。この電気化学的な反応により、水及び二酸化炭素が生成され、そのときに放出された電子によって発電する。ＳＯＦＣを用いた発電方法では、燃料の化学エネルギーを電気エネルギーへ直接変換するため、エネルギー変換ロスが小さく、高効率な発電が可能である。
【０００４】
特許文献１には、水蒸気改質方式によるＳＯＦＣの発電効率向上に適した燃料電池システムが開示されており、具体的には、燃料の一部を改質器に供給し残りの一部を第二セルスタックに供給することで、従来の水蒸気改質方式と比較して改質器に供給する水量を削減し、発電効率を向上させることが可能な燃料電池システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−２５８００４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１に記載されている燃料電池システムよりも、発電効率を向上させたシステムが望まれている。
【０００７】
本発明の課題は、発電効率向上に適した燃料電池発電システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題は以下の手段により解決される。
＜１＞  固体酸化物電解質、燃料極、及び空気極を備える第１の燃料電池スタックと、固体酸化物電解質、燃料極、及び空気極を備え、前記第１の燃料電池スタックよりも下流に配置されている第２の燃料電池スタックと、前記第１の燃料電池スタック及び前記第２の燃料電池スタックに接続され、前記第１の燃料電池スタックの燃料極側から排出される排出ガスを前記第２の燃料電池スタックに供給する第１の排出ガス供給管と、前記第１の排出ガス供給管に接続されており、前記第１の排出ガス供給管を介して、炭化水素燃料を前記第２の燃料電池スタックに供給する第１の炭化水素燃料供給管と、前記第１の排出ガス供給管に接続され、前記第２の燃料電池スタックに供給される少なくとも前記排出ガス中の二酸化炭素を除去する第１の二酸化炭素除去装置と、を備える燃料電池発電システムである。
【０００９】
第１の燃料電池スタックの燃料極側から排出される排出ガスには、電気化学的な反応により生成した水蒸気及び二酸化炭素が含まれている。その排出ガスを第１の炭化水素燃料供給管から供給される炭化水素燃料とともに第２の燃料電池スタックに供給することで発電を行なうため、外部から水蒸気を供給する場合よりも必要とする水蒸気（改質水）の量を減らすことができる。これにより、第２の燃料電池スタックに供給されるガス中の酸素濃度を小さくすることができる。
【００１０】
そして、上記構成では、排出ガス中の二酸化炭素を除去する第１の二酸化炭素除去装置が設けられているため、第２の燃料電池スタックに供給されるガス中の酸素濃度をより小さくすることができる。その結果、第２の燃料電池スタックにて燃料極側と空気極側とでより大きな酸素分圧差を生じさせることができ、燃料電池発電システムでの起電力を向上させることができる。
【００１１】
＜２＞  前記第１の燃料電池スタックの上流に配置され、炭化水素燃料を水蒸気改質して改質ガスを生成する第１の改質器と、前記第１の改質器と前記第１の燃料電池スタックとを連通し、前記改質ガスを前記第１の燃料電池スタックに供給する改質ガス供給管と、をさらに備える＜１＞に記載の燃料電池発電システムである。
【００１２】
第１の改質器に、炭化水素燃料及び水蒸気を供給することにより、炭化水素燃料を水蒸気改質して、改質ガスが生成される。生成された改質ガスは、改質ガス供給管を介して、第１の燃料電池スタックに供給される。これにより、第１の燃料電池スタックにて効率的な発電が可能となる。
【００１３】
＜３＞前記改質ガス供給管に接続され、前記改質ガス中の二酸化炭素を除去する第２の二酸化炭素除去装置をさらに備える＜２＞に記載の燃料電池発電システムである。
【００１４】
第２の二酸化炭素除去装置を改質ガス供給管に接続することにより、改質ガスが第１の燃料電池スタックに供給される前に、改質ガス中の二酸化炭素が除去される。よって、炭化水素燃料の水蒸気改質で二酸化炭素が生じた場合であっても、二酸化炭素を好適に除去することができ、第１の燃料電池スタックに供給される改質ガス中の酸素濃度を小さくすることができる。その結果、第１の燃料電池スタックにて燃料極側の酸素分圧を小さくして、燃料極側と空気極側との酸素分圧差を大きくすることができ、燃料電池発電システムでの起電力をより向上させることができる。
【００１５】
＜４＞前記第１の炭化水素燃料供給管は、前記第１の二酸化炭素除去装置よりも上流にて前記第１の排出ガス供給管と接続している、又は、前記第１の二酸化炭素除去装置よりも下流にて前記第１の排出ガス供給管と接続している＜１＞〜＜３＞のいずれか１つに記載の燃料電池システムである。
【００１６】
第１の炭化水素燃料供給管が第１の二酸化炭素除去装置よりも上流にて第１の排出ガス供給管と接続していることにより、炭化水素燃料中の二酸化炭素や炭化水素燃料を水蒸気改質したことにより生成された二酸化炭素を除去することができる。その結果、第２の燃料電池スタックに供給されるガス中の酸素濃度をより小さくすることができる。
【００１７】
第１の炭化水素燃料供給管が第１の二酸化炭素除去装置よりも下流にて第１の排出ガス供給管と接続していることにより、第１の排出ガス供給管に炭素が析出する炭素析出を抑制することができる。その結果、第１の排出ガス供給管の詰まりを抑制することができる。
【００１８】
＜５＞  前記第１の排出ガス供給管に接続され、かつ、前記第１の排出ガス供給管と前記第１の炭化水素燃料供給管との接続部分、又は該接続部分よりも下流に配置された、前記第１の炭化水素燃料供給管より供給される炭化水素燃料を水蒸気改質する第２の改質器をさらに備える＜１＞〜＜４＞のいずれか１つに記載の燃料電池発電システムである。
【００１９】
上記構成によれば、接続部分、又は接続部分よりも下流に配置された第２の改質器にて、第１の炭化水素燃料供給管より供給される炭化水素燃料を水蒸気改質する。これにより、第２の燃料電池スタックにて効率的な発電が可能となる。
【００２０】
＜６＞  固体酸化物電解質、燃料極、及び空気極を備える第（ｎ−１）の燃料電池スタック（ｎは３以上の整数）よりも下流に配置され、固体酸化物電解質、燃料極、及び空気極を備える第ｎの燃料電池スタックと、前記第（ｎ−１）の燃料電池スタック及び前記第ｎの燃料電池スタックに接続され、前記第（ｎ−１）の燃料電池スタックの燃料極側から排出される排出ガスを前記第ｎの燃料電池スタックに供給する第（ｎ−１）の排出ガス供給管と、前記第（ｎ−１）の排出ガス供給管に接続されており、前記第（ｎ−１）の排出ガス供給管を介して、炭化水素燃料を前記第ｎの燃料電池スタックに供給する第（ｎ−１）の炭化水素燃料供給管と、前記第（ｎ−１）の排出ガス供給管に接続され、前記第ｎの燃料電池スタックに供給される少なくとも前記排出ガス中の二酸化炭素を除去する第ｎの二酸化炭素除去装置と、をさらに備える＜１＞〜＜５＞のいずれか１つに記載の燃料電池発電システムである。
【００２１】
第（ｎ−１）の燃料電池スタックの燃料極側から排出される排出ガスを、第（ｎ−１）の炭化水素燃料供給管から供給される炭化水素燃料とともに、第（ｎ−１）の排出ガス供給管を介して第ｎの燃料電池スタックに供給する。したがって、第（ｎ−１）の燃料電池スタックの燃料極側から排出される排出ガス中の水蒸気を使用し、第（ｎ−１）の炭化水素燃料供給管から供給される炭化水素燃料を改質することができるため、システム全体として燃料極側の酸素濃度を減少させることができる。したがって、発電効率をより向上させることができる。
【００２２】
さらに、排出ガスを第ｎの燃料電池スタックに供給する前に、当該排出ガス中に含まれる二酸化炭素が第ｎの二酸化炭素除去装置で除去されるため、第ｎの燃料電池スタックの燃料極に供給される排出ガス中の酸素濃度は、より少なくなる。よって、第ｎの燃料電池スタックにて燃料極側と空気極側とでより大きな酸素分圧差が生じる。したがって、燃料電池発電システムでの起電力を向上させることができ、さらに発電効率を向上させることができる。
【００２３】
＜７＞  前記第（ｎ−１）の排出ガス供給管に接続され、かつ、前記第（ｎ−１）の排出ガス供給管と前記第（ｎ−１）の炭化水素燃料供給管との接続部分、又は該接続部分よりも下流に配置された、前記第（ｎ−１）の炭化水素燃料供給管より供給される炭化水素燃料を水蒸気改質する第ｎの改質器をさらに備える＜６＞に記載の燃料電池発電システムである。
【００２４】
上記構成によれば、接続部分、又は接続部分よりも下流に配置された第ｎの改質器にて、第（ｎ−１）の炭化水素燃料供給管より供給される炭化水素燃料を水蒸気改質する。これにより、水蒸気改質反応を促進することができ、第ｎの燃料電池スタックにて効率的な発電が可能となる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、発電効率向上に適した燃料電池発電システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本実施形態に係る燃料電池発電システムを示す概略構成図である。
【図２】本実施形態に係る燃料電池発電システムの燃料電池スタックを示す概略分解斜視図である。
【図３】他の形態に係る燃料電池発電システムを示す概略構成図である。
【図４】本実施形態に係る燃料電池発電システムのシミュレーション結果である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図１を参照しながら、本発明の一例である実施形態について説明する。図１は、本実施形態に係る燃料電池発電システムを示す概略構成図である。
【００２８】
〔燃料電池発電システム〕
本発明の一実施形態に係る燃料電池発電システム１は、改質器５（第１の改質器）と、二酸化炭素除去装置６（第２の二酸化炭素除去装置）と、第１の燃料電池スタック７と、改質器８（第２の改質器）と、二酸化炭素除去装置９（第１の二酸化炭素除去装置）と、第２の燃料電池スタック１０とを上流側からこの順番になるように備えている。これら各構成は、図１に示すように、炭化水素燃料主供給管２、炭化水素燃料副供給管３（第１の炭化水素燃料供給管）、改質水供給管４、改質ガス供給管１１、及び排出ガス供給管１２（第１の排出ガス供給管）を介して接続されている。
【００２９】
本発明の一実施形態に係る燃料電池発電システム１で用いる炭化水素燃料としては、天然ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、石炭改質ガスや、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る。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を含む天然ガス、都市ガス、ＬＰガス等のガスであってもよい。
【００３０】
炭化水素燃料主供給管２は、炭化水素燃料を供給する炭化水素供給手段（図示せず）と、改質器５とを連通しており、炭化水素燃料を改質器５に供給するための配管である。また、炭化水素燃料主供給管２には、炭化水素供給手段と改質器５との間で分岐した炭化水素燃料副供給管３が接続されている。炭化水素燃料副供給管３は、炭化水素燃料主供給管２から分岐するとともに、改質器８と下流側にて接続している。
【００３１】
炭化水素燃料主供給管２及び炭化水素燃料副供給管３には、炭化水素燃料の流量を制御する流量制御バルブＶ１、Ｖ２がそれぞれ設けられている。
【００３２】
改質器５は、供給された炭化水素燃料を水蒸気改質することによって、一酸化炭素及び水素を含む改質ガスを生成するためのものである。また、改質器５は、第１の燃料電池スタック７の上流に配置され、炭化水素燃料主供給管２及び改質水供給管４と接続されている。
【００３３】
改質水供給管４は、改質器５と接続しており、改質水を改質器５に供給するための配管である。また、改質水供給管４には、改質水の流量を制御する流量制御バルブＶ３が設けられている。
【００３４】
改質器５は、例えば、バーナあるいは燃焼触媒を配置した燃焼部と改質用触媒を充填した改質部とにより構成される。改質部には、例えばアルミナ等の担体にＮｉ、Ｒｕ等の金属を担持した改質用触媒が充填される。
【００３５】
改質部で起こる水蒸気改質は大きな吸熱を伴うので、反応の進行のためには外部から熱の供給が必要であり、６００℃以上、特に７００〜８００℃程度の温度を供給することが好ましい。そのため、燃焼部で発生する燃焼熱により改質部を加熱することが好ましい。あるいは、燃料電池スタックから放出される熱を用いて加熱してもよい。
【００３６】
炭化水素燃料の一例であるメタンを水蒸気改質させた場合、改質器５の内部において、以下の式（１）の反応により、主に一酸化炭素及び水素が生成される。
【００３７】
（式１）
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２・・・・（１）
【００３８】
また、上記式（１）に従い生成された一酸化炭素は、改質水とさらに反応することで、以下の式（２）に示すように、二酸化炭素及び水素が生成される。
【００３９】
（式２）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２・・・・（２）
【００４０】
改質ガス供給管１１は、改質器５と第１の燃料電池スタック７とを連通し、改質器５で生成される改質ガスを第１の燃料電池スタック７に供給するための配管である。
【００４１】
二酸化炭素除去装置６は、改質ガス供給管１１（改質器５と第１の燃料電池スタック７との間）に配置され、改質ガス中の二酸化炭素を除去するための装置である。
【００４２】
二酸化炭素除去装置６を改質ガス供給管１１に接続することにより、改質ガスが第１の燃料電池スタック７に供給される前に、改質ガス中の二酸化炭素が除去される。よって、炭化水素燃料の水蒸気改質で二酸化炭素が生じた場合であっても、二酸化炭素を好適に除去することができ、第１の燃料電池スタック７に供給される改質ガス中の酸素濃度を小さくすることができる。その結果、第１の燃料電池スタック７にて燃料極側の酸素分圧を小さくして、燃料極側と空気極側との酸素分圧差を大きくすることができ、燃料電池発電システム１での起電力をより向上させることができる。
【００４３】
二酸化炭素除去装置６としては、改質ガス中の二酸化炭素を分離、除去することができれば限定されないが、例えば、二酸化炭素を吸着、吸収するフィルターや二酸化炭素を吸収する二酸化炭素吸収剤、二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去材などを含んでいるものが挙げられる。二酸化炭素を吸着、吸収するフィルターや二酸化炭素吸収剤、二酸化炭素除去材としては、例えば、化学吸着剤、物理吸着剤、多孔質セラミックフィルターなどが挙げられる。より具体的には、活性炭、ゼオライト、チタン酸二バリウム、珪酸リチウム、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニアなどの金属酸化物、リチウム化ジルコニアやリチウムシリケートなどが挙げられ、これらの材料を組み合わせたり、混合したりして用いてもよい。また、多孔質セラミックフィルターに対してより緻密な細孔を有する材料をコーティングしてもよい。コーティングの具体例としては、多孔質セラミックフィルターの細孔表面に対して、アミノ基系シランカップリング剤で修飾されたメソポーラスシリカやゼオライトなどをコーティングする方法が挙げられる。これにより、二酸化炭素の高い選択性を実現でき、好適に二酸化炭素を分離、除去することができる。二酸化炭素除去装置６としては、市販のものを用いてもよく、例えば、日本碍子社製のサブナノセラミック膜フィルターを用いることができる。
【００４４】
第１の燃料電池スタック７は、固体酸化物電解質、燃料極、及び空気極を備え、改質ガス供給管１１及び排出ガス供給管１２と接続している。第１の燃料電池スタック７は、改質ガス供給管１１から供給された改質ガスと、空気極側に供給された酸素に由来する酸素イオンとを電気化学的に反応させて発電し、反応後の改質ガスは、排出ガスとして排出ガス供給管１２に排出される。なお、燃料電池スタックの構成、固体酸化物電解質、燃料極、及び空気極の具体的な構成については、後に説明する。
【００４５】
排出ガス供給管１２は、第１の燃料電池スタック７及び第２の燃料電池スタック１０に接続され、第１の燃料電池スタック７の燃料極側から排出される排出ガスを第２の燃料電池スタック１０に供給するための配管である。さらに、排出ガス供給管１２は、炭化水素燃料副供給管３と接続しており、その接続部分には、炭化水素燃料副供給管３より供給される炭化水素燃料を水蒸気改質する改質器８が設けられている。
【００４６】
改質器８は、炭化水素燃料副供給管３より供給される炭化水素燃料を、排出ガス供給管１２を通じて送られる排出ガス中の水蒸気を用いて水蒸気改質するためのものである。改質器８の構成としては、前述した改質器５と同様であり、水蒸気改質に好ましい温度条件及び反応条件についても改質器５と同様である。なお、改質器８は、排出ガス供給管１２と炭化水素燃料副供給管３との接続部分よりも下流に設けられていてもよい。
【００４７】
二酸化炭素除去装置９は、排出ガス供給管１２に接続され、第２の燃料電池スタック１０に供給されるガス、すなわち、第１の燃料電池スタック７からの排出ガスを用いて改質器８で生成された改質ガス中の二酸化炭素を除去するための装置である。
【００４８】
二酸化炭素除去装置９は、排出ガス供給管１２と炭化水素燃料副供給管３との接続部分及び改質器８よりも下流に配置されている。これにより、第１の燃料電池スタック７からの排出ガスに含まれていた二酸化炭素、炭化水素燃料副供給管３より供給される炭化水素燃料中の二酸化炭素、及び改質器８での水蒸気改質により生じた二酸化炭素を除去することができる。二酸化炭素を除去することにより、第２の燃料電池スタック１０に供給されるガス中の酸素濃度を小さくし、その結果、燃料極側の酸素分圧を下げることができる。よって、第２の燃料電池スタック１０にて燃料極側と空気極側との酸素分圧差を大きくすることができ、燃料電池発電システム１での起電力を向上させる。
【００４９】
二酸化炭素除去装置９としては、改質ガス中の二酸化炭素を分離、除去することができれば限定されず、例えば、二酸化炭素除去装置６と同様の構成であってもよい。
【００５０】
第２の燃料電池スタック１０は、固体酸化物電解質、燃料極、及び空気極を備え、排出ガス供給管１２と接続している。第２の燃料電池スタック１０は、排出ガス供給管１２から供給された排出ガスと、空気極側から供給された酸素に由来する酸素イオンとを電気化学的に反応させて発電する。反応後の排出ガスは、第２の燃料電池スタック１０外に排気してもよく、あるいは、後述するように、別の燃料電池スタックに供給して発電を行なってもよい。
【００５１】
以下、第１の燃料電池スタック７の構造について、図２を用いて説明する。図２は、本実施形態に係る燃料電池発電システム１の第１の燃料電池スタック７を示す概略分解斜視図である。第１の燃料電池スタック７は、固体酸化物電解質２０２、燃料極２０４、及び空気極２０６を有する単電池２０８を複数備えている。なお、第２の燃料電池スタック１０の構造についても第１の燃料電池スタック７と同様であるため、その説明は省略する。
【００５２】
第１の燃料電池スタック７は、複数の単電池２０８を有するスタック本体と共に、第１の燃料電池スタック７内部において、各単電池２０８の燃料極２０４と改質ガス供給管１１（図示せず）とが接続しており、各単電池２０８の燃料極２０４と排出ガス供給管１２（図示せず）とが接続している。また、第１の燃料電池スタック７では、各単電池２０８の空気極と酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給管（図示せず）とが接続しており、空気極側の排気ガスを排出する排出口（図示せず）が設けられている。
【００５３】
第１の燃料電池スタック７の単電池２０８は、図２に示すように、層状の固体酸化物電解質２０２と、層状の固体酸化物電解質２０２の一方の面に接合された層状の燃料極２０４と、層状の固体酸化物電解質２０２の一方の面に接合された層状の空気極２０６と、の積層体で構成されている。そして、複数の単電池２０８は、インターコネクタ２１０を介して積層されている。つまり、複数の単電池２０８は、各々、一対のインターコネクタ２１０により挟まれた構造を有している。なお、図示しないが、各単電池２０８とインターコネクタ２１０とは外周縁部においてガスシール体を挟持した状態となっている。
【００５４】
固体酸化物電解質２０２は、例えば、酸化物イオン電導性の固体酸化物の緻密体で構成されている。固体酸化物としては、例えば、安定化ジルコニア、部分安定化ジルコニア等が挙げられる。安定化ジルコニアの具体例としては、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）等が挙げられる。部分安定化ジルコニアの具体例としては、イットリア部分安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア部分安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）等が挙げられる。また、固体酸化物としては、例えば、Ｓｍ、Ｇｄ等がドープされたセリア系酸化物；ＬａＧａＯ３を母体とし、ＬａとＧａとの一部をそれぞれＳｒ及びＭｇで置換したＬａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ（３−δ）等のペロブスカイト型酸化物；なども挙げられる。
【００５５】
燃料極２０４は、アノードである。燃料極２０４では、酸素イオンと改質ガスの燃料とが反応して電子を放出する。燃料極２０４は、例えば、多孔質で、イオン伝導性が高く、かつ、高温において固体酸化物電解質２０２等と固体間反応を起こしにくいものであることが好ましい。燃料極２０４は、例えば、Ｎｉ、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）・ニッケル金属の多孔質サーメット、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）・ニッケル金属の多孔質サーメット等により構成されることが好ましい。燃料極２０４は、上記材料の２種以上を混合した混合材料により構成されていてもよい。
【００５６】
空気極２０６は、カソードである。空気極２０６では、酸化剤ガスの酸素が電子を取り込んで、酸素イオンが形成される。空気極２０６は、例えば、多孔質で、電子伝導率が高く、かつ、高温において固体酸化物電解質２０２等と固体間反応を起こしにくいものであることが好ましい。空気極２０６は、例えば、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）、Ｓｎをドープした酸化インジウム、ＰｒＣｏＯ３系酸化物、ＬａＣｏＯ３系酸化物、ＬａＭｎＯ３系酸化物等により構成されることが好ましい。ＬａＭｎＯ３系酸化物の具体例としては、例えば、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２ＭｎＯ３（ＬＳＭ）、Ｌａ０．６Ｃａ０．４ＭｎＯ３（ＬＣＭ）等が挙げられる。空気極２０６は、上記材料の２種以上を混合した混合材料で構成されてもよい。
【００５７】
インターコネクタ２１０には、燃料極２０４又は空気極２０６に対して電子の授受を行うため、電子伝導性の部材で構成されている。そして、インターコネクタ２１０は、燃料極２０４と対向する側の面側に改質ガスを供給するための改質ガス流路形成溝２１０Ａと、空気極２０６と対向する面側に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路形成溝２１０Ｂと、が形成されている。改質ガス流路形成溝２１０Ａと酸化剤ガス流路形成溝２１０Ｂとは、例えば、互いに交差する方向に沿って形成されている。改質ガス流路形成溝２１０Ａは、インターコネクタ２１０が燃料極２０４に密着配置することで、燃料極２０４に改質ガスを供給するための改質ガス流路として機能する。一方、酸化剤ガス流路形成溝２１０Ｂは、インターコネクタ２１０が空気極２０６に密着配置することで、空気極２０６に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路として機能する。
【００５８】
インターコネクタ２１０の構成材料は、特に限定されない。インターコネクタ２１０は、一般的には合金を用いる。例えば、ＳＵＳ３１０Ｓ、ＺＭＧ２３２（日立金属株式会社製）が挙げられる。インターコネクタ２１０の構成材料としては、電子伝導性を持つ酸化物でもよく、具体的には、ＬａＣｒＯ３系酸化物の緻密体でもよい。
【００５９】
次に、単電池２０８で起こる電気化学反応について説明する。まず、単電池２０８の空気極２０６には、酸素を含む酸化剤ガスが供給されることにより、以下の式（３）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２０２の内部を移動する。
【００６０】
（式３）
Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２−・・・・（３）
【００６１】
また、燃料極２０４には、一酸化炭素及び水素を含む改質ガスが供給され、固体酸化物電解質２０２の内部を移動する酸素イオンから燃料極２０４と固体酸化物電解質２０２との界面にて電子を受け取ることにより、以下の式（４）に示す反応が起こる。
【００６２】
（式４）
ＣＯ＋３Ｈ２＋４Ｏ２−→ＣＯ２＋３Ｈ２Ｏ＋８ｅ−・・・・（４）
【００６３】
上記式（４）に示すような、単電池での改質ガスの電気化学的な反応により、主に二酸化炭素及び水蒸気が生成され、発電が行なわれる。
【００６４】
（発電方法）
本発明の燃料電池発電システムを用いた発電方法の一実施形態について、以下に説明する。まず、本実施形態に係る燃料電池発電システム１では、炭化水素燃料主供給管２に改質前の炭化水素燃料（例えば、メタンガスなど）が供給される。また、改質水供給管４に改質水（例えば、水道水など）が供給される。そして、改質器５に炭化水素燃料及び改質水が供給される。なお、炭化水素燃料主供給管２と改質水供給管４とを接続させて、改質器５に炭化水素燃料及び改質水を供給してもよい。この場合、気化器で改質水を気化して水蒸気とした後、炭化水素燃料と水蒸気とを混合し、この混合ガスを改質器５に供給することが好ましい。
【００６５】
改質器５では、炭化水素燃料が水蒸気改質により、水素、一酸化炭素等を含む改質ガスが生成される。改質ガスには、改質反応の結果生じた二酸化炭素も含まれる。生成した改質ガスは、改質ガス供給管１１を通じて二酸化炭素除去装置６へ供給される。
【００６６】
二酸化炭素除去装置６では、改質ガス中の二酸化炭素が分離、除去されるため、改質ガス中の酸素濃度が減少する。そして、二酸化炭素が分離、除去された改質ガスは、改質ガス供給管１１を通じて第１の燃料電池スタック７の燃料極へ供給される。
【００６７】
また、酸化剤ガスとして空気などの酸素含有ガスは、酸化剤ガス供給管（図示せず）を通じて第１の燃料電池スタック７の空気極へ供給される。酸化剤ガスは、熱交換器により、例えば６５０℃以上１０００℃以下まで昇温されている。
【００６８】
第１の燃料電池スタック７では、供給された改質ガスと酸化剤ガスとにより発電が行われる。具体的には、酸化剤ガスが空気極に到達すると、上記式（３）に示すように、酸化剤ガスの酸素が電子を取り込んで酸素イオンが生成する。そして、生成した酸素イオンは固体酸化物電解質を通じて燃料極側へ移動する。一方、改質ガスが燃料極へ到達すると、上記式（４）に示すように、改質ガス中の一酸化炭素及び水素が固体酸化物電解質を通じて移動した酸素イオンと反応して電子を放出する。
【００６９】
発電に使用された改質ガスは、排出ガスとして第１の燃料電池スタック７の燃料極側から排出され、排出ガス供給管１２に供給される。排出ガスには、発電により生じた二酸化炭素及び水蒸気が含まれている。一方、発電に使用された酸化剤ガスは、排出ガスとして第１の燃料電池スタック７から排出され、熱交換器により新たに供給される酸化剤ガスに熱交換される。
【００７０】
次に、排出ガス供給管１２を通じて改質器８に水蒸気を含む排出ガスが供給される。また、流量制御バルブＶ２を開くことにより、炭化水素燃料副供給管３を通じて改質器８に炭化水素燃料（例えば、メタンガスなど）が供給される。
【００７１】
改質器８では、炭化水素燃料が水蒸気改質により、水素、一酸化炭素等を含むガスが生成される。生成されたガスには、第１の燃料電池スタック７から排出された二酸化炭素、及び、改質反応の結果生じた二酸化炭素も含まれる。生成されたガスは、排出ガス供給管１２を通じて二酸化炭素除去装置９へ供給される。
【００７２】
ここでは、第１の燃料電池スタック７から排出された排出ガス中の水蒸気を使用して水蒸気改質を行なっているため、改質水を外部より改質器８へ供給する必要がない。これにより、第２の燃料電池スタック１０に供給されるガス中の酸素濃度を下げることができる。
【００７３】
二酸化炭素除去装置９では、生成されたガス中の二酸化炭素が分離、除去される。これにより、ガス中の酸素濃度がさらに減少する。二酸化炭素が分離、除去されたガスは、排出ガス供給管１２を通じて第２の燃料電池スタック１０の燃料極へ供給される。そして、第１の燃料電池スタック７と同様、供給されたガスと酸化剤ガスとにより発電が行われる。
【００７４】
発電に使用されたガスは、排出ガスとして第２の燃料電池スタック１０から排出されるが、この排出ガスは排出ガス供給管に供給して別の燃料電池スタックでの発電に再度使用してもよく、外部に排出してもよい。
【００７５】
（発明の作用及び効果）
燃料電池発電システム１は、供給された炭化水素燃料を改質器５にて水蒸気改質を行ない、主に一酸化炭素及び水素を含有する改質ガスに改質した後、水蒸気改質により生成される二酸化炭素、及び、第１の燃料電池スタック７からの排出ガス中の二酸化炭素を二酸化炭素除去装置６にて除去する。そして、二酸化炭素を除去した改質ガスを第１の燃料電池スタック７に供給し、発電を行なう。これにより、第１の燃料電池スタック７に供給される改質ガス中の酸素濃度を小さくすることができ、第１の燃料電池スタック７にて燃料極側と空気極側とでより大きな酸素分圧差が生じる。その結果、燃料電池発電システム１での起電力を向上させることができ、より発電効率を向上させることができる。
【００７６】
次に、炭化水素燃料副供給管３より炭化水素燃料を供給し、第１の燃料電池スタック７から排出された排出ガス中の水蒸気を用いて、改質器８にて水蒸気改質を行ない、一酸化炭素及び水素を生成する。一酸化炭素及び水素を含むガスを第２の燃料電池スタック１０に供給し、発電を行なう。これにより、第１の燃料電池スタック７から排出された排出ガス中の水蒸気を用いて改質し、改質により生成された一酸化炭素及び水素を第２の燃料電池スタック１０での発電に用いているため、燃料電池発電システム１に供給する改質水の量を削減することができる。そして、燃料を分配せずに供給する場合よりも、第２の燃料電池スタック１０に供給されるガスに含まれる酸素濃度を小さくすることができる。
【００７７】
また、第１の燃料電池スタック７から排出された排出ガスに含まれる二酸化炭素、及び、改質器８での水蒸気改質により生じた二酸化炭素を二酸化炭素除去装置９にて除去した後、一酸化炭素及び水素を含むガスを第２の燃料電池スタック１０に供給する。これにより、第２の燃料電池スタック１０に供給されるガスに含まれる酸素濃度を小さくすることができるため、第２の燃料電池スタック１０にて燃料極側と空気極側とでより大きな酸素分圧差が生じる。その結果、燃料電池発電システム１での起電力を向上させることができ、さらに発電効率を向上させることができる。
【００７８】
〔他の形態１〕
本発明に係る燃料電池発電システムは、上述した燃料電池発電システム１の構成に限定されず、他の形態であってもよい。例えば、本発明に係る燃料電池発電システムでは、改質器が第１の燃料電池スタック又は第２の燃料電池スタックの外部に取り付けられている必要はなく、各燃料電池スタックの内部で水蒸気改質（内部改質）を行なう構成であってもよい。燃料電池スタック内部での反応温度は７００℃〜１０００℃と高温であるため、燃料極を構成するニッケルの触媒作用によって、電池内で水蒸気改質を行なうことが可能である。
【００７９】
〔他の形態２〕
本発明に係る燃料電池発電システムでは、二酸化炭素除去装置９（第１の二酸化炭素除去装置）が改質器８（第２の改質器）よりも下流に配置されている上記構成に限定されず、第１の二酸化炭素除去装置が第２の改質器よりも上流に配置されていてもよい。これにより、第２の改質器の後段における第１の排出ガス供給管に炭素が析出する炭素析出を抑制することができ、その結果、第１の排出ガス供給管の詰まりを抑制することができる。第１の二酸化炭素除去装置を第２の改質器の前に配置した場合であっても、第１の燃料電池スタックからの排出ガス中の二酸化炭素を除去するため、第２の燃料電池スタックに供給されるガス中の酸素濃度を好適に小さくすることができ、燃料電池発電システムの起電力向上に寄与する。
【００８０】
また、第１の排出ガス供給管と第１の炭化水素燃料供給管との接続部分に第２の改質器が設けられている必要はなく、第２の改質器は接続部分よりも下流に設けられていてもよい。このとき、第１の排出ガス供給管と第１の炭化水素燃料供給管との接続部分よりも上流に第１の二酸化炭素除去装置を設置するか、あるいは、接続部分よりも下流に第１の二酸化炭素除去装置を設置するかは、第１の二酸化炭素除去装置内の二酸化炭素を吸着するフィルターや二酸化炭素吸収剤の性質によって適宜定めればよい。メタン及び二酸化炭素を吸着する材料、例えば、リチウム化ジルコニアなどの二酸化炭素吸収剤を第１の二酸化炭素除去装置にて採用する場合、接続部分よりも上流に第１の二酸化炭素除去装置を設けることが好ましい。
【００８１】
〔他の形態３〕
本発明に係る燃料電池発電システムが備える燃料電池スタックは、第１の燃料電池スタック及び第２の燃料電池スタックの二つに限定されず、図３に示すように、三つ以上であってもよい。図３は、他の形態に係る燃料電池発電システムを示す概略構成図である。
【００８２】
他の形態に係る燃料電池発電システム１００では、固体酸化物電解質、燃料極、及び空気極を備える第（ｎ−１）の燃料電池スタック１７（ｎは３以上の整数）よりも下流に配置され、固体酸化物電解質、燃料極、及び空気極を備える第ｎの燃料電池スタック２０と、第（ｎ−１）の燃料電池スタック１７及び第ｎの燃料電池スタック２０に接続され、第（ｎ−１）の燃料電池スタック１７の燃料極側から排出される排出ガスを第ｎの燃料電池スタック２０に供給する排出ガス供給管２２と、排出ガス供給管２２に接続されており、排出ガス供給管２２を介して、炭化水素燃料を第ｎの燃料電池スタック２０に供給する炭化水素燃料副供給管１３と、排出ガス供給管２２に接続され、第ｎの燃料電池スタック２０に供給される少なくとも排出ガス中の二酸化炭素を除去する第ｎの二酸化炭素除去装置１９と、をさらに備える。炭化水素燃料副供給管１３には、炭化水素燃料の流量を調整する流量制御バルブＶが設けられている。
【００８３】
この燃料電池発電システム１００では、第（ｎ−１）の燃料電池スタック１７の燃料極側から排出される排出ガスを、炭化水素燃料副供給管１３から供給される炭化水素燃料とともに、排出ガス供給管２２を介して第ｎの燃料電池スタック２０に供給する。したがって、第（ｎ−１）の燃料電池スタック１７の燃料極側から排出される排出ガス中の水蒸気を使用し、炭化水素燃料副供給管１３から供給される炭化水素燃料を改質することができるため、システム全体として燃料極側の酸素濃度を減少させることができる。したがって、発電効率をより向上させることができる。
【００８４】
さらに、第（ｎ−１）の燃料電池スタック１７の燃料極側から排出される排出ガスを第ｎの燃料電池スタック２０に供給する前に、当該排出ガス中に含まれる二酸化炭素は第ｎの二酸化炭素除去装置１９で除去されるため、第ｎの燃料電池スタック２０の燃料極に供給される排出ガス中の酸素濃度は少なくなる。よって、第ｎの燃料電池スタック２０にて燃料極側と空気極側とでより大きな酸素分圧差が生じるため、燃料電池発電システム１００での起電力を向上させることができ、さらに発電効率を向上させることができる。
【００８５】
さらに、燃料電池発電システム１００には、排出ガス供給管２２に接続され、かつ、排出ガス供給管２２と炭化水素燃料副供給管１３との接続部分に、改質器１８（第ｎの改質器）が設けられている。これにより、炭化水素燃料副供給管１３より供給される炭化水素燃料を水蒸気改質して水蒸気改質反応を促進することができ、第ｎの燃料電池スタック２０にて効率的な発電が可能となる。なお、改質器は、接続部分よりも下流に配置されていてもよい。
【００８６】
例えば、ｎ＝５の場合、図１の構成に加えて、第２の燃料電池スタック１０よりも下流に、第３の改質器、第３の二酸化炭素除去装置、第３の燃料電池スタックがこの順番に配置され、これらは第２の排出ガス供給管でそれぞれ接続され、第３の改質器に炭化水素燃料を供給する第２の炭化水素燃料供給管が接続されている。さらに、第３の燃料電池スタックよりも下流では、第４の改質器、第４の二酸化炭素除去装置、第４の燃料電池スタック、第５の改質器、第５の二酸化炭素除去装置、第５の燃料電池スタックがこの順番に配置され、第３の燃料電池スタックから第４の燃料電池スタックまでは第３の炭化水素燃料供給管で接続され、第４の燃料電池スタックから第５の燃料電池スタックまでは第４の炭化水素燃料供給管で接続されている。また、第４の改質器に炭化水素燃料を供給する第３の炭化水素燃料供給管が接続され、第５の改質器に炭化水素燃料を供給する第４の炭化水素燃料供給管が接続されている。
【００８７】
上記ｎ＝５の場合、燃料電池スタックが５つ設けられることになり、より上流に配置された燃料電池スタックの燃料極側から排出される排出ガス及び各炭化水素燃料供給管から供給される炭化水素燃料を用いて発電を行なっている。これにより、排出ガス中に含まれる水蒸気を用いた効率的な発電が可能となる。
【００８８】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、それぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【００８９】
〔シミュレーション結果〕
以下、図４を用いて、本実施形態に係る燃料電池発電システムのシミュレーション結果を説明する。図４は、ｎ＝２とし、第１の燃料電池スタックに対して、Ｓ／Ｃ（スチームカーボン比）＝２．５と固定し、第１、２の燃料電池スタックの燃料利用率をそれぞれ７５％とした場合の第２の燃料電池スタックにおける開回路電圧（ＯＣＶ）上昇を計算した結果を示したものである。なお、図４では、二酸化炭素除去装置がない場合のＯＣＶと、二酸化炭素除去装置がある場合のＯＣＶ（ＯＣＶ  ｗ  ＣＯ２ｆｉｌｔｅｒ）とを比較している。また、このシミュレーションでは、理想的な環境として二酸化炭素除去装置にてすべての二酸化炭素が除去されたものと仮定している。シミュレーション結果では、炭素析出が発生しない条件で、第１の燃料電池スタックにできるだけ少ない燃料を流した場合に最も出力が大きくなった。そのときの発電効率は１ポイント上昇した。
【符号の説明】
【００９０】
１、１００        燃料電池発電システム
２                炭化水素燃料主供給管
３、１３          炭化水素燃料副供給管（第１の炭化水素燃料供給管、第（ｎ−１）の炭化水素燃料供給管）
４                改質水供給管
５                改質器（第１の改質器）
６                二酸化炭素除去装置（第２の二酸化炭素除去装置）
７                第１の燃料電池スタック
８                改質器（第２の改質器）
９                二酸化炭素除去装置（第１の二酸化炭素除去装置）
１０              第２の燃料電池スタック
１１              改質ガス供給管
１２、２２        排出ガス供給管（第１の排出ガス供給管、第（ｎ−１）の排出供給管）
１７              第（ｎ−１）の燃料電池スタック
１８              改質器（第ｎの改質器）
１９              二酸化炭素除去装置（第ｎの二酸化炭素除去装置）
２０              第ｎの燃料電池スタック
Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ  流量制御バルブ
２０２            固体酸化物電解質
２０４            燃料極
２０６            空気極
２０８            単電池
２１０            インターコネクタ
２１０Ａ          改質ガス流路形成溝
２１０Ｂ          酸化剤ガス流路形成溝
【図１】
2015201266.tif 000003
【図２】
2015201266.tif 000004
【図３】
2015201266.tif 000005
【図４】
2015201266.tif 000006