(57)【要約】    【課題】燃料の水蒸気改質反応により生成させた水素と一酸化炭素を用いて発電を行う高効率な燃料電池発電システムを提供すること。    【解決手段】燃料の水蒸気改質反応によって改質ガスをつくる改質器３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的に反応させて発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を改質器３に供給するとともに、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と、前記改質ガス中の水素及び一酸化炭素を酸素及び二酸化炭素と電気化学的に反応させて発電を行う固体高分子形燃料電池セルスタック９と、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の燃料極排出ガス２０５中の燃料、水素及び一酸化炭素を酸素と燃焼反応させる燃焼器２１１を有することを特徴とする燃料電池発電システムを構成する。【選択図】    図１
2005056775.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的に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、前記改質ガス中の水素及び一酸化炭素を酸素及び二酸化炭素と電気化学的に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燃料、水素及び一酸化炭素を酸素と燃焼反応させる燃焼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的に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、前記改質ガス中の水素及び一酸化炭素を酸素及び二酸化炭素と電気化学的に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、前記第一の燃料電池セルスタックの前記燃料極排出ガス中の燃料、水素及び一酸化炭素を酸素と燃焼反応させる燃焼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、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的に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、前記第一の燃料電池セルスタックの前記燃料極排出ガス中の水素及び一酸化炭素を酸素及び二酸化炭素と電気化学的に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燃料、水素及び一酸化炭素を酸素と燃焼反応させる燃焼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】
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及び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水素、もしくは水素及び一酸化炭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い、前記発電に伴って発生した熱を前記水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費するとともに、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前記燃料極排出ガス中の水素及び一酸化炭素を酸素及び二酸化炭素と電気化学的に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燃料、水素及び一酸化炭素を酸素と燃焼反応させる燃焼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５】
前記燃焼器に前記燃焼反応の酸素源として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請求項１、２、３または４記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
前記燃焼器に前記燃焼反応の酸素源として空気を供給することを特徴とする請求項１、２、３または４記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
前記燃焼器に前記燃焼反応の酸素源として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請求項１、２、３または４記載の燃料電池発電システム。
【請求項８】
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溶融炭酸塩形燃料電池セルスタックであることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６または７記載の燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料の水蒸気改質反応により生成させた水素と一酸化炭素を用いて発電を行う燃料電池発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料の水蒸気改質反応を利用して発電する燃料電池発電システムが開発され、その実例については、下記非特許文献１に説明されている。
【０００３】
図１３は、二種類の燃料電池セルスタックを組み合わせて高効率に発電を行う従来の燃料電池発電システムを示す構成図である。図１３に示した従来の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５７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９を用いている。図１３に示した従来の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５７、ＣＯシフトコンバータ４、ＣＯ選択酸化器５、凝縮器３９、固体高分子形燃料電池セルスタック９、出力調整装置２０、８６、流量制御弁３７等、空気供給用ブロア１３及び配管類である。
【０００４】
図１３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及び空気極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及び空気極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。
【０００５】
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味する。
【０００６】
図１３において、固体高分子形燃料電池セルスタック９が一組の燃料極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及び空気極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。
【０００７】
以下、図１３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、予め設定された燃料電池直流出力２２の電池電流及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の電池電流及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。
【０００８】
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の燃料極６及び固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４の電極触媒の劣化原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素添加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、予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。
【０００９】
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での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、予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（水蒸気の燃料である天然ガス中の炭素に対するモル比）が所定の値になるように設定する。
【００１０】
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（１）式で表される。
（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、予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の電池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、予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の電池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、予め設定し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、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。
【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（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。
（空気極反応）
１/２Ｏ２ ＋ ２ｅ− → Ｏ２−                                 （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（３）式及び（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。
（燃料極反応）
Ｈ２ ＋ Ｏ２− → Ｈ２Ｏ ＋ ２ｅ−                            （３）
ＣＯ ＋ Ｏ２− → ＣＯ２ ＋ ２ｅ−                            （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（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。
【００１４】
（２）式と（３）式、（２）式と（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（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（６）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。
（電池反応）
Ｈ２ ＋ １/２Ｏ２ → Ｈ２Ｏ                                   （５）
ＣＯ ＋ １/２Ｏ２ → ＣＯ２                                   （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１３では、出力調整装置８６で直流から交流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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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（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。
（水性シフト反応）
ＣＯ ＋ Ｈ２Ｏ → ＣＯ２ ＋ Ｈ２                              （７）
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の硫化水素と硫化亜鉛の生成反応の反応熱として利用する。
【００１８】
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（８）式に示す。
（一酸化炭素の酸化反応）
ＣＯ ＋ １/２Ｏ２ → ＣＯ２                                   （８）
ＣＯ選択酸化器用空気３３の供給量は、予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。
【００１９】
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、予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。
【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、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（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。
（燃料極反応）
Ｈ２ → ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ−                                      （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ができる。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用空気３２中の酸素が、下記（１０）式に示す空気極反応により反応し、水が生成する。
（空気極反応）
２Ｈ＋ ＋ １/２Ｏ２ ＋ ２ｅ− → Ｈ２Ｏ                       （１０）
（９）式と（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、下記（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。
（電池反応）
Ｈ２ ＋ １/２Ｏ２ → Ｈ２Ｏ                                   （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１３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。
【００２１】
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（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として排出する。また、空気極８で（１０）式に示した空気極反応で生成した水も電池反応による生成水４０として排出する。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（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として排出する。
【００２２】
【非特許文献１】「電気学会・燃料電池発電次世代システム技術調査専門委員会編：燃料電池の技術，ｐ．35, オーム社 （2002)」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
次に、前述したような従来の燃料電池発電システムの問題点について説明する。図１３に示した従来の燃料電池発電システムでは、水蒸気改質反応で生成した水素豊富な改質ガス２７中に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。そのため水素豊富な改質ガス２７をＣＯシフトコンバータ４とＣＯ選択酸化器５に供給し、水素豊富な改質ガス２７中の一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダにしている。しかし、ＣＯシフトコンバータ４に続きＣＯ選択酸化器５を使用する場合、ＣＯシフトコンバータ４でのシフト反応による一酸化炭素濃度の低減が不十分であるとＣＯ選択酸化器５での負担が大きくなり、一酸化炭素の酸化反応だけでなく、水素の酸化反応も起こり、固体高分子形燃料電池セルスタック９の発電に用いられる水素が不足し、発電効率を低下させる問題があった。
【００２４】
本発明の目的は、上記問題点を解決し、燃料の水蒸気改質反応により生成させた水素と一酸化炭素を用いて発電を行う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】
【００２５】
上記課題を解決するために、本発明においては、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的に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、前記改質ガス中の水素及び一酸化炭素を酸素及び二酸化炭素と電気化学的に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燃料、水素及び一酸化炭素を酸素と燃焼反応させる燃焼器を有することを特徴とする燃料電池発電システムを構成する。
【００２６】
また、本発明においては、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的に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、前記改質ガス中の水素及び一酸化炭素を酸素及び二酸化炭素と電気化学的に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、前記第一の燃料電池セルスタックの前記燃料極排出ガス中の燃料、水素及び一酸化炭素を酸素と燃焼反応させる燃焼器を有することを特徴とする燃料電池発電システムを構成する。
【００２７】
また、本発明においては、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、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的に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、前記第一の燃料電池セルスタックの前記燃料極排出ガス中の水素及び一酸化炭素を酸素及び二酸化炭素と電気化学的に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燃料、水素及び一酸化炭素を酸素と燃焼反応させる燃焼器を有することを特徴とする燃料電池発電システムを構成する。
【００２８】
また、本発明においては、請求項４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及び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水素、もしくは水素及び一酸化炭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い、前記発電に伴って発生した熱を前記水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費するとともに、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前記燃料極排出ガス中の水素及び一酸化炭素を酸素及び二酸化炭素と電気化学的に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前記燃料極排出ガス中の燃料、水素及び一酸化炭素を酸素と燃焼反応させる燃焼器を有することを特徴とする燃料電池発電システムを構成する。
【００２９】
また、本発明においては、請求項５に記載のように、
前記燃焼器に前記燃焼反応の酸素源として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請求項１、２、３または４記載の燃料電池発電システムを構成する。
【００３０】
また、本発明においては、請求項６に記載のように、
前記燃焼器に前記燃焼反応の酸素源として空気を供給することを特徴とする請求項１、２、３または４記載の燃料電池発電システムを構成する。
【００３１】
また、本発明においては、請求項７に記載のように、
前記燃焼器に前記燃焼反応の酸素源として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請求項１、２、３または４記載の燃料電池発電システムを構成する。
【００３２】
また、本発明においては、請求項８に記載のように、
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溶融炭酸塩形燃料電池セルスタックであることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６または７記載の燃料電池発電システムを構成する。
【発明の効果】
【００３３】
本発明の実施によって、燃料の水蒸気改質反応により生成させた水素と一酸化炭素を用いて発電を行う高効率な燃料電池発電システム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】
【００３４】
（実施形態１）
図１は、本発明によ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）を示す構成図である。図１において、前述した図１３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。
【００３５】
図１において、２００は溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック用改質ガス、２０１は第二の燃料電池セルスタックである溶融炭酸塩形燃料電池セルスタックであり、この溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１は燃料極２０２、溶融炭酸塩電解質２０３及び空気極２０４を構成要素とする。２０２は燃料極、２０３は溶融炭酸塩電解質、２０４は空気極、２０５は溶融炭酸塩形燃料電池２０１の燃料極２０２から排出される燃料極排出ガス、２０６は溶融炭酸塩形燃料電池２０１の空気極２０４から排出される空気極排出ガス、２１０は燃焼器用空気、２１１は燃焼器、２１２は燃焼器用空気５８の供給量を制御する流量制御弁、２１３は溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック用空気２１４の供給量を制御する流量制御弁、２１４は溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック用空気、２１５は燃焼器排出ガス、２１６は溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック用空気と燃焼器排出ガスの混合ガスである。
【００３６】
図１において、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１が一組の燃料極２０２、溶融炭酸塩電解質２０３及び空気極２０４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、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１は複数の単セルから構成されている。
【００３７】
図１を用いて実施形態１を説明する。本実施形態は、図１３に示した従来の燃料電池発電システムとは、図１に示したように、ＣＯシフトコンバータ４、ＣＯ選択酸化器５及び第二の燃料電池である固体高分子燃料電池セルスタック９の代わりに燃焼器２１１と第二の燃料電池として溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１を備えている点が大きく異なる。
【００３８】
次に、本実施形態の作用について、図１を参照して説明する。改質器３で作られた水素豊富な改質ガス２７の一部は、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４に供給し、残りの一部は、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、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック用改質ガス２００として溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の燃料極２０２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５４への水素豊富な改質ガス２７の供給量は、予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の電池電流に見合った値に設定する。また、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の燃料極２０２への水素豊富な改質ガス２７の供給量、すなわち、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック用改質ガス２００の供給量は、予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７４の開度（すなわち溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック用改質ガス２００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の電池電流に見合った値に設定する。さらに、脱硫器リサイクル用改質ガス５０の供給量は、予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。
【００３９】
溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の空気極２０４では、酸化ニッケルなどの金属酸化物系電極触媒の働きで、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック用空気と燃焼器排出ガスの混合ガス２１６中の酸素と二酸化炭素が下記（１２）式に示す空気極反応により電子と反応し炭酸イオンに変わる。
（空気極反応）
１/２Ｏ２ ＋ ＣＯ２ ＋ ２ｅ− → ＣＯ３２−                   （１２）
空気極２０４で生成した炭酸イオンは、炭酸ナトリウム−炭酸カリウム、炭酸リチウム−炭酸ナトリウムなどの溶融炭酸塩電解質２０３の内部を移動し、燃料極２０２に到達する。溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の燃料極２０２では、ニッケル−クロムやニッケル−アルミナなど金属系電極触媒の働きで、空気極２０４から溶融炭酸塩電解質２０３の内部を燃料極２０２に移動してきた炭酸イオンが、下記（１３）式に示す反応により燃料極２０２に供給された溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック用改質ガス２００中の水素と反応し、水蒸気と二酸化炭素が生成する。
（燃料極反応）
Ｈ２ ＋ ＣＯ３２− → Ｈ２Ｏ ＋ ＣＯ２ ＋ ２ｅ−              （１３）
燃料極２０２で生成した電子は、外部回路を移動し、空気極２０４に到達する。空気極２０４に到達した電子は、前述した（１２）式に示した空気極反応により酸素及び二酸化炭素と反応する。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２２として取り出すことができる。
【００４０】
また、燃料極２０２に供給された溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック用改質ガス２００中の一酸化炭素と水蒸気は、下記（１４）式に示すシフト反応により水素と二酸化炭素に変わる。
（シフト反応）
Ｈ２Ｏ ＋ ＣＯ → Ｈ２ ＋ ＣＯ２                              （１４）
（１２）式と（１３）式をまとめると、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の電池反応は、下記（１５）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して表すことができる。
（電池反応）
Ｈ２ ＋ １/２Ｏ２ → Ｈ２Ｏ                                   （１５）
溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１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の変換を行った後に、送電端交流出力２３として負荷２１に供給する。なお、図１では、出力調整装置２０で電圧変換のみを行い、送電端直流出力２３を負荷２１に供給してもよい。
【００４１】
溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の発電温度は、６００〜７００℃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。
【００４２】
溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１からの燃料極排出ガス２０５は、燃焼器２１１に供給するとともに、空気供給用ブロア１３で取り込んだ空気１８の一部を燃焼器用空気２１０として燃焼器９２に供給し、燃焼器用燃料極排出ガス２０５中の未反応燃料、未反応水素及び未反応一酸化炭素を、燃焼器用空気２１０中の酸素と燃焼反応させることによって、高温の二酸化炭素を含んだ燃焼器排出ガス２１５を生成させる。水素と一酸化炭素の燃焼反応を（１６）式及び（１７）式に示す。
（水素の燃焼反応）
Ｈ２ ＋ １/２Ｏ２ → Ｈ２Ｏ                                   （１６）
（一酸化炭素の燃焼反応）
ＣＯ ＋ １/２Ｏ２ → ＣＯ２                                   （１７）
燃焼器用空気２１０の供給量は、予め設定された流量制御弁７４の開度（すなわち、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック用改質ガス２００の供給量）及び溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の燃料電池直流出力２２の発電電流と流量制御弁２１２の開度（すなわち、燃焼器用空気２１０の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁２１２の開度を制御することによって、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック用改質ガス２００の供給量と燃料電池直流出力２２の発電電流に見合った値を設定する。
【００４３】
燃焼器２１１で生成した二酸化炭素を含んだ燃焼器排出ガス２１５と酸素を含んだ溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック用空気２１４を混合し、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック用空気と燃焼器排出ガスの混合ガス２１６として溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の空気極２０４に供給する。
【００４４】
溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック用空気２１４の供給量は、予め設定された燃料電池直流出力２２の発電電流と流量制御弁２１３の開度（すなわち、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック用空気２１４の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁２１３の開度を制御することによって、燃料電池直流出力２２の発電電流に見合った値を設定する。
【００４５】
図１に示した実施形態では、図１３に示した従来の燃料電池発電システムとは異なり、水素豊富な改質ガス２７中の一酸化炭素を溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の燃料極２０２でシフト反応により水素に変換し、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の発電に用いることが可能である。このため、ＣＯシフトコンバータやＣＯ選択酸化器を設置しなくても、燃料を水蒸気改質することによって得られた水素と一酸化炭素を用いて高効率な発電が可能である。
【００４６】
（実施形態２）
図２は、本発明による燃料電池発電システムのその他の一実施形態（これを実施形態２とする）を示す構成図である。図２において、前述した図１３及び図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。
【００４７】
図２において、１００は燃焼器用空気極排出ガス、１０１は排出用空気極排出ガス、１０２は燃焼器用空気極排出ガス１００の供給量を制御する流量制御弁である。
【００４８】
図２を用いて実施形態２を説明する。本実施形態は、図１に示した実施形態１とは、図２に示したように、空気１８の一部である燃焼器用空気２１０を燃焼器２１１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の一部である燃焼器用空気極排出ガス１００を燃焼器２１１に供給する点が大きく異なる。
【００４９】
次に、本実施形態の作用について、図２を参照して説明する。溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の燃料極排出ガス２０５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の一部である燃焼器用空気極排出ガス１００を燃焼器２１１に供給し、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の燃料極排出ガス２０５中の未反応燃料、未反応水素及び未反応一酸化炭素と、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の一部である燃焼器用空気極排出ガス１００中の未反応酸素を燃焼反応させることによって、高温の二酸化炭素を含んだ燃焼器排出ガス２１５を生成させる。
【００５０】
燃焼器用空気極排出ガス１００の供給量は、予め設定された流量制御弁７４の開度（すなわち、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック用改質ガス２００の供給量）及び燃料電池直流出力２２の発電電流と流量制御弁１０２の開度（すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の空気極排出ガス６３の一部である燃焼器用空気極排出ガス１００の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１０２の開度を制御することによって、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック用改質ガス２００の供給量及び燃料電池直流出力２２の発電電流に見合った値を設定する。
【００５１】
図２に示した本実施形態では、図１に示した実施形態１と同様に、図１３に示した従来の燃料電池発電システムとは異なり、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック用改質ガス２００中の一酸化炭素を溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の燃料極２０２でシフト反応により水素に変換し、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の発電に用いることが可能である。このため、ＣＯシフトコンバータやＣＯ選択酸化器を設置しなくても、燃料を水蒸気改質することによって得られた水素と一酸化炭素を用いて高効率な発電が可能である。
【００５２】
（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）を示す構成図である。図３において、前述した図１３、図１及び図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。
【００５３】
図３において、１０３は燃焼器用空気極排出ガス、１０４は排出用空気極排出ガス、１０５は燃焼器用空気極排出ガス１０３の供給量を制御する流量制御弁である。
【００５４】
図３を用いて実施形態３を説明する。本実施形態は、図１に示した実施形態１とは、図３に示したように、空気１８の一部である燃焼器用空気２１０を燃焼器２１１に供給する代わりに、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の空気極排出ガス２０６の一部である燃焼器用空気極排出ガス１０３を燃焼器２１１に供給する点が大きく異なる。
【００５５】
次に、本実施形態の作用について、図３を参照して説明する。溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の燃料極排出ガス２０５と溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の空気極排出ガス２０６の一部である燃焼器用空気極排出ガス１０３を燃焼器２１１に供給し、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の燃料極排出ガス２０５中の未反応燃料、未反応水素及び未反応一酸化炭素と溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の空気極排出ガス２０６の一部である燃焼器用空気極排出ガス１０３中の未反応酸素を燃焼反応させることによって、高温の二酸化炭素を含んだ燃焼器排出ガス２１５を生成させる。
【００５６】
燃焼器用空気極排出ガス１０３の供給量は、予め設定された流量制御弁７４の開度（すなわち、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック用改質ガス２００の供給量）及び燃料電池直流出力２２の発電電流と流量制御弁１０５の開度（すなわち、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の空気極排出ガス２０６の一部である燃焼器用空気極排出ガス１０３の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１０５の開度を制御することによって、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック用改質ガス２００の供給量及び燃料電池直流出力２２の発電電流に見合った値を設定する。
【００５７】
図３に示した本実施形態では、図１に示した実施形態１と同様に、図１３に示した従来の燃料電池発電システムとは異なり、溶融炭酸形燃料電池セルスタック用改質ガス２００中の一酸化炭素を溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の燃料極２０２でシフト反応により水素に変換し、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の発電に用いることが可能である。このため、ＣＯシフトコンバータやＣＯ選択酸化器を設置しなくても、燃料を水蒸気改質することによって得られた水素と一酸化炭素を用いて高効率な発電が可能である。
【００５８】
（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）を示す構成図である。図４において、前述した図１３、図１、図２及び図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。
【００５９】
図４を用いて実施形態４を説明する。本実施形態は、図１に示した実施形態１とは、図４に示したように、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の燃料極排出ガス２０５を燃焼器２１１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の排出用燃料極排出ガス６４を燃焼器２１１に供給する点が大きく異なる。
【００６０】
次に、本実施形態の作用について、図４を参照して説明する。固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の排出用燃料極排出ガス６４と燃焼器用空気２１０を燃焼器２１１に供給し、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の排出用燃料極排出ガス６４中の未反応燃料、未反応水素及び未反応一酸化炭素と、燃焼器用空気２１０中の酸素を燃焼反応させることによって、高温の二酸化炭素を含んだ燃焼器排出ガス２１５を生成させる。
【００６１】
燃焼器用空気２１０の供給量は、予め設定された流量制御弁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）、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）及び燃料電池直流出力８８の発電電流と流量制御弁２１２の開度（すなわち、燃焼器用空気２１０の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁２１２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、改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０の供給量及び燃料電池直流出力８８の発電電流に見合った値に設定する。
【００６２】
図４に示した本実施形態では、図１に示した実施形態１と同様に、図１３に示した従来の燃料電池発電システムとは異なり、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック用改質ガス２００中の一酸化炭素を溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の燃料極２０２でシフト反応により水素に変換し、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の発電に用いることが可能である。このため、ＣＯシフトコンバータやＣＯ選択酸化器を設置しなくても、燃料の水蒸気改質することによって得られた水素と一酸化炭素を用いて高効率な発電が可能である。
【００６３】
（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（これを実施形態５とする）を示す構成図である。図５において、前述した図１３、図１、図２、図３及び図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。
【００６４】
図５を用いて実施形態５を説明する。本実施形態は、図４に示した実施形態４とは、図５に示したように、空気１８の一部である燃焼器用空気２１０を燃焼器２１１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の一部である燃焼器用空気極排出ガス１００を燃焼器２１１に供給する点が大きく異なる。
【００６５】
次に、本実施形態の作用について、図５を参照して説明する。固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の排出用燃料極排出ガス６４と空気極排出ガス６３の一部である燃焼器用空気極排出ガス１００を燃焼器２１１に供給し、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の排出用燃料極排出ガス６４中の未反応燃料、未反応水素及び未反応一酸化炭素と、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の一部である焼器用空気極排出ガス１００中の未反応酸素を燃焼反応させることによって、高温の二酸化炭素を含んだ燃焼器排出ガス２１５を生成させる。
【００６６】
燃焼器用空気極排出ガス１００の供給量は、予め設定された流量制御弁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）、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）及び燃料電池直流出力８８の発電電流と流量制御弁１０２の開度（すなわち、燃焼器用空気極排出ガス１００の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１０２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、改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０の供給量及び燃料電池直流出力８８の発電電流に見合った値に設定する。
【００６７】
図５に示した本実施形態では、図４に示した実施形態４と同様に、図１３に示した従来の燃料電池発電システムとは異なり、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック用改質ガス２００中の一酸化炭素を溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の燃料極２０２でシフト反応により水素に変換し、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の発電に用いることが可能である。このため、ＣＯシフトコンバータやＣＯ選択酸化器を設置しなくても、燃料を水蒸気改質することによって得られた水素と一酸化炭素を用いて高効率な発電が可能である。
【００６８】
（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）を示す構成図である。図６において、前述した図１３、図１、図２、図３、図４及び図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。
【００６９】
図６を用いて実施形態６を説明する。本実施形態は、図４に示した実施形態４とは、図６に示したように、空気１８の一部である燃焼器用空気２１０を燃焼器２１１に供給する代わりに、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の空気極排出ガス２０６の一部である燃焼器用空気極排出ガス１０３を燃焼器２１１に供給する点が大きく異なる。次に、本実施形態の作用について、図６を参照して説明する。固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の排出用燃料極排出ガス６４と溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の空気極排出ガス２０６の一部である燃焼器用空気極排出ガス１０３を燃焼器２１１に供給し、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の排出用燃料極排出ガス６４中の未反応燃料、未反応水素及び未反応一酸化炭素と、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の空気極排出ガス２０６の一部である燃焼器用空気極排出ガス１０３中の未反応酸素を燃焼反応させることによって、高温の二酸化炭素を含んだ燃焼器排出ガス２１５を生成させる。
【００７０】
燃焼器用空気極排出ガス１０３の供給量は、予め設定された流量制御弁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）、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）、燃料電池直流出力８８の発電電流及び燃料電池直流出力２２の発電電流と流量制御弁１０５の開度（すなわち、燃焼器用空気極排出ガス１０３の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１０５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、改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０の供給量、燃料電池直流出力８８の発電電流及び燃料電池直流出力２２の発電電流に見合った値に設定する。
【００７１】
図６に示した本実施形態では、図４に示した実施形態４と同様に、図１３に示した従来の燃料電池発電システムとは異なり、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック用改質ガス２００中の一酸化炭素を溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の燃料極２０２でシフト反応により水素に変換し、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の発電に用いることが可能である。このため、ＣＯシフトコンバータやＣＯ選択酸化器を設置しなくても、燃料を水蒸気改質することによって得られた水素と一酸化炭素を用いて高効率な発電が可能である。
【００７２】
（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）を示す構成図である。図７において、前述した図１３、図１、図２、図３、図４、図５及び図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賂する。
【００７３】
図７において、２３０は溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック用燃料極排出ガス、２４１は脱硫器リサイクル用燃料極排出ガス２４６の供給量を制御する流量制御弁、２４６は脱硫器リサイクル用燃料極排出ガスを表す。
【００７４】
図７を用いて実施形態７を説明する。本実施形態は、図１に示した実施形態１とは、図７に示したように、水素豊富な改質ガス２７の代わりに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の一部を、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック用燃料極排出ガス２３０として溶融炭酸塩形燃料電池２０１の燃料極２０２に供給する点が大きく異なる。
【００７５】
次に、本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。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、未反応水素を含む燃料極排出ガス６１の一部を脱硫器リサイクル用燃料極排出ガス２４６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２４６の供給量は、予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２４１の開度（すなわち、脱硫器リサイクル用燃料極排出ガス２４６の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁２４１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。
【００７６】
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改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０と混合した後に、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、予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２４３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の供給量に見合った値に設定する。改質器３でつくられた水素豊富な改質ガス２７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。
【００７７】
脱硫器リサイクル用燃料極排出ガス２４６と改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０として脱硫器２及び改質器３に供給した以外の燃料極排出ガス６１は、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック用燃料極排出ガス２３０として溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の燃料極２０２に供給する。
【００７８】
図７に示した本実施形態では、図１に示した実施形態１と同様に、図１３に示した従来の燃料電池発電システムとは異なり、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック用燃料極排出ガス２３０中の一酸化炭素を溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の燃料極２０２でシフト反応により水素に変換し、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の発電反応に用いることが可能である。このため、ＣＯシフトコンバータやＣＯ選択酸化器を設置しなくても、燃料を水蒸気改質することによって得られた水素と一酸化炭素を用いて高効率な発電が可能である。
【００７９】
（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一実施形態（これを実施形態８とする）を示す構成図である。図８において、前述した図１３、図１、図２、図３、図４、図５、図６及び図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。
【００８０】
図８を用いて実施形態８を説明する。本実施形態は、図７に示した実施形態７とは、図８に示したように、空気１８の一部である燃焼器用空気２１０を燃焼器２１１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の一部である燃焼器用空気極排出ガス１００を燃焼器２１１に供給する点が大きく異なる。
【００８１】
次に、本実施形態の作用について、図８を参照して説明する。溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の燃料極排出ガス２０５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の一部である燃焼器用空気極排出ガス１００を燃焼器２１１に供給し、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の燃料極排出ガス２０５中の未反応燃料、未反応水素及び未反応一酸化炭素と、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の一部である燃焼器用空気極排出ガス１００中の未反応酸素を燃焼反応させることによって、高温の二酸化炭素を含んだ燃焼器排出ガス２１５を生成させる。
【００８２】
燃焼器用空気極排出ガス１００の供給量は、予め設定された燃料電池直流出力２２の発電電流と流量制御弁１０２の開度（すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の空気極排出ガス６３の一部である燃焼器用空気極排出ガス１００の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１０２の開度を制御することによって、燃料電池直流出力２２の発電電流に見合った値に設定する。
【００８３】
図８に示した本実施形態では、図７に示した実施形態７と同様に、図１３に示した従来の燃料電池発電システムとは異なり、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック用燃料極排出ガス２３０中の一酸化炭素を溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の燃料極２０２でシフト反応により水素に変換し、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の発電に用いることが可能である。このため、ＣＯシフトコンバータやＣＯ選択酸化器を設置しなくても、燃料を水蒸気改質することによって得られた水素と一酸化炭素を用いて高効率な発電が可能である。
【００８４】
（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一実施形態（これを実施形態９とする）を示す構成図である。図９において、前述した図１３、図１、図２、図３、図４、図５、図６、図７及び図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。
【００８５】
図９を用いて実施形態９を説明する。本実施形態は、図７に示した実施形態７とは、図９に示したように、空気１８の一部である燃焼器用空気２１０を燃焼器２１１に供給する代わりに、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の空気極排出ガス２０６の一部である燃焼器用空気極排出ガス１０３を燃焼器２１１に供給する点が大きく異なる。
【００８６】
次に、本実施形態の作用について、図９を参照して説明する。溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の燃料極排出ガス２０５と溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の空気極排出ガス２０６の一部である燃焼器用空気極排出ガス１０３を燃焼器２１１に供給し、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の燃料極排出ガス２０５中の未反応燃料、未反応水素及び未反応一酸化炭素と、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の空気極排出ガス２０６の一部である燃焼器用空気極排出ガス１０３中の未反応酸素を燃焼反応させることによって、高温の二酸化炭素を含んだ燃焼器排出ガス２１５を生成させる。
【００８７】
燃焼器用空気極排出ガス１０３の供給量は、予め設定された燃料電池直流出力８８の発電電流及び燃料電池直流出力２２の発電電流と流量制御弁１０５の開度（すなわち、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の空気極排出ガス２０６の一部である燃焼器用空気極排出ガス１０３の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１０５の開度を制御することによって、燃料電池直流出力８８の発電電流及び溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の燃料電池直流出力２２の発電電流に見合った値を設定する。
【００８８】
図９に示した本実施形態では、図７に示した実施形態７と同様に、図１３に示した従来の燃料電池発電システムとは異なり、溶融炭酸形燃料電池セルスタック用燃料極排出ガス２３０中の一酸化炭素を溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の燃料極２０２でシフト反応により水素に変換し、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の発電に用いることが可能である。このため、ＣＯシフトコンバータやＣＯ選択酸化器を設置しなくても、燃料を水蒸気改質することによって得られた水素と一酸化炭素を用いて高効率な発電が可能である。
【００８９】
（実施形態１０）
図１０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１０とする）を示す構成図である。図１０において、前述した図１３、図１、図２、図３、図４、図５、図６、図７、図８及び図９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。
【００９０】
図１０において、２４２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の供給量を制御する流量制御弁、２４３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、２４５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を表す。
【００９１】
図１０を用いて実施形態１０を説明する。本実施形態は、図７に示した実施形態７とは、図１０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２４５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。
【００９２】
次に、本燃料電池発電システムの作用について、図１０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、未反応水素を含む燃料極排出ガス６１の一部を脱硫器リサイクル用燃料極排出ガス２４６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２４６の供給量は、予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２４１の開度（すなわち、脱硫器リサイクル用燃料極排出ガス２４６の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁２４１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。
【００９３】
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リサイクル用燃料極排出ガス２４３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２４５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２４３の供給量は、予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２４２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２４３の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁２４２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２４５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。
【００９４】
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、水素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（３）式及び（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。炭化水素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。
【００９５】
図１０に示した本実施形態では、図７に示した実施形態７と同様に、図１３に示した従来の燃料電池発電システムとは異なり、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック用燃料極排出ガス２３０中の一酸化炭素を溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の燃料極２０２でシフト反応により水素に変換し、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の発電に用いることが可能である。このため、ＣＯシフトコンバータやＣＯ選択酸化器を設置しなくても、燃料を水蒸気改質することによって得られた水素と一酸化炭素を用いて高効率な発電が可能である。
【００９６】
（実施形態１１）
図１１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１１とする）を示す構成図である。図１１において、前述した図１３、図１、図２、図３、図４、図５、図６、図７、図８、図９及び図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。
【００９７】
図１１を用いて実施形態１１を説明する。本実施形態は、図１０に示した実施形態１０とは、図１１に示したように、空気１８の一部である燃焼器用空気２１０を燃焼器２１１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の一部である燃焼用空気極排出ガス１００を燃焼器２１１に供給する点が大きく異なる。
【００９８】
次に、本実施形態の作用について、図１１を参照して説明する。溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の燃料極排出ガス２０５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の一部である燃焼用空気極排出ガス１００を燃焼器２１１に供給し、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の燃料極排出ガス２０５中の未反応燃料、未反応水素及び未反応一酸化炭素と、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の一部である燃焼用空気極排出ガス１００中の未反応酸素を燃焼反応させることによって、高温の二酸化炭素を含んだ燃焼器排出ガス２１５を生成させる。
【００９９】
燃焼器用空気極排出ガス１００の供給量は、予め設定された燃料電池直流出力８８の発電電流及び燃料電池直流出力２２の発電電流と流量制御弁１０２の開度（すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の空気極排出ガス６３の一部である燃焼器用空気極排出ガス１００の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１０２の開度を制御することによって、燃料電池直流出力８８の発電電流及び燃料電池直流出力２２の発電電流に見合った値に設定する。
【０１００】
図１１に示した本実施形態では、図１０に示した実施形態１０と同様に、図１３に示した従来の燃料電池発電システムとは異なり、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック用燃料極排出ガス２３０中の一酸化炭素を溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の燃料極２０２でシフト反応により水素に変換し、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の発電に用いることが可能である。このため、ＣＯシフトコンバータやＣＯ選択酸化器を設置しなくても、燃料を水蒸気改質することによって得られた水素と一酸化炭素を用いて高効率な発電が可能である。
【０１０１】
（実施形態１２）
図１２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１２とする）を示す構成図である。図１２において、前述した図１３、図１、図２、図３、図４、図５、図６、図７、図８、図９、図１０及び図１１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。
【０１０２】
図１２を用いて実施形態１２を説明する。本実施形態は、図１０に示した実施形態１０とは、図１２に示したように、空気１８の一部である燃焼器用空気２１０を燃焼器２１１に供給する代わりに、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の空気極排出ガス２０６の一部である燃焼器用空気極排出ガス１０３を燃焼器２１１に供給する点が大きく異なる。
【０１０３】
次に、本実施形態の作用について、図１２を参照して説明する。溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の燃料極排出ガス２０５と溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の空気極排出ガス２０６の一部である燃焼器用空気極排出ガス１０３を燃焼器２１１に供給し、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の燃料極排出ガス２０５中の未反応燃料、未反応水素及び未反応一酸化炭素と、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の空気極排出ガス２０６の一部である燃焼器用空気極排出ガス１０３中の未反応酸素を燃焼反応させることによって、高温の二酸化炭素を含んだ燃焼器排出ガス２１５を生成させる。
【０１０４】
燃焼器用空気極排出ガス１０３の供給量は、燃料電池直流出力２２の発電電流と流量制御弁１０５の開度（すなわち、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の空気極排出ガス２０６の一部である燃焼器用空気極排出ガス１０３の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１０５の開度を制御することによって、燃料電池直流出力２２の発電電流に見合った値に設定する。
【０１０５】
図１２に示した本実施形態では、図１０に示した実施形態１０と同様に、図１３に示した従来の燃料電池発電システムとは異なり、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック用燃料極排出ガス２３０中の一酸化炭素を溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の燃料極２０２でシフト反応により水素に変換し、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の発電に用いることが可能である。このため、ＣＯシフトコンバータやＣＯ選択酸化器を設置しなくても、燃料を水蒸気改質することによって得られた水素と一酸化炭素を用いて高効率な発電が可能である。
【０１０６】
以上説明したように、本発明によれば、改質ガス中または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第二のセルスタックの燃料極でのシフト反応により水素に変換し、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック２０１の発電に用いることができるので、ＣＯシフトコンバータやＣＯ選択酸化器を設置しなくても、燃料を水蒸気改質することによって得られた水素と一酸化炭素を用いて高効率に発電することができる燃料電池発電システムを提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１】本発明による燃料電池発電システムの一実施形態を示す構成図である。
【図２】本発明による燃料電池発電システムのその他の一実施形態を示す構成図である。
【図３】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を示す構成図である。
【図４】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を示す構成図である。
【図５】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を示す構成図である。
【図６】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を示す構成図である。
【図７】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を示す構成図である。
【図８】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を示す構成図である。
【図９】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を示す構成図である。
【図１０】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を示す構成図である。
【図１１】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を示す構成図である。
【図１２】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を示す構成図である。
【図１３】従来の技術による燃料電池発電システムを示す構成図である。
【符号の説明】
【０１０８】
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、１００：燃焼器用空気極排出ガス、１０１：排出用空気極排出ガス、１０２：流量制御弁、１０３：燃焼器用空気極排出ガス、１０４：排出用空気極排出ガス、１０５：流量制御弁、２００：溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック用改質ガス、２０１：溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック、２０２：燃料極、２０３：溶融炭酸塩電解質、２０４：空気極、２０５：燃料極排出ガス、２０６：空気極排出ガス、２１０：燃焼器用空気、２１１：燃焼器、２１２：流量制御弁、２１３：流量制御弁、２１４：溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック用空気、２１５：燃焼器排出ガス、２１６：溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック用空気と燃焼器排出ガスの混合ガス、２３０：溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック用燃料極排出ガス、２４１流量制御弁、２４２：流量制御弁、２４３：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、２４５：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、２４６：脱硫器リサイクル用燃料極排出ガス。
【図１】
2005056775.tif 000003
【図２】
2005056775.tif 000004
【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】
2005056775.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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