(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気源として前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させて二酸化炭素と水素とを得るＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の一酸化炭素を酸素で酸化し二酸化炭素に変換するＣＯ選択酸化器と、前記ＣＯ選択酸化器の排出ガス中の水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う２組以上の第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、
前記第一の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記燃料の供給量を増加させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を減少させ、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記燃料の供給量を減少させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項２】
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気源として前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させて二酸化炭素と水素とを得るＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の一酸化炭素を酸素で酸化し二酸化炭素に変換するＣＯ選択酸化器と、前記ＣＯ選択酸化器の排出ガス中の水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う２組以上の第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、
前記第二の燃料電池セルスタックの出力の合計が増加した場合に前記燃料の供給量を増加させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を減少させ、前記第二の燃料電池セルスタックの出力の合計が減少した場合に前記燃料の供給量を減少させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項３】
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気源として前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させて二酸化炭素と水素とを得るＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を選択的に分離する水素分離器と、前記水素分離器で分離した前記水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う２組以上の第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、
前記第一の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記燃料の供給量を増加させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を減少させ、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記燃料の供給量を減少させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項４】
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気源として前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させて二酸化炭素と水素とを得るＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を選択的に分離する水素分離器と、前記水素分離器で分離した前記水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う２組以上の第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、
前記第二の燃料電池セルスタックの出力の合計が増加した場合に前記燃料の供給量を増加させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を減少させ、前記第二の燃料電池セルスタックの出力の合計が減少した場合に前記燃料の供給量を減少させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項５】
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気源として前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させて二酸化炭素と水素とを得るＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の一酸化炭素を酸素で酸化し二酸化炭素に変換するＣＯ選択酸化器と、前記ＣＯ選択酸化器の排出ガス中の水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う２組以上の第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、
前記第一の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記燃料の供給量を増加させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を減少させ、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記燃料の供給量を減少させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項６】
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気源として前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させて二酸化炭素と水素とを得るＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の一酸化炭素を酸素で酸化し二酸化炭素に変換するＣＯ選択酸化器と、前記ＣＯ選択酸化器の排出ガス中の水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う２組以上の第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、
前記第二の燃料電池セルスタックの出力の合計が増加した場合に前記燃料の供給量を増加させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を減少させ、前記第二の燃料電池セルスタックの出力の合計が減少した場合に前記燃料の供給量を減少させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項７】
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気源として前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させて二酸化炭素と水素とを得るＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を選択的に分離する水素分離器と、前記水素分離器で分離した前記水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う２組以上の第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、
前記第一の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記燃料の供給量を増加させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を減少させ、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記燃料の供給量を減少させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項８】
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気源として前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させて二酸化炭素と水素とを得るＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を選択的に分離する水素分離器と、前記水素分離器で分離した前記水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う２組以上の第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、
前記第二の燃料電池セルスタックの出力の合計が増加した場合に前記燃料の供給量を増加させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を減少させ、前記第二の燃料電池セルスタックの出力の合計が減少した場合に前記燃料の供給量を減少させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項９】
燃料極で燃料の水蒸気改質反応を行わせ水素と一酸化炭素を生成させるとともに、前記燃料極で生成した前記水素、もしくは前記水素及び前記一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した熱を前記燃料極での前記水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費し、また、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気源として前記燃料極に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させて二酸化炭素と水素とを得るＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の一酸化炭素を酸素で酸化し二酸化炭素に変換するＣＯ選択酸化器と、前記ＣＯ選択酸化器の排出ガス中の水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う２組以上の第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、
前記第一の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記燃料の供給量を増加させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を減少させ、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記燃料の供給量を減少させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項１０】
燃料極で燃料の水蒸気改質反応を行わせ水素と一酸化炭素を生成させるとともに、前記燃料極で生成した前記水素、もしくは前記水素及び前記一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した熱を前記燃料極での前記水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費し、また、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気源として前記燃料極に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させて二酸化炭素と水素とを得るＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の一酸化炭素を酸素で酸化し二酸化炭素に変換するＣＯ選択酸化器と、前記ＣＯ選択酸化器の排出ガス中の水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う２組以上の第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、
前記第二の燃料電池セルスタックの出力の合計が増加した場合に前記燃料の供給量を増加させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を減少させ、前記第二の燃料電池セルスタックの出力の合計が減少した場合に前記燃料の供給量を減少させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項１１】
燃料極で燃料の水蒸気改質反応を行わせ水素と一酸化炭素を生成させるとともに、前記燃料極で生成した前記水素、もしくは前記水素及び前記一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した熱を前記燃料極での前記水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費し、また、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気源として前記燃料極に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させて二酸化炭素と水素とを得るＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を選択的に分離する水素分離器と、前記水素分離器で分離した前記水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う２組以上の第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、
前記第一の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記燃料の供給量を増加させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を減少させ、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記燃料の供給量を減少させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項１２】
燃料極で燃料の水蒸気改質反応を行わせ水素と一酸化炭素を生成させるとともに、前記燃料極で生成した前記水素、もしくは前記水素及び前記一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した熱を前記燃料極での前記水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費し、また、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気源として前記燃料極に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させて二酸化炭素と水素とを得るＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を選択的に分離する水素分離器と、前記水素分離器で分離した前記水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う２組以上の第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、
前記第二の燃料電池セルスタックの出力の合計が増加した場合に前記燃料の供給量を増加させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を減少させ、前記第二の燃料電池セルスタックの出力の合計が減少した場合に前記燃料の供給量を減少させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項１３】
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気源として前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させて二酸化炭素と水素とを得るＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う２組以上の第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、
前記第一の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記燃料の供給量を増加させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を減少させ、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記燃料の供給量を減少させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項１４】
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気源として前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させて二酸化炭素と水素とを得るＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う２組以上の第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、
前記第二の燃料電池セルスタックの出力の合計が増加した場合に前記燃料の供給量を増加させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を減少させ、前記第二の燃料電池セルスタックの出力の合計が減少した場合に前記燃料の供給量を減少させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項１５】
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気源として前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させて二酸化炭素と水素とを得るＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う２組以上の第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、
前記第一の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記燃料の供給量を増加させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を減少させ、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記燃料の供給量を減少させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項１６】
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気源として前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させて二酸化炭素と水素とを得るＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う２組以上の第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、
前記第二の燃料電池セルスタックの出力の合計が増加した場合に前記燃料の供給量を増加させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を減少させ、前記第二の燃料電池セルスタックの出力の合計が減少した場合に前記燃料の供給量を減少させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項１７】
燃料極で燃料の水蒸気改質反応を行わせ水素と一酸化炭素を生成させるとともに、前記燃料極で生成した前記水素、もしくは前記水素及び前記一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した熱を前記燃料極での前記水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費し、また、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気源として前記燃料極に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させて二酸化炭素と水素とを得るＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う２組以上の第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、
前記第一の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記燃料の供給量を増加させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を減少させ、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記燃料の供給量を減少させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項１８】
燃料極で燃料の水蒸気改質反応を行わせ水素と一酸化炭素を生成させるとともに、前記燃料極で生成した前記水素、もしくは前記水素及び前記一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した熱を前記燃料極での前記水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費し、また、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気源として前記燃料極に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させて二酸化炭素と水素とを得るＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う２組以上の第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、
前記第二の燃料電池セルスタックの出力の合計が増加した場合に前記燃料の供給量を増加させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を減少させ、前記第二の燃料電池セルスタックの出力の合計が減少した場合に前記燃料の供給量を減少させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【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の制御方法に係る。
【背景技術】
【０００２】
燃料から製造した水素を複数の燃料電池セルスタックに供給し発電を行う燃料電池発電システムは、例えば、下記特許文献１に開示されている。
【０００３】
図１２は、燃料から製造した水素を複数の燃料電池セルスタックに供給し発電を行う従来の燃料電池発電システムの構成の一例を示している。図１２に示した燃料電池発電システムでは、燃料電池セルスタックとして３組の固体高分子形燃料電池セルスタック９、９５、１０８を用いている。なお、本例では３組の固体高分子形燃料電池セルスタックを用いているが、固体高分子形燃料電池セルスタックの数は必ずしも３組に限定されるわけではなく、２組以上であればいくつでもかまわない。
【０００４】
図１２に示した燃料電池発電システムの主な構成要素は、脱硫器２、改質器３、ＣＯシフトコンバータ４、水素分離器５３、凝縮器５５、固体高分子形燃料電池セルスタック９、９５、１０８、出力調整装置１６、９６、１０９、流量制御弁（１０、２７、３３等）、空気供給用ブロワ１２、８９、１０２、１１５、改質器バーナ１５６、気化器１５７、気化器ポンプ１５８、水タンク１５９、補給水ポンプ１６１、気化器バーナ１７０及び配管類である。
【０００５】
図１２において、１は燃料である天然ガス、２は脱硫器、３は改質器、４はＣＯシフトコンバータ、６は燃料極、７は固体高分子電解質、８は空気極、９は固体高分子形燃料電池セルスタック、１０は流量制御弁、１２は空気供給用ブロワ、１３は固体高分子形燃料電池セルスタック９の空気極排出ガス、１４は空気、１６は出力調整装置、１７は負荷、１８は燃料電池直流出力、１９は送電端交流出力、２１は一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた改質ガスであるＣＯシフトコンバータ４の排出ガス、２２は水素リッチな改質ガス、２４は脱硫天然ガス、２５は固体高分子形燃料電池セルスタック発電用の空気、２７は流量制御弁、３０は電池反応による生成水、３２は脱硫器リサイクル用のＣＯシフトコンバータ４の排出ガス、３３は流量制御弁、５２は水素分離器用のＣＯシフトコンバータ４の排出ガス、５３は水素分離器、５４は水素分離器５３の排出ガス、５５は凝縮器、５６は水素分離器５３の乾燥排出ガス、５７凝縮水、５８は水素、５９は固体高分子形燃料電池セルスタック９の燃料極水素排出ガス、６０はパージ弁、６１はパージガス、８６は流量制御弁、８７は流量制御弁、８８は流量制御弁、８９は空気供給用ブロワ、９０は流量制御弁、９１は固体高分子形燃料電池セルスタック発電用の空気、９２は燃料極、９３は固体高分子電解質、９４は空気極、９５は固体高分子形燃料電池セルスタック、９６は出力調整装置、９７は負荷、９８は燃料電池直流出力、９９は送電端交流出力、１００は固体高分子形燃料電池セルスタック９５の空気極排出ガス、１０２は空気供給用ブロワ、１０３は流量制御弁、１０４は空気、１０５は燃料極、１０６は固体高分子電解質、１０７は空気極、１０８は固体高分子形燃料電池セルスタック、１０９は出力調整装置、１１０は負荷、１１１は燃料電池直流出力、１１２は送電端交流出力、１１３は固体高分子形燃料電池セルスタック１０８の空気極排出ガス、１１５は空気供給用ブロワ、１１６は電池反応による生成水、１１７は電池反応による生成水、１１８は固体高分子形燃料電池セルスタック９５の燃料極水素排出ガス、１１９はパージ弁、１２０はパージガス、１２１は固体高分子形燃料電池セルスタック１０８の燃料極水素排出ガス、１２２はパージ弁、１２３はパージガス、１５４は水蒸気１５５と脱硫天然ガス２４の混合ガス、１５５は水蒸気、１５６は改質器バーナ、１５７は気化器、１５８は気化器ポンプ、１５９は水タンク、１６０は補給水、１６１は補給水ポンプ、１６２は流量制御弁、１６３は改質器バーナ用の天然ガス、１６４は流量制御弁、１６５は改質器バーナ用の空気、１６６は改質器バーナ１５６の燃焼排出ガス、１６７は流量制御弁、１６８は気化器バーナ用の天然ガス、１６９は発電用の天然ガス、１７０は気化器バーナ、１７１は流量制御弁、１７２は気化器バーナ用の空気、１７３は水、１７５は気化器バーナ１７０の燃焼排出ガス、１７６は排出ガスである。
【０００６】
上記「水素リッチ」は、電池反応によって発電に寄与するに足りる濃度の水素を含有することを意味する。
【０００７】
図１２において、固体高分子形燃料電池セルスタック９は、１組の燃料極６、
固体高分子電解質７及び空気極８からなる単セルによって構成されているように示されており、固体高分子形燃料電池セルスタック９５は、１組の燃料極９２、固体高分子電解質９３及び空気極９４からなる単セルによって構成されているように示されており、固体高分子形燃料電池セルスタック１０８は、１組の燃料極１０５、固体高分子電解質１０６及び空気極１０７からなる単セルによって構成されているように示されている。しかし、実際には、固体高分子形燃料電池セルスタック９、９５及び１０８は、前記単セルを複数組み合わせることによって構成されている。
【０００８】
以下、図１２を用いて、この従来の技術による燃料電池発電システムの作用について説明する。燃料の天然ガス１は、発電用の天然ガス１６９、気化器バーナ用の天然ガス１６８及び改質器バーナ用の天然ガス１６３として、それぞれ脱硫器２、気化器バーナ１７０及び改質器バーナ１５６に供給する。発電用の天然ガス１６９の供給量は、予め設定された固体高分子形燃料電池セルスタック９、９５、１０８の燃料電池直流出力１８、９８、１１１の電池電流の合計と流量制御弁２７の開度（すなわち、発電用の天然ガス１６９の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁２７の開度を制御することによって、燃料電池直流出力１８、９８、１１１の電池電流の合計に見合った値に設定する。
【０００９】
脱硫器２では、充填された脱硫触媒のコバルト−モリブデン系触媒と酸化亜鉛吸着剤の働きにより、改質器３の改質触媒と、固体高分子形燃料電池セルスタック９、９５、１０８の燃料極６、９２、１０５の電極触媒の劣化原因となる発電用の天然ガス１６９中のメルカプタン等の腐臭剤に含まれる硫黄成分を水添脱硫により吸着除去する。すなわち、コバルト−モリブデン系触媒により最初に硫黄と水素を反応させて硫化水素を生成させ、次にこの硫化水素と酸化亜鉛を反応させることによって硫化亜鉛を生成させて、硫黄成分を除去する。硫化水素の生成に必要な水素を供給するために、水素リッチな一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた改質ガスであるＣＯシフトコンバータ４の排出ガス２１の一部を、脱硫器リサイクル用のＣＯシフトコンバータ４の排出ガス３２として脱硫器２にリサイクルする。脱硫器リサイクル用のＣＯシフトコンバータ４の排出ガス３２の供給量は、予め設定された流量制御弁２７の開度（すなわち、発電用の天然ガス１６９の供給量）と流量制御弁３３の開度（すなわち、脱硫器リサクル用のＣＯシフトコンバータ４の排出ガス３２の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁３３の開度を制御することによって、発電用の天然ガス１６９の供給量と見合った値に設定する。硫化水素の生成反応と硫化亜鉛の生成反応は吸熱反応であり、反応に必要な反応熱は、後述する発熱反応であるＣＯシフトコンバータ４での水性シフト反応によって発生する熱をＣＯシフトコンバータ４から脱硫器２に供給することによってまかなう。
【００１０】
脱硫器２で脱硫された脱硫天然ガス２４は、気化器１５７から供給された水蒸気１５５と混合し、水蒸気１５５と脱硫天然ガス２４の混合ガス１５４として、ニッケル系触媒やルテニウム系触媒を改質触媒として充填した改質器３に供給する。脱硫天然ガス２４と混合する水蒸気１５５の供給量は、予め設定された流量制御弁２７の開度（すなわち、発電用の天然ガス１６９の供給量）と流量制御弁１６２の開度（すなわち、水蒸気１５５の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１６２の開度を制御することによって、発電用の天然ガス１６９の供給量に対して水蒸気１５５と脱硫天然ガス２４の混合ガス１５４が予め設定された所定のスチームカーボン比（水蒸気の炭素に対するモル比）となるように設定する。
【００１１】
気化器１５７では、水タンク１５９から気化器ポンプ１５８で供給した水１７３を気化させる。水１７３の気化に必要な熱は、後述する高温の改質器バーナ１５６の燃焼排出ガス１６６を気化器１５７に供給し、水１７３と熱交換させることによって供給する。水１７３と気化器１５７で熱交換を行った改質器バーナ１５６の燃焼排出ガス１６６は、排出ガス１７６として排出する。気化器１５７での水１７３の気化に必要な熱の供給が、改質器バーナ１５６の燃焼排出ガス１６６との熱交換だけでは不足する場合には、天然ガス１を気化器バーナ用の天然ガス１６８として気化器バーナ１７０に供給するとともに、空気供給用ブロワ１２で取り込んだ空気１４の一部を気化器バーナ用の空気１７２として気化器バーナ１７０に供給し、両者を燃焼反応させることによって、気化器１５７にさらに熱を供給する。気化器バーナ１７０からは気化器バーナ１７０の燃焼排出ガス１７５が放出される。気化器バーナ１７０に供給する気化器バーナ用の天然ガス１６８の供給量は、予め設定された気化器１５７の温度と流量制御弁１７１の開度（すなわち、気化器バーナ用の天然ガス１６８の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１７１の開度を制御することによって、予め設定された所定の気化器温度となるように設定する。また、気化器バーナ１７０に供給する気化器バーナ用の空気１７２の供給量は、予め設定された流量制御弁１７１の開度（すなわち、気化器バーナ用の天然ガス１６８の供給量）と流量制御弁１６７の開度（すなわち、気化器バーナ用の空気１７２の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１６７の開度を制御することによって、予め設定された所定の空燃比（空気対燃料比）となるように設定する。
【００１２】
水タンク１５９には、後述する凝縮器５５で凝縮させた凝縮水５７を供給する。これだけでは水タンク１５９の水が不足する場合には、必要に応じて補給水ポンプ１６１を作動させ、補給水１６０を水タンク１５９に供給する。
【００１３】
改質器３では、充填された改質触媒の働きにより天然ガス１に含まれる炭化水素の水蒸気改質反応が行われ、水素リッチな改質ガス２２がつくられる。天然ガス１の主成分であるメタンの水蒸気改質反応は（１）式で表される。
【００１４】
（メタンの水蒸気改質反応）
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ → ＣＯ＋３Ｈ２                          （１）
この（１）式に示したメタンの水蒸気改質反応等の炭化水素の水蒸気改質反応は吸熱反応であり、効率的に水素を生成させるためには、改質器３の外部から必要な反応熱を供給し、改質器３の温度を７００〜７５０℃に維持しなければならない。このため、天然ガス１を改質器バーナ用の天然ガス１６３として改質器バーナ１５６に供給するとともに、改質器バーナ用の空気１６５を改質器バーナ１５６に供給し、両者を燃焼反応させることによって、改質器３に水蒸気改質反応に必要な反応熱を供給する。改質器バーナ１５６に供給する改質器バーナ用の天然ガス１６３の供給量は、予め設定された流量制御弁２７の開度（すなわち、発電用の天然ガス１６９の供給量）と流量制御弁１６２の開度（すなわち、改質器バーナ用の天然ガス１６３の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１６２の開度を制御することによって、発電用の天然ガス１６９の供給量に見合った値に設定する。また、改質器バーナ１５６に供給する改質器バーナ用の空気１６５の供給量は、予め設定された流量制御弁１６２の開度（すなわち、改質器バーナ用の天然ガス１６３の供給量）と流量制御弁１６４の開度（すなわち、改質器バーナ用の空気１６５の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１６４の開度を制御することによって、予め設定された所定の空燃比となるように設定する。
【００１５】
改質器３の排出ガスである水素リッチな改質ガス２２中には、固体高分子形燃料電池セルスタック９、９５、１０８の燃料極６、９２、１０５の電極触媒の劣化原因となる一酸化炭素が含まれているので、水素リッチな改質ガス２２は、銅−亜鉛系触媒等のシフト触媒が充填されたＣＯシフトコンバータ４に供給し、シフト触媒の働きにより（２）式に示す水性シフト反応を行わせることによって、水素リッチな改質ガス２２中の一酸化炭素濃度を１％以下まで低減させる。
【００１６】
（水性シフト反応）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ → ＣＯ２＋Ｈ２                            （２）
水性シフト反応は発熱反応であり、発生した熱は脱硫器２に供給し、前述した吸熱反応である脱硫器２の硫化水素の生成反応と硫化亜鉛の生成反応の反応熱として利用する。
【００１７】
一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた改質ガスであるＣＯシフトコンバータ４の排出ガス２１の一部は、前述したように脱硫器リサイクル用のＣＯシフトコンバータ４の排出ガス３２として脱硫器２に供給し、残りは、水素分離器用のＣＯシフトコンバータ４の排出ガス５２として、パラジウム膜等の水素分離膜を有する水素分離器５３に供給し、水素５８を分離する。その際、効率的な水素分離を行うために、必要に応じて水素分離器用のＣＯシフトコンバータ４の排出ガス５２の加圧を行う。水素分離器５３の排出ガス５４は、凝縮器５５で凝縮水５７を凝縮させた後に、水素分離器の乾燥排出ガス５６として排出する。水素分離器５３で分離した水素５８は、固体高分子形燃料電池セルスタック９の燃料極６、固体高分子形燃料電池セルスタック９５の燃料極９２、固体高分子形燃料電池セルスタック１０８の燃料極１０５に供給する。
【００１８】
固体高分子形燃料電池セルスタック９の燃料極６への水素５８の供給量は、予め設定された燃料電池直流出力１８の電池電流と流量制御弁８６の開度（すなわち、固体高分子形燃料電池セルスタック９の燃料極６への水素５８の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁８６の開度を制御することによって、燃料電池直流出力１８の電池電流に見合った値に設定する。一方、空気供給用ブロワ１１５で取り込んだ固体高分子形燃料電池セルスタック発電用の空気２５を、固体高分子形燃料電池セルスタック９の空気極８に供給する。固体高分子形燃料電池セルスタック９の空気極８への固体高分子形燃料電池セルスタック発電用の空気２５の供給量は、予め設定された燃料電池直流出力１８の電池電流と流量制御弁１０の開度（すなわち、固体高分子形燃料電池セルスタック発電用の空気２５の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１０の開度を制御することによって、燃料電池直流出力１８の電池電流に見合った値に設定する。固体高分子形燃料電池セルスタック９の発電温度は、６０〜８０℃が一般的であり、電池反応による発熱により発電温度が維持される。
【００１９】
なお、図１２には示されていないが、固体高分子形燃料電池セルスタック９の発電温度を６０〜８０℃に維持するためには、冷却水による固体高分子形燃料電池セルスタック９の冷却が必要であり、この冷却過程で得られた温水を給湯に利用することが可能である。
【００２０】
固体高分子形燃料電池セルスタック９の燃料極６では、白金系電極触媒の働きで、水素の約８０％が、（３）式に示す燃料極反応により水素イオンと電子に変わる。
【００２１】
（燃料極反応）
Ｈ２ → ２Ｈ＋＋２ｅ−                                  （３）
燃料極６で生成した水素イオンは、商品名「ナフィオン」と呼ばれる高分子を例とする、スルフォン酸基を有するフッ素系高分子から構成される固体高分子電解質７の内部を移動し、空気極８に到達する。一方、燃料極６で生成した電子は、外部回路を移動し、空気極８に到達する。この電子が外部回路を移動する過程で、電気エネルギーを燃料電池直流出力１８として取り出すことができる。
【００２２】
固体高分子形燃料電池セルスタック９の空気極８では、白金系電極触媒の働きで、燃料極６から固体高分子電解質７の内部を空気極８に移動してきた水素イオン、燃料極６から外部回路を空気極８に移動してきた電子、及び、空気極８に供給された固体高分子形燃料電池セルスタック発電用の空気２５中の酸素が、（４）式に示す空気極反応により反応し、水が生成する。この水は、電池反応による生成水３０として外部に排出される。
【００２３】
（空気極反応）
２Ｈ＋＋１/２Ｏ２＋２ｅ− → Ｈ２Ｏ                      （４）
（３）式と（４）式をまとめると、固体高分子形燃料電池セルスタック９の電池反応は、（５）式に示す水素と酸素から水ができる水の電気分解の逆反応として表すことができる。
【００２４】
（電池反応）
Ｈ２＋１/２Ｏ２ → Ｈ２Ｏ                                （５）
固体高分子形燃料電池セルスタック９の発電によって得られた燃料電池直流出力１８は、負荷１７に合わせて出力調整装置１６で電圧の変換と直流から交流への変換を行った後に、送電端交流出力１９として負荷１７に供給する。なお、図１２では、出力調整装置１６で直流から交流への変換を行っているが、出力調整装置１６で電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷１７に供給しても良い。また、図１２には示されていないが、固体高分予形燃料電池セルスタック９の発電によって得られた燃料電池直流出力１８を、負荷１７、９７、１１０の少なくとも一つ以上に合わせて出力調整装置１６で電圧の変換と直流から交流への変換を行った後に、送電端交流出力１９として負荷１７、９７、１１０の少なくとも一つ以上に供給しても良い。さらに、出力調整装置１６で電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷１７、９７、１１０の少なくとも一つ以上に供給しても良い。
【００２５】
固体高分子形燃料電池セルスタック発電用の空気２５は、固体高分子形燃料電池セルスタック９の空気極８で酸素の一部を（４）式に示した空気極反応により消費した後に、固体高分子形燃料電池セルスタック９の空気極排出ガス１３として排出する。一方、水素５８は、固体高分子形燃料電池セルスタック９の燃料極６で水素の約８０％を（３）式に示した燃料極反応により消費した後に、固体高分子形燃料電池セルスタック９の燃料極水素排出ガス５９として排出する。この未反応水素からなる燃料極水素排出ガス５９は、固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端効率を向上させるために、すべて燃料極６にリサイクルして発電に利用する。しかし、燃料極水素排出ガス５９中には水素以外の不純物が若干含まれるので、パージ弁６０を間欠的に開け、パージガス６１を放出する。
【００２６】
同様に、固体高分子形燃料電池セルスタック９５の燃料極９２への水素５８の供給量は、予め設定された燃料電池直流出力９８の電池電流と流量制御弁８７の開度（すなわち、固体高分子形燃料電池セルスタック９５の燃料極９２への水素５８の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁８７の開度を制御することによって、燃料電池直流出力９８の電池電流に見合った値に設定する。一方、空気供給用ブロワ８９で取り込んだ固体高分子形燃料電池セルスタック発電用の空気９１を、固体高分子形燃料電池セルスタック９５の空気極９４に供給する。固体高分子形燃料電池セルスタック９５の空気極９４への固体高分子形燃料電池セルスタック発電用の空気９１の供給量は、予め設定された燃料電池直流出力９８の電池電流と流量制御弁９０の開度（すなわち、固体高分子形燃料電池セルスタック発電用の空気９１の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁９０の開度を制御することによって、燃料電池直流出力９８の電池電流に見合った値に設定する。固体高分子形燃料電池セルスタック９５の発電温度は、６０〜８０℃が一般的であり、電池反応による発熱により発電温度が維持される。
【００２７】
なお、図１２には示されていないが、固体高分子形燃料電池セルスタック９５の発電温度を６０〜８０℃に維持するためには、冷却水による固体高分子形燃料電池セルスタック９５の冷却が必要であり、この冷却過程で得られた温水を給湯に利用することが可能である。
【００２８】
固体高分子形燃料電池セルスタック９５の燃料極９２では、白金系電極触媒の働きで、水素の約８０％が、（３）式に示した燃料極反応により水素イオンと電子に変わる。燃料極９２で生成した水素イオンは、商品名「ナフィオン」と呼ばれる高分子を例とする、スルフォン酸基を有するフッ素系高分子から構成される固体高分子電解質９３の内部を移動し、空気極９４に到達する。一方、燃料極９２で生成した電子は、外部回路を移動し、空気極９４に到達する。この電子が外部回路を移動する過程で、電気エネルギーを燃料電池直流出力９８として取り出すことができる。
【００２９】
固体高分子形燃料電池セルスタック９５の空気極９４では、白金系電極触媒の働きで、燃料極９２から固体高分子電解質９３の内部を空気極９４に移動してきた水素イオン、燃料極９２から外部回路を空気極９４に移動してきた電子、及び空気極９４に供給された固体高分子形燃料電池セルスタック発電用の空気９１中の酸素が、（４）式に示した空気極反応により反応し、水が生成する。この水は、電池反応による生成水１１６として外部に排出される。（３）式と（４）式をまとめると、固体高分子形燃料電池セルスタック９５の電池反応は、（５）式に示した水素と酸素から水ができる水の電気分解の逆反応として表すことができる。
【００３０】
固体高分子形燃料電池セルスタック９５の発電によって得られた燃料電池直流出力９８は、負荷９７に合わせて出力調整装置９６で電圧の変換と直流から交流への変換を行った後に、送電端交流出力９９として負荷９７に供給する。なお、図１２では、出力調整装置９６で直流から交流への変換を行っているが、出力調整装置９６で電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷９７に供給しても良い。また、図１２には示されていないが、固体高分子形燃料電池セルスタック９５の発電によって得られた燃料電池直流出力９８を、負荷９７、１７、１１０の少なくとも一つ以上に合わせて出力調整装置９６で電圧の変換と直流から交流への変換を行った後に、送電端交流出力９９として負荷９７、１７、１１０の少なくとも一つ以上に供給しても良い。さらに、出力調整装置９６で電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷９７、１７、１１０の少なくとも一つ以上に供給しても良い。
【００３１】
固体高分子形燃料電池セルスタック発電用の空気９１は、固体高分子形燃料電池セルスタック９５の空気極９４で酸素の一部を（４）式に示した空気極反応により消費した後に、固体高分子形燃料電池セルスタック９５の空気極排出ガス１００として排出する。一方、水素５８は、固体高分子形燃料電池セルスタック９５の燃料極９２で水素の約８０％を（３）式に示した燃料極反応により消費した後に、固体高分予形燃料電池セルスタック９５の燃料極水素排出ガス１１８として排出する。この未反応水素からなる燃料極水素排出ガス１１８は、固体高分子形燃料電池セルスタック９５の送電端効率を向上させるために、すべて燃料極９２にリサイクルして発電に利用する。しかし、燃料極水素排出ガス１１８中には水素以外の不純物が若干含まれるので、パージ弁１１９を間欠的に開け、パージガス１２０を放出する。
【００３２】
また、固体高分子形燃料電池セルスタック１０８の燃料極１０５への水素５８の供給量は、予め設定された燃料電池直流出力１１１の電池電流と流量制御弁８８の開度（すなわち、固体高分子形燃料電池セルスタック１０８の燃料極１０５への水素５８の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁８８の開度を制御することによって、燃料電池直流出力１１１の電池電流に見合った値に設定する。一方、空気供給用ブロワ１０２で取り込んだ固体高分子形燃料電池セルスタック発電用の空気１０４を、固体高分子形燃料電池セルスタヅク１０８の空気極１０７に供給する。固体高分子形燃料電池セルスタック１０８の空気極１０７への固体高分子形燃料電池セルスタック発電用の空気１０４の供給量は、予め設定された燃料電池直流出力１１１の電池電流と流量制御弁１０３の開度（すなわち、固体高分子形燃料電池セルスタック発電用の空気１０４の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１０３の開度を制御することによって、燃料電池直流出力１１１の電池電流に見合った値に設定する。固体高分子形燃料電池セルスタック１０８の発電温度は、６０〜８０℃が一般的であり、電池反応による発熱により発電温度が維持される。
【００３３】
なお、図１２には示されていないが、固体高分子形燃料電池セルスタック１０８の発電温度を６０〜８０℃に維持するためには、冷却水による固体高分子形燃料電池セルスタック１０８の冷却が必要であり、この冷却過程で得られた温水を給湯に利用することが可能である。
【００３４】
固体高分子形燃料電池セルスタック１０８の燃料極１０５では、白金系電極触媒の働きで、水素の約８０％が、（３）式に示した燃料極反応により水素イオンと電子に変わる。燃料極１０５で生成した水素イオンは、商品名「ナフィオン」と呼ばれる高分子を例とする、スルフォン酸基を有するフッ素系高分子から構成される固体高分子電解質１０６の内部を移動し、空気極１０７に到達する。一方、燃料極１０５で生成した電子は、外部回路を移動し、空気極１０７に到達する。この電子が外部回路を移動する過程で、電気エネルギーを燃料電池直流出力１１１として取り出すことができる。
【００３５】
固体高分子形燃料電池セルスタック１０８の空気極１０７では、白金系電極触媒の働きで、燃料極１０５から固体高分子電解質１０６の内部を空気極１０７に移動してきた水素イオン、燃料極１０５から外部回路を空気極１０７に移動してきた電子、及び空気極１０７に供給された固体高分子形燃料電池セルスタック発電用の空気１０４中の酸素が、（４）式に示した空気極反応により反応し、水が生成する。この水は、電池反応による生成水１１７として外部に排出される。
【００３６】
（３）式と（４）式をまとめると、固体高分子形燃料電池セルスタック１０８の電池反応は、（５）式に示した水素と酸素から水ができる水の電気分解の逆反応として表すことができる。
【００３７】
固体高分子形燃料電池セルスタック１０８の発電によって得られた燃料電池直流出力１１１は、負荷１１０に合わせて出力調整装置１０９で電圧の変換と直流から交流への変換を行った後に、送電端交流出力１１２として負荷１１０に供給する。なお、図１２では、出力調整装置１０９で直流から交流への変換を行っているが、出力調整装置１０９で電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷１１０に供給しても良い。また、図１２には示されていないが、固体高分子形燃料電池セルスタック１０８の発電によって得られた燃料電池直流出力１１１を、負荷１１０、１７、９７の少なくとも一つ以上に合わせて出力調整装置１０９で電圧の変換と直流から交流への変換を行った後に、送電端交流出力１１２として負荷１１０、１７、９７の少なくとも一つ以上に供給しても良い。さらに、出力調整装置１０９で電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷１１０、１７、９７の少なくとも１つ以上に供給しても良い。
【００３８】
固体高分子形燃料電池セルスタック発電用の空気１０４は、固体高分子形燃料電池セルスタック１０８の空気極１０７で酸素の一部を（４）式に示した空気極反応により消費した後に、固体高分子形燃料電池セルスタック１０８の空気極排出ガス１１３として排出する。一方、水素５８は、固体高分子形燃料電池セルスタック１０８の燃料極１０５で水素の約８０％を（３）式に示した燃料極反応により消費した後に、固体高分子形燃料電池セルスタック１０８の燃料極水素排出ガス１２１として排出する。この未反応水素からなる燃料極水素排出ガス１２１は、固体高分子形燃料電池セルスタック１０８の送電端効率を向上させるために、すべて燃料極１０５にリサイクルして発電に利用する。しかし、燃料極水素排出ガス１２１中には水素以外の不純物が若干含まれるので、パージ弁１２２を間欠的に開け、パージガス１２３を放出する。
【００３９】
また、２種類の燃料電池セルスタックを組み合わせ発電を行う燃料電池発電システムは、例えば、特願２００２−３２７２３３号及び特願２００２−３５９６７０号に開示されており、また、２種類の燃料電池セルスタックを組み合わせて発電を行う燃料電池発電システムの制御方法は、例えば、特願２００３−０５０７３２号に開示されている。
【００４０】
【特許文献１】特開２００２−３７２１９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００４１】
次に、前述したような従来の技術による燃料電池発電システムの問題点について説明する。図１２に示した従来の燃料電池発電システムでは、改質器３で発電用の天然ガス１６９に含まれる炭化水素の水蒸気改質反応を行わせるのに、改質器バーナ用の天然ガス１６３を改質器バーナ１５６に供給し燃焼させる必要があった。また、気化器１５７を設け、改質器バーナ１５６の燃焼排出ガス１６６と熱交換を行わせるとともに、気化器バーナ１７０に供給した気化器バーナ用の天然ガス１６８を燃焼させることによって、外部から気化器１５７に水１７３の気化に必要な熱を供給し、改質器３での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な水蒸気１５５を生成させなければならなかった。このため、従来の燃料電池発電システムでは、送電端効率が低く、４０％未満であった。
【００４２】
また、２種類の燃料電池セルスタックを組み合わせ発電を行う燃料電池発電システムを制御する従来の方法においては、システムの出力が変化すると発電効率が低下するという問題があった。
【００４３】
本発明の目的は、上記問題を解決し、送電端効率が高い燃料電池システムの出力が変化しても発電効率の低下を抑制しうる、燃料電池発電システムの制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００５３】
上記目的を達成するために、本発明は、請求項１に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気源として前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させて二酸化炭素と水素とを得るＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の一酸化炭素を酸素で酸化し二酸化炭素に変換するＣＯ選択酸化器と、前記ＣＯ選択酸化器の排出ガス中の水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う２組以上の第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、
前記第一の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記燃料の供給量を増加させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を減少させ、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記燃料の供給量を減少させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法を構成する。
【００５４】
また、本発明は、請求項２に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気源として前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させて二酸化炭素と水素とを得るＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の一酸化炭素を酸素で酸化し二酸化炭素に変換するＣＯ選択酸化器と、前記ＣＯ選択酸化器の排出ガス中の水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う２組以上の第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、
前記第二の燃料電池セルスタックの出力の合計が増加した場合に前記燃料の供給量を増加させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を減少させ、前記第二の燃料電池セルスタックの出力の合計が減少した場合に前記燃料の供給量を減少させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法を構成する。
【００５５】
また、本発明は、請求項３に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気源として前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させて二酸化炭素と水素とを得るＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を選択的に分離する水素分離器と、前記水素分離器で分離した前記水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う２組以上の第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、
前記第一の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記燃料の供給量を増加させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を減少させ、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記燃料の供給量を減少させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法を構成する。
【００５６】
また、本発明は、請求項４に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気源として前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させて二酸化炭素と水素とを得るＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を選択的に分離する水素分離器と、前記水素分離器で分離した前記水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う２組以上の第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、
前記第二の燃料電池セルスタックの出力の合計が増加した場合に前記燃料の供給量を増加させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を減少させ、前記第二の燃料電池セルスタックの出力の合計が減少した場合に前記燃料の供給量を減少させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法を構成する。
【００５７】
また、本発明は、請求項５に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気源として前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させて二酸化炭素と水素とを得るＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の一酸化炭素を酸素で酸化し二酸化炭素に変換するＣＯ選択酸化器と、前記ＣＯ選択酸化器の排出ガス中の水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う２組以上の第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、
前記第一の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記燃料の供給量を増加させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を減少させ、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記燃料の供給量を減少させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法を構成する。
【００５８】
また、本発明は、請求項６に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気源として前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させて二酸化炭素と水素とを得るＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の一酸化炭素を酸素で酸化し二酸化炭素に変換するＣＯ選択酸化器と、前記ＣＯ選択酸化器の排出ガス中の水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う２組以上の第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、
前記第二の燃料電池セルスタックの出力の合計が増加した場合に前記燃料の供給量を増加させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を減少させ、前記第二の燃料電池セルスタックの出力の合計が減少した場合に前記燃料の供給量を減少させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法を構成する。
【００５９】
また、本発明は、請求項７に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気源として前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させて二酸化炭素と水素とを得るＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を選択的に分離する水素分離器と、前記水素分離器で分離した前記水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う２組以上の第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、
前記第一の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記燃料の供給量を増加させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を減少させ、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記燃料の供給量を減少させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法を構成する。
【００６０】
また、本発明は、請求項８に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気源として前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させて二酸化炭素と水素とを得るＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を選択的に分離する水素分離器と、前記水素分離器で分離した前記水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う２組以上の第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、
前記第二の燃料電池セルスタックの出力の合計が増加した場合に前記燃料の供給量を増加させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を減少させ、前記第二の燃料電池セルスタックの出力の合計が減少した場合に前記燃料の供給量を減少させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法を構成する。
【００６１】
また、本発明は、請求項９に記載のように、
燃料極で燃料の水蒸気改質反応を行わせ水素と一酸化炭素を生成させるとともに、前記燃料極で生成した前記水素、もしくは前記水素及び前記一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した熱を前記燃料極での前記水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費し、また、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気源として前記燃料極に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させて二酸化炭素と水素とを得るＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の一酸化炭素を酸素で酸化し二酸化炭素に変換するＣＯ選択酸化器と、前記ＣＯ選択酸化器の排出ガス中の水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う２組以上の第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、
前記第一の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記燃料の供給量を増加させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を減少させ、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記燃料の供給量を減少させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法を構成する。
【００６２】
また、本発明は、請求項１０に記載のように、
燃料極で燃料の水蒸気改質反応を行わせ水素と一酸化炭素を生成させるとともに、前記燃料極で生成した前記水素、もしくは前記水素及び前記一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した熱を前記燃料極での前記水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費し、また、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気源として前記燃料極に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させて二酸化炭素と水素とを得るＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の一酸化炭素を酸素で酸化し二酸化炭素に変換するＣＯ選択酸化器と、前記ＣＯ選択酸化器の排出ガス中の水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う２組以上の第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、
前記第二の燃料電池セルスタックの出力の合計が増加した場合に前記燃料の供給量を増加させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を減少させ、前記第二の燃料電池セルスタックの出力の合計が減少した場合に前記燃料の供給量を減少させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法を構成する。
【００６３】
また、本発明は、請求項１１に記載のように、
燃料極で燃料の水蒸気改質反応を行わせ水素と一酸化炭素を生成させるとともに、前記燃料極で生成した前記水素、もしくは前記水素及び前記一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した熱を前記燃料極での前記水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費し、また、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気源として前記燃料極に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させて二酸化炭素と水素とを得るＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を選択的に分離する水素分離器と、前記水素分離器で分離した前記水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う２組以上の第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、
前記第一の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記燃料の供給量を増加させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を減少させ、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記燃料の供給量を減少させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法を構成する。
【００６４】
また、本発明は、請求項１２に記載のように、
燃料極で燃料の水蒸気改質反応を行わせ水素と一酸化炭素を生成させるとともに、前記燃料極で生成した前記水素、もしくは前記水素及び前記一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した熱を前記燃料極での前記水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費し、また、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気源として前記燃料極に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させて二酸化炭素と水素とを得るＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を選択的に分離する水素分離器と、前記水素分離器で分離した前記水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う２組以上の第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、
前記第二の燃料電池セルスタックの出力の合計が増加した場合に前記燃料の供給量を増加させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を減少させ、前記第二の燃料電池セルスタックの出力の合計が減少した場合に前記燃料の供給量を減少させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法を構成する。
【００６５】
また、本発明は、請求項１３に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気源として前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させて二酸化炭素と水素とを得るＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う２組以上の第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、
前記第一の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記燃料の供給量を増加させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を減少させ、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記燃料の供給量を減少させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法を構成する。
【００６６】
また、本発明は、請求項１４に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気源として前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させて二酸化炭素と水素とを得るＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う２組以上の第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、
前記第二の燃料電池セルスタックの出力の合計が増加した場合に前記燃料の供給量を増加させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を減少させ、前記第二の燃料電池セルスタックの出力の合計が減少した場合に前記燃料の供給量を減少させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法を構成する。
【００６７】
また、本発明は、請求項１５に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気源として前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させて二酸化炭素と水素とを得るＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う２組以上の第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、
前記第一の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記燃料の供給量を増加させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を減少させ、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記燃料の供給量を減少させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法を構成する。
【００６８】
また、本発明は、請求項１６に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気源として前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させて二酸化炭素と水素とを得るＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う２組以上の第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、
前記第二の燃料電池セルスタックの出力の合計が増加した場合に前記燃料の供給量を増加させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を減少させ、前記第二の燃料電池セルスタックの出力の合計が減少した場合に前記燃料の供給量を減少させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法を構成する。
【００６９】
また、本発明は、請求項１７に記載のように、
燃料極で燃料の水蒸気改質反応を行わせ水素と一酸化炭素を生成させるとともに、前記燃料極で生成した前記水素、もしくは前記水素及び前記一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した熱を前記燃料極での前記水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費し、また、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気源として前記燃料極に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させて二酸化炭素と水素とを得るＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う２組以上の第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、
前記第一の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記燃料の供給量を増加させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を減少させ、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記燃料の供給量を減少させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法を構成する。
【００７０】
また、本発明は、請求項１８に記載のように、
燃料極で燃料の水蒸気改質反応を行わせ水素と一酸化炭素を生成させるとともに、前記燃料極で生成した前記水素、もしくは前記水素及び前記一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した熱を前記燃料極での前記水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費し、また、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気源として前記燃料極に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させて二酸化炭素と水素とを得るＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う２組以上の第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、
前記第二の燃料電池セルスタックの出力の合計が増加した場合に前記燃料の供給量を増加させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を減少させ、前記第二の燃料電池セルスタックの出力の合計が減少した場合に前記燃料の供給量を減少させるとともに前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法を構成する。
【発明の効果】
【００７１】
本発明の実施によって、燃料電池セルスタックの発電によって発生する排熱を燃料の水蒸気改質反応に必要となる反応熱として利用する燃料電池発電システムの制御方法を構成し、システムの出力が変化しても発電効率の低下を抑制しうる、燃料電池発電システムの制御方法を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００７２】
以下、図面を参照して、本発明に係る燃料電池発電システムとその制御方法とを説明する。
【００７３】
（本発明に係る燃料電池発電システムの説明）
本発明に係る燃料電池発電システムを以下の実施形態１〜９に基づいて説明する。
【００７４】
（実施形態１）
図１は、本発明に係る燃料電池発電システムの一実施形態（これを実施形態１とする）を表す構成図を示している。本実施形態では、第一の燃料電池セルスタックとして固体酸化物形燃料電池セルスタック３８を用い、第二の燃料電池セルスタックとして３組の固体高分子形燃料電池セルスタック９、９５、１０８を用いている。なお、本実施形態では３組の固体高分子形燃料電池セルスタック９、９５、１０８を用いているが、固体高分子形燃料電池セルスタックの数は必ずしも３組に限定されるわけではなく、２組以上であればいくつでもかまわない。
【００７５】
図１に示した燃料電池発電システムの主な構成要素は、脱硫器２、改質器３、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８、ＣＯシフトコンバータ４、ＣＯ選択酸化器５、凝縮器２９、固体高分子形燃料電池セルスタック９、９５、１０８、出力調整装置１６、４８、９６、１０９、流量制御弁１０、１１、２７等、空気供給用ブロワ１２、８９、１０２、１１５及び配管類である。
【００７６】
図１において、前述した図１２と同一のものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。図１において、５はＣＯ選択酸化器、１１は流量制御弁、１５は固体高分子形燃料電池セルスタック９の燃料極排出ガス、２０は一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーに低減させた改質ガスであるＣＯ選択酸化器５の排出ガス、２３はリサイクル用の固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極排出ガス４１と脱硫天然ガス２４との混合ガス、２６はＣＯ選択酸化器用の空気、２８は未反応水蒸気を凝縮させたＣＯ選択酸化器５の排出ガス、２９は凝縮器、３１は凝縮水、３４はＣＯ選択酸化器用のＣＯシフトコンバータ４の排出ガス、３５は燃料極、３６は固体酸化物電解質、３７は空気極、３８は固体酸化物形燃料電池セルスタック、３９は固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気、４０は流量制御弁、４１はリサイクル用の固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極排出ガス、４２は固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極排出ガス、４３は流量制御弁、４４は固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極排出ガス、４５は排出用の固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極排出ガス、４６、４７は流量制御弁、４８は出力調整装置、４９は負荷、５０は燃料電池直流出力、５１は送電端交流出力、１０１は固体高分子形燃料電池セルスタック９５の燃料極排出ガス、１１４は固体高分子形燃料電池セルスタック１０８の燃料極排出ガスである。
【００７７】
図１において、固体電解質形燃料電池セルスタック３８は、１組の燃料極３５、固体酸化物電解質３６及び空気極３７からなる単セルによって構成されているように示されているが、実際には固体酸化物形燃料電池セルスタック３８は前記単セルを複数組み合わせることによって構成されている。
【００７８】
図１を用いて、本実施形態を説明する。本実施形態による燃料電池発電システムは、図１２に示した従来の技術による燃料電池発電システムとは、図１に示したように、改質器バーナ１５６、気化器１５７、水タンク１５９及び気化器バーナ１７０が不要な点と、第二の燃料電池セルスタックである固体高分子形燃料電池セルスタック９、９５、１０８以外に、第一の燃料電池セルスタックとして、燃料極３５、固体酸化物電解質３６及び空気極３７からなる単セルを複数有する固体酸化物形燃料電池セルスタック３８を改質器３の近傍に設置し、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８で発電した燃料電池直流出力５０を出力調整装置４８で送電端交流出力５１に変換した後に負荷４９、１７、９７、１１０の少なくとも一つ以上に供給する点と、水素分離器５３と凝縮器５５の代わりにＣＯ選択酸化器５と凝縮器２９を設けた点が大きく異なる。
【００７９】
次に、本実施形態による燃料電池発電システムの作用について、図１を参照して説明する。燃料の天然ガス１を脱硫器２に供給する。天然ガス１の供給量は、予め設定された燃料電池直流出力１８、５０、９８及び１１１の電池電流の合計と流量制御弁２７の開度（すなわち、天然ガス１の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁２７の開度を制御することによって、燃料電池直流出力１８、５０、９８及び１１１の電池電流の合計に見合った値に設定する。
【００８０】
脱硫器２では、充填された脱硫触媒のコバルト−モリブデン系触媒と酸化亜鉛吸着剤の働きにより、改質器３の改質触媒と、固体高分子形燃料電池セルスタック９、９５、１０８の燃料極６、９２、１０５の電極触媒と、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５の電極触媒の劣化原因となる天然ガス１中のメルカプタン等の腐臭剤に含まれる硫黄成分を水素添加脱硫により吸着除去する。すなわち、コバルト−モリブデン系触媒により最初に硫黄と水素を反応させて硫化水素を生成させ、次にこの硫化水素と酸化亜鉛を反応させることによって硫化亜鉛を生成させて、硫黄成分を除去する。硫化水素の生成に必要な水素を供給するために、水素リッチな一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた改質ガスであるＣＯシフトコンバータ４の排出ガス２１の一部を、脱硫器リサイクル用のＣＯシフトコンバータ４の排出ガス３２として脱硫器２にリサイクルする。脱硫器リサイクル用のＣＯシフトコンバータ４の排出ガス３２の供給量は、予め設定された流量制御弁２７の開度（すなわち、天然ガス１の供給量）と流量制御弁３３の開度（すなわち、脱硫器リサクル用のＣＯシフトコンバータ４の排出ガス３２の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁３３の開度を制御することによって、天然ガス１の供給量と見合った値に設定する。硫化水素の生成反応と硫化亜鉛の生成反応は吸熱反応であり、反応に必要な反応熱は、後述する発熱反応であるＣＯシフトコンバータ４での水性シフト反応によって発生する熱をＣＯシフトコンバータ４から脱硫器２に供給することによってまかなう。
【００８１】
脱硫器２で脱硫された脱硫天然ガス２４は、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８で電池反応により生成した水蒸気を含むリサイクル用の固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極排出ガス４１と混合した後に、リサイクル用の固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極排出ガス４１と脱硫天然ガス２４の混合ガス２３として改質器３に供給する。リサイクル用の固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極排出ガス４１の供給量は、予め設定された流量制御弁２７の開度（すなわち、天然ガス１の供給量）と流量制御弁４０の開度（すなわち、リサイクル用の固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極排出ガス４１の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁４０の開度を制御することによって、天然ガス１の供給量に対してリサイクル用の固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極排出ガス４１と脱硫天然ガス２４の混合ガス２３が予め設定された所定のスチームカーボン比となるように設定する。
【００８２】
改質器３では、充填された改質触媒の働きにより天然ガス１に含まれる炭化水素の水蒸気改質反応が行われ、水素リッチな改質ガス２２がつくられる。この炭化水素の水蒸気改質反応は吸熱反応であり、効率的に水素を生成させるためには、改質器３の外部から必要な反応熱を供給し、改質器３の温度を７００〜７５０℃に維持することが必要である。このため、後述する改質器３の近傍に設置された８００〜１０００℃で発電を行う固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の高温排熱を、改質反応に必要な反応熱として改質器３に供給する。
【００８３】
改質器３でつくられた水素リッチな改質ガス２２の一部は、ＣＯシフトコンバータ４に供給し、残りは固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５に供給する。ＣＯシフトコンバータ４への水素リッチな改質ガス２２の供給量は、予め設定された燃料電池直流出力１８、９８、１１１の電池電流の合計と流量制御弁４６の開度（すなわち、ＣＯシフトコンバータ４への水素リッチな改質ガス２２の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁４６の開度を制御することによって、燃料電池直流出力１８、９８、１１１の電池電流の合計に見合った値に設定する。
【００８４】
一方、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５への水素リッチな改質ガス２２の供給量は、予め設定した燃料電池直流出力５０の電池電流と流量制御弁４７の開度（すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５への水素リッチな改質ガス２２の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁４７の開度を制御することによって、燃料電池直流出力５０の電池電流に見合った値に設定する。
【００８５】
固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極３７には、空気供給用ブロワ１２を用いて取り込んだ空気１４の一部を固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９として供給する。固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９の供給量は、予め設定した燃料電池直流出力５０の電池電流と流量制御弁４３の開度（すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極３７への固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁４３の開度を制御することによって、燃料電池直流出力５０の電池電流に見合った値に設定する。
【００８６】
固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極３７では、金属酸化物系電極触媒の働きで、固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９中の酸素が（６）式に示す空気極反応により電子と反応し酸素イオンに変わる。
【００８７】
（空気極反応）
１/２Ｏ２＋２ｅ− → Ｏ２−                               （６）
空気極３７で生成した酸素イオンは、安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等の固体酸化物電解質３６の内部を移動し、燃料極３５に到達する。燃料極３５では、ニッケル−ＹＳＺサーメット、ルテニウム−ＹＳＺサーメット等の金属系電極触媒の働きで、空気極３７から固体酸化物電解質３６の内部を燃料極３５に移動してきた酸素イオンが、（７）式及び（８）式に示す反応により燃料極３５に供給された水素リッチな改質ガス２２中の水素及び一酸化炭素と反応し、水蒸気または二酸化炭素と電子が生成する。
【００８８】
（燃料極反応）
Ｈ２＋Ｏ２− → Ｈ２Ｏ＋２ｅ−                            （７）
ＣＯ＋Ｏ２− → ＣＯ２＋２ｅ−                            （８）
燃料極３５で生成した電子は、外部回路を移動し、空気極３７に到達する。空気極３７に到達した電子は、前述した（６）式に示した空気極反応により酸素と反応する。この電子が外部回路を移動する過程で、電気エネルギーを燃料電池直流出力５０として取り出すことができる。
【００８９】
（６）式と（７）式及び（６）式と（８）式をまとめると、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の電池反応は、（９）式に示す水素と酸素から水蒸気ができる水の電気分解の逆反応と、（１０）式に示す一酸化炭素と酸素から二酸化炭素が生成する反応として表すことができる。
【００９０】
（電池反応）
Ｈ２＋１/２Ｏ２ → Ｈ２Ｏ                                  （９）
ＣＯ＋１/２Ｏ２ → ＣＯ２                                （１０）
固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発電によって得られた燃料電池直流出力５０は、負荷４９、１７、９７、１１０の少なくとも１つ以上に合わせて出力調整装置４８で電圧の変換と直流から交流への変換を行った後に、送電端交流出力５１として負荷４９、１７、９７、１１０の少なくとも１つ以上に供給する。なお、図１では、出力調整装置４８で直流から交流への変換を行っているが、出力調整装置４８で電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷４９、１７、９７、１１０の１つ以上に供給してもよい。なお、負荷４９は、一般的な負荷ではなく、電力系統でもよい。
【００９１】
固体酸化物燃料電池セルスタック３８の発電温度は、一般的に８００〜１０００℃であり、電池反応による発熱により発電温度が維持されている。このため、固体酸化物燃料電池セルスタック３８の高温排熱は、前述したように改質器３での炭化水素の水蒸気改質反応の反応熱として利用することができる。
【００９２】
燃料極３５で電池反応により生成した水蒸気を含む固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極排出ガス４２の一部は、前述したように改質器３での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な水蒸気を供給するために、リサイクル用の固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極排出ガス４１として脱硫天然ガス２４と混合して改質器３に供給する。固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極排出ガス４２の残りは、排出用の固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極排出ガス４５として排出する。この排出用の固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極排出ガス４５を、給湯、暖房及び吸収式冷凍機による冷房の熱源として利用することにより、システムの電気出力と熱利用を合わせた総合熱効率を向上させることが可能である。また、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極排出ガス４４も、給湯、暖房及び吸収式冷凍機の熱源として利用することにより、システムの電気出力と熱利用を合わせた総合熱効率を向上させることが可能である。
【００９３】
一方、水素リッチな改質ガス２２には、固体高分子形燃料電池セルスタック９、９５、１０８の燃料極６、９２、１０５の電極触媒の劣化原因となる一酸化炭素が含まれているので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５に供給しない水素リッチな改質ガス２２は、銅−亜鉛系触媒等のシフト触媒が充填されたＣＯシフトコンバータ４に供給し、シフト触媒の働きにより（２）式に示した水性シフト反応を行わせることによって、水素リッチな改質ガス２２中の一酸化炭素濃度を１％以下まで低減させる。
【００９４】
ＣＯシフトコンバータ４でつくられた一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた改質ガスであるＣＯシフトコンバータ４の排出ガス２１の一部は、前述したように脱硫器リサイクル用のＣＯシフトコンバータ４の排出ガス３２として脱硫器２に供給し、残りは、一酸化炭素濃度が１００ｐｐｍ以上であると、固体高分子形燃料電池セルスタック９、９５、１０８の燃料極６、９２、１０５に供給した場合に電極触媒の劣化原因となるので、一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーに低減させるために、ＣＯ選択酸化器用のＣＯシフトコンバータ４の排出ガス３４として、白金、ルテニウム等の貴金属系触媒がＣＯ選択酸化触媒として充填されたＣＯ選択酸化器５に供給する。また、空気供給用ブロワ１２で取り込んだ空気１４の一部を、ＣＯ選択酸化器用の空気２６としてＣＯ選択酸化器５に供給する。ＣＯ選択酸化器５では、ＣＯ選択酸化器用のＣＯシフトコンバータ４の排出ガス３４に含まれる一酸化炭素を、発熱反応である（１１）式に示すＣＯ選択酸化反応によりＣＯ選択酸化用の空気２６中の酸素と反応させることによって二酸化炭素に変換し、ＣＯ選択酸化器用のＣＯシフトコンバータ４の排出ガス３４の一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーに低減させる。
【００９５】
ＣＯ＋１/２Ｏ２ → ＣＯ２                                （１１）
ＣＯ選択酸化器用の空気２６の供給量は、予め設定された流量制御弁４６の開度（すなわち、ＣＯシフトコンバータ４への水素リッチな改質ガス２２の供給量）と流量制御弁１１の開度（すなわち、ＣＯ選択酸化器用の空気２６の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１１の開度を制御することによって、ＣＯシフトコンバータ４への水素リッチな改質ガス２２の供給量に見合った値に設定する。
【００９６】
一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーに低減させたＣＯ選択酸化器５の排出ガス２０に含まれる未反応水蒸気は、凝縮器２９で１００℃以下に冷却することによって、凝縮水３１として回収する。凝縮器２９で未反応水蒸気を凝縮させたＣＯ選択酸化器５の排出ガス２８は、固体高分子形燃料電池セルスタック９の燃料極６、固体高分子形燃料電池セルスタック９５の燃料極９２及び固体高分子形燃料電池セルスタック１０８の燃料極１０５に供給する。
【００９７】
固体高分子形燃料電池セルスタック９の燃料極６への未反応水蒸気を凝縮させたＣＯ選択酸化器５の排出ガス２８の供給量は、予め設定された燃料電池直流出力１８の電池電流と流量制御弁８６の開度（すなわち、固体高分子形燃料電池セルスタック９の燃料極６への未反応水蒸気を凝縮させたＣＯ選択酸化器５の排出ガス２８の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁８６の開度を制御することによって、燃料電池直流出力１８の電池電流に見合った値に設定する。
【００９８】
固体高分子形燃料電池セルスタック９の燃料極６では、白金系電極触媒の働きで、未反応水蒸気を凝縮させたＣＯ選択酸化器５の排出ガス２８に含まれる水素の約８０％が、（３）式に示した燃料極反応により水素イオンと電子に変わる。
【００９９】
なお、図１では、出力調整装置１６で直流から交流への変換を行っているが、出力調整装置１６で電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷１７に供給しても良い。また、図１には示されていないが、固体高分子形燃料電池セルスタック９の発電によって得られた燃料電池直流出力１８を、負荷１７、９７、１１０、４９の少なくとも１つ以上に合わせて出力調整装置１６で電圧の変換と直流から交流への変換を行った後に、送電端交流出力１９として負荷１７、９７、１１０、４９の少なくとも１つ以上に供給しても良い。さらに、出力調整装置１６で電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷１７、９７、１１０、４９の少なくとも１つ以上に供給しても良い。
【０１００】
未反応水蒸気を凝縮させたＣＯ選択酸化器５の排出ガス２８は、固体高分子形燃料電池セルスタック９の燃料極６で水素の約８０％を（３）式に示した燃料極反応により消費した後に、固体高分子形燃料電池セルスタック９の燃料極排出ガス１５として排出する。
【０１０１】
同様に、固体高分子形燃料電池セルスタック９５の燃料極９２への未反応水蒸気を凝縮させたＣＯ選択酸化器５の排出ガス２８の供給量は、予め設定された燃料電池直流出力９８の電池電流と流量制御弁８７の開度（すなわち、固体高分子形燃料電池セルスタック９５の燃料極９２への未反応水蒸気を凝縮させたＣＯ選択酸化器５の排出ガス２８の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁８７の開度を制御することによって、燃料電池直流出力９８の電池電流に見合った値に設定する。
【０１０２】
固体高分子形燃料電池セルスタック９５の燃料極９２では、白金系電極触媒の働きで、未反応水蒸気を凝縮させたＣＯ選択酸化器５の排出ガス２８に含まれる水素の約８０％が、（３）式に示した燃料極反応により水素イオンと電子に変わる。
【０１０３】
なお、図１では、出力調整装置９６で直流から交流への変換を行っているが、出力調整装置９６で電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷９７に供給しても良い。また、図１には示されていないが、固体高分子形燃料電池セルスタック９５の発電によって得られた燃料電池直流出力９８を、負荷９７、１７、１１０、４９の少なくとも１つ以上に合わせて出力調整装置９６で電圧の変換と直流から交流への変換を行った後に、送電端交流出力９９として負荷９７、１７、１１０、４９の少なくとも１つ以上に供給しても良い。さらに、出力調整装置９６で電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷９７、１７、１１０、４９の少なくとも１つ以上に供給しても良い。
【０１０４】
未反応水蒸気を凝縮させたＣＯ選択酸化器５の排出ガス２８は、固体高分子形燃料電池セルスタック９５の燃料極９２で水素の約８０％を（３）式に示した燃料極反応により消費した後に、固体高分子形燃料電池セルスタック９５の燃料極排出ガス１０１として排出する。
【０１０５】
また、固体高分子形燃料電池セルスタック１０８の燃料極１０５への未反応水蒸気を凝縮させたＣＯ選択酸化器５の排出ガス２８の供給量は、予め設定された燃料電池直流出力１１１の電池電流と流量制御弁８８の開度（すなわち、固体高分子形燃料電池セルスタック１０８の燃料極１０５への未反応水蒸気を凝縮させたＣＯ選択酸化器５の排出ガス２８の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁８８の開度を制御することによって、燃料電池直流出力１１１の電池電流に見合った値に設定する。
【０１０６】
固体高分子形燃料電池セルスタック１０８の燃料極１０５では、白金系電極触媒の働きで、未反応水蒸気を凝縮させたＣＯ選択酸化器５の排出ガス２８に含まれる水素の約８０％が、（３）式に示した燃料極反応により水素イオンと電子に変わる。
【０１０７】
なお、図１では、出力調整装置１０９で直流から交流への変換を行っているが、出力調整装置１０９で電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷１１０に供給しても良い。また、図１には示されていないが、固体高分子形燃料電池セルスタック１０８の発電によって得られた燃料電池直流出力１１１を、負荷１１０、１７、９７、４９の少なくとも１つ以上に合わせて出力調整装置１０９で電圧の変換と直流から交流への変換を行った後に、送電端交流出力１１２として負荷１１０、１７、９７、４９の少なくとも１つ以上に供給しても良い。さらに、出力調整装置１０９で電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷１１０、１７、９７、４９の少なくとも１つ以上に供給しても良い。
【０１０８】
未反応水蒸気を凝縮させたＣＯ選択酸化器５の排出ガス２８は、固体高分子形燃料電池セルスタック１０８の燃料極１０５で水素の約８０％を（３）式に示した燃料極反応により消費した後に、固体高分子形燃料電池セルスタック１０８の燃料極排出ガス１１４として排出する。
【０１０９】
図１に示した本実施形態では、改質器３は１個であるが、天然ガス中の炭素数が２個以上の比較的低温で熱分解が起こり易い炭化水素の水蒸気改質反応を主に行わせる第１段目のプレ改質器と、熱分解が起こりにくいメタンの水蒸気改質反応を主に行わせる第２段目のスタック改質器の２個の改質器を用いても良い。
【０１１０】
図１に示した本実施形態では、図１２に示した従来例と比べて、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極排出ガス４２中の水蒸気を炭化水素の水蒸気改質反応に利用するために、水蒸気１５５をつくる気化器１５７が不要で水の気化に必要なエネルギーを削減することができ、また、改質器３での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の排熱を利用するために、炭化水素の水蒸気改質反応のために外部から新たに供給するエネルギーを削減することができるので、固体高分子形燃料電池セルスタック９、９５、１０８の送電端効率を向上させることが可能である。さらに、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の排熱を改質器３での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として利用するために、従来の固体酸化物形燃料電池発電システムと比較して、８００〜１０００℃の発電温度を維持するために固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却に必要な固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９の供給量を減少させることが可能で、固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９の昇温に必要なエネルギーを削減することができるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の送電端効率を向上させることが可能である。このため、システム全体の送電端効率が向上する。
【０１１１】
（実施形態２）
図２は、本発明に係る燃料電池発電システムの他の一実施形態（これを実施形態２とする）を表す構成図を示している。本実施形態では、第一の燃料電池セルスタックとして固体酸化物形燃料電池セルスタック３８を用い、第二の燃料電池セルスタックとして３組の固体高分子形燃料電池セルスタック９、９５、１０８を用いている。なお、本実施形態では３組の固体高分子形燃料電池セルスタック９、９５、１０８を用いているが、固体高分子形燃料電池セルスタックの数は必ずしも３組に限定されるわけではなく、２組以上であればいくつでもかまわない。
【０１１２】
図２において、前述した図１２、図１と同一のものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。本実施形態による燃料電池発電システムは、図１２に示した従来の技術による燃料電池発電システムとは、図２に示したように、改質器バーナ１５６、気化器１５７、水タンク１５９及び気化器バーナ１７０が不要な点と、第二の燃料電池セルスタックである固体高分子形燃料電池セルスタック９、９５、１０８以外に、第一の燃料電池セルスタックとして、燃料極３５、固体酸化物電解質３６及び空気極３７からなる単セルを複数有する固体酸化物形燃料電池セルスタック３８を改質器３の近傍に設置し、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８で発電した燃料電池直流出力５０を出力調整装置４８で送電端交流出力５１に変換した後に負荷４９、１７、９７、１１０の少なくとも一つ以上に供給する点が大きく異なる。
【０１１３】
次に、本実施形態による燃料電池発電システムの作用について、図２を参照して説明する。図２では、出力調整装置１６、９６、１０９で直流から交流への変換を行っているが、出力調整装置１６、９６、１０９で電圧変換のみを行い、送電端直流出力をそれぞれ負荷１７、９７、１１０に供給してもよい。また、出力調整装置４８で直流から交流への変換を行っているが、出力調整装置４８で電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷１７、４９、９７、１１０の少なくとも一つ以上に供給してもよい。なお、図２には示されていないが、固体高分子形燃料電池セルスタック９、９５、１０８の発電によって得られた燃料電池直流出力１８、９８、１１１を、負荷１７、９７、１１０、４９の少なくとも１つ以上に合わせて出力調整装置１６、９６、１０９で電圧の変換と直流から交流への変換を行った後に、送電端交流出力１９、９９、１１２として負荷１７、９７、１１０、４９の少なくとも１つ以上に供給しても良い。
【０１１４】
図２に示した燃料電池発電システムでは、改質器３は１個であるが、天然ガス中の炭素数が２個以上の比較的低温で熱分解が起こり易い炭化水素の水蒸気改質反応を主に行わせる第１段目のプレ改質器と、熱分解が起こりにくいメタンの水蒸気改質反応を主に行わせる第２段目のスタック改質器の２個の改質器を用いても良い。
【０１１５】
本実施形態においても、図１に示した実施形態１と同様に、図１２に示した従来例と比べて、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極排出ガス４２中の水蒸気を炭化水素の水蒸気改質反応に利用するために、水蒸気１５５をつくる気化器１５７が不要で水の気化に必要なエネルギーを削減することができ、また、改質器３での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の排熱を利用するために、炭化水素の水蒸気改質反応のために外部から新たに供給するエネルギーを削減することができるので、固体高分子形燃料電池セルスタック９、９５、１０８の送電端効率を向上させることが可能である。さらに、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の排熱を改質器３での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として利用するために、従来の固体酸化物形燃料電池発電システムと比較して、８００〜１０００℃の発電温度を維持するために固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却に必要な固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９の供給量を減少させることが可能で、固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９の昇温に必要なエネルギーを削減することができるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の送電端効率を向上させることが可能である。このため、システム全体の送電端効率が向上する。
【０１１６】
（実施形態３）
図３は、本発明による燃料電池発電システムのさらに他の一実施形態（これを実施形態３とする）を表す構成図を示している。本実施形態では、第一の燃料電池セルスタックとして固体酸化物形燃料電池セルスタック３８を用い、第二の燃料電池セルスタックとして３組の固体高分子形燃料電池セルスタック９、９５、１０８を用いている。なお、本実施形態では３組の固体高分子形燃料電池セルスタックを用いているが、固体高分子形燃料電池セルスタックの数は必ずしも３組に限定されるわけではなく、２組以上であればいくつでもかまわない。
【０１１７】
図３において、前述した図１２、図１、図２と同一のものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。図３において、６４はＣＯシフトコンバータ用の固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極排出ガス、６５は流量制御弁、６６は脱硫器リサイクル用のＣＯシフトコンバータ４の排出ガス、６７は一酸化炭素の濃度を１％以下に低減させた固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極排出ガスであるＣＯシフトコンバータ４の排出ガス、６８はＣＯ選択酸化器用のＣＯシフトコンバータ４の排出ガス、６９は一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーに低減させた固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極排出ガスであるＣＯ選択酸化器５の排出ガス、７０は未反応水蒸気を凝縮させたＣＯ選択酸化器５の排出ガスを表す。
【０１１８】
図３を用いて、本実施形態を説明する。本実施形態による燃料電池発電システムは、図１に示した実施形態１の燃料電池発電システムとは、図３に示したように、水素リッチな改質ガス２２の代わりに固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極排出ガス４２の一部をＣＯシフトコンバータ用の固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極排出ガス６４としてＣＯシフトコンバータ５に供給する点が大きく異なる。
【０１１９】
次に、本実施形態による燃料電池発電システムの作用について、図３を参照して説明する。脱硫器２での硫化水素の生成に必要な水素を供給するために、未反応水素を含む一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極排出ガスであるＣＯシフトコンバータ４の排出ガス６７の一部を、脱硫器リサイクル用のＣＯシフトコンバータ４の排出ガス６６として脱硫器２にリサイクルする。脱硫器リサイクル用のＣＯシフトコンバータ４の排出ガス６６の供給量は、予め設定された流量制御弁２７の開度（すなわち、天然ガス１の供給量）と流量制御弁６５の開度（すなわち、脱硫器リサイクル用のＣＯシフトコンバータ４の排出ガス６６の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁６５の開度を制御することによって、天然ガス１の供給量に見合った値に設定する。
【０１２０】
改質器３でつくられた水素リッチな改質ガス２２は、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５に供給する。固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５で電池反応により生成した水蒸気を合む固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極排出ガス４２の一部は、ＣＯシフトコンバータ用の固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極排出ガス６４としてＣＯシフトコンバータ４に供給する。
【０１２１】
ＣＯシフトコンバータ用の固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極排出ガス６４中には、固体高分子形燃料電池セルスタック９、９５、１０８の燃料極６、９２、１０５の電極触媒の劣化原因となる一酸化炭素が含まれているので、ＣＯシフトコンバータ４で（２）式に示した水性シフト反応を行わせることによって、ＣＯシフトコンバータ用の固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極排出ガス６４中の一酸化炭素濃度を１％以下まで低減させる。
【０１２２】
ＣＯシフトコンバータ４でつくられた一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極排出ガスであるＣＯシフトコンバータ４の排出ガス６７の一部は、前述したように、脱硫器リサイクル用のＣＯシフトコンバータ４の排出ガス６６として脱硫器２に供給し、残りは、一酸化炭素濃度が１００ｐｐｍ以上であると、固体高分子形燃料電池セルスタック９、９５、１０８の燃料極６、９２、１０５に供給した場合に電極触媒の劣化原因となるので、一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーに低減させるために、ＣＯ選択酸化器用のＣＯシフトコンバータ４の排出ガス６８として、白金、ルテニウム等の貴金属系触媒がＣＯ選択酸化触媒として充填されたＣＯ選択酸化器５に供給する。ＣＯ選択酸化器５では、ＣＯ選択酸化器用のＣＯシフトコンバータ４の排出ガス６８中に含まれる一酸化炭素を、発熱反応である（１１）式に示したＣＯ選択酸化反応によりＣＯ選択酸化用の空気２６中の酸素と反応させることによって二酸化炭素に変換し、ＣＯ選択酸化器用のＣＯシフトコンバータ４の排出ガス６８中の一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーに低減させる。
【０１２３】
一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーに低減させたＣＯ選択酸化器５の排出ガス６９に含まれる未反応水蒸気は、凝縮器２９で１００℃以下に冷却することによって、凝縮水３１として回収する。凝縮器２９から排出された未反応水蒸気を凝縮させたＣＯ選択酸化器５の排出ガス７０は、固体高分子形燃料電池セルスタック９の燃料極６、固体高分子形燃料電池セルスタック９５の燃料極９２及び固体高分子形燃料電池セルスタック１０８の燃料極１０５に供給する。固体高分子形燃料電池セルスタック９の燃料極６への未反応水蒸気を凝縮させたＣＯ選択酸化器５の排出ガス７０の供給量は、予め設定された燃料電池直流出力１８の電池電流と流量制御弁８６の開度（すなわち、固体高分子形燃料電池セルスタック９の燃料極６への未反応水蒸気を凝縮させたＣＯ選択酸化器５の排出ガス７０の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁８６の開度を制御することによって、燃料電池直流出力１８の電池電流に見合った値に設定する。また、固体高分子形燃料電池セルスタック９５の燃料極９２への未反応水蒸気を凝縮させたＣＯ選択酸化器５の排出ガス７０の供給量は、予め設定された燃料電池直流出力９８の電池電流と流量制御弁８７の開度（すなわち、固体高分子形燃料電池セルスタック９５の燃料極９２への未反応水蒸気を凝縮させたＣＯ選択酸化器５の排出ガス７０の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁８７の開度を制御することによって、燃料電池直流出力９８の電池電流に見合った値に設定する。同様に、固体高分子形燃料電池セルスタック１０８の燃料極１０５への未反応水蒸気を凝縮させたＣＯ選択酸化器５の排出ガス７０の供給量は、予め設定された燃料電池直流出力１１１の電池電流と流量制御弁８８の開度（すなわち、固体高分子形燃料電池セルスタック１０８の燃料極１０５への未反応水蒸気を凝縮させたＣＯ選択酸化器５の排出ガス７０の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁８８の開度を制御することによって、燃料電池直流出力１１１の電池電流に見合った値に設定する。
【０１２４】
図３では、出力調整装置１６、９６、１０９で直流から交流への変換を行っているが、出力調整装置１６、９６、１０９で電圧変換のみを行い、送電端直流出力をそれぞれ負荷１７、９７、１１０に供給してもよい。また、出力調整装置４８で直流から交流への変換を行っているが、出力調整装置４８で電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷１７、４９、９７、１１０の少なくとも一つ以上に供給してもよい。なお、図３には示されていないが、固体高分子形燃料電池セルスタック９、９５、１０８の発電によって得られた燃料電池直流出力１８、９８、１１１を、負荷１７、９７、１１０、４９の少なくとも１つ以上に合わせて出力調整装置１６、９６、１０９で電圧の変換と直流から交流への変換を行った後に、送電端交流出力１９、９９、１１２として負荷１７、９７、１１０、４９の少なくとも１つ以上に供給しても良い。さらに、出力調整装置１６、９６、１０９で電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷１７、９７、１１０、４９の少なくとも１つ以上に供給しても良い。
【０１２５】
図３に示した燃料電池発電システムでは、改質器３は１個であるが、天然ガス中の炭素数が２個以上の比較的低温で熱分解が起こり易い炭化水素の水蒸気改質反応を主に行わせる第１段目のプレ改質器と、熱分解が起こりにくいメタンの水蒸気改質反応を主に行わせる第２段目のスタック改質器の２個の改質器を用いても良い。
【０１２６】
本実施形態においても、図１に示した実施形態１と同様に、図１２に示した従来例と比べて、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極排出ガス４２中の水蒸気を炭化水素の水蒸気改質反応に利用するために、水蒸気１５５をつくる気化器１５７が不要で水の気化に必要なエネルギーを削減することができ、また、改質器３での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の排熱を利用するために、炭化水素の水蒸気改質反応のために外部から新たに供給するエネルギーを削減することができるので、固体高分子形燃料電池セルスタック９、９５、１０８の送電端効率を向上させることが可能である。さらに、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の排熱を改質器３での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として利用するために、従来の固体酸化物形燃料電池発電システムと比較して、８００〜１０００℃の発電温度を維持するために固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却に必要な固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９の供給量を減少させることが可能で、固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９の昇温に必要なエネルギーを削滅することができるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の送電端効率を向上させることが可能である。このため、システム全体の送電端効率が向上する。
【０１２７】
（実施形態４）
図４は、本発明による燃料電池発電システムのさらに他の一実施形態（これを実施形態４とする）を表す構成図を示している。本実施形態では、第一の燃料電池セルスタックとして固体酸化物形燃料電池セルスタック３８を用い、第二の燃料電池セルスタックとして３組の固体高分子形燃料電池セルスタック９、９５、１０８を用いている。なお、本実施形態では３組の固体高分子形燃料電池セルスタックを用いているが、固体高分子形燃料電池セルスタックの数は必ずしも３組に限定されるわけではなく、２組以上であればいくつでもかまわない。
【０１２８】
図４において、図１２、図１、図２、図３と同一のものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。図４において、７１は水素分離器用のＣＯシフトコンバータ４の排出ガスである。
【０１２９】
図４を用いて、本実施形態を説明する。本実施形態による燃料電池発電システムは、図２に示した実施形態２の燃料電池発電システムとは、図４に示したように、水素リッチな改質ガス２２の代わりに固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極排出ガス４２の一部をＣＯシフトコンバータ用の固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極排出ガス６４としてＣＯシフトコンバータ４に供給する点が大きく異なる。
【０１３０】
次に、本実施形態による燃料電池発電システムの作用について、図４を参照して説明する。図４では、出力調整装置１６、９６、１０９で直流から交流への変換を行っているが、出力調整装置１６、９６、１０９で電圧変換のみを行い、送電端直流出力をそれぞれ負荷１７、９７、１１０に供給してもよい。また、出力調整装置４８で直流から交流への変換を行っているが、出力調整装置４８で電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷１７、４９、９７、１１０の少なくとも一つ以上に供給してもよい。なお、図４には示されていないが、固体高分子形燃料電池セルスタック９、９５、１０８の発電によって得られた燃料電池直流出力１８、９８、１１１を、負荷１７、９７、１１０、４９の少なくとも１つ以上に合わせて出力調整装置１６、９６、１０９で電圧の変換と直流から交流への変換を行った後に、送電端交流出力１９、９９、１１２として負荷１７、９７、１１０、４９の少なくとも１つ以上に供給しても良い。さらに、出力調整装置１６、９６、１０９で電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷１７、９７、１１０、４９の少なくとも１つ以上に供給しても良い。
【０１３１】
図４に示した燃料電池発電システムでは、改質器３は１個であるが、天然ガス中の炭素数が２個以上の比較的低温で熱分解が起こり易い炭化水素の水蒸気改質反応を主に行わせる第１段目のプレ改質器と、熱分解が起こりにくいメタンの水蒸気改質反応を主に行わせる第２段目のスタック改質器の２個の改質器を用いても良い。
【０１３２】
本実施形態においても、図１に示した実施形態１と同様に、図１２に示した従来例と比べて、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極排出ガス４２中の水蒸気を炭化水素の水蒸気改質反応に利用するために、水蒸気１５５をつくる気化器１５７が不要で水の気化に必要なエネルギーを削減することができ、また、改質器３での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の排熱を利用するために、炭化水素の水蒸気改質反応のために外部から新たに供給するエネルギーを削減することができるので、固体高分子形燃料電池セルスタック９、９５、１０８の送電端効率を向上させることが可能である。さらに、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の排熱を改質器３での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として利用するために、従来の固体酸化物形燃料電池発電システムと比較して、８００〜１０００℃の発電温度を維持するために固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却に必要な固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９の供給量を減少させることが可能で、固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９の昇温に必要なエネルギーを削減することができるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の送電端効率を向上させることが可能である。このため、システム全体の送電端効率が向上する。
【０１３３】
（実施形態５）
図５は、本発明による燃料電池発電システムのさらに他の一実施形態（実施形態５とする）を表す構成図を示している。本実施形態では、第一の燃料電池セルスタックとして固体酸化物形燃料電池セルスタック３８を用い、第二の燃料電池セルスタックとして３組の固体高分子形燃料電池セルスタック９、９５、１０８を用いている。なお、本実施形態では３組の固体高分子形燃料電池セルスタックを用いているが、固体高分子形燃料電池セルスタックの数は必ずしも３組に限定されるわけではなく、２組以上であればいくつでもかまわない。
【０１３４】
図５において、図１２、図１、図２、図３、図４と同一のものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。
【０１３５】
図５を用いて、本実施形態を説明する。本実施形態による燃料電池発電システムは、図１に示した実施形態１の燃料電池発電システムとは、図５に示したように、改質器３が不要で、リサイクル用の固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極排出ガス４１と脱硫天然ガス２４の混合ガス２３をそのまま固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５に供給し、改質器３の代わりに燃料極３５で燃料である天然ガス１に含まれる炭化水素の水蒸気改質反応を行わせるとともに、得られた固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極排出ガス４２の一部をＣＯシフトコンバータ用の固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極排出ガス６４としてＣＯシフトコンバータ５に供給する点が大きく異なる。
【０１３６】
次に、本実施形態による燃料電池発電システムの作用について、図５を参照して説明する。リサイクル用の固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極排出ガス４１と脱硫天然ガス２４の混合ガス２３を固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５に供給する。固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５では、燃料極触媒の働きにより天然ガス１に含まれる炭化水素（主にメタン）の水蒸気改質反応が行われ、水素と一酸化炭素が生成する。燃料極３５で生成した水素と一酸化炭素がその場で（７）式及び（８）式に示した燃料極反応により消費され、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発電が行われる。炭化水素の水蒸気改質反応は吸熱反応であるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発熱を、炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として利用する。固体酸化物燃料電池セルスタック３８の発電温度は、一般的に８００〜１０００℃であり、電池反応による発熱により発電温度が維持されている。このため、固体酸化物燃料電池セルスタック３８の発熱が、前述したように燃料極３５での炭化水素の水蒸気改質反応の反応熱として利用することができる。
【０１３７】
図５では、出力調整装置１６、９６、１０９で直流から交流への変換を行っているが、出力調整装置１６、９６、１０９で電圧変換のみを行い、送電端直流出力をそれぞれ負荷１７、９７、１１０に供給してもよい。また、出力調整装置４８で直流から交流への変換を行っているが、出力調整装置４８で電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷１７、４９、９７、１１０の少なくとも一つ以上に供給してもよい。なお、図５には示されていないが、固体高分子形燃料電池セルスタック９、９５、１０８の発電によって得られた燃料電池直流出力１８、９８、１１１を、負荷１７、９７、１１０、４９の少なくとも１つ以上に合わせて出力調整装置１６、９６、１０９で電圧の変換と直流から交流への変換を行った後に、送電端交流出力１９、９９、１１２として負荷１７、９７、１１０、４９の少なくとも１つ以上に供給しても良い。さらに、出力調整装置１６、９６、１０９で電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷１７、９７、１１０、４９の少なくとも１つ以上に供給しても良い。
【０１３８】
図５に示した燃料電池発電システムでは、改質器は用いられていないが、固体酸化物燃料電池セルスタック３８の排熱を反応熱として利用して天然ガス中の炭素数が２個以上の比較的低温で熱分解が起こり易い炭化水素の水蒸気改質反応を主に行わせるプレ改質器を固体酸化物燃料電池セルスタック３８の前に隣接させて用いても良い。
【０１３９】
本実施形態においても、図１に示した実施形態１と同様に、図１２に示した従来例と比べて、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極排出ガス４２中の水蒸気を炭化水素の水蒸気改質反応に利用するために、水蒸気１５５をっくる気化器１５７が不要で水の気化に必要なエネルギーを削減することができ、また、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発熱を利用するために、炭化水素の水蒸気改質反応のために外部から新たに供給するエネルギーを削減することができるので、固体高分子形燃料電池セルスタック９、９５、１０８の送電端効率を向上させることが可能である。さらに、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発熱を固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として利用するために、従来の固体酸化物形燃料電池発電システムと比較して、８００〜１０００℃の発電温度を維持するために固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却に必要な固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９の供給量を減少させることが可能で、固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９の昇温に必要なエネルギーを削減することができるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の送電端効率を向上させることが可能である。このため、システム全体の送電端効率が向上する。
【０１４０】
（実施形態６）
図６は、本発明による燃料電池発電システムのさらに他の一実施形態（これを実施形態６とする）を表す構成図を示している。本実施形態では、第一の燃料電池セルスタックとして固体酸化物形燃料電池セルスタック３８を用い、第二の燃料電池セルスタックとして３組の固体高分子形燃料電池セルスタック９、９５、１０８を用いている。なお、本実施形態では３組の固体高分子形燃料電池セルスタックを用いているが、固体高分子形燃料電池セルスタックの数は必ずしも３組に限定されるわけではなく、２組以上であればいくつでもかまわない。
【０１４１】
図６において、図１２、図１、図２、図３、図４、図５と同一のものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省路する。
【０１４２】
図６を用いて、本実施形態を説明する。本実施形態による燃料電池発電システムは、図２に示した実施形態２の燃料電池発電システムとは、図６に示したように、改質器３が不要で、リサイクル用の固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極排出ガス４１と脱硫天然ガス２４の混合ガス２３をそのまま固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５に供給し、改質器３の代わりに燃料極３５で燃料である天然ガス１に含まれる炭化水素の水蒸気改質反応を行わせるとともに、得られた固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極排出ガス４２の一部をＣＯシフトコンバータ用の固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極排出ガス６４としてＣＯシフトコンバータ５に供給する点が大きく異なる。
【０１４３】
次に、本実施形態による燃料電池発電システムの作用について、図６を参照して説明する。図６では、出力調整装置１６、９６、１０９で直流から交流への変換を行っているが、出力調整装置１６、９６、１０９で電圧変換のみを行い、送電端直流出力をそれぞれ負荷１７、９７、１１０に供給してもよい。また、出力調整装置４８で直流から交流への変換を行っているが、出力調整装置４８で電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷１７、４９、９７、１１０の少なくとも一つ以上に供給してもよい。なお、図６には示されていないが、固体高分子形燃料電池セルスタック９、９５、１０８の発電によって得られた燃料電池直流出力１８、９８、１１１を、負荷１７、９７、１１０、４９の少なくとも１つ以上に合わせて出力調整装置１６、９６、１０９で電圧の変換と直流から交流への変換を行った後に、送電端交流出力１９、９９、１１２として負荷１７、９７、１１０、４９の少なくとも１つ以上に供給しても良い。さらに、出力調整装置１６、９６、１０９で電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷１７、９７、１１０、４９の少なくとも１つ以上に供給しても良い。
【０１４４】
図６に示した燃料電池発電システムでは、改質器は設けられていないが、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の排熱を反応熱として利用して天然ガス中の炭素数が２個以上の比較的低温で熱分解が起こり易い炭化水素の水蒸気改質反応を主に行わせるプレ改質器を固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の前に隣接させて用いても良い。
【０１４５】
本実施形態においても、図１に示した実施形態１と同様に、図１２に示した従来例と比べて、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極排出ガス４２中の水蒸気を炭化水素の水蒸気改質反応に利用するために、水蒸気１５５をつくる気化器１５７が不要で水の気化に必要なエネルギーを削減することができ、また、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発熱を利用するために、炭化水素の水蒸気改質反応のために外部から新たに供給するエネルギーを削減することができるので、固体高分子形燃料電池セルスタック９、９５、１０８の送電端効率を向上させることが可能である。さらに、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発熱を固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として利用するために、従来の固体酸化物形燃料電池発電システムと比較して、８００〜１０００℃の発電温度を維持するために固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却に必要な固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９の供給量を減少させることが可能で、固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９の昇温に必要なエネルギーを削減することができるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の送電端効率を向上させることが可能である。このため、システム全体の送電端効率が向上する。
【０１４６】
（実施形態７）
図７は、本発明による燃料電池発電システムのさらに他の一実施形態（これを実施形態７とする）を表す構成図を示している。本実施形態では、第一の燃料電池セルスタックとして固体酸化物形燃料電池セルスタック３８を用い、第二の燃料電池セルスタックとして３組のりん酸形燃料電池セルスタック７４、１３４、１４７を用いている。なお、本実施形態では３組のりん酸形燃料電池セルスタックを用いているが、りん酸形燃料電池セルスタックの数は必ずしも３組に限定されるわけではなく、２組以上であればいくつでもかまわない。
【０１４７】
図７において、図１２、図１、図２、図３、図４、図５、図６と同一のものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。７２はりん酸形燃料電池セルスタック用のＣＯシフトコンバータ４の排出ガス、７４はりん酸形燃料電池セルスタック、７５は燃料極、７６はりん酸電解質、７７は空気極、７８はりん酸形燃料電池セルスタック発電用の空気、７９は流量制御弁、８０は燃料電池直流出力、８１は送電端交流出力、８２は負荷、８３はりん酸形燃料電池セルスタック７４の燃料極排出ガス、８４はりん酸形燃料電池セルスタック７４の空気極排出ガス、８５は出力調整装置、１２４は流量制御弁、１２５は流量制御弁、１２６は流量制御弁、１２７は空気供給用ブロワ、１２８は空気供給用ブロワ、１２９は流量制御弁、１３０はりん酸形燃料電池セルスタック発電用の空気、１３１は燃料極、１３２はりん酸電解質、１３３は空気極、１３４はりん酸形燃料電池セルスタック、１３５は出力調整装置、１３６は負荷、１３７は燃料電池直流出力、１３８は送電端交流出力、１３９はりん酸形燃料電池セルスタック１３４の燃料極排出ガス、１４０はりん酸形燃料電池セルスタック１３４の空気極排出ガス、１４１は空気供給用ブロワ、１４２は流量制御弁、１４３はりん酸形燃料電池セルスタック発電用の空気、１４４は燃料極、１４５はりん酸電解質、１４６は空気極、１４７はりん酸形燃料電池セルスタック、１４８は出力調整装置、１４９は負荷、１５０は燃料電池直流出力、１５１は送電端交流出力、１５２はりん酸形燃料電池セルスタック１４７の燃料極排出ガス、１５３はりん酸形燃料電池セルスタック１４７の空気極排出ガスを表す。
【０１４８】
図７において、りん酸形燃料電池セルスタック７４は、１組の燃料極７５、りん酸電解質７６、空気極７７からなる単セルによって構成されているように示されおり、りん酸形燃料電池セルスタック１３４は、１組の燃料極１３１、りん酸電解質１３２、空気極１３３からなる単セルによって構成されているように示されており、りん酸形燃料電池セルスタック１４７は、１組の燃料極１４４、りん酸電解質１４５、空気極１４６からなる単セルによって構成されているように示されている。しかし、実際には、りん酸形燃料電池セルスタック７４、１３４、１４７は、前記単セルを複数組み合わせることによって構成されている。
【０１４９】
図７を用いて、本実施形態を説明する。本実施形態による燃料電池発電システムは、図１に示した実施形態１とは、図７に示したように、ＣＯ選択酸化器５と凝縮器２９が不要で、第二の燃料電池セルスタックとして燃料極６、固体高分子電解質７及び空気極８からなる単セルから構成された固体高分子形燃料電池セルスタック９と、燃料極９２、固体高分子電解質９３及び空気極９４からなる単セルから構成された固体高分子形燃料電池セルスタック９５と、燃料極１０５、固体高分子電解質１０６及び空気極１０７からなる単セルから構成された固体高分子形燃料電池セルスタック１０８の代わりに、燃料極７５、りん酸電解質７６及び空気極７７からなる単セルから構成されたりん酸形燃料電池セルスタック７４と、燃料極１３１、りん酸電解質１３２及び空気極１３３からなる単セルから構成されたりん酸形燃料電池セルスタック１３４と、燃料極１４４、りん酸電解質１４５及び空気極１４６からなる単セルから構成されたりん酸形燃料電池セルスタック１４７を設けた点が大きく異なる。
【０１５０】
次に、本実施形態による燃料電池発電システムの作用について、図７を参照して説明する。出力調整装置４８で直流から交流への変換を行っているが、出力調整装置４８で電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷８２、４９、１３６、１４９の少なくとも一つ以上に供給してもよい。一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた改質ガスであるＣＯシフトコンバータ４の排出ガス２１の一部を、りん酸形燃料電池セルスタック用のＣＯシフトコンバータ４の排出ガス７２としてりん酸形燃料電池セルスタック７４の燃料極７５、りん酸形燃料電池セルスタック１３４の燃料極１３１、りん酸形燃料電池セルスタック１４７の燃料極１４４に供給する。
【０１５１】
りん酸形燃料電池セルスタック７４の燃料極７５へのりん酸形燃料電池セルスタック用のＣＯシフトコンバータ４の排出ガス７２の供給量は、予め設定された燃料電池直流出力８０の電池電流と流量制御弁１２４の開度（すなわち、りん酸形燃料電池セルスタック７４の燃料極７５へのりん酸形燃料電池セルスタック用のＣＯシフトコンバータ４の排出ガス７２の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１２４の開度を制御することによって、燃料電池直流出力８０の電池電流に見合った値に設定する。一方、空気供給用ブロワ１２７で取り込んだりん酸形燃料電池セルスタック発電用の空気７８を、りん酸形燃料電池セルスタック７４の空気極７７に供給する。りん酸形燃料電池セルスタック７４の空気極７７へのりん酸形燃料電池セルスタック発電用の空気７８の供給量は、予め設定された燃料電池直流出力８０の電池電流と流量制御弁７９の開度（すなわち、りん酸形燃料電池セルスタック発電用の空気７８の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁７９の開度を制御することによって、燃料電池直流出力８０の電池電流に見合った値に設定する。
【０１５２】
りん酸形燃料電池セルスタック７４の発電温度は、１９０℃が一般的であり、電池反応による発熱により発電温度が維持される。
【０１５３】
なお、図７には示されていないが、りん酸形燃料電池セルスタック７４の発電温度を１９０℃に維持するためには、冷却水によるりん酸形燃料電池セルスタック７４の冷却が必要であり、この冷却過程で得られた温水を給湯に利用することが可能である。
【０１５４】
りん酸形燃料電池セルスタック７４の燃料極７５では、白金系電極触媒の働きで、りん酸形燃料電池セルスタック用のＣＯシフトコンバータ４の排出ガス７２に含まれる水素の約８０％が、固体高分子形燃料電池セルスタック９の場合と同様に（３）式に示した燃料極反応により水素イオンと電子に変わる。
【０１５５】
燃料極７５で生成した水素イオンは、りん酸電解質７６の内部を移動し、空気極７７に到達する。一方、燃料極７５で生成した電子は、外部回路を移動し、空気極７７に到達する。この電子が外部回路を移動する過程で、電気エネルギーを燃料電池直流出力８０として取り出すことができる。
【０１５６】
りん酸形燃料電池セルスタック７４の空気極７７では、白金系電極触媒の働きで、燃料極７５からりん酸電解質７６の内部を空気極７７に移動してきた水素イオン、燃料極７５から外部回路を空気極７７に移動してきた電子、及び空気極７７に供給されたりん酸形燃料電池セルスタック発電用の空気７８中の酸素が、固体高分子形燃料電池セルスタック９の場合と同様に（４）式に示した空気極反応により反応し、水が生成する。
【０１５７】
（３）式と（４）式をまとめると、りん酸形燃料電池セルスタック７４の電池反応は、固体高分子形燃料電池セルスタック９と同様に（５）式に示した水素と酸素から水ができる水の電気分解の逆反応として表すことができる。
【０１５８】
りん酸形燃料電池セルスタック７４の発電によって得られた燃料電池直流出力８０は、負荷８２に合わせて出力調整装置８５で電圧の変換と直流から交流への変換を行った後に、送電端交流出力８１として負荷８２に供給する。なお、図７では、出力調整装置８５で直流から交流への変換を行っているが、出力調整装置８５で電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷８２に供給してもよい。また、図７には示されていないが、りん酸形燃料電池セルスタック７４の発電によって得られた燃料電池直流出力８０を、負荷８２、１３６、１４９、４９の少なくとも１つ以上に合わせて出力調整装置８５で電圧の変換と直流から交流への変換を行った後に、送電端交流出力８１として負荷８２、１３６、１４９、４９の少なくとも１つ以上に供給しても良い。さらに、出力調整装置８５で電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷８２、１３６、１４９、４９の少なくとも１つ以上に供給しても良い。
【０１５９】
りん酸形燃料電池セルスタック発電用の空気７８は、りん酸形燃料電池セルスタック７４の空気極７７で酸素の一部を（４）式に示した空気極反応により消費した後に、りん酸形燃料電池セルスタック７４の空気極排出ガス８４として排出する。一方、りん酸形燃料電池セルスタック用のＣＯシフトコンバータ４の排出ガス７２は、りん酸形燃料電池セルスタック７４の燃料極７５で水素の約８０％を（３）式に示した燃料極反応により消費した後に、りん酸形燃料電池セルスタック７４の燃料極排出ガス８３として排出する。
【０１６０】
また、りん酸形燃料電池セルスタック１３４の燃料極１３１へのりん酸形燃料電池セルスタック用のＣＯシフトコンバータ４の排出ガス７２の供給量は、予め設定された燃料電池直流出力１３７の電池電流と流量制御弁１２５の開度（すなわち、りん酸形燃料電池セルスタック１３４の燃料極１３１へのりん酸形燃料電池セルスタック用のＣＯシフトコンバータ４の排出ガス７２の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１２５の開度を制御することによって、燃料電池直流出力１３７の電池電流に見合った値に設定する。一方、空気供給用ブロワ１２８で取り込んだりん酸形燃料電池セルスタック発電用の空気１３０を、りん酸形燃料電池セルスタック１３４の空気極１３３に供給する。りん酸形燃料電池セルスタック１３４の空気極１３３へのりん酸形燃料電池セルスタック発電用の空気１３０の供給量は、予め設定された燃料電池直流出力１３７の電池電流と流量制御弁１２９の開度（すなわち、りん酸形燃料電池セルスタック発電用の空気１３０の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１２９の開度を制御することによって、燃料電池直流出力１３７の電池電流に見合った値に設定する。
【０１６１】
りん酸形燃料電池セルスタック１３４の発電温度は、１９０℃が一般的であり、電池反応による発熱により発電温度が維持される。
【０１６２】
なお、図７には示されていないが、りん酸形燃料電池セルスタック１３４の発電温度を約１９０℃に維持するためには、冷却水によるりん酸形燃料電池セルスタック１３４の冷却が必要であり、この冷却過程で得られた温水を給湯に利用することが可能である。
【０１６３】
りん酸形燃料電池セルスタック１３４の燃料極１３１では、白金系電極触媒の働きで、りん酸形燃料電池セルスタック用のＣＯシフトコンバータ４の排出ガス７２に含まれる水素の約８０％が、固体高分子形燃料電池セルスタック９の場合と同様に（３）式に示した燃料極反応により水素イオンと電子に変わる。
【０１６４】
燃料極１３１で生成した水素イオンは、りん酸電解質１３２の内部を移動し、空気極１３３に到達する。一方、燃料極１３１で生成した電子は、外部回路を移動し、空気極１３３に到達する。この電子が外部回路を移動する過程で、電気エネルギーを燃料電池直流出力１３７として取り出すことができる。
【０１６５】
りん酸形燃料電池セルスタック１３４の空気極１３３では、白金系電極触媒の働きで、燃料極１３１からりん酸電解質１３２の内部を空気極１３３に移動してきた水素イオン、燃料極１３１から外部回路を空気極１３３に移動してきた電子、及び空気極１３３に供給されたりん酸形燃料電池セルスタック発電用の空気１３０中の酸素が、固体高分子形燃料電池セルスタック９の場合と同様に（４）式に示した空気極反応により反応し、水が生成する。
【０１６６】
（３）式と（４）式をまとめると、りん酸形燃料電池セルスタック１３４の電池反応は、固体高分子形燃料電池セルスタック９と同様に（５）式に示した水素と酸素から水ができる水の電気分解の逆反応として表すことができる。
【０１６７】
りん酸形燃料電池セルスタック１３４の発電によって得られた燃料電池直流出力１３７は、負荷１３６に合わせて出力調整装置１３５で電圧の変換と直流から交流への変換を行った後に、送電端交流出力１３８として負荷１３６に供給する。なお、図７では、出力調整装置１３５で直流から交流への変換を行っているが、出力調整装置１３５で電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷１３６に供給してもよい。また、図７には示されていないが、りん酸形燃料電池セルスタック１３４の発電によって得られた燃料電池直流出力１３７を、負荷１３６、８２、１４９、４９の少なくとも１つ以上に合わせて出力調整装置１３５で電圧の変換と直流から交流への変換を行った後に、送電端交流出力１３８として負荷１３６、８２、１４９、４９の少なくとも１つ以上に供給しても良い。さらに、出力調整装置１３５で電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷１３６、８２、１４９、４９の少なくとも１つ以上に供給しても良い。
【０１６８】
りん酸形燃料電池セルスタック発電用の空気１３０は、りん酸形燃料電池セルスタック１３４の空気極７７で酸素の一部を（４）式に示した空気極反応により消費した後に、りん酸形燃料電池セルスタック１３４の空気極排出ガス１４０として排出する。一方、りん酸形燃料電池セルスタック用のＣＯシフトコンバータ４の排出ガス７２は、りん酸形燃料電池セルスタック１３４の燃料極１３１で水素の約８０％を（３）式に示した燃料極反応により消費した後に、りん酸形燃料電池セルスタック１３４の燃料極排出ガス１３９として排出する。
【０１６９】
同様に、りん酸形燃料電池セルスタック１４７の燃料極１４４へのりん酸形燃料電池セルスタック用のＣＯシフトコンバータ４の排出ガス７２の供給量は、予め設定された燃料電池直流出力１５０の電池電流と流量制御弁１２６の開度（すなわち、りん酸形燃料電池セルスタック１４７の燃料極１４４へのりん酸形燃料電池セルスタック用のＣＯシフトコンバータ４の排出ガス７２の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１２６の開度を制御することによって、燃料電池直流出力１５０の電池電流に見合った値に設定する。一方、空気供給用ブロワ１４１で取り込んだりん酸形燃料電池セルスタック発電用の空気１４３を、りん酸形燃料電池セルスタック１４７の空気極１４６に供給する。りん酸形燃料電池セルスタック１４７の空気極１４６へのりん酸形燃料電池セルスタック発電用の空気１４３の供給量は、予め設定された燃料電池直流出力１５０の電池電流と流量制御弁１４２の開度（すなわち、りん酸形燃料電池セルスタック発電用の空気１４３の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１４２の開度を制御することによって、燃料電池直流出力１５０の電池電流に見合った値に設定する。
【０１７０】
りん酸形燃料電池セルスタック１４７の発電温度は、１９０℃が一般的であり、電池反応による発熱により発電温度が維持される。
【０１７１】
なお、図７には示されていないが、りん酸形燃料電池セルスタック１４７の発電温度を約１９０℃に維持するためには、冷却水によるりん酸形燃料電池セルスタック１４７の冷却が必要であり、この冷却過程で得られた温水を給湯に利用することが可能である。
【０１７２】
りん酸形燃料電池セルスタック１４７の燃料極１４４では、白金系電極触媒の働きで、りん酸形燃料電池セルスタック用のＣＯシフトコンバータ４の排出ガス７２に含まれる水素の約８０％が、固体高分子形燃料電池セルスタック９の場合と同様に（３）式に示した燃料極反応により水素イオンと電子に変わる。
【０１７３】
燃料極１４４で生成した水素イオンは、りん酸電解質１４５の内部を移動し、空気極１４６に到達する。一方、燃料極１４４で生成した電子は、外部回路を移動し、空気極１４６に到達する。この電子が外部回路を移動する過程で、電気エネルギーを燃料電池直流出力１５０として取り出すことができる。
【０１７４】
りん酸形燃料電池セルスタック１４７の空気極１４６では、白金系電極触媒の働きで、燃料極１４４からりん酸電解質１４５の内部を空気極１４６に移動してきた水素イオン、燃料極１４４から外部回路を空気極１４６に移動してきた電子、及び空気極１４６に供給されたりん酸形燃料電池セルスタック発電用の空気１４３中の酸素が、固体高分子形燃料電池セルスタック９の場合と同様に（４）式に示した空気極反応により反応し、水が生成する。
【０１７５】
（３）式と（４）式をまとめると、りん酸形燃料電池セルスタック１４７の電池反応は、固体高分子形燃料電池セルスタック９と同様に（５）式に示した水素と酸素から水ができる水の電気分解の逆反応として表すことができる。
【０１７６】
りん酸形燃料電池セルスタック１４７の発電によって得られた燃料電池直流出力１５０は、負荷１４９に合わせて出力調整装置１４８で電圧の変換と直流から交流への変換を行った後に、送電端交流出力１５１として負荷１４９に供給する。なお、図７では、出力調整装置１４８で直流から交流への変換を行っているが、出力調整装置１４８で電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷１４８に供給してもよい。また、図７には示されていないが、りん酸形燃料電池セルスタック１４７の発電によって得られた燃料電池直流出力１５０を、負荷１４９、８２、１３６、４９の少なくとも１つ以上に合わせて出力調整装置１４８で電圧の変換と直流から交流への変換を行った後に、送電端交流出力１５１として負荷１４９、８２、１３６、４９の少なくとも１つ以上に供給しても良い。さらに、出力調整装置１４８で電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷１４９、８２、１３６、４９の少なくとも１つ以上に供給しても良い。
【０１７７】
りん酸形燃料電池セルスタック発電用の空気１４３は、りん酸形燃料電池セルスタック１４７の空気極１４６で酸素の一部を（４）式に示した空気極反応により消費した後に、りん酸形燃料軍池セルスタック１４７の空気極排出ガス１５３として排出する。一方、りん酸形燃料電池セルスタック用のＣＯシフトコンバータ４の排出ガス７２は、りん酸形燃料電池セルスタック１４７の燃料極１４４で水素の約８０％を（３）式に示した燃料極反応により消費した後に、りん酸形燃料電池セルスタック１４７の燃料極排出ガス１５２として排出する。
【０１７８】
図７に示した燃料電池発電システムでは、改質器３は１個であるが、天然ガス中の炭素数が２個以上の比較的低温で熱分解が起こり易い炭化水素の水蒸気改質反応を主に行わせる第１段目のプレ改質器と、熱分解が起こりにくいメタンの水蒸気改質反応を主に行わせる第２段目のスタック改質器の２個の改質器を用いても良い。
【０１７９】
本実施形態においても、図１に示した実施形態１と同様に、図１２に示した従来例と比べて、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極排出ガス４２中の水蒸気を炭化水素の水蒸気改質反応に利用するために、水蒸気１５５をつくる気化器１５７が不要で水の気化に必要なエネルギーを削減することができ、また、改質器３での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の排熱を利用するために、炭化水素の水蒸気改質反応のために外部から新たに供給するエネルギーを削減することができるので、りん酸形燃料電池セルスタック７４、１３４、１４７の送電端効率を向上させることが可能である。さらに、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の排熱を改質器３での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として利用するために、従来の固体酸化物形燃料電池発電システムと比較して、８００〜１０００℃の発電温度を維持するために固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却に必要な固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９の供給量を滅少させることが可能で、固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９の昇温に必要なエネルギーを削減することができるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の送電端効率を向上させることが可能である。このため、システム全体の送電端効率が向上する。
【０１８０】
（実施形態８）
図８は、本発明による燃料電池発電システムのさらに他の実施形態（これを実施形態８とする）を表す構成図を示している。本実施形態では、第一の燃料電池セルスタックとして固体酸化物形燃料電池セルスタック３８を用い、第二の燃料電池セルスタックとして３組のりん酸形燃料電池セルスタック７４、１３４、１４７を用いている。なお、本実施形態では３組のりん酸形燃料電池セルスタックを用いているが、りん酸形燃料電池セルスタックの数は必ずしも３組に限定されるわけではなく、２組以上であればいくつでもかまわない。
【０１８１】
図８において、図１２、図１、図２、図３、図４、図５、図６、図７と同一のものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。
【０１８２】
図８を用いて、本実施形態を説明する。本実施形態による燃料電池発電システムは、図３に示した実施形態３とは、図８に示したように、ＣＯ選択酸化器５と凝縮器２９が不要で、第二の燃料電池セルスタックとして、燃料極６、固体高分子電解質７及び空気極８からなる単セルから構成された固体高分子形燃料電池セルスタック９と、燃料極９２、固体高分子電解質９３及び空気極９４からなる単セルから構成された固体高分子形燃料電池セルスタック９５と、燃料極１０５、固体高分子電解質１０６及び空気極１０７からなる単セルから構成された固体高分子形燃料電池セルスタック１０８の代わりに、燃料極７５、りん酸電解質７６及び空気極７７からなる単セルから構成されたりん酸形燃料電池セルスタック７４と、燃料極１３１、りん酸電解質１３２及び空気極１３３からなる単セルから構成されたりん酸形燃料電池セルスタック１３４と、燃料極１４４、りん酸電解質１４５及び空気極１４６からなる単セルから構成されたりん酸形燃料電池セルスタック１４７を設けた点と、負荷１７、９７、１１０の代わりに負荷８２、１３６、１４９を設け、出力調整装置１６、９６、１０９の代わりに出力調整装置８５、１３５、１４８を設けた点が大きく異なる。
【０１８３】
次に、本実施形態による燃料電池発電システムの作用ついて、図８を参照して説明する。ＣＯシフトコンバータ４でつくられた一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排ガスであるＣＯシフトコンバータ４の排出ガス６７の一部を、りん酸形燃料電池セルスタック用のＣＯシフトコンバータ４の排出ガス７２としてりん酸形燃料電池セルスタック７４の燃料極７５、りん酸形燃料電池セルスタック１３４の燃料極１３１、りん酸形燃料電池セルスタック１４７の燃料極１４４に供給する。
【０１８４】
図８では、出力調整装置８５、１３５、１４８で直流から交流への変換を行つているが、出力調整装置８５、１３５、１４８で電圧変換のみを行い、各送電端直流出力をそれぞれ負荷８２、１３６、１４９に供給してもよい。また、出力調整装置４８で直流から交流への変換を行っているが、出力調整装置４８で電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷４９、８２、１３６、１４９の少なくとも一つ以上に供給してもよい。なお、図８には示されていないが、りん酸形燃料電池セルスタック７４、１３４、１４７の発電によって得られた燃料電池直流出力８０、１３７、１５０を、負荷８２、１３６、１４９、４９の少なくとも一つ以上に合わせて出力調整装置８５、１３５、１４８で電圧の変換と直流から交流への変換を行った後に、送電端交流出力８１、１３８、１５０として負荷８２、１３６、１４９、４９の少なくとも一つ以上に供給しても良い。さらに、出力調整装置８５、１３５、１４８で電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷８２、１３６、１４９、４９の少なくとも一つ以上に供給しても良い。
【０１８５】
図８に示した燃料電池発電システムでは、改質器３は１個であるが、天然ガス中の炭素数が２個以上の比較的低温で熱分解が起こり易い炭化水素の水蒸気改質反応を主に行わせる第一段目のプレ改質器と、熱分解が起こりにくいメタンの水蒸気改質反応を主に行わせる第二段目のスタック改質器の２個の改質器を用いても良い。
【０１８６】
本実施形態においても、図１に示した実施形態１と同様に、図１２に示した従来例と比べて、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極排出ガス４２中の水蒸気を炭化水素の水蒸気改質反応に利用するために、水蒸気１５５をつくる気化器１５７が不要で水の気化に必要なエネルギーを削減することができ、また、改質器３での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の排熱を利用するために、炭化水素の水蒸気改質反応のために外部から新たに供給するエネルギーを削減することができるので、りん酸形燃料電池セルスタック７４、１３４、１４７の送電端効率を向上させることが可能である。さらに、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の排熱を改質器３での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として利用するために、従来の固体酸化物形燃料電池発電システムと比較して、８００〜１０００℃の発電温度を維持するために固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却に必要な固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９の供給量を減少させることが可能で、固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９の昇温に必要なエネルギーを削減することができるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の送電端効率を向上させることが可能である。このため、システム全体の送電端効率が向上する。
【０１８７】
（実施形態９）
図９は、本発明による燃料電池発電システムのさらに他の実施形態（これを実施形態９とする）を表す構成図を示している。本実施形態では、第一の燃料電池セルスタックとして固体酸化物形燃料電池セルスタック３８を用い、第二の燃料電池セルスタックとして３組のりん酸形燃料電池セルスタック７４、１３４、１４７を用いている。なお、本実施形態では３組のりん酸形燃料電池セルスタックを用いているが、りん酸形燃料電池セルスタックの数は必ずしも３組に限定されるわけではなく、２組以上であればいくつでもかまわない。
【０１８８】
図９において、図１２、図１、図２、図３、図４、図５、図６、図７、図８と同一のものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。
【０１８９】
図９を用いて、本実施形態を説明する。本実施形態による燃料電池発電システムは、図５に示した実施形態５とは、図９に示したように、ＣＯ選択酸化器５と凝縮器２９が不要で、第二の燃料電池セルスタックとして燃料極６、固体高分子電解質７及び空気極８からなる単セルから構成された固体高分子形燃料電池セルスタック９と、燃料極９２、固体高分子電解質９３及び空気極９４からなる単セルから構成された固体高分子形燃料電池セルスタック９５と、燃料極１０５、固体高分子電解質１０６及び空気極１０７からなる単セルから構成された固体高分子形燃料電池セルスタック１０８の代わりに、燃料極７５、りん酸電解質７６及び空気極７７からなる単セルから構成されたりん酸形燃料電池セルスタック７４、燃料極１３１、りん酸電解質１３２及び空気極１３３からなる単セルから構成されたりん酸形燃料電池セルスタック１３４と、燃料極１４４、りん酸電解質１４５及び空気極１４６からなる単セルから構成されたりん酸形燃料電池セルスタック１４７を設けた点が大きく異なる。
【０１９０】
次に、本実施形態の燃料電池発電システムの作用について、図９を参照して説明する。図９では、出力調整装置８５、１３５、１４８で直流から交流への変換を行っているが、出力調整装置８５、１３５、１４８で電圧変換のみを行い、各送電端直流出力をそれぞれ負荷８２、１３６、１４９に供給してもよい。また、出力調整装置４８で直流から交流への変換を行っているが、出力調整装置４８で電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷４９、８２、１３６、１４９の少なくとも一つ以上に供給してもよい。なお、図９には示されていないが、りん酸形燃料電池セルスタック７４、１３４、１４７の発電によって得られた燃料電池直流出力８０、１３７、１５０を、負荷８２、１３６、１４９、４９の少なくとも一つ以上に合わせて出力調整装置８５、１３５、１４８で電圧の変換と直流から交流への変換を行った後に、送電端交流出力８１、１３８、１５０として負荷８２、１３６、１４９、４９の少なくとも一つ以上に供給しても良い。さらに、出力調整装置８５、１３５、１４８で電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷８２、１３６、１４９、４９の少なくとも一つ以上に供給しても良い。
【０１９１】
図９に示した燃料電池発電システムでは、改質器は用いられていないが、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の排熱を反応熱として利用して天然ガス中の炭素数が２個以上の比較的低温で熱分解が起こり易い炭化水素の水蒸気改質反応を主に行わせるプレ改質器を固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の前に隣接させて用いても良い。
【０１９２】
本実施形態においても、図１に示した実施形態１と同様に、図１２に示した従来例と比べて、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極排出ガス４２中の水蒸気を炭化水素の水蒸気改質反応に利用するために、水蒸気１５５をつくる気化器１５７が不要で水の気化に必要なエネルギーを削減することができ、また、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発熱を利用するために、炭化水素の水蒸気改質反応のために外部から新たに供給するエネルギーを削減することができるので、りん酸形燃料電池セルスタック７４、１３４、１４７の送電端効率を向上させることが可能である。さらに、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発熱を固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として利用するために、従来の固体酸化物形燃料電池発電システムと比較して、８００〜１０００℃の発電温度を維持するために固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却に必要な固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９の供給量を減少させることが可能で、固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用め空気３９の昇温に必要なエネルギーを削減することができるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の送電端効率を向上させることが可能である。このため、システム全体の送電端効率が向上する。
【０１９３】
以上説明したように、本発明によれば、改質器の代わりに第一の燃料電池セルスタックで発電と水素製造を行うとともに、第一の燃料電池セルスタヅクで製造した水素を複数の第二の燃料電池セルスタックに供給し発電を行うことによって、燃料から製造した水素を複数の燃料電池セルスタックに供給し発電を行う高効率な燃料電池発電システムを実現できるという利点がある。
【０１９４】
（従来の燃料電池発電システム制御方法の説明）
まず、２種類の燃料電池セルスタックを組み合わせ発電を行う燃料電池発電システムを制御する従来の制御方法を説明する。
【０１９５】
図１３と図１４は、燃料電池発電システムを制御する従来の制御方法を示すフロー図である。この制御方法を、図１に示した実施形態１の燃料電池発電システムに適用した場合について、以下に説明する。
【０１９６】
燃料電池発電システムを制御する従来の制御方法では、図１３に示したように、第一の燃料電池セルスタック、すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の送電端交流出力５１が負荷４９、１７、９７、１１０の少なくとも１つ以上の増加に伴い増加した場合には、流量制御弁２７の開度を上げて燃料の供給量、すなわち、天然ガス１の供給量を増加させるとともに、流量制御弁４３の開度を上げて第一の燃料電池セルスタック発電用の空気の供給量、すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９の供給量を増加させ、第一の燃料電池セルスタック、すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の送電端交流出力５１が負荷４９、１７、９７、１１０の少なくとも１つ以上の減少に伴い減少した場合には、流量制御弁２７の開度を下げて燃料の供給量、すなわち、天然ガス１の供給量を減少させるとともに、流量制御弁４３の開度を下げて第一の燃料電池セルスタック発電用の空気の供給量、すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９の供給量を減少させていた。
【０１９７】
このため、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の送電端交流出力５１が増加した場合には、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発電による発熱量は増加するが、改質器３で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱もさらに増加するので、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度が低下し、改質器３で安定に所定量の水素と一酸化炭素を生成させることができず、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８と固体高分子形燃料電池セルスタック９、９５、１０８において所定の送電端交流出力での高効率発電が不可能となり、システムの出力と発電効率が低下するという問題があった。
【０１９８】
また、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の送電端交流出力５１が減少した場合には、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発電による発熱量は減少するが、改質器３で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱もさらに減少するので、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度が上昇し、改質器３の改質触媒や固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の劣化が加速され、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の寿命が低下するとともに、システムの信頼性も低下するという問題があった。
【０１９９】
また、従来の燃料電池発電システムの制御方法では、図１４に示したように、第二の燃料電池セルスタックの送電端交流出力の合計、すなわち、固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端交流出力１９、固体高分子形燃料電池セルスタック９５の送電端交流出力９９及び固体高分子形燃料電池セルスタック１０８の送電端交流出力１１２の合計が負荷１７、９７、１１０、４９の少なくとも１つ以上の増加に伴い増加した場合には、流量制御弁２７の開度を上げて燃料供給量、すなわち、天然ガス１の供給量を増加させるとともに、各第二の燃料電池セルスタックの送電端交流出力、すなわち、固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端交流出力１９、固体高分子形燃料電池セルスタック９５の送電端交流出力９９及び固体高分子形燃料電池セルスタック１０８の送電端交流出力１１２の増減に合わせて流量制御弁１０、９０、１０３を開閉し、各第二の燃料電池セルスタック発電用の空気の供給量、すなわち、固体高分子形燃料電池セルスタック発電用の空気２５、９１、１０４の供給量をそれぞれ増減させていた。
【０２００】
一方、第二の燃料電池セルスタックの送電端交流出力の合計、すなわち、固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端交流出力１９、固体高分子形燃料電池セルスタック９５の送電端交流出力９９及び固体高分子形燃料電池セルスタック１０８の送電端交流出力１１２の合計が負荷１７、９７、１１０、４９の少なくとも１つ以上の減少に伴い減少した場合には、流量制御弁２７の開度を下げて燃料供給量、すなわち、天然ガス１の供給量を減少させるとともに、各第二の燃料電池セルスタックの送電端交流出力、すなわち、固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端交流出力１９、固体高分子形燃料電池セルスタック９５の送電端交流出力９９及び固体高分子形燃料電池セルスタック１０８の送電端交流出力１１２の増減に合わせて流量制御弁１０、９０、１０３を開閉し、各第二の燃料電池セルスタック発電用の空気の供給量、すなわち、固体高分子形燃料電池セルスタック発電用の空気２５、９１、１０４の供給量を増減させていた。
【０２０１】
このため、第二の燃料電池セルスタックの送電端交流出力の合計、すなわち、固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端交流出力１９、固体高分子形燃料電池セルスタック９５の送電端交流出力９９及び固体高分子形燃料電池セルスタック１０８の送電端交流出力１１２の合計が増加した場合には、改質器３で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱が増加するので、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度が低下し、改質器３で安定に所定量の水素と一酸化炭素を生成させることができず、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８と固体高分子形燃料電池セルスタック９、９５、１０８における所定の送電端交流出力での高効率発電が不可能となり、システム出力の減少や発電効率の低下が起こるという問題があった。
【０２０２】
また、第二の燃料電池セルスタックの送電端交流出力の合計、すなわち、固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端交流出力１９、固体高分子形燃料電池セルスタック９５の送電端交流出力９９及び固体高分子形燃料電池セルスタック１０８の送電端交流出力１１２の合計が減少した場合には、改質器３で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱が減少するので、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度が上昇し、改質器３の改質触媒や固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の劣化が加速され、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の寿命低下やシステムの信頼性低下が起こるという問題があつた。
【０２０３】
本発明に係る燃料電池発電システムの制御方法は、以下に説明するように、システムの出力が変化しても発電効率の低下を抑制しうる、燃料電池発電システムの制御方法であり、この制御方法においては、上記の問題が解決されている。
【０２０４】
（本発明に係る燃料電池発電システムの制御方法の説明）
本発明に係る燃料電池発電システムの制御方法を、以下の実施形態１０〜１８によって説明する。
【０２０５】
（実施形態１０）
図１０と図１１は、本発明に係る燃料電池発電システムの制御方法の一実施形態を表すシステムフロー図である。
【０２０６】
図１に示した本発明に係る燃料電池発電システム（実施形態１）を制御対象とした場合の、図１０または図１１に示した本発明の燃料電池発電システムの制御方法の作用について説明する。
【０２０７】
本発明に係る燃料電池発電システムの制御方法では、図１０に示したように、第一の燃料電池セルスタックの送電端交流出力である固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の送電端交流出力５１が負荷４９、１７、９７、１１０の少なくとも１つ以上の増加に伴い増加した場合には、流量制御弁２７の開度を上げて燃料の供給量、すなわち、天然ガス１の供給量を増加させるとともに、流量制御弁４３の開度を下げて第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源である空気の供給量、すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９の供給量を減少させることによって空気極３７での酸素利用率を上昇させる。
【０２０８】
逆に、第一の燃料電池セルスタックの送電端交流出力である固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の送電端交流出力５１が負荷４９、１７、９７、１１０の少なくとも１つ以上の減少に伴い減少した場合には、流量制御弁２７の開度を下げて燃料の供給量、すなわち、天然ガス１の供給量を減少させるとともに、流量制御弁４３の開度を上げて第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源である空気の供給量、すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９の供給量を増加させる。
【０２０９】
このようにすれば、第一の燃料電池セルスタックの送電端交流出力である固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の送電端交流出力５１が増加した場合に、改質器３で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱が増加しても、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極３７に供給される固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９の供給量の減少により、固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却が抑制され、また、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発電量の増加により固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発熱量も増加するので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８から改質器３に供給する排熱量を増やすことが可能となり、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持しながら、改質器３で安定に所定量の水素と一酸化炭素を生成させることができる。その結果、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８と固体高分子形燃料電池セルスタック９、９５、１０８において所定の送電端交流出力での高効率発電が可能となり、システム出力の減少や発電効率の低下を抑制することができる。
【０２１０】
一方、第一の燃料電池セルスタックの送電端交流出力である固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の送電端交流出力５１が減少した場合に、改質器３で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱が減少しても、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極３７に供給される固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９の供給量の増加により固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却が促進され、また、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発電量の減少により固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発熱量も減少するので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８から改質器３に供給する排熱量を減らすことが可能となり、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持しながら、改質器３で安定に所定量の水素と一酸化炭素を生成させることができる。その結果、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度上昇による改質器３の改質触媒や固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の劣化が抑制され、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の寿命低下やシステムの信頼性低下を避けることができる。
【０２１１】
また、本発明に係る燃料電池発電システムの制御方法では、図１１に示したように、第二の燃料電池セルスタックの送電端交流出力の合計、すなわち、固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端交流出力１９、固体高分子形燃料電池セルスタック９５の送電端交流出力９９及び固体高分子形燃料電池セルスタック１０８の送電端交流出力１１２の合計が負荷１７、９７、１１０、４９の少なくとも１つ以上の増加に伴い増加した場合には、流量制御弁２７の開度を上げて燃料の供給量、すなわち、天然ガス１の供給量を増加させるとともに、流量制御弁４３の開度を下げて第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源である空気の供給量、すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９の供給量を減少させることによって空気極３７での酸素利用率を上昇させる。
【０２１２】
逆に、第二の燃料電池セルスタックの送電端交流出力の合計、すなわち、固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端交流出力１９、固体高分子形燃料電池セルスタック９５の送電端交流出力９９及び固体高分子形燃料電池セルスタック１０８の送電端交流出力１１２の合計が負荷１７、９７、１１０、４９の少なくとも１つ以上の減少に伴い減少した場合には、流量制御弁２７の開度を下げて燃料の供給量、すなわち、天然ガス１の供給量を減少させるとともに、流量制御弁４３の開度を上げて第一の燃料電池セルスタックへの発電用酸素源である空気の供給量、すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９の供給量を増加させることによって空気極３７での酸素利用率を低下させる。なお、第二の燃料電池セルスタックに供給する発電用の空気の供給量、すなわち、固体高分子形燃料電池セルスタック９に供給する固体高分子形燃料電池セルスタック発電用の空気２５の供給量、固体高分予形燃料電池セルスタック９５に供給する固体高分子形燃料電池セルスタック発電用の空気９１の供給量及び固体高分子形燃料電池セルスタック１０８に供給する固体高分子形燃料電池セルスタック発電用の空気１０４の供給量は、それぞれ各第二の燃料電池セルスタックの送電端交流出力、すなわち、固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端交流出力１９、固体高分子形燃料電池セルスタック９５の送電端交流出力９９及び固体高分子形燃料電池セルスタック１０８の送電端交流電力１１２に合わせて、流量制御弁１０、９０、１０３の開度を調節することによって増減させる。
【０２１３】
このようにすれば、第二の燃料電池セルスタックの送電端交流出力の合計、すなわち、固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端交流出力１９、固体高分子形燃料電池セルスタック９５の送電端交流出力９９及び固体高分子形燃料電池セルスタック１０８の送電端交流出力１１２の合計が増加した場合に、改質器３で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱が増加しても、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極３７に供給される固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９の供給量の減少により固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却が抑制されるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８から改質器３に供給する排熱量を増やすことが可能となり、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持しながら、改質器３で安定に所定量の水素と一酸化炭素を生成させることができる。その結果、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８と固体高分子形燃料電池セルスタック９、９５、１０８において所定の送電端交流出力での高効率発電が可能となり、システム出力の減少や発電効率の低下を抑制することができる。
【０２１４】
一方、第二の燃料電池セルスタックの送電端交流出力の合計、すなわち、固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端交流出力１９、固体高分子形燃料電池セルスタック９５の送電端交流出力９９及び固体高分子形燃料電池セルスタック１０８の送電端交流出力１１２の合計が減少した場合に、改質器３で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱が減少しても、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極３７に供給される固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９の供給量の増加により固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却が促進されるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８から改質器３に供給する排熱量を減らすことが可能となり、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持しながら、改質器３で安定に所定量の水素と一酸化炭素を生成させることができる。その結果、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度上昇による改質器３の改質触媒や固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の劣化が抑制され、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の寿命低下やシステムの信頼性低下を避けることができる。
【０２１５】
なお、図１０及び図１１に示した本発明に係る燃料電池発電システムの制御方法の一実施形態では、第一の燃料電池セルスタックの送電端交流出力、すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の送電端交流出力５１と、第二の燃料電池セルスタックの送電端交流出力の合計、すなわち、固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端交流出力１９、固体高分子形燃料電池セルスタック９５の送電端交流出力９９及び固体高分子形燃料電池セルスタック１０８の送電端交流出力１１２の合計を制御パラメータとして、これらの増減に応じて第一の燃料電池セルスタックヘの発電用の空気の供給量、すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８への固体酸化物形燃料電池発電用の空気３９の供給量を制御しているが、第一の燃料電池セルスタックの送電端交流出力、すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の送電端交流出力５１の代わりに、第一の燃料電池セルスタックの発電端直流出力、すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発電端直流出力５０（電池電流を含む）を制御パラメータに用いても良いし、第二の燃料電池セルスタックの送電端交流出力の合計、すなわち、固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端交流出力１９、固体高分子形燃料電池セルスタック９５の送電端交流出力９９及び固体高分子形燃料電池セルスタック１０８の送電端交流出力１１２の合計の代わりに、第二の燃料電池セルスタックの発電端直流出力の合計、すなわち、固体高分子形燃料電池セルスタック９の発電端直流出力１８（電池電流を含む）、固体高分子形燃料電池セルスタック９５の発電端直流出力９８（電池電流を含む）及び固体高分子形燃料電池セルスタック１０８の発電端直流出力１１１（電池電流を含む）の合計を制御パラメータに用いても良い。
【０２１６】
また、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池３８の送電端直流出力と第二の燃料電池セルスタックである固体高分子形燃料電池セルスタックの送電端直流出力を制御パラメータに用いてもよい。
【０２１７】
本発明に係る、燃料電池発電システムの制御方法は、図１にその構成を示した燃料電池発電システム（実施形態１）以外でも、図２〜９にその構成を示した燃料電池発電システム（実施形態２〜９）においても有効である。以下に、それを、実施形態１１〜１８によって示す。
【０２１８】
（実施形態１１）
図２に示した本発明に係る燃料電池発電システム（実施形態２）を制御対象とした場合の、図１０または図１１に示した本発明の燃料電池発電システムの制御方法の作用について説明する。
【０２１９】
本燃料電池発電システムにおいても、実施形態１０と同様に、図１０または図１１に示した本発明の燃料電池発電システムの制御方法を適用することによって、燃料電池発電システムの出力が変化しても、改質器３や固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持し、触媒の劣化や発電効率の低下を抑制しつつ発電を行うことができる。すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の出力が増加または減少した場合に、天然ガス１の供給量をそれぞれ増加または減少させるとともに、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８への固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９の供給量をそれぞれ減少または増加させ、固体高分子形燃料電池セルスタック９、９５、１０８の出力の合計が増加または減少した場合に、天然ガス１の供給量をそれぞれ増加または減少させるとともに、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８への固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９の供給量をそれぞれ減少または増加させることによって、改質器３や固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持し、触媒の劣化や発電効率の低下を抑制しつつ発電を行うことができる。
【０２２０】
（実施形態１２）
図３に示した本発明に係る燃料電池発電システム（実施形態３）を制御対象とした場合の、図１０または図１１に示した本発明の燃料電池発電システムの制御方法の作用について説明する。
【０２２１】
本燃料電池発電システムにおいても、実施形態例１０と同様に、図１０または図１１に示した本発明の燃料電池発電システムの制御方法を適用することによって、燃料電池発電システムの出力が変化しても、改質器３や固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持し、触媒の劣化や発電効率の低下を抑制しつつ発電を行うことができる。すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の出力が増加または減少した場合に、天然ガス１の供給量をそれぞれ増加または減少させるとともに、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８への固体酸化物形燃料電池発電用の空気３９の供給量をそれぞれ減少または増加させ、固体高分子形燃料電池セルスタック９、９５、１０８の出力の合計が増加または減少した場合に、天然ガス１の供給量をそれぞれ増加または減少させるとともに、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８への固体酸化物形燃料電池発電用の空気３９の供給量をそれぞれ減少または増加させることによって、改質器３や固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持し、触媒の劣化や発電効率の低下を抑制しつつ発電を行うことができる。
【０２２２】
（実施形態１３）
図４に示した本発明に係る燃料電池発電システム（実施形態４）を制御対象とした場合の、図１０または図１１に示した本発明の燃料電池発電システムの制御方法の作用について説明する。
【０２２３】
本燃料電池発電システムにおいても、実施形態１０と同様に、図１０または図１１に示した本発明の燃料電池発電システムの制御方法を適用することによって、燃料電池発電システムの出力が変化しても、改質器３や固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持し、触媒の劣化や発電効率の低下を抑制しつつ発電を行うことができる。すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の出力が増加または減少した場合に、天然ガス１の供給量をそれぞれ増加または減少させるとともに、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８への固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９の供給量をそれぞれ減少または増加させ、固体高分子形燃料電池セルスタック９、９５、１０８の出力の合計が増加または減少した場合に、天然ガス１の供給量をそれぞれ増加または減少させるとともに、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８への固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９の供給量をそれぞれ減少または増加させることによって、改質器３や固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持し、触媒の劣化や発電効率の低下を抑制しつつ発電を行うことができる。
【０２２４】
（実施形態１４）
図５に示した本発明に係る燃料電池発電システム（実施形態５）を制御対象とした場合の、図１０または図１１に示した本発明の燃料電池発電システムの制御方法の作用について説明する。
【０２２５】
本燃料電池発電システムに図１０に示した本発明の燃料電池発電システムの制御方法を適用すると、第一の燃料電池セルスタックの送電端交流出力である固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の送電端交流出力５１が増加した場合に、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱が増加しても、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極３７に供給される固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９の供給量の減少により固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却が抑制され、また、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発電量の増加により固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発熱量も増加するので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持しながら、燃料極３５で安定に所定量の水素と一酸化炭素を生成させることができる。その結果、固体酸化物形燃料電電池セルスタック３８と固体高分子形燃料電池セルスタック９、９５、１０８において所定の送電端交流出力での高効率発電が可能となり、システム出力の減少や発電効率の低下を抑制することができる。
【０２２６】
一方、第一の燃料電池セルスタックの送電端交流出力である固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の送電端交流出力５１が減少した場合に、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱が減少しても、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極３７に供給される固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９の供給量の増加により固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却が促進され、また、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発電量の減少により固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発熱量も減少するので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持しながら、燃料極３５で安定に所定量の水素と一酸化炭素を生成させることができる。その結果、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度上昇による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の劣化が抑制され、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の寿命低下やシステムの信頼性低下を避けることができる。
【０２２７】
また、本燃料電池発電システムに図１１に示した本発明の燃料電池発電システムの制御方法を適用すると、第二の燃料電池セルスタックの送電端交流出力の合計、すなわち、固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端交流出力１９、固体高分子形燃料電池セルスタック９５の送電端交流出力９９及び固体高分子形燃料電池セルスタック１０８の送電端交流出力１１２の合計が増加した場合に、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱が増加しても、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極３７に供給される固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９の供給量の減少により固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却が抑制されるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持しながら、燃料極３５で安定に所定量の水素と一酸化炭素を生成させることができる。その結果、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８と固体高分子形燃料電池セルスタック９、９５、１０８において所定の送電端交流出力での高効率発電が可能となり、システム出力の減少や発電効率の低下を抑制することができる。
【０２２８】
一方、第二の燃料電池セルスタックの送電端交流出力の合計、すなわち、固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端交流出力１９、固体高分子形燃料電池セルスタック９５の送電端交流出力９９、固体高分子形燃料電池セルスタック１０８の送電端交流出力１１２の合計が減少した場合に、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱が減少しても、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極３７に供給される固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９の供給量の増加により固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却が促進されるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持し、燃料極３５で所定量の水素と一酸化炭素を生成させることができる。その結果、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度上昇による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の劣化が抑制され、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の寿命低下やシステムの信頼性低下を避けることができる。
【０２２９】
（実施形態１５）
図６に示した本発明に係る燃料電池発電システム（実施形態６）を制御対象とした場合の、図１０または図１１に示した本発明の燃料電池発電システムの制御方法の作用について説明する。
【０２３０】
本燃料電池発電システムにおいても、実施形態１４と同様に、図１０または図１１に示した本発明の燃料電池発電システムの制御方法を適用することによって、燃料電池発電システムの出力が変化しても、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持し、触媒の劣化や発電効率の低下を抑制しつつ発電を行うことができる。すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の出力が増加または減少した場合に、天然ガス１の供給量をそれぞれ増加または減少させるとともに、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８への固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９の供給量をそれぞれ減少または増加させ、固体高分子形燃料電池セルスタック９、９５、１０８の出力の合計が増加または減少した場合に、天然ガス１の供給量をそれぞれ増加または減少させるとともに、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８への固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９の供給量をそれぞれ減少または増加させることによって、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持し、触媒の劣化や発電効率の低下を抑制しつつ発電を行うことができる。
【０２３１】
（実施形態１６）
図７に示した本発明に係る燃料電池発電システム（実施形態７）を制御対象とした場合の、図１０または図１１に示した本発明の燃料電池発電システムの制御方法の作用について説明する。
【０２３２】
本燃料電池発電システムにおいても、実施形態１０と同様に、図１０または図１１に示した本発明の燃料電池発電システムの制御方法を適用することによって、燃料電池発電システムの出力が変化しても、改質器３や固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持し、触媒の劣化や発電効率の低下を抑制しつつ発電を行うことができる。すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の出力が増加または減少した場合に、天然ガス１の供給量をそれぞれ増加または減少させるとともに、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８への固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９の供給量をそれぞれ減少または増加させ、りん酸形燃料電池セルスタック７４、１３４、１４７の出力の合計が増加または減少した場合に、天然ガス１の供給量をそれぞれ増加または減少させるとともに、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８への固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９の供給量をそれぞれ減少または増加させることによって、改質器３や固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持し、触媒の劣化や発電効率の低下を抑制しつつ発電を行うことができる。
【０２３３】
（実施形態１７）
図８に示した本発明に係る燃料電池発電システム（実施形態８）を制御対象とした場合の、図１０または図１１に示した本発明の燃料電池発電システムの制御方法の作用について説明する。
【０２３４】
本燃料電池発電システムにおいても、実施形態１６と同様に、図１０または図１１に示した本発明の燃料電池発電システムの制御方法を適用することによって、燃料電池発電システムの出力が変化しても、改質器３や固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持し、触媒の劣化や発電効率の低下を抑制しつつ発電を行うことができる。すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の出力が増加または減少した場合に、天然ガス１の供給量をそれぞれ増加または減少させるとともに、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８への固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９の供給量をそれぞれ減少または増加させ、りん酸形燃料電池セルスタック７４、１３４、１４７の出力の合計が増加または減少した場合に、天然ガス１の供給量をそれぞれ増加または減少させるとともに、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８への固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９の供給量をそれぞれ減少または増加させることによって、改質器３や固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持し、触媒の劣化や発電効率の低下を抑制しつつ発電を行うことができる。
【０２３５】
（実施形態１８）
図９に示した本発明に係る燃料電池発電システム（実施形態９）を制御対象とした場合の、図１０または図１１に示した本発明の燃料電池発電システムの制御方法の作用について説明する。
【０２３６】
本燃料電池発電システムにおいても、実施形態１４と同様に、図１０または図１１に示した本発明の燃料電池発電システムの制御方法を適用することによって、燃料電池発電システムの出力が変化しても、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持し、触媒の劣化や発電効率の低下を抑制しつつ発電を行うことができる。すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の出力が増加または減少した場合に、天然ガス１の供給量をそれぞれ増加または減少させるとともに、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８への固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９の供給量をそれぞれ減少または増加させ、りん酸形燃料電池セルスタック７４、１３４、１４７の出力の合計が増加または減少した場合に、天然ガス１の供給量をそれぞれ増加または減少させるとともに、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８への固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用の空気３９の供給量をそれぞれ減少または増加させることによって、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持し、触媒の劣化や発電効率の低下を抑制しつつ発電を行うことができる。
【０２３７】
以上説明したように本発明によれば、改質器や燃料電池セルスタックの温度を所定の温度範囲に維持しながら燃料電池発電システムの出力を変化させることが可能で、改質器や燃料電池セルスタックの寿命やシステムの信頼性に悪影響を及ぼすことなく、高効率発電を行いながら燃料電池発電システムの出力を負荷変動に追従させることができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【０２３８】
【図１】本発明に係る燃料電池発電システムの一実施形態（実施形態１）を表す構成図である。
【図２】本発明に係る燃料電池発電システムの他の一実施形態（実施形態２）を表す構成図である。
【図３】本発明に係る燃料電池発電システムのその他の一実施形態（実施形態３）を表す構成図である。
【図４】本発明に係る燃料電池発電システムのその他の一実施形態（実施形態４）を表す構成図である。
【図５】本発明に係る燃料電池発電システムのその他の一実施形態（実施形態５）を表す構成図である。
【図６】本発明に係る燃料電池発電システムのその他の一実施形態（実施形態６）を表す構成図である。
【図７】本発明に係る燃料電池発電システムのその他の一実施形態（実施形態７）を表す構成図である。
【図８】本発明に係る燃料電池発電システムのその他の一実施形態（実施形態８）を表す構成図である。
【図９】本発明に係る燃料電池発電システムのその他の一実施形態（実施形態９）を表す構成図である。
【図１０】本発明に係る燃料電池発電システムの制御方法の一実施形態を表すシステムフロー図である。
【図１１】本発明に係る燃料電池発電システムの制御方法の他の一実施形態を表すシステムフロー図である。
【図１２】従来の燃料電池発電システムの一例を表す構成図である。
【図１３】従来の燃料電池発電システムの制御方法を表すシステムフロー図である。
【図１４】従来の燃料電池発電システムの制御方法を表す他のシステムフロー図である。
【符号の説明】
【０２３９】
１…天然ガス、２…脱硫器、３…改質器、４…ＣＯシフトコンバータ、５…ＣＯ選択酸化器、６…燃料極、７…固体高分子電解質、８…空気極、９…固体高分子形燃料電池セルスタック、１０、１１…流量制御弁、１２…空気供給用ブロワ、１３…空気極排出ガス、１４…空気、１５…燃料極排出ガス、１６…出力調整装置、１７…負荷、１８…燃料電池直流出力、１９…送電端交流出力、２０…ＣＯ選択酸化器の排出ガス、２１…ＣＯシフトコンバータの排出ガス、２２…水素リッチな改質ガス、２３…燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス、２４…脱硫天然ガス、２５、２６…空気、２７…流量制御弁、２８…未反応水蒸気を凝縮させたＣＯ選択酸化器の排出ガス、２９…凝縮器、３０…電池反応による生成水、３１…凝縮水、３２…ＣＯシフトコンバータの排出ガス、３３…流量制御弁、３４…ＣＯシフトコンバータの排出ガス、３５…燃料極、３６…固体酸化物電解質、３７…空気極、３８…固体酸化物形燃料電池セルスタック、３９…空気、４０…流量制御弁、４１、４２…燃料極排出ガス、４３…流量制御弁、４４…空気極排出ガス、４５…燃料極排出ガス、４６、４７…流量制御弁、４８…出力調整装置、４９…負荷、５０…燃料電池直流出力、５１…送電端交流出力、５２…ＣＯシフトコンバータの排出ガス、５３…水素分離器、５４…水素分離器の排出ガス、５５…凝縮器、５６…水素分離器の乾燥排出ガス、５７…凝縮水、５８…水素、５９…燃料極水素排出ガス、６０…パージ弁、６１…パージガス、６４…燃料極排出ガス、６５…流量制御弁、６６、６７、６８…ＣＯシフトコンバータの排出ガス、６９…ＣＯ選択酸化器の排出ガス、７０…未反応水蒸気を凝縮させたＣＯ選択酸化器の排出ガス、７１、７２…ＣＯシフトコンバータの排出ガス、７４…りん酸形燃料電池セルスタック、７５…燃料極、７６…りん酸電解質、７７…空気極、７８…空気、７９…流量制御弁、８０…燃料電池直流出力、８１…送電端交流出力、８２…負荷、８３…燃料極排出ガス、８４…空気極排出ガス、８５…出力調整装置、８６、８７、８８…流量制御弁、８９…空気供給用ブロワ、９０…流量制御弁、９１…空気、９２…燃料極、９３…固体高分子電解質、９４…空気極、９５…固体高分子形燃料電池セルスタック、９６…出力調整装置、９７…負荷、９８…燃料電池直流出力、９９…送電端交流出力、１００…空気極排出ガス、１０１…燃料極排出ガス、１０２…空気供給用ブロワ、１０３…流量制御弁、１０４…空気、１０５…燃料極、１０６…固体高分子電解質、１０７…空気極、１０８…固体高分子形燃料電池セルスタック、１０９…出力調整装置、１１０…負荷、１１１…燃料電池直流出力、１１２…送電端交流出力、１１３…空気極排出ガス、１１４…燃料極排出ガス、１１５…空気供給用ブロワ、１１６、１１７…電池反応による生成水、１１８…燃料極水素排出ガス、１１９…パージ弁、１２０…パージガス、１２１…燃料極水素排出ガス、１２２…パージ弁、１２３…パージガス、１２４、１２５、１２６…流量制御弁、１２７、１２８…空気供給用ブロワ、１２９…流量制御弁、１３０…空気、１３１…燃料極、１３２…りん酸電解質、１３３…空気極、１３４…りん酸形燃料電池セルスタック、１３５…出力調整装置、１３６…負荷、１３７…燃料電池直流出力、１３８…送電端交流出力、１３９…燃料極排出ガス、１４０…空気極排出ガス、１４１…空気供給用ブロワ、１４２…流量制御弁、１４３…空気、１４４…燃料極、１４５…りん酸電解質、１４６…空気極、１４７…りん酸形燃料電池セルスタック、１４８…出力調整装置、１４９…負荷、１５０…燃料電池直流出力、１５１…送電端交流出力、１５２…燃料極排出ガス、１５３…空気極排出ガス、１５４…水蒸気と脱硫天然ガスの混合ガス、１５５…水蒸気、１５６…改質器バーナ、１５７…気化器、１５８…気化器ポンプ、１５９…水タンク、１６０…補給水、１６１…補給水ポンプ、１６２…流量制御弁、１６３…天然ガス、１６４…流量制御弁、１６５…空気、１６６…改質バーナの燃焼排出ガス、１６７…流量制御弁、１６８…天然ガス、１６９…天然ガス、１７０…気化器バーナ、１７１…流量制御弁、１７２…空気、１７３…水、１７５…気化器バーナの燃焼排出ガス、１７６…排出ガス。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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