(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こと。    【解決手段】燃料である天然ガス１の脱硫を行う脱硫器２と、燃料の水蒸気改質反応を行う改質器３と、改質器３の排出ガスの水性シフト反応を行うＣＯシフトコンバータ４と、ＣＯシフトコンバータ４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５と、ＣＯ選択酸化器５の排出ガスを燃料とする固体高分子形燃料電池セルスタック９と、改質器３の排出ガスを燃料とする固体酸化物形燃料電池セルスタック５７と、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４の排出ガスを燃焼させる燃焼器９２とを具備する燃料電池発電システムにおいて、燃焼器排出ガス９３の一部を、水蒸気源として、改質器３に供給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
2005056735.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、該燃焼反応によって生成した水蒸気を含む燃焼器排出ガスを改質器へ供給す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、該燃焼反応によって生成した水蒸気を含む燃焼器排出ガスを改質器へ供給す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、該燃焼反応によって生成した水蒸気を含む燃焼器排出ガスを改質器へ供給す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、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、該燃焼反応によって生成した水蒸気を含む燃焼器排出ガスを改質器へ供給す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】
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、該燃焼反応によって生成した水蒸気を含む燃焼器排出ガスを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燃焼器を特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項６】
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、該燃焼反応によって生成した水蒸気を含む燃焼器排出ガスを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７】
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、４、５または６記載の燃料電池発電システム。
【請求項８】
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、４、５または６記載の燃料電池発電システム。
【請求項９】
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、４、５または６記載の燃料電池発電システム。
【請求項１０】
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請求項１、２、３、４、５、６、７、８または９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を利用す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】
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１９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な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１９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１９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、出力調整器２０、８６、流量制御弁１０等、空気供給用ブロア１３、燃焼器９２及び配管類である。
【０００４】
図１９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は出力調整器、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と燃焼器用燃料極排出ガス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は燃焼器用燃料極排出ガス、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、９０は燃焼器用空気９１の燃焼器９２への供給量を制御する流量制御弁、９１は燃焼器用空気、９２は燃焼器、９３は燃焼器排出ガスある。
【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１９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１９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、一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。硫化水素と酸化亜鉛とから硫化亜鉛が生成する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器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１９では、出力調整器８６で直流から交流の交換を行っているが、出力調整器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、燃焼器用燃料極排出ガス６４として燃焼器９２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９１として燃焼器９２に供給し、燃焼器用燃料極排出ガス６４中の未反応燃料、未反応水素及び未反応一酸化炭素を、燃焼器用空気９１中の酸素と燃焼反応させることによって、高温の燃焼器排出ガス９３を生成させる。水素と一酸化炭素の燃焼反応を下記（７）式及び下記（８）式に示す。
（水素の燃焼反応）
Ｈ２ ＋ １/２Ｏ２ → Ｈ２Ｏ                                   （７）
（一酸化炭素の燃焼反応）
ＣＯ ＋ １/２Ｏ２ → ＣＯ２                                   （８）
この高温の燃焼器排出ガス９３を給湯、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。燃焼器用空気９１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）及び流量制御弁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９０の開度（すなわち、燃焼器用空気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、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の供給量と改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０の供給量に見合った値に設定する。
【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（９）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                              （９）
（９）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の硫化水素と酸化亜鉛とからの硫化亜鉛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を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（１０）式に示す。
（一酸化炭素の酸化反応）
ＣＯ ＋ １/２Ｏ２ → ＣＯ２                                   （１０）
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（１１）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−                                      （１１）
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（１２）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                       （１２）
（１１）式と（１２）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（１３）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                                   （１３）
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器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１９では、出力調整器２０で直流から交流への変換を行っているが、出力調整器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、（１２）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。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（１１）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１９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１９に示した従来の燃料電池発電システムでは、燃料電池直流出力２２の電池電流が燃料電池直流出力８８の電池電流より多く、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進行しなくなる、カーボン析出により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。
【００２４】
本発明の目的は、上記問題を解決し、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】
【００２５】
本発明は、上記目的を達成するために、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、該燃焼反応によって生成した水蒸気を含む燃焼器排出ガスを改質器へ供給す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、該燃焼反応によって生成した水蒸気を含む燃焼器排出ガスを改質器へ供給す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、該燃焼反応によって生成した水蒸気を含む燃焼器排出ガスを改質器へ供給す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、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、該燃焼反応によって生成した水蒸気を含む燃焼器排出ガスを改質器へ供給す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、本発明は、請求項５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、該燃焼反応によって生成した水蒸気を含む燃焼器排出ガスを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燃焼器を特徴とする燃料電池発電システムを構成する。
【００３０】
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、該燃焼反応によって生成した水蒸気を含む燃焼器排出ガスを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。
【００３１】
また、本発明は、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空気を供給することを特徴とする請求項１、２、３、４、５または６記載の燃料電池発電システムを構成する。
【００３２】
また、本発明は、請求項８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、４、５または６記載の燃料電池発電システムを構成する。
【００３３】
また、本発明は、請求項９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、４、５または６記載の燃料電池発電システムを構成する。
【００３４】
また、本発明は、請求項１０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請求項１、２、３、４、５、６、７、８または９記載の燃料電池発電システムを構成する。
【発明の効果】
【００３５】
本発明の実施によって、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が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
（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１９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は改質器用燃焼器排出ガス１０３の供給量を制御する流量制御弁、１０２は排出用燃焼器排出ガス、１０３は改質器用燃焼器排出ガスである。
【００３７】
図１を用いて実施形態１を説明する。本実施形態は、図１９に示した従来の燃料電池発電システムとは、図１に示したように流量制御弁１００を備え、燃焼器９２で燃焼反応によって生成した水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、改質器用燃焼器排出ガス１０３として改質器３に供給す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。燃焼器９２では、燃焼用器燃料極排出ガス６４中の未反応燃料、未反応水素及び未反応一酸化炭素を燃焼反応用酸素源である燃焼器用空気９１中の酸素と燃焼反応させ、燃焼器排出ガス９３を排出する。該燃焼反応によって生成した水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、改質器用燃焼器排出ガス１０３と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に混ぜて改質器３に供給する。改質器用燃焼器排出ガス１０３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）及び流量制御弁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１００の開度（すなわち、改質器用燃焼器排出ガス１０３の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１００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。
【００３９】
本実施形態においては、改質器３での水蒸気の不足を補うために、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、改質器用燃焼器排出ガス１０３として改質器３に供給するので、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給し水蒸気を生成させることが不要であり、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。
【００４０】
図１に示した実施形態では、図１９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の電池電流が燃料電池直流出力８８の電池電流より多く、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、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、改質器用燃焼器排出ガス１０３と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に混ぜて改質器３に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。
【００４１】
（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１９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。
【００４２】
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、燃焼器用空気９１を燃焼器９２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を燃焼反応用酸素源として燃焼器９２に供給する点が大きく異なる。
【００４３】
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。燃焼器９２では、燃焼器用燃料極排出ガス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中の未反応酸素と燃焼反応させ、燃焼器排出ガス９３を排出する。該燃焼反応によって生成した水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、改質器用燃焼器排出ガス１０３と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に混ぜて改質器３に供給する。改質器用燃焼器排出ガス１０３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）及び流量制御弁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１００の開度（すなわち、改質器用燃焼器排出ガス１０３の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１００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。
【００４４】
本実施形態においても、改質器３での水蒸気の不足を補うために、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、改質器用燃焼器排出ガス１０３として改質器３に供給するので、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給し水蒸気を生成させることが不要であり、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。
【００４５】
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１９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の電池電流が燃料電池直流出力８８の電池電流より多く、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、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、改質器用燃焼器排出ガス１０３と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に混ぜて改質器３に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。
【００４６】
（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１９、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。
【００４７】
図３を用いて実施形態３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３に示したように、燃焼器用空気９１を燃焼器９２に供給する代わりに、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を燃焼反応用酸素源として燃焼器９２に供給する点が大きく異なる。
【００４８】
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。燃焼器９２では、燃焼用器燃料極排出ガス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中の未反応酸素と燃焼反応させ、燃焼器排出ガス９３を排出する。該燃焼反応によって生成した水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、改質器用燃焼器排出ガス１０３と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に混ぜて改質器３に供給する。改質器用燃焼器排出ガス１０３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）及び流量制御弁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１００の開度（すなわち、改質器用燃焼器排出ガス１０３の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１００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。
【００４９】
本実施形態においても、改質器３での水蒸気の不足を補うために、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、改質器用燃焼器排出ガス１０３として改質器３に供給するので、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給し水蒸気を生成させることが不要であり、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。
【００５０】
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１９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の電池電流が燃料電池直流出力８８の電池電流より多く、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、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、改質器用燃焼器排出ガス１０３と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に混ぜて改質器３に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。
【００５１】
（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１９、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。
【００５２】
図４において１１０は水素分離器用改質ガス、１１１は水素分離器、１１２は水素分離器排出ガス、１１３は凝縮器、１１４は凝縮水、１１５は水素分離器乾燥排出ガス、１１６は水素、１１７は燃料極水素排出ガス、１１８はパージ弁、１１９はパージガスを表す。
【００５３】
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、ＣＯ選択酸化器５と凝縮器３９の代わりに水素分離器１１１と凝縮器１１３を設けた点が大きく異なる。
【００５４】
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。水素分離器用改質ガス１１０は、パラジウム膜やマイクロポーラスなセラミック膜等の水素分離手段を有する水素分離器１１１に供給され、水素１１６が分離される。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改質ガス１１０の加圧を行う。水素１１６は、固体高分子形燃料電池セルスタック９の燃料極６に供給し、固体高分子形燃料電池セルスタック用空気３２中の酸素と電気化学的に反応させることによって固体高分子形燃料電池セルスタック９の発電を行う。水素からなる燃料極水素排出ガス１１７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１１７中には、水素以外の不純物が若干含まれるので、パージ弁１１８を間欠的に開け、パージガス１１９を放出する。水素分離器排出ガス１１２は、凝縮器１１３で凝縮水１１４を凝縮させた後に、水素分離器乾燥排出ガス１１５として排出する。
【００５５】
本実施形態においても、改質器３での水蒸気の不足を補うために、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、改質器用燃焼器排出ガス１０３として改質器３に供給するので、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給し水蒸気を生成させることが不要であり、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。
【００５６】
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１９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の電池電流が燃料電池直流出力８８の電池電流より多く、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、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、改質器用燃焼器排出ガス１０３と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に混ぜて改質器３に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。
【００５７】
（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１９、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。
【００５８】
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、燃焼器用空気９１を燃焼器９２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を燃焼反応用酸素源として燃焼器９２に供給する点が大きく異なる。
【００５９】
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。燃焼器９２では、燃焼器用燃料極排出ガス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中の未反応酸素と燃焼反応させ、燃焼器排出ガス９３を排出する。該燃焼反応によって生成した水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、改質器用燃焼器排出ガス１０３と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に混ぜて改質器３に供給する。改質器用燃焼器排出ガス１０３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）及び流量制御弁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１００の開度（すなわち、改質器用燃焼器排出ガス１０３の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１００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。
【００６０】
本実施形態においても、改質器３での水蒸気の不足を補うために、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、改質器用燃焼器排出ガス１０３として改質器３に供給するので、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給し水蒸気を生成させることが不要であり、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５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１９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の電池電流が燃料電池直流出力８８の電池電流より多く、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、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、改質器用燃焼器排出ガス１０３と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に混ぜて改質器３に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。
【００６２】
（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１９、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賂する。
【００６３】
図６を用いて実施形態６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４に示した実施形態４とは、図６に示したように、燃焼器用空気９１を燃焼器９２に供給する代わりに、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を燃焼反応用酸素源として燃焼器９２に供給する点が大きく異なる。
【００６４】
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。燃焼器９２では、燃焼器用燃料極排出ガス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中の未反応酸素と燃焼反応させ、燃焼器排出ガス９３を排出する。該燃焼反応によって生成した水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、改質器用燃焼器排出ガス１０３と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に混ぜて改質器３に供給する。改質器用燃焼器排出ガス１０３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）及び流量制御弁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１００の開度（すなわち、改質器用燃焼器排出ガス１０３の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１００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。
【００６５】
本実施形態においても、改質器３での水蒸気の不足を補うために、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、改質器用燃焼器排出ガス１０３として改質器３に供給するので、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給し水蒸気を生成させることが不要であり、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１９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の電池電流が燃料電池直流出力８８の電池電流より多く、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、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、改質器用燃焼器排出ガス１０３と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に混ぜて改質器３に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。
【００６７】
（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１９、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略する。
【００６８】
図７において、１２０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、１２１は未反応水蒸気を凝縮させた燃料極排出ガス、１２２は脱硫器リサイクル用燃料極排出ガス１２６の供給量を制御する流量制御弁、１２３はＣＯシフトコンバータ用燃料極排出ガス、１２４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、１２５はＣＯ選択酸化器用燃料極排出ガス、１２６は脱硫器リサイクル用燃料極排出ガス、１２７はＣＯシフトコンバータ用燃料極排出ガス１２３の供給量を制御する流量制御弁を表す。
【００６９】
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ＣＯシフトコンバータ用燃料極排出ガス１２３をＣＯシフトコンバータ４に供給する点が大きく異なる。
【００７０】
次に、本実施形態の作用について、図７を参照して説明する。本実施形態では、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４から排出した燃料極排出ガス６１は、改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０、ＣＯシフトコンバータ用燃料極排出ガス１２３及び燃焼器用燃料極排出ガス６４に分配され、それぞれ改質器３、ＣＯシフトコンバータ４及び燃焼器９２に供給される。ＣＯシフトコンバータ用燃料極排出ガス１２３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１２７の開度（すなわち、ＣＯシフトコンバータ４へのＣＯシフトコンバータ用燃料極排出ガス１２３の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１２７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。ＣＯシフトコンバータ４では、（９）式に示した水性シフト反応により、ＣＯシフトコンバータ用燃料極排出ガス１２３中の一酸化炭素濃度が１％以下まで低減される。
【００７１】
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、ＣＯシフトコンバータ４でつくられた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１２４の一部を、脱硫器リサイクル用燃料極排出ガス１２６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１２６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１２２の開度（すなわち、脱硫器リサイクル用燃料極排出ガス１２６の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１２２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。
【００７２】
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％以下に低減させた燃料極排出ガス１２４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１２６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オーダーに低減させるために、ＣＯ選択酸化器用燃料極排出ガス１２５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１２５中に含まれる一酸化炭素を（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１２５中の一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーに低減させる。
【００７３】
ＣＯ選択酸化器５でつくられた一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーに低減させた燃料極排出ガス１２０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１２１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。
【００７４】
燃焼反応によって生成した水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、改質器用燃焼器排出ガス１０３として、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に混ぜて改質器３に供給する。改質器用燃焼器排出ガス１０３の供給量は、予め設定されていた流量制御弁３７の開度（すなわち、燃料である天然ガス１の供給量）及び流量制御弁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１００の開度（すなわち、改質器用燃焼器排出ガス１０３の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１００の開度を制御することによって、燃料である天然ガス１の供給量に対しで、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。
【００７５】
本実施形態においても、改質器３での水蒸気の不足を補うために、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、改質器用燃焼器排出ガス１０３として改質器３に供給するので、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給し水蒸気を生成させることが不要であり、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。
【００７６】
図７に示した実施形態では、図１９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の電池電流が燃料電池直流出力８８の電池電流より多く、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７での電池反応による水蒸気生成量が固体高分子形燃料電池セルスタック９での電池反応による水蒸気生成量よりも少ない場合には、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、改質器用燃焼器排出ガス１０３と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に混ぜて改質器３に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。
【００７７】
（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１９、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。
【００７８】
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、燃焼器用空気９１を燃焼器９２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を燃焼反応用酸素源として燃焼器９２に供給する点が大きく異なる。
【００７９】
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。燃焼器９２では、燃焼器用燃料極排出ガス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中の酸素と燃焼反応させ、燃焼器排出ガス９３を排出する。燃焼反応によって生成した水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部は、改質器用燃焼器排出ガス１０３と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に混ぜて改質器３に供給する。改質器用燃焼器排出ガス１０３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）及び流量制御弁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１００の開度（すなわち、改質器用燃焼器排出ガス１０３の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１００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。
【００８０】
本実施形態においても、改質器３での水蒸気の不足を補うために、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、改質器用燃焼器排出ガス１０３として改質器３に供給するので、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給し水蒸気を生成させることが不要であり、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。
【００８１】
図８に示した実施形態では、図１９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の電池電流が燃料電池直流出力８８の電池電流より多く、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７での電池反応による水蒸気生成量が固体高分子形燃料電池セルスタック９での電池反応による水蒸気生成量よりも少ない場合には、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、改質器用燃焼器排出ガス１０３と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に混ぜて改質器３に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。
【００８２】
（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１９、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。
【００８３】
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、燃焼器用空気９１を燃焼器９２に供給する代わりに、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を燃焼反応用酸素源として燃焼器９２に供給する点が大きく異なる。
【００８４】
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。燃焼器９２では、燃焼器用燃料極排出ガス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中の未反応酸素と燃焼反応させ、燃焼器排出ガス９３を排出する。燃焼反応によって生成した水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部は、改質器用燃焼器排出ガス１０３と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に混ぜて改質器３に供給する。改質器用燃焼器排出ガス１０３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）及び流量制御弁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１００の開度（すなわち、燃焼改質器用器排出ガス１０３の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１００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。
【００８５】
本実施形態においても、改質器３での水蒸気の不足を補うために、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、改質器用燃焼器排出ガス１０３として改質器３に供給するので、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給し水蒸気を生成させることが不要であり、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。
【００８６】
図９に示した実施形態では、図１９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の電池電流が燃料電池直流出力８８の電池電流より多く、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７での電池反応による水蒸気生成量が固体高分子形燃料電池セルスタック９での電池反応による水蒸気生成量よりも少ない場合には、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、改質器用燃焼器排出ガス１０３と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に混ぜて改質器３に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。
【００８７】
（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１９、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。
【００８８】
図１０において、１９１は水素分離器用燃料極排出ガスを表す。
【００８９】
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、ＣＯ選択酸化器５と凝縮器３９の代わりに水素分離器１１１と凝縮器１１３を設けた点が大きく異なる。
【００９０】
次に、本実施形態の作用について、図１０を参照して説明する。水素分離器用燃料極排出ガス１９１は、パラジウム膜やマイクロポーラスなセラミック膜等の水素分離手段を有する水素分離器１１１に供給され、水素１１６が分離される。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改質ガス１１０の加圧を行う。水素１１６は、固体高分子形燃料電池セルスタック９の燃料極６に供給し、固体高分子形燃料電池セルスタック用空気３２中の酸素と電気化学的に反応させることによって固体高分子形燃料電池セルスタック９の発電を行う。水素からなる燃料極水素排出ガス１１７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１１７中には、水素以外の不純物が若干含まれるので、パージ弁１１８を間欠的に開け、パージガス１１９を放出する。水素分離器排出ガス１１２は、凝縮器１１３で凝縮水１１４を凝縮させた後に、水素分離器乾燥排出ガス１１５として排出する。
【００９１】
本実施形態においても、改質器３での水蒸気の不足を補うために、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、改質器用燃焼器排出ガス１０３として改質器３に供給するので、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給し水蒸気を生成させることが不要であり、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。
【００９２】
図１０に示した実施形態では、図１９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の電池電流が燃料電池直流出力８８の電池電流より多く、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７での電池反応による水蒸気生成量が固体高分子形燃料電池セルスタック９での電池反応による水蒸気生成量よりも少ない場合には、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、改質器用燃焼器排出ガス１０３と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に混ぜて改質器３に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。
【００９３】
（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１９、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。
【００９４】
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、燃焼器用空気９１を燃焼器９２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を燃焼反応用酸素源として燃焼器９２に供給する点が大きく異なる。
【００９５】
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。燃焼器９２では、燃焼器用燃料極排出ガス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中の酸素と燃焼反応させ、燃焼器排出ガス９３を排出する。燃焼反応によって生成した水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部は、改質器用燃焼器排出ガス１０３と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に混ぜて改質器３に供給する。改質器用燃焼器排出ガス１０３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）及び流量制御弁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１００の開度（すなわち、燃焼改質器用器排出ガス１０３の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１００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。
【００９６】
本実施形態においても、改質器３での水蒸気の不足を補うために、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、改質器用燃焼器排出ガス１０３として改質器３に供給するので、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給し水蒸気を生成させることが不要であり、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。
【００９７】
図１１に示した実施形態では、図１９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の電池電流が燃料電池直流出力８８の電池電流より多く、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７での電池反応による水蒸気生成量が固体高分子形燃料電池セルスタック９での電池反応による水蒸気生成量よりも少ない場合には、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、改質器用燃焼器排出ガス１０３と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に混ぜて改質器３に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。
【００９８】
（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１９、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。
【００９９】
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、燃焼器用空気９１を燃焼器９２に供給する代わりに、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を燃焼反応用酸素源として燃焼器９２に供給する点が大きく異なる。
【０１００】
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。燃焼器９２では、燃焼器用燃料極排出ガス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中の未反応酸素と燃焼反応させ、燃焼器排出ガス９３を排出する。燃焼反応によって生成した水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部は、改質器用燃焼器排出ガス１０３と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に混ぜて改質器３に供給する。改質器用燃焼器排出ガス１０３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）及び流量制御弁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１００の開度（すなわち、燃焼改質器用器排出ガス１０３の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１００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。
【０１０１】
本実施形態においても、改質器３での水蒸気の不足を補うために、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、改質器用燃焼器排出ガス１０３として改質器３に供給するので、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給し水蒸気を生成させることが不要であり、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。
【０１０２】
図１２に示した実施形態では、図１９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の電池電流が燃料電池直流出力８８の電池電流より多く、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７での電池反応による水蒸気生成量が固体高分子形燃料電池セルスタック９での電池反応による水蒸気生成量よりも少ない場合には、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、改質器用燃焼器排出ガス１０３と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に混ぜて改質器３に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。
【０１０３】
（実施形態１３）
図１３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１３とする）を示す構成図である。図１３において、前述した図１９、図１、図２、図３、図４、図５、図６、図７、図８、図９、図１０、図１１及び図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。
【０１０４】
図１３において、１９２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、１９３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１９２の供給量を制御する流量制御弁、１９４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、１９５は固体酸化物形燃料電池セルスタック用燃焼器排出ガス１９６の供給量を制御する流量制御弁、１９６は固体酸化物形燃料電池セルスタック用燃焼器排出ガスを表す。
【０１０５】
図１３を用いて実施形態１３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１３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１９４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。
【０１０６】
次に、本実施形態の作用について、図１３を参照して説明する。本実施形態では、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１９２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１９４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１９２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１９３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１９２の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１９３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１９４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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
燃焼器９２で燃焼反応により生成した水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部は、固体酸化物形燃料電池セルスタック用燃焼器排出ガス１９６と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１９４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。固体酸化物形燃料電池セルスタック用燃焼器排出ガス１９６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）及び流量制御弁１９３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１９２の供給量）と流量制御弁１９５の開度（すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタック用燃焼器排出ガス１９６の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１９５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１９４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。
【０１０９】
本実施形態においても、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４での水蒸気の不足を補うために、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、固体酸化物形燃料電池セルスタック用燃焼器排出ガス１９６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に供給するので、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給し水蒸気を生成させることが不要であり、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。
【０１１０】
図１３に示した実施形態では、図１９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の電池電流が燃料電池直流出力８８の電池電流より多く、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７での電池反応による水蒸気生成量が固体高分子形燃料電池セルスタック９での電池反応による水蒸気生成量よりも少ない場合には、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、固体酸化物形燃料電池セルスタック用燃焼器排出ガス１９６と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１９４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１９４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固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の発電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。
【０１１１】
（実施形態１４）
図１４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１４とする）を示す構成図である。図１４において、前述した図１９、図１、図２、図３、図４、図５、図６、図７、図８、図９、図１０、図１１、図１２及び図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。
【０１１２】
図１４を用いて実施形態１４を説明する。本実施形態は、図１３に示した実施形態１３とは、図１４に示したように、燃焼器用空気９１を燃焼器９２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を燃焼反応用酸素源として燃焼器９２に供給する点が大きく異なる。
【０１１３】
次に、本実施形態の作用について、図１４を参照して説明する。燃焼器９２では、燃焼器用燃料極排出ガス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中の未反応酸素と燃焼反応させ、燃焼器排出ガス９３を排出する。燃焼反応によって生成した水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部は、固体酸化物形燃料電池セルスタック用燃焼器排出ガス１９６と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１９４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。固体酸化物形燃料電池セルスタック用燃焼器排出ガス１９６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）及び流量制御弁１９３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１９２の供給量）と流量制御弁１９５の開度（すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタック用燃焼器排出ガス１９６の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１９５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１９４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。
【０１１４】
本実施形態においても、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４での水蒸気の不足を補うために、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、固体酸化物形燃料電池セルスタック用燃焼器排出ガス１９６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に供給するので、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給し水蒸気を生成させることが不要であり、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。
【０１１５】
図１４に示した実施形態では、図１９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の電池電流が燃料電池直流出力８８の電池電流より多く、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７での電池反応による水蒸気生成量が固体高分子形燃料電池セルスタック９での電池反応による水蒸気生成量よりも少ない場合には、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、固体酸化物形燃料電池セルスタック用燃焼器排出ガス１９６と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１９４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１９４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固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の発電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。
【０１１６】
（実施形態１５）
図１５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１５とする）を示す構成図である。図１５において、前述した図１９、図１、図２、図３、図４、図５、図６、図７、図８、図９、図１０、図１１、図１２、図１３及び図１４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。
【０１１７】
図１５を用いて実施形態１５を説明する。本実施形態は、図１３に示した実施形態１３とは、図１５に示したように燃焼器用空気９１を燃焼器９２に供給する代わりに、固体高分子形燃料電池セルスタック８の空気極排出ガス７を燃焼反応用酸素源として燃焼器９２に供給する点が大きく異なる。
【０１１８】
次に、本実施形態の作用について、図１５を参照して説明する。燃焼器９２では、燃焼器用燃料極排出ガス６４中の未反応燃料、未反応水素及び未反応一酸化炭素を固体高分子形燃料電池セルスタック８の空気極排出ガス７中の未反応酸素と燃焼反応させ、燃焼器排出ガス９３を排出する。燃焼反応によって生成した水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部は、固体酸化物形燃料電池セルスタック用燃焼器排出ガス１９６と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１９４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。固体酸化物形燃料電池セルスタック用燃焼器排出ガス１９６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）及び流量制御弁１９３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１９２の供給量）と流量制御弁１９５の開度（すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタック用燃焼器排出ガス１９６の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１９５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１９４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。
【０１１９】
本実施形態においても、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４での水蒸気の不足を補うために、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、固体酸化物形燃料電池セルスタック用燃焼器排出ガス１９６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に供給するので、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給し水蒸気を生成させることが不要であり、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。
【０１２０】
図１５に示した実施形態では、図１９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の電池電流が燃料電池直流出力８８の電池電流より多く、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７での電池反応による水蒸気生成量が固体高分子形燃料電池セルスタック９での電池反応による水蒸気生成量よりも少ない場合には、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、固体酸化物形燃料電池セルスタック用燃焼器排出ガス１９６と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１９４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１９４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固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の発電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。
【０１２１】
（実施形態１６）
図１６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１６とする）を示す構成図である。図１６において、前述した図１９、図１、図２、図３、図４、図５、図６、図７、図８、図９、図１０、図１１、図１２、図１３、図１４、図１５及び図１６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。
【０１２２】
図１６を用いて実施形態１６を説明する。本実施形態は、図１３に示した実施形態１３とは、図１６に示したように、ＣＯ選択酸化器５と凝縮器３９の代わりに水素分離器１１１と凝縮器１１３を設けた点が大きく異なる。
【０１２３】
次に、本実施形態の作用について、図１６を参照して説明する。水素分離器用燃料極排出ガス１９１は、パラジウム膜やマイクロポーラスなセラミック膜等の水素分離手段を有する水素分離器１１１に供給され、水素１１６が分離される。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改質ガス１１０の加圧を行う。水素１１６は、固体高分子形燃料電池セルスタック９の燃料極６に供給し、固体高分子形燃料電池セルスタック用空気３２中の酸素と電気化学的に反応させることによって固体高分子形燃料電池セルスタック９の発電を行う。水素からなる燃料極水素排出ガス１１７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１１７中には、水素以外の不純物が若干含まれるので、パージ弁１１８を間欠的に開け、パージガス１１９を放出する。水素分離器排出ガス１１２は、凝縮器１１３で凝縮水１１４を凝縮させた後に、水素分離器乾燥排出ガス１１５として排出する。
【０１２４】
本実施形態においても、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４での水蒸気の不足を補うために、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、固体酸化物形燃料電池セルスタック用燃焼器排出ガス１９６として固体酸化物形燃料電池セルスタック用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス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に供給するので、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給し水蒸気を生成させることが不要であり、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。
【０１２５】
図１６に示した実施形態では、図１９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の電池電流が燃料電池直流出力８８の電池電流より多く、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７での電池反応による水蒸気生成量が固体高分子形燃料電池セルスタック９での電池反応による水蒸気生成量よりも少ない場合には、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、固体酸化物形燃料電池セルスタック用燃焼器排出ガス１９６と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１９４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１９４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固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の発電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。
【０１２６】
（実施形態１７）
図１７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１７とする）を示す構成図である。図１７において、前述した図１９、図１、図２、図３、図４、図５、図６、図７、図８、図９、図１０、図１１、図１２、図１３、図１４、図１５及び図１６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。
【０１２７】
図１７を用いて実施形態１７を説明する。本実施形態は、図１６に示した実施形態１６とは、図１７に示したように、燃焼器用空気９１を燃焼器９２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を燃焼反応用酸素源として燃焼器９２に供給する点が大きく異なる。
【０１２８】
次に、本実施形態の作用について、図１７を参照して説明する。燃焼器９２では、燃焼器用燃料極排出ガス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中の未反応酸素と燃焼反応させ、燃焼器排出ガス９３を排出する。燃焼反応によって生成した水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部は、固体酸化物形燃料電池セルスタック用燃焼器排出ガス１９６と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１９４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。固体酸化物形燃料電池セルスタック用燃焼器排出ガス１９６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）及び流量制御弁１９３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１９２の供給量）と流量制御弁１９５の開度（すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタック用燃焼器排出ガス１９６の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１９５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１９４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。
【０１２９】
本実施形態でも、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４での水蒸気の不足を補うために、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、固体酸化物形燃料電池セルスタック用燃焼器排出ガス１９６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に供給するので、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給し水蒸気を生成させることが不要であり、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。
【０１３０】
図１７に示した実施形態では、図１９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の電池電流が燃料電池直流出力８８の電池電流より多く、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７での電池反応による水蒸気生成量が固体高分子形燃料電池セルスタック９での電池反応による水蒸気生成量よりも少ない場合には、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、固体酸化物形燃料電池セルスタック用燃焼器排出ガス１９６と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１９４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１９４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固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の発電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。
【０１３１】
（実施形態１８）
図１８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１８とする）を示す構成図である。図１８において、前述した図１９、図１、図２、図３、図４、図５、図６、図７、図８、図９、図１０、図１１、図１２、図１３、図１４、図１５、図１６及び図１７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。
【０１３２】
図１８を用いて実施形態１８を説明する。本実施形態は、図１６に示した実施形態１６とは、図１８に示したように、燃焼器用空気９１を燃焼器９２に供給する代わりに、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８を燃焼反応用酸素源として燃焼器９２に供給する点が大きく異なる。
【０１３３】
次に、本実施形態の作用について、図１８を参照して説明する。燃焼器９２では、燃焼器用燃料極排出ガス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８中の未反応酸素と燃焼反応させ、燃焼器排出ガス９３を排出する。燃焼反応によって生成した水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部は、固体酸化物形燃料電池セルスタック用燃焼器排出ガス１９６と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１９４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。固体酸化物形燃料電池セルスタック用燃焼器排出ガス１９６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）及び流量制御弁１９３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１９２の供給量）と流量制御弁１９５の開度（すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタック用燃焼器排出ガス１９６の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１９５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１９４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。
【０１３４】
本実施形態でも、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４での水蒸気の不足を補うために、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、固体酸化物形燃料電池セルスタック用燃焼器排出ガス１９６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に供給するので、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給し水蒸気を生成させることが不要であり、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。
【０１３５】
図１８に示した実施形態では、図１９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の電池電流が燃料電池直流出力８８の電池電流より多く、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７での電池反応による水蒸気生成量が固体高分子形燃料電池セルスタック９での電池反応による水蒸気生成量よりも少ない場合には、燃焼器９２から排出される水蒸気を含む燃焼器排出ガス９３の一部を、固体酸化物形燃料電池セルスタック用燃焼器排出ガス１９６と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１９４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１９４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固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の発電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。
【０１３６】
以上説明したように、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。
【図面の簡単な説明】
【０１３７】
【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】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１４】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１５】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１６】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１７】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１８】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１９】従来の燃料電池発電システムを示す構成図である。
【符号の説明】
【０１３８】
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：出力調整器、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：燃焼器用燃料極排出ガス、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、９０：流量制御弁、９１：燃焼器用空気、９２：燃焼器、９３：燃焼器排出ガス、１００：流量制御弁、１０２：排出用燃焼器排出ガス、１０３：改質器用燃料排出ガス、１１０：水素分離器用改質ガス、１１１：水素分離器、１１２：水素分離器排出ガス、１１３：凝縮器、１１４：凝縮水、１１５水素分離器乾燥排出ガス、１１６：水素、１１７：燃料極水素排出ガス、１１８：パージ弁、１１９：パージガス、１２０：一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーに低減させた燃料極排出ガス、１２１：未反応水蒸気を凝縮させた燃料極排出ガス、１２２：流量制御弁、１２３：ＣＯシフトコンバータ用燃料極排出ガス、１２４：一酸化炭素の濃度を１％以下に低減させた燃料極排出ガス、１２５：ＣＯ選択酸化器用燃料極排出ガス、１２６：脱硫器リサイクル用燃料極排出ガス、１２７：流量制御弁、１９１：水素分離器用燃料極排出ガス、１９２：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、１９３：流量制御弁、１９４：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、１９５：流量制御弁、１９６：固体酸化物形燃料電池セルスタック用燃焼器排出ガス。
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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