(57)【要約】【課題】  燃料の水蒸気改質反応に必要な水蒸気の不足を抑制し、安定に発電を継続することができる高効率な燃料電池発電システムを提供する。【解決手段】水素豊富な改質ガスを作る改質器3と、水蒸気を含む燃料極排出ガス61を改質器3に供給する第一の燃料電池セルスタック57と、一酸化炭素を二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータ4と、ＣＯ選択酸化器5の排出ガス中の水蒸気を分離する凝縮器39と、排出ガス中の水素を酸素と反応させ発電を行う第二の燃料電池セルスタック9と、第二の燃料電池セルスタック9の燃料極排出ガス19中の未反応燃料および水素を酸素と燃焼させる燃焼器105と、凝縮器39で分離した水蒸気と、第二の燃料電池セルスタックの発電に伴って生成した生成水と補給水を貯蔵する水タンク102と、燃焼器105の燃焼熱を利用して水タンク102から供給する水を水蒸気に変換して改質器3へ供給する水蒸気発生器106とを少なくとも備える。【選択図】図１
2005056777.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料の水蒸気改質反応により生成する水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料の水蒸気改質反応によって水素豊富な改質ガスを作る改質器と、
前記改質ガス中の水素、もしくは水素およ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共に、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを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ることによって二酸化炭素と水素に変換する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蒸気を凝縮分離する凝縮器と、
前記凝縮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第二の燃料電池セルスタックと、
前記第二の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の未反応燃料および未反応水素を酸素と燃焼させる燃焼器と、
前記凝縮器で凝縮分離させた水蒸気、前記第二の燃料電池セルスタックの前記発電に伴って生成した生成水、および外部からの補給水を貯蔵する水タンクと、
前記燃焼器の燃焼熱を利用して前記水タンクから供給する水を水蒸気に変換して前記改質器へ供給する水蒸気発生器とを少なくとも有することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
燃料の水蒸気改質反応により生成する水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料の水蒸気改質反応によって水素豊富な改質ガスを作る改質器と、
前記改質ガス中の水素、もしくは水素およ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共に、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスの一部を前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換する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蒸気を凝縮分離する凝縮器と、
前記凝縮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第二の燃料電池セルスタックと、
前記第二の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の未反応燃料および未反応水素を酸素と燃焼させる燃焼器と、
前記凝縮器で凝縮させた水蒸気、前記第二の燃料電池セルスタックの前記発電に伴って生成した生成水、および外部からの補給水を貯蔵する水タンクと、
前記燃焼器の燃焼熱を利用して、前記水タンクから供給する水を水蒸気に変換して前記改質器へ供給する水蒸気発生器を有することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項３】
燃料の水蒸気改質反応により生成する水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う燃料電池発電システムにおいて、
燃料極で前記燃料の水蒸気改質反応を行わせ水素および一酸化炭素を生成させると共に、前記燃料極で生成した水素、もしくは水素およ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水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費し、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスの一部を前記燃料極に供給する第一の燃料電池セルスタックと、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換する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に残存する一酸化炭素を空気中の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蒸気を凝縮分離する凝縮器と、
前記凝縮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第二の燃料電池スタックと、
前記第二の燃料電池スタックの燃料極排出ガス中の未反応燃料、および未反応水素を酸素と反応させる燃焼器と、
前記凝縮器で凝縮分離させた水蒸気、前記第二の燃料電池スタックの電気化学反応で生成した生成水、および外部からの補給水を貯蔵する水タンクと、
前記燃焼器の燃焼熱を利用して、前記水タンクから供給する水を気化させることによって水蒸気に変換して前記第一の燃料電池セルスタックの前記燃料極へ供給する水蒸気発生器を有することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記燃焼器に前記第二の燃料電池セルスタックの空気極排出ガスを供給することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記燃焼器に空気を供給することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、前記燃焼器に前記第一の燃料電池セルスタックの空気極排出ガスを供給することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、前記第一の燃料電池セルスタックが固体酸化物形燃料電池セルスタックであり、前記第二の燃料電池セルスタックが固体高分子形燃料電池セルスタックであることを特徴とする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、燃料の水蒸気改質反応に必要な水蒸気の不足を抑制し、高効率で安定に発電を継続することができる燃料電池発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１０は、従来の二種類の燃料電池セルスタックを組み合わせて高効率な発電を行う燃料電池発電システムを示す構成図である（例えば、特許文献１参照）。  図１０に示した燃料電池発電システムでは、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を用い、第二の燃料電池セルスタックとして固体高分子形燃料電池セルスタックを用いている。図１０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、改質器、固体酸化物形燃料電池セルスタック、ＣＯシフトコンバータ、ＣＯ選択酸化器、凝縮器、固体高分子形燃料電池セルスタック、出力調整装置、流量制御弁、空気供給用ブロア、および配管類である。
【０００３】
図１０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、５はＣＯ選択酸化器、６は燃料極、７は固体高分子電解質、８は空気極、９は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であり、この固体高分子形燃料電池セルスタック９は燃料極６、固体高分子電解質７、および空気極８を構成要素とする。１０は固体高分子形燃料電池セルスタック用空気３２の供給量を制御する流量制御弁、１１はＣＯ選択酸化器用空気３３の供給量を制御する流量制御弁、１３は空気供給用ブロア、１７は固体高分子形燃料電池セルスタック９から排出される空気極排出ガス、１８は空気、１９は固体高分子形燃料電池セルスタック９から排出される燃料極排出ガス、２０は出力調整装置、２１は負荷、２２は燃料電池直流出力、２３は送電端交流出力、２５はＣＯ選択酸化器５の排出ガスである、一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーに低減させた改質ガス、２６はＣＯシフトコンバータ４の排出ガスである、一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた改質ガス、２７は水素豊富な改質ガス、２８は改質器リサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス、２９は脱硫天然ガス、３２は固体高分子形燃料電池セルスタック用空気、３３はＣＯ選択酸化器用空気、３７は燃料である天然ガス１の供給量を制御する流量制御弁、３８は未反応水蒸気を凝縮させた改質ガス、３９は凝縮器、４０は電池反応による生成水、４１は凝縮水、５０は脱硫器リサイクル用改質ガス、５１は脱硫器リサイクル用改質ガス５０の供給量を制御する流量制御弁、５２はＣＯ選択酸化器用改質ガス、５４は燃料極、５５は固体酸化物電解質、５６は空気極、５７は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であり、この固体酸化物形燃料電池セルスタック５７は燃料極５４、固体酸化物電解質５５、および空気極５６を構成要素とする。５８は固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気、５９は改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０の供給量を制御する流量制御弁、６０は燃料極５４から排出され改質器リサイクルに用いられる改質器リサイクル用燃料極排出ガス、６１は燃料極５４から排出されるすべての燃料極排出ガスであり、この燃料極排出ガス６１は改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０と排出用燃料極排出ガス６４とに分配される。６２は固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の供給量を制御する流量制御弁、６３は空気極５６から排出される空気極排出ガス、６４は外部に排出される排出用燃料極排出ガス、７４は水素豊富な改質ガス２７のＣＯシフトコンバータ４への供給量を制御する流量制御弁、７５は水素豊富な改質ガス２７の固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４への供給量を制御する流量制御弁、８６は出力調整器、８７は負荷、８８は燃料電池直流出力、８９は送電端交流出力である。
【０００４】
なお、上記「水素豊富」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昧する。
【０００５】
図１０において、固体高分子形燃料電池スタック９が一組の燃料極６、固体高分子電解質７、および空気極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いるが、実際には、固体高分子形燃料電池セルスタック９は、複数の単セルから構成されている。同様に、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７も一組の燃料極５４、固体酸化物電解質５５、および空気極５６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５７は、複数の単セルから構成されている。
【０００６】
以下、図１０を用いて、この従来の燃料電池発電システムの作用について説明する。燃料である天然ガス１を脱硫器２に供給する。燃料である天然ガス１の供給量は、あらかじめ設定された燃料電池直流出力２２の電池電流および燃料電池直流出力８８の電池電流と流量制御弁３７の開度（すなわち、燃料である天然ガス１の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁３７の開度を制御することによって、燃料電池直流出力２２の電池電流および燃料電池直流出力８８の電池電流に見合った値に設定する。
【０００７】
脱硫器２では、充填された脱硫触媒のコバルトー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の燃料極６および固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４の電極触媒の劣化要因となる燃料である天然ガス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添脱硫すること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、硫黄分を除去する。硫化水素の生成に必要な水素を供給するために、ＣＯシフトコンバータ４から排出される水素豊富な一酸化炭素の濃度を１％以下に低減させた改質ガス２６の一部を脱硫器リサイクル用改質ガス５０として脱硫器２にリサイクルする。脱硫器リサイクル用改質ガス５０の供給量は、あらかじめ設定された流量制御弁３７の開度（すなわち、燃料である天然ガス１の供給量）と流量制御弁５１の開度（すなわち、脱硫器リサイクル用改質ガス５０の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁５１の開度を制御することによって、燃料である天然ガス１の供給量に見合った値に設定する。硫化水素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。
【０００８】
脱硫器２で脱硫された脱硫天然ガス２９は、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７で電池反応により生成した水蒸気を含む改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０と混合し、改質器リサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス２８として改質器３に供給する。改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０の供給量は、あらかじめ設定された流量制御弁３７の開度（すなわち、燃料である天然ガス１の供給量）と流量制御弁５９の開度（すなわち、改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁５９の開度を制御することによって、燃料である天然ガス１の供給量に対して改質器リサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス２８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。
【０００９】
改質器３では、充填された改質触媒の働きにより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が行われ、水素豊富な改質ガス２７が作られる。燃料である天然ガス１の主成分であるメタンの水蒸気改質反応は下記（化１）式で表される。
【００１０】
（メタンの水蒸気改質反応）
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２………（化１）
この（化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℃に維持することカ泌要である。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５７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。
【００１１】
改質器３で作られた水素豊富な改質ガス２７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５７の燃料極５４に供給する。ＣＯシフトコンバータ４への水素豊富な改質ガス２７の供給量は、あらかじめ設定された燃料電池直流出力２２の直流電流と流量制御弁７４の開度（すなわち、ＣＯシフトコンバータ４への水素豊富な改質ガス２７の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁７４の開度を制御することによって、燃料電池直流出力２２の直流電流に見合った値に設定する。一方、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４への水素豊富な改質ガス２７の供給量は、あらかじめ設定された燃料電池直流出力８８の直流電流と流量制御弁７５の開度（すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４への水素豊富な改質ガス２７の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁７５の開度を制御することによって、燃料電池直流出力８８の直流電流に見合った値に設定する。
【００１２】
固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の空気極５６には、空気供給用ブロア１３を用いて取り込んだ空気１８の一部を固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８として供給する。固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の供給量は、あらかじめ設定された燃料電池直流出力８８の電池電流と流量制御弁６２の開度（すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁６２の開度を制御することによって、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４への水素豊富な改質ガス２７の供給量に見合った値に設定する。
【００１３】
固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の空気極５６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用空気５８中の酸素が下記（化２）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。
【００１４】
（空気極反応）
（1/2）Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−………（化２）
空気極５６で生成した酸素イオンは、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等の固体酸化物形電解質５５の内部を移動し、燃料極５４に到達する。燃料極５４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５６から固体酸化物電解質５５の内部を燃料極５４に移動してきた酸素イオンが、下記（化３）式および（化４）式に示す反応により燃料極５４に供給された水素豊富な改質ガス２７中の水素および一酸化炭素と反応し、水蒸気または二酸化炭秦と電子が生成する。
【００１５】
（燃料極反応）
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−………（化３）
ＣＯ＋Ｏ２−→ＣＯ２＋２ｅ−………（化４）
燃料極５４で生成した電子は、外部回路を移動し、空気極５６に到達する。空気極５６に到達した電子は、前述した（化２）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８８として取り出すことができる。（化２）式と（化３）式、（化２）式と（化４）式を、それぞれまとめると、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の電池反応は、下記（化５）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、下記（化６）式に示す一酸化炭素と酸素から二酸化炭秦が生成する反応として表すことができる。
【００１６】
（電池反応）
Ｈ２＋（1/2）Ｏ２→Ｈ２Ｏ………（化５）
ＣＯ＋（1/2）Ｏ２→ＣＯ２………（化６）
固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の発電によって得られた燃料電池直流出力８８は、負荷８７に合わせて出力調整装置８６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８９として負荷８７に供給する。なお、図１０では、出力調整装置８６で電圧の変換と直流から交流への変換を行っているが、出力調整装置８６で電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷８７に供給してもよい。
【００１７】
固体酸化物形燃料電池セルスタック５７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る。このため、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７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。
【００１８】
燃料極５４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５７の燃料極排出ガス６１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、改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０として脱硫天然ガス２９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５７の燃料極排出ガス６１の残りは、排出用燃料極排出ガス６４として、外部に排出する。
【００１９】
水素豊富な改質ガス２７中には、固体高分子形燃料電池セルスタック９の燃料極６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５７に供給しない水素豊富な改質ガス２７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下記（化７）式に示す水性シフト反応を行わせることによって、水素豊富な改質ガス２７中の一酸化炭素濃度を１％以下まで低減させる。
【００２０】
（水性シフト反応）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２………（化７）
水性シフト反応は発熱反応であり、発熱した熱は脱硫器２に供給し、前述した吸熱反応である脱硫器２の硫化水素と硫化亜鉛の生成反応の反応熱として利用する。
【００２１】
ＣＯシフトコンバータ４でつくられた一酸化炭素濃度１％以下に低減させた改質ガス２６の一部は、前述したように脱硫器リサイクル用改質ガス５０として脱硫器２に供給し、残りは、改質ガス中の一酸化炭素濃度が１００ｐｐｍ以上であると固体高分子形燃料電池セルスタック９の燃料極６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選択酸化器用改質ガス５２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選択酸化器用改質ガス５２に含まれる一酸化炭素をＣＯ選択酸化器用空気３３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選択酸化器用改質ガス５２中の一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーに低減させる。この発熱反応である一酸化炭素の酸化反応を下記（化８）式に示す。
【００２２】
（一酸化炭素の酸化反応）
ＣＯ＋（1/2）Ｏ２→ＣＯ２………（化８）
ＣＯ選択酸化器用空気３３の供給量は、あらかじめ設定された流量制御弁７４の開度（すなわち、ＣＯシフトコンバータ４への水素豊富な改質ガス２７の供給量）と流量制御弁１１の開度（すなわち、ＣＯ選択酸化器用空気３３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への水素豊富な改質ガス２７の供給量に見合った値に設定する。
【００２３】
ＣＯ選択酸化器５で作られた一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーに低減させた改質ガス２５に含まれる未反応水蒸気は、凝縮器３９で１００℃以下に冷却することによって、凝縮水４１として回収する。凝縮器３９で未反応水蒸気を凝縮させた改質ガス３８は、固体高分子形燃料電池セルスタック９の燃料極６に供給する。また、空気供給用ブロア１３で取り込んだ空気１８の一部を、固体高分子形燃料電池セルスタック用空気３２として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用空気３２の供給量は、あらかじめ設定された燃料電池直流出力２２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用空気３２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２２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。
【００２４】
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改質ガス３８中に含まれる水素の８０％が、下記（化９）式に示す燃料極反応により水素イオンと電子に変わる。
【００２５】
（燃料極反応）
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−………（化９）
燃料極６で生成した水素イオンは、ナフィオン等の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の内部に移動し、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２２として取り出すことできる。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、および空気極８に供給された固体高分子形燃料電池セルスタック用空気３２中の酸素が、下記（化１０）式に示す空気極反応により反応し、水が生成する。
【００２６】
（空気極反応）
２Ｈ＋＋（1/2）Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ………（化１０）
（化９）式と（化１０）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、（化１１）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。
【００２７】
（電池反応）
Ｈ２＋（1/2）Ｏ２→Ｈ２Ｏ………（化１１）
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２２は、負荷２１に合わせて出力調整装置２０で電圧の変換と直流から交流へ変換を行った後に、送電端交流出力２３として負荷２１に供給する。なお、図１０では、出力調整装置２０で直流から交流への変換を行っているが、出力調整装置２０で電圧変換のみ行い、送電端直流出力を負荷２１に供給してもよい。
【００２８】
固体高分子形燃料電池セルスタック用空気３２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（化１０）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１７として排出される。一方、未反応水蒸気を凝縮させた改質ガス３８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（式９）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６として排出される。
【００２９】
【特許文献１】特開平８−４５５２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３０】
本発明の解決しようとする課題は、従来の燃料電池発電システムでは、燃料電池直流出力２２の直流電流が燃料電池直流出力８８の直流電流より多く、ＣＯシフトコンバータ４への水素豊富な改質ガス２７の供給量の方が固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４への水素豊富な改質ガス２７の供給量より多い場合には、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４で電池反応により生成した水蒸気を含む改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０を供給するだけでは、水蒸気が不足し、改質器３に供給する改質器リサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス２８のスチームカーボン比が所定の値より低下する恐れがある。改質器３に供給する改質器リサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス２８のスチームカーボン比が所定の値より低下すると、改質用水蒸気の不足により燃料である天然ガス１中の炭化水素の水蒸気改質反応が十分に進行しなくなる、カーボン析出により改質器の性能低下が起こる等の理由で、燃料電池発電システムの発電を安定に継続することができない。
【００３１】
本発明の目的は、燃料の水蒸気改質反応に必要な水蒸気の不足を抑制し、安定に発電を継続することができる高効率な燃料電池発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３２】
前記本発明の目的を達成するために、特許請求の範囲に記載のような構成とするものである。すなわち、
請求項１に記載のように、燃料の水蒸気改質反応により生成する水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料の水蒸気改質反応によって水素豊富な改質ガスを作る改質器と、
前記改質ガス中の水素、もしくは水素およ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共に、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを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ることによって二酸化炭素と水素に変換する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蒸気を凝縮分離する凝縮器と、
前記凝縮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第二の燃料電池セルスタックと、
前記第二の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の未反応燃料および未反応水素を酸素と燃焼させる燃焼器と、
前記凝縮器で凝縮分離させた水蒸気、前記第二の燃料電池セルスタックの前記発電に伴って生成した生成水、および外部からの補給水を貯蔵する水タンクと、
前記燃焼器の燃焼熱を利用して前記水タンクから供給する水を水蒸気に変換して前記改質器へ供給する水蒸気発生器とを少なくとも有する燃料電池発電システムとするものである。
【００３３】
また、請求項２に記載のように、燃料の水蒸気改質反応により生成する水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料の水蒸気改質反応によって水素豊富な改質ガスを作る改質器と、
前記改質ガス中の水素、もしくは水素およ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共に、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスの一部を前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換する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蒸気を凝縮分離する凝縮器と、
前記凝縮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第二の燃料電池セルスタックと、
前記第二の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の未反応燃料および未反応水素を酸素と燃焼させる燃焼器と、
前記凝縮器で凝縮させた水蒸気、前記第二の燃料電池セルスタックの前記発電に伴って生成した生成水、および外部からの補給水を貯蔵する水タンクと、
前記燃焼器の燃焼熱を利用して、前記水タンクから供給する水を水蒸気に変換して前記改質器へ供給する水蒸気発生器を有する燃料電池発電システムとするものである。
【００３４】
また、請求項３に記載のように、燃料の水蒸気改質反応により生成する水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う燃料電池発電システムにおいて、
燃料極で前記燃料の水蒸気改質反応を行わせ水素および一酸化炭素を生成させると共に、前記燃料極で生成した水素、もしくは水素およ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水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費し、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスの一部を前記燃料極に供給する第一の燃料電池セルスタックと、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換する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に残存する一酸化炭素を空気中の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蒸気を凝縮分離する凝縮器と、
前記凝縮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第二の燃料電池スタックと、
前記第二の燃料電池スタックの燃料極排出ガス中の未反応燃料、および未反応水素を酸素と反応させる燃焼器と、
前記凝縮器で凝縮分離させた水蒸気、前記第二の燃料電池スタックの電気化学反応で生成した生成水、および外部からの補給水を貯蔵する水タンクと、
前記燃焼器の燃焼熱を利用して、前記水タンクから供給する水を気化させることによって水蒸気に変換して前記第一の燃料電池セルスタックの前記燃料極へ供給する水蒸気発生器を有する燃料電池発電システムとするものである。
【００３５】
また、請求項４に記載のように、請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記燃焼器に前記第二の燃料電池セルスタックの空気極排出ガスを供給する燃料電池発電システムとするものである。
【００３６】
また、請求項５に記載のように、請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記燃焼器に空気を供給する燃料電池発電システムとするものである。
【００３７】
また、請求項６に記載のように、請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、前記燃焼器に前記第一の燃料電池セルスタックの空気極排出ガスを供給する燃料電池発電システムとするものである。
【００３８】
また請求項７に記載のように、請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、前記第一の燃料電池セルスタックが固体酸化物形燃料電池セルスタックであり、前記第二の燃料電池セルスタックが固体高分子形燃料電池セルスタックである燃料電池発電システムとするものである。
【発明の効果】
【００３９】
本発明によれば、発電効率を低下させることなく燃料の水蒸気改質反応に必要な水蒸気の不足を抑制し、安定に燃料電池発電システムの発電を継続することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
図１（本発明の最良の実施の形態とする）は、本発明による燃料電池発電システムの一実施例を示す構成図である。図１において、前述した図１０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、１００は補給水、１０１は補給水ポンプ、１０２は水タンク、１０３は水蒸気発生器用水供給ポンプ、１０４は水、１０５は燃焼器、１０６は水蒸気発生器、１０７は燃焼器排出ガス、１０８は水蒸気、１０９は水蒸気１０８の供給量を制御する流量制御弁である。
【００４１】
図１を用いて本実施例を説明する。本実施例は、図１０に示した従来の燃料電池発電システムとは、図１に示すように、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１９と空気極排出ガス１７を供給して燃焼反応を行わせる燃焼器１０５と、凝縮器３９から排出される凝縮水４１、固体高分子形燃料電池セルスタック９の空気極８から排出される電池反応による生成水４０、および補給水ポンプ１０１で供給される補給水１００を貯蔵する水タンク１０２と、水タンク１０２から水蒸気発生器用水供給ポンプ１０３で供給した水１０４を燃焼器１０５の燃焼熱で気化させて水蒸気１０８を生成させる水蒸気発生器１０６を備え、水蒸気発生器１０６で発生した水蒸気１０８を改質器３に供給する点が大きく異なる。
【００４２】
次に、本実施例の作用について、図１を参照して説明する。凝縮器３９から排出する凝縮水４１と、固体高分子形燃料電池セルスタック９の空気極８から排出する電池反応による生成水４０を水タンク１０２に貯蔵する。水タンク１０２の水が不足する場合には、必要に応じて補給水ポンプ１０１を作動させ、外部から補給水１００を水タンク１０２に供給する。固体高分子形燃料電池セルスタック９の燃料極排出ガス１９と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１７を燃焼器１０５に供給し、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１９中の未反応燃料および未反応水素を、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１７中の酸素と燃焼させ、燃焼器排出ガス１０７を排出する。燃焼器１０５の燃焼熱を利用して水タンク１０２から水蒸気発生器１０６に供給した水１０４を気化させることによって水蒸気１０８を生成させる。水蒸気発生器１０６で生成させた水蒸気１０８は、改質器リサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス２８に混ぜて改質器３に供給する。水蒸気１０８の供給量は、あらかじめ設定された流量制御弁３７の開度（すなわち、燃料である天然ガス１の供給量）および流量制御弁５９の開度（すなわち、改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０の供給量）と流量制御弁１０９の開度（すなわち、水蒸気１０８の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１０９の開度を制御することによって、燃料である天然ガス１の供給量に対して改質器リサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス２８のスチームカーボン比が所定の値になるように設定する。  
燃焼器１０５の燃料として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１９を利用し、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給することがないので、水蒸気１０８を供給するために、燃料電池発電システムの発電効率を低下させることはない。
【００４３】
図１に示した本発明の一実施例では、図１０に示した従来の燃料電池発電システムとは異なり、燃料電池直流出力２２の直流電流が燃料電池直流出力８８の直流電流より多く、ＣＯシフトコンバータ４への水素豊富な改質ガス２７の供給量の方が固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４への水素豊富な改質ガス２７の供給量より多い場合には、水蒸気発生器１０６で燃焼器１０５の燃焼熱を利用して生成させた水蒸気１０８を供給することによって、改質器３に供給する改質器リサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス２８のスチームカーボン比が所定の値より低下することを抑制することができる。このため、改質用水蒸気の不足による燃料である天然ガス１中の炭化水素の水蒸気改質反応の阻害やカーボン析出に起因する改質器３の性能低下が起こらず、燃料電池発電システムの発電を発電効率を低下させることなく安定に継続することが可能である。
【実施例１】
【００４４】
図２（実施例１とする）は、本発明による燃料電池発電システムの他の一実施例を示す構成図である。図２において、前述した図１０および図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。図２においては、１１１は燃焼用空気１１２の供給量を制御する流量制御弁、１１２は燃焼用空気である。図２を用いて実施例１を説明する。本実施例は、図１に示した実施例（発明を実施するための最良の形態）とは、図２に示したように、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１７を燃焼器１０５に供給する代わりに、流量制御弁１１１を設け、燃焼用空気１１２を燃焼器１０５に供給する点が大きく異なる。
【００４５】
次に、本実施例の作用について、図２を参照して説明する。本実施例では、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１９と燃焼用空気１１２を燃焼器１０５に供給し、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１９中の未反応燃料および未反応水素を、燃焼用空気１１２中の酸素と燃焼させる。燃焼器１０５への燃焼用空気１１２の供給量は、あらかじめ設定された流量制御弁１０９の開度（すなわち、水蒸気１０８の供給量）と流量制御弁１１１の開度（すなわち、燃焼用空気１１２の供給量）の関係に基づいて、水蒸気１０８の供給量に見合った値に設定する。本実施例においても、燃焼器１０５の燃料として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１９を利用し、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給することがないので、水蒸気１０８を供給するために燃料電池発電システムの発電効率を低下させることはない。
【００４６】
図２に示した本実施例は、図１に示した実施例と同様に、図１０に示した従来の燃料電池発電システムとは異なり、燃料電池直流出力２２の直流電流が燃料電池直流出力８８の直流電流より多く、ＣＯシフトコンバータ４への水素豊富な改質ガス２７の供給量の方が固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４への水素豊富な改質ガス２７の供給量より多い場合には、水蒸気発生器１０６で燃焼器１０５の燃焼熱を利用して生成させた水蒸気１０８を供給することによって、改質器３に供給する改質器リサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス２８のスチームカーボン比が所定の値より低下することを抑制することができる。このため、改質用水蒸気の不足による燃料である天然ガス１中の炭化水素の水蒸気改質反応の阻害やカーボン析出に起因する改質器３の性能低下が起こらず、燃料電池発電システムの発電を発電効率を低下させることなく安定に継続することが可能である。
【実施例２】
【００４７】
図３（実施例２とする）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例を表す構成図である。図において、前述した図１０、図１、および図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を用いて本実施例を説明する。本実施例は、図１に示した実施例とは、図３に示したように、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１７を燃焼器１０５に供給する代わりに、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の空気極排出ガス６３を燃焼器１０５に供給する点が大きく異なる。
【００４８】
次に、本実施例の作用について、図３を参照して説明する。本実施例では、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１９と固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の空気極排出ガス６３を燃焼器１０５に供給し、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１９中の未反応燃料および未反応水素を、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の空気極排出ガス６３中の酸素と燃焼させる。本実施例においても、燃焼器１０５の燃料として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１９を利用し、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給することがないので、水蒸気１０８を供給するために燃料電池発電システムの発電効率を低下させることはない。図３に示した本実施形態は、図１に示した実施例と同様に、図１０に示した従来の燃料電池発電システムとは異なり、燃料電池直流出力２２の直流電流が燃料電池直流出力８８の直流電流より多く、ＣＯシフトコンバータ４への水素豊富な改質ガス２７の供給量の方が固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４への水素豊富な改質ガス２７の供給量より多い場合には、水蒸気発生器１０６で燃焼器１０５の燃焼熱を利用して生成させた水蒸気１０８を供給することによって、改質器３に供給する改質器リサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス２８のスチームカーボン比が所定の値より低下することを抑制することができる。このため、改質用水蒸気の不足による燃料である天然ガス１中の炭化水素の水蒸気改質反応の阻害やカーボン析出に起因する改質器３の性能低下が起こらず、燃料電池発電システムの発電を発電効率を低下させることなく安定に継続することが可能である。
【実施例３】
【００４９】
図４（実施例３とする）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例を示す構成図である。図において、前述した図１０、図１、図２、および図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、９３はＣＯ選択酸化器５からの排出ガスである、一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーに低減させた燃料極排出ガス、９４は未反応水蒸気を凝縮させた燃料極排出ガス、９５は脱硫器リサイクル用燃料極排出ガス、９７は脱硫器リサイクル用燃料極排出ガス９５の供給量を制御する流量制御弁、１５０はＣＯシフトコンバータ用燃料極排出ガス、１６０はＣＯシフトコンバータ４の排出ガスである、一酸化炭素の濃度を１％以下に低減させた燃料極排出ガス、１８０はＣＯ選択酸化器用燃料極排出ガスを表す。
【００５０】
図４を用いて実施例３を説明する。本実施例は、図１に示した実施例とは、図４に示したように、水素豊富な改質ガス２７の代わりにＣＯシフトコンバータ用燃料極排出ガス１５０をＣＯシフトコンバータ４に供給する点が大きく異なる。  次に、本実施例の作用について、図４を参照して説明する。本実施例では、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％以下に低減させた燃料極排出ガス１６０の一部を、脱硫器リサイクル用燃料極排出ガス９５として脱硫器２にリサイクルする。脱硫器リサイクル用燃料極排出ガス９５の供給量は、あらかじめ設定された流量制御弁３７の開度（すなわち、燃料である天然ガス１の供給量）と流量制御弁９７の開度（すなわち、脱硫器リサイクル用燃料極排出ガス９５の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁９７の開度を制御することによって、燃料である天然ガス１の供給量に見合った値に設定する。ＣＯシフトコンバータ４で作られた一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた燃料極排出ガス１６０の一部は、前述したように脱硫器リサイクル用燃料極排出ガス９５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の燃料極６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オーダに低減させるために、ＣＯ選択酸化器用燃料極排出ガス１８０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選択酸化器用燃料極排出ガス１８０中に含まれる一酸化炭素を（化８）式に示したようにＣＯ選択酸化器用空気３３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選択酸化器用燃料極排出ガス１８０中の一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダに低減させる。ＣＯ選択酸化器５でつくられた一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダに低減させた燃料極排出ガス９３に含まれる未反応水蒸気は、凝縮器３９で１００℃以下に冷却することによって、凝縮水４１として回収する。凝縮器３９で未反応水蒸気を凝縮させた燃料極排出ガス９４は、固体酸化物形燃料電池セルスタック９の燃料極６に供給する。本実施例においても、燃焼器１０５の燃料として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１９を利用し、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給することがないので、水蒸気１０８を供給するために、燃料電池発電システムの発電効率を低下させることはない。
【００５１】
図４に示した本実施例は、図１に示した実施例と同様に、図１０に示した従来の燃料電池発電システムとは異なり、燃料電池直流出力２２の直流電流が燃料電池直流出力８８の直流電流よりも多い場合には、燃焼器１０５の燃焼熱を利用して生成させた水蒸気１０８を供給することによって、改質器３に供給する改質器リサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス２８のスチームカーボン比が所定の値より低下することを抑制することができる。このため、改質用水蒸気の不足による燃料である天然ガス１中の水蒸気改質反応の阻害やカーボン析出に起因する改質器３の性能低下が起こらず、燃料電池発電システムの発電を発電効率を低下させることなく安定に継続することが可能である。
【実施例４】
【００５２】
図５（実施例４とする）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例を示す構成図である。図において、前述した図１０、図１、図２、図３、および図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。図５を用いて実施例４を説明する。本実施例は、図４に示した実施例とは、図５に示したように、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１７を燃焼器１０５に供給する代わりに、流量制御弁１１１を設け、燃焼用空気１１２を燃焼器１０５に供給する点が大きく異なる。
【００５３】
次に、本実施例の作用について、図５を参照して説明する。本実施例では、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１９と燃焼用空気１１２を燃焼器１０５に供給し、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１９中の未反応燃料および未反応水素を、燃焼用空気１１２中の酸素と燃焼させる。本実施例においても、燃焼器１０５の燃料として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１９を利用し、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給することがないので、水蒸気１０８を供給するために、燃料電池発電システムの発電効率を低下させることはない。
【００５４】
図５に示した本実施例は、図４に示した実施例と同様に、図１０に示した従来の燃料電池発電システムとは異なり、燃料電池直流出力２２の直流電流が燃料電池直流出力８８の直流電流よりも多い場合には、燃焼器１０５の燃焼熱を利用して生成させた水蒸気１０８を供給することによって、改質器３に供給する改質器リサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス２８のスチームカーボン比が所定の値より低下することを抑制することができる。このため、改質用水蒸気の不足による燃料である天然ガス１中の水蒸気改質反応の阻害やカーボン析出に起因する改質器３の性能低下が起こらず、燃料電池発電システムの発電を発電効率を低下させることなく安定に継続することが可能である。
【実施例５】
【００５５】
図６（実施例５とする）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例を示す構成図である。図において、前述した図１０、図１、図２、図３、図４、および図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略する。図６を用いて実施形態６を説明する。本実施例は、図４に示した実施例とは、図６に示したように、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１７を燃焼器１０５に供給する代わりに、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の空気極排出ガス６３を燃焼器１０５に供給する点が大きく異なる。
【００５６】
次に、本実施例の作用について、図６を参照して説明する。本実施例では、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１９と固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の空気極排出ガス６３を燃焼器１０５に供給し、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１９中の未反応燃料および未反応水素を、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の空気極排出ガス６３中の酸素と燃焼させる。本実施例においても、燃焼器１０５の燃料として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１９を利用し、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給することがないので、水蒸気１０８を供給するために燃料電池発電システムの発電効率を低下させることはない。図６に示した本実施例は、図４に示した実施例と同様に、図１０に示した従来の燃料電池発電システムとは異なり、燃料電池直流出力２２の直流電流が燃料電池直流出力８８の直流電流よりも多い場合には、燃焼器１０５の燃焼熱を利用して生成させた水蒸気１０８を供給することによって、改質器３に供給する改質器リサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス２８のスチームカーボン比が所定の値より低下することを抑制することができる。このため、改質用水蒸気の不足による燃料である天然ガス１中の水蒸気改質反応の阻害やカーボン析出に起因する改質器３の性能低下が起こらず、燃料電池発電システムの発電を発電効率を低下させることなく安定に継続することが可能である。
【実施例６】
【００５７】
図７（実施例６とする）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例を示す構成図である。図において、前述した図１０、図１、図２、図３、図４、図５、および図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。図７において、１４０は固体酸化物形燃料電池セルスタックリサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス、１９０は固体酸化物形燃料電池セルスタックリサイクル用燃料極排出ガス、２００は固体酸化物形燃料電池セルスタックリサイクル用燃料極排出ガス１９０の供給量を制御する流量制御弁を表す。
【００５８】
図７を用いて本実施例を説明する。本実施例は、図４に示した実施例とは、図７に示したように改質器３が不要で、固体酸化物形燃料電池セルスタックリサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス１４０をそのまま固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４に供給し、燃料極５４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点が大きく異なる。
【００５９】
次に、本実施例の作用について、図７を参照して説明する。本実施例では、脱硫器２で脱硫された脱硫天然ガス２９は、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の発電に伴って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リサイクル用燃料極排出ガス１９０と混合し、固体酸化物形燃料電池セルスタックリサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス１４０として固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４に供給する。固体酸化物形燃料電池セルスタックリサイクル用燃料極排出ガス１９０の供給量は、あらかじめ設定された流量制御弁３７の開度（すなわち、燃料である天然ガス１の供給量）と流量制御弁２００の開度（すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタックリサイクル用燃料極排出ガス１９０の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁２００の開度を制御することによって、燃料である天然ガス１の供給量に対して固体酸化物形燃料電池セルスタックリサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス１４０のスチームカーボン比が所定の値になるように設定する。
【００６０】
固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４では、燃料極触媒の働きにより燃料である天然ガス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、水秦と一酸化炭素が生成する。燃料極５４で生成した水素と一酸化炭素がその場で（化３）式および（化４）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５７の発電が行われる。炭化水秦の水蒸気改質反応は吸熱反応であるので、固体酸化物燃料電池セルスタック５７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。固体酸化物形燃料電池セルスタック５７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、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の発熱を、前述したように燃料極５４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。  
水蒸気発生器１０６で生成させた水蒸気１０８は、固体酸化物形燃料電池セルスタックリサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス１４０に混ぜて、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４に供給する。本実施例においても、燃焼器１０５の燃料として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１９を利用し、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給することがないので、水蒸気１０８を供給するために燃料電池発電システムの発電効率を低下させることはない。
【００６１】
図７に示した本実施例は、図４に示した実施例と同様に、図１０に示した従来の燃料電池発電システムとは異なり、燃料電池直流出力２２の直流電流が燃料電池直流出力８８の直流電流よりも多い場合には、燃焼器１０５の燃焼熱を利用して生成させた水蒸気１０８を供給することによって、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４に供給する固体酸化物形燃料電池セルスタックリサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス１４０のスチームカーボン比が所定の値より低下することを抑制することができる。このため、改質用水蒸気の阻害やカーボン析出に起因する固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の性能低下が起こらず、燃料電池発電システムの発電を発電効率を低下させることなく安定に継続することが可能である。
【実施例７】
【００６２】
図８（実施例７とする）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例を示す構成図である。図において、前述した図１０、図１、図２、図３、図４、図５、図６、および図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。図８を用いて実施例７を説明する。本実施例は、図７に示した実施例とは、図８に示したように、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１７を燃焼器１０５に供給する代わりに、流量制御弁１１１を設け、燃焼用空気１１２を燃焼器１０５に供給する点が大きく異なる。
【００６３】
次に、本実施例の作用について、図８を参照して説明する。本実施例では、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１９と燃焼用空気１１２を燃焼器１０５に供給し、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１９中の未反応燃料および未反応水素を、燃焼用空気１１２中の酸素と燃焼させる。本実施例においても、燃焼器１０５の燃料として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１９を利用し、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給することがないので、水蒸気１０８を供給するために燃料電池発電システムの発電効率を低下させることはない。図８に示した本実施例は、図７に示した実施例と同様に、図１０に示した従来の燃料電池発電システムとは異なり、燃料電池直流出力２２の直流電流が燃料電池直流出力８８の直流電流よりも多い場合には、燃焼器１０５の燃焼熱を利用して生成させた水蒸気１０８を供給することによって、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４に供給する固体酸化物形燃料電池セルスタックリサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス１４０のスチームカーボン比が所定の値より低下することを抑制することができる。このため、改質用水蒸気の阻害やカーボン析出に起因する固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の性能低下が起こらず、燃料電池発電システムの発電を発電効率を低下させることなく安定に継続することが可能である。
【実施例８】
【００６４】
図９（実施例８とする）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例を示す構成図である。図において、前述した図１０、図１、図２、図３、図４、図５、図６、図７、および図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。  
図９を用いて本実施例を説明する。本実施例は、図７に示した実施例とは、図９に示したように、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１７を燃焼器１０５に供給する代わりに、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の空気極排出ガス６３を燃焼器１０５に供給する点が大きく異なる。
【００６５】
次に、本実施例の作用について図９を参照して説明する。本実施例では、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１９と固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の空気極排出ガス６３を燃焼器１０５に供給し、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１９中の未反応燃料および未反応水素を、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の空気極排出ガス６３中の酸素と燃焼させる。本実施形態においても、燃焼器１０５の燃料として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１９を利用し、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給することがないので、水蒸気１０８を供給するために燃料電池発電システムの発電効率を低下させることはない。
【００６６】
図９に示した本実施形態は、図７に示した実施例と同様に、図１０に示した従来の燃料電池発電システムとは異なり、燃料電池直流出力２２の直流電流が燃料電池直流出力８８の直流電流よりも多い場合には、燃焼器１０５の燃焼熱を利用して生成させた水蒸気１０８を供給することによって、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４に供給する固体酸化物形燃料電池セルスタックリサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス１４０のスチームカーボン比が所定の値より低下することを抑制することができる。このため、改質用水蒸気の阻害やカーボン析出に起因する固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の性能低下が起こらず、燃料電池発電システムの発電を発電効率を低下させることなく安定に継続することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の発明を実施するための最良の形態とされる燃料電池発電システムの構成の一例を示す図。
【図２】本発明の実施例１として例示した燃料電池発電システムの構成の一例を示す図。
【図３】本発明の実施例２として例示した燃料電池発電システムの構成の一例を示す図。
【図４】本発明の実施例３として例示した燃料電池発電システムの構成の一例を示す図。
【図５】本発明の実施例４として例示した燃料電池発電システムの構成の一例を示す図。
【図６】本発明の実施例５として例示した燃料電池発電システムの構成の一例を示す図。
【図７】本発明の実施例６として例示した燃料電池発電システムの構成の一例を示す図。
【図８】本発明の実施例７として例示した燃料電池発電システムの構成の一例を示す図。
【図９】本発明の実施例８として例示した燃料電池発電システムの構成の一例を示す図。
【図１０】従来の燃料電池発電システムの構成の一例を示す図。
【符号の説明】
【００６８】
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  流量制御弁
１１  流量制御弁                      １３  空気供給用ブロア
１７  空気極排出ガス                  １８  空気
１９  燃料極排出ガス                  ２０  出力調整装置
２１  負荷                            ２２  燃料電池直流出力
２３  送電端交流出力
２５  一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーに低減させた改質ガス
２６  一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた改質ガス
２７  水素豊富な改質ガス
２８  改質器リサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス
２９  脱硫天然ガス
３２  固体高分子形燃料電池セルスタック用空気
３３  ＣＯ選択酸化器用空気            ３７  流量制御弁
３８  未反応水蒸気を凝縮させた改質ガス
３９  凝縮器                          ４０  電池反応による生成水
４１  凝縮水                          ５０  脱硫器リサイクル用改質ガス
５１  流量制御弁                      ５２  ＣＯ選択酸化器用改質ガス
５４  燃料極                          ５５  固体酸化物電解質
５６  空気極
５７  固体酸化物形燃料電池セルスタック
５８  固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気
５９  流量制御弁
６０  改質器リサイクル用燃料極排出ガス
６１  燃料極排出ガス                  ６２  流量制御弁
６３  空気極排出ガス                  ６４  排出用燃料極排出ガス
７４  流量制御弁                      ７５  流量制御弁
８６  出力調整器                      ８７  負荷
８８  燃料電池直流出力                ８９  送電端交流出力
９３  一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーに低減させた燃料極排出ガス
９４  未反応水蒸気を凝縮させた燃料極排出ガス
９５  脱硫器リサイクル用燃料極排出ガス
９７  流量制御弁                      １００  補給水
１０１  補給水ポンプ                  １０２  水タンク
１０３  水蒸気発生器用水供給ポンプ    １０４  水
１０５  燃焼器                        １０６  水蒸気発生器
１０７  燃焼排出ガス                  １０８  水蒸気
１０９  流量制御弁                    １１１  燃焼用空気
１１２供給量を制御する流量制御弁      １１２  燃焼用空気
１４０  固体酸化物形燃料電池セルスタックリサイクル用燃料極排出ガスと脱硫
天然ガスの混合ガス
１５０  ＣＯシフトコンバータ用燃料極排出ガス
１６０  一酸化炭素の濃度を１％以下に低減させた燃料極排出ガス
１８０  ＣＯ選択酸化器用燃料極排出ガス
１９０  固体酸化物形燃料電池セルスタックリサイクル用燃料極排出ガス
２００  流量制御
【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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