(57)【要約】【課題】低温作動の燃料電池セルスタックを用いても高効率として発電することができる二種類の燃料電池セルスタックを用いた発電システムを提供する。【解決手段】燃料の水蒸気改質反応により生成した水素を酸素と反応さて発電を行う発電システムにおいて、水素リッチな改質ガスを作る第一の改質器５２と、メタンを低減した水素リッチな改質ガスを作る改質器バーナ５４を設けた第二の改質器５３と、改質ガス中の水素、一酸化炭素を酸素と反応させて発電を行い、発生した排熱を第一の改質器５２に供給すると共に、生成した燃料極３５排出ガスを第一の改質器５２に供給する第一の燃料電池セルスタック３８と、改質ガス中の一酸化炭素を水素に変換するＣＯシフトコンバータ４と、ＣＯ選択酸化器５の排出ガス中の水素を酸素と反応させて発電を行う第二の燃料電池セルスタック９を有する発電システムとする。【選択図】図１
2005071813.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って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リッチな改質ガスを作る第一の改質器と、
前記水素リッチな改質ガス中のメタンの水蒸気改質反応によってメタン濃度を低減させた水素リッチな改質ガスを作る改質器バーナを設けた第二の改質器と、
前記メタン濃度を低減させた水素リッチな改質ガス中の水素、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第一の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第一の改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、
前記メタン濃度を低減させた水素リッチな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、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って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リッチな改質ガスを作る第一の改質器と、
前記水素リッチな改質ガス中のメタンの水蒸気改質反応によってメタン濃度を低減させた水素リッチな改質ガスを作る改質器バーナを設けた第二の改質器と、
前記メタン濃度を低減させた水素リッチな改質ガス中の水素、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第一の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第一の改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、
前記メタン濃度を低減させた水素リッチな改質ガス中の一酸化炭秦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、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って生成する水素と酸素を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リッチな改質ガスを作る第一の改質器と、
前記水素リッチな改質ガス中のメタンの水蒸気改質反応によってメタン濃度を低減させた水素リッチな改質ガスを作る改質器バーナを設けた第二の改質器と、
前記メタン濃度を低減させた水素リッチな改質ガス中の水素、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第一の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第一の改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、
前記メタン濃度を低減させた水素リッチな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、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って生成する水素と酸素を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リッチな改質ガスを作る第一の改質器と、
前記水素リッチな改質ガス中のメタンの水蒸気改質反応によってメタン濃度を低減させた水素リッチな改質ガスを作る改質器バーナを設けた第二の改質器と、
前記メタン濃度を低減させた水素リッチな改質ガス中の水素、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第一の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第一の改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、
前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させ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、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って生成する水素と酸素を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リッチな改質ガスを作る第一の改質器と、
前記水素リッチな改質ガス中のメタンの水蒸気改質反応によってメタン濃度を低減させた水素リッチな改質ガスを作る改質器バーナを設けた第二の改質器と、
前記メタン濃度を低減させた水素リッチな改質ガス中の水素、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第一の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第一の改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、
前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させ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、
前記水素と酸素を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、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６】
燃料の水蒸気改質反応によって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リッチな改質ガスを作る第一の改質器と、
前記水素リッチな改質ガス中のメタンの水蒸気改質反応によってメタン濃度を低減させた水素リッチな改質ガスを作る改質器バーナを設けた第二の改質器と、
前記メタン濃度を低減させた水素リッチな改質ガス中の水素、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第一の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第一の改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、
前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させ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、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】
燃料の水蒸気改質反応によって生成する水素と酸素を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リッチな改質ガスを作る第一の改質器と、
前記水素リッチな改質ガス中の水素、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第一の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第一の改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、
前記燃料極排出ガス中のメタンの水蒸気改質反応によってメタン濃度を低減させた燃料極排出ガスを作る改質器バーナを設けた第二の改質器と、
前記メタン濃度を低減させた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、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８】
燃料の水蒸気改質反応によって生成する水素と酸素を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リッチな改質ガスを作る第一の改質器と、
前記水素リッチな改質ガス中の水素、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第一の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第一の改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、  前記燃料極排出ガス中のメタンの水蒸気改質反応によってメタン濃度を低減させた燃料極排出ガスを作る改質器バーナを設けた第二の改質器と、
前記メタン濃度を低減させた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、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９】
燃料の水蒸気改質反応によって生成する水素と酸素を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リッチな改質ガスを作る第一の改質器と、
前記水素リッチな改質ガス中の水素、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第一の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第一の改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、
前記燃料極排出ガス中のメタンの水蒸気改質反応によってメタン濃度を低減させた燃料極排出ガスを作る改質器バーナを設けた第二の改質器と、
前記メタン濃度を低減させた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、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１０】
燃料の水蒸気改質反応によって生成する水素と酸素を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によって水素と一酸化炭素を生成させると共に、前記水素、もしくは前記水素および前記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燃料極での前記燃料の水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費し、また、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、
前記燃料極排出ガス中のメタンの水蒸気改質反応によってメタン濃度を低減させた燃料極排出ガスを作る改質器バーナを設けた改質器と、
前記メタン濃度を低減させた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と酸素を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、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１１】
燃料の水蒸気改質反応によって生成する水素と酸素を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によって水素と一酸化炭素を生成させると共に、前記水素、もしくは前記水素および前記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燃料極での前記燃料の水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費し、また、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、
前記燃料極排出ガス中のメタンの水蒸気改質反応によってメタン濃度を低減させた燃料極排出ガスを作る改質器バーナを設けた改質器と、
前記メタン濃度を低減させた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、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１２】
燃料の水蒸気改質反応によって生成する水素と酸素を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によって水素と一酸化炭素を生成させると共に、前記水素、もしくは前記水素および前記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燃料極での前記燃料の水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費し、また、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、
前記燃料極排出ガス中のメタンの水蒸気改質反応によって、メタン濃度を低減させた燃料極排出ガスを作る改質器バーナを設けた改質器と、
前記メタン濃度を低減させた燃料極排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、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１３】
燃料の水蒸気改質反応によって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リッチな改質ガスを作る第一の改質器と、
前記水素リッチな改質ガス中の水素、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第一の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第一の改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、
前記水素リッチな改質ガス中のメタンの水蒸気改質反応によってメタン濃度を低減させた水素リッチな改質ガスを作る改質器バーナを設けた第二の改質器と、
前記メタン濃度を低減させた水素リッチな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、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１４】
燃料の水蒸気改質反応によって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リッチな改質ガスを作る第一の改質器と、
前記水素リッチな改質ガス中の水素、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第一の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第一の改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、
前記水素リッチな改質ガス中のメタンの水蒸気改質反応によってメタン濃度を低減させた水素リッチな改質ガスを作る改質器バーナを設けた第二の改質器と、
前記メタン濃度を低減させた水素リッチな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、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１５】
燃料の水蒸気改質反応によって生成する水素と酸素を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リッチな改質ガスを作る第一の改質器と、
前記水素リッチな改質ガス中の水素、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第一の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第一の改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、
前記水素リッチな改質ガス中のメタンの水蒸気改質反応によってメタン濃度を低減させた水素リッチな改質ガスを作る改質器バーナを設けた第二の改質器と、
前記メタン濃度を低減させた水素リッチな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、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１６】
請求項１ないし請求項１５のいずれか１項に記載の燃料電池発電システムにおいて、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からなり、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からなることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項１７】
請求項１ないし請求項１５のいずれか１項に記載の燃料電池発電システムにおいて、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からなり、前記第二の燃料電池セルスタックがりん酸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、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ようにした燃料電池発電システムにおいて、低温で作動する燃料電池セルスタックを用いた燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１６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の構成を示す図（例えば、非特許文献１参照）である。図１６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。
【０００３】
図１６に示した燃料電池発電システムは、主に脱硫器２、改質器３、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８、ＣＯシフトコンバータ４、ＣＯ選択酸化器５、凝縮器２９、固体高分子形燃料電池セルスタック９、出力調整装置１６、４８、流量制御弁（１０、１１、２７等）、空気供給用ブロワ１２、および配管類により構成される。図１６において、１は天然ガス、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は固体高分子形燃料電池セルスタック、１０は固体高分子形燃料電池セルスタックの発電用空気２５の流量を制御する流量制御弁、１１はＣＯ選択酸化器用空気２６の供給量を制御する流量制御弁、１２は空気供給用ブロワ、１３は固体高分子形燃料電池セルスタックの空気極排出ガス、１４は空気、１５は固体高分子形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス、１６は出力調整装置、１７は負荷、１８は燃料電池直流出力、１９は送電端交流出力、２０は一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーに低減させた改質ガス、２１は一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた改質ガス、２２は水素リッチな改質ガス、２３は水蒸気と脱硫天然ガスの混合ガス、２４は脱硫天然ガス、２５は固体高分子形燃料電池セルスタックの発電用空気、２６はＣＯ選択酸化器用空気、２７は天然ガス１の供給量を制御する流量制御弁、２８は未反応水蒸気を凝縮させた改質ガス、２９は凝縮器、３０は電池反応による生成水、３１は凝縮水、３２は脱硫器リサイクル用改質ガス、３３は脱硫器リサイクル用改質ガスの供給量を制御する流量制御弁、３４はＣＯ選択酸化器用改質ガス、３５は燃料極、３６は固体酸化物電解質、３７は空気極、３８は固体酸化物形燃料電池セルスタック、３９は固体酸化物形燃料電池セルスタックの発電用空気、４０は改質器リサイクル用固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス４１の供給量を制御する流量制御弁、４１は改質器リサイクル用固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス、４２は固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス、４３は固体酸化物形燃料電池セルスタックの発電用空気３９の供給量を制御する流量制御弁、４４は固体酸化物形燃料電池セルスタックの空気極排出ガス、４５は排出用固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス、４６は水素リッチな改質ガス２２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、４７は水素リッチな改質ガス２２の固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５への供給量を制御する流量制御弁、４８は出力調整装置、４９は負荷、５０は燃料電池直流出力、５１は送電端交流出力である。  
上記「水素リッチ」とは、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。
【０００４】
図１６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、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３８も一組の燃料極３５、固体酸化物電解質３６、および空気極３７からなる単セルによって構成されているように示されているが、実際には固体酸化物形燃料電池セルスタック３８は複数の単セルから構成されている。
【０００５】
以下、図１６を用いて、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の作用を説明する。燃料の天然ガス１を脱硫器２に供給する。天然ガス１の供給量は、あらかじめ設定された燃料電池直流出力１８の電池電流および燃料電池直流出力５０の電池電流と流量制御弁２７の開度（すなわち、天然ガス１の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁３７の開度を制御することによって、燃料電池直流出力１８の電池電流および燃料電池直流出力５０の電池電流に見合った値に設定する。
【０００６】
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および固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５の電極触媒の劣化原因となる天然ガス１中のメルカプタン等の腐臭剤に含まれる硫黄分を水添脱硫により吸着除去する。すなわち、コバルト−モリブデン系触媒により最初に硫黄と水素を反応させて硫化水素を生成させ、次にこの硫化水素と酸化亜鉛を反応させることによって硫化亜鉛を生成させ、硫黄分を除去する。
【０００７】
硫化水素の生成に必要な水素を供給するために、水素リッチな一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた改質ガス２１の一部を、脱硫器リサイクル用改質ガス３２として脱硫器２にリサイクルする。脱硫器リサイクル用改質ガス３２の供給量は、あらかじめ設定された流量制御弁２７の開度（すなわち、天然ガス１の供給量）と流量制御弁３３の開度（すなわち、脱硫器リサクル用改質ガス３２の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁３３の開度を制御することによって、天然ガス１の供給量と見合った値に設定する。硫化水素と硫化硫黄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賄う。
【０００８】
脱硫器２で脱硫された脱硫天然ガス２４は、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８で電池反応により生成した水蒸気を含む改質器リサイクル用固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス４１と混合した後に、水蒸気と脱硫天然ガスの混合ガス２３として改質器３に供給する。改質器リサイクル用固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス４１の供給量は、あらかじめ設定された流量制御弁２７の開度（すなわち、天然ガス１の供給量）と流量制御弁４０の開度（すなわち、改質器リサイクル用固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス４１の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁４０の開度を制御することによって、天然ガス１の供給量に対して水蒸気と脱硫天然ガスの混合ガス２３のスチームカーボン比（水蒸気の天然ガス１中の炭秦に対するモル比）があらかじめ設定された所定の値となるように設定する。
【０００９】
改質器３では、充填されたニッケル、ルテニウム等の金属を担持したアルミナ等の金属酸化物からなる改質触媒の働きにより天然ガス１に含まれる炭化水素の水蒸気改質反応が行われ、水素リッチな改質ガス２２が作られる。天然ガス１の主成分であるメタンの水蒸気改質反応は（化１）式で表される。
（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℃に維持することが必要である。このため、後述する改質器３の近傍に設置された８００〜１０００℃で発電を行う固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の高温排熱を、炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として改質器３に供給する。
【００１０】
改質器３で作られた水素リッチな改質ガス２２の一部はＣＯシフトコンバータ４に供給し、残りは固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５に供給する。ＣＯシフトコンバータ４への水素リッチな改質ガス２２の供給量は、あらかじめ設定された燃料電池直流出力１８の直流電流と流量制御弁４６の開度（すなわち、ＣＯシフトコンバータ４への水素リッチな改質ガス２２の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁４６の開度を制御することによって、燃料電池直流出力１８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３８の燃料極３５への水素リッチな改質ガス２２の供給量は、あらかじめ設定した燃料電池直流出力５０の直流電流と流量制御弁４７の開度（すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５への水素リッチな改質ガス２２の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁４７の開度を制御することによって、燃料電池直流出力５０の直流電流に見合った値に設定する。
【００１１】
固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極３７には、空気供給用ブロワ１２を用いて取り込んだ空気１４の一部を固体酸化物形燃料電池セルスタックの発電用空気３９として供給する。固体酸化物形燃料電池セルスタックの発電用空気３９の供給量は、あらかじめ設定した燃料電池直流出力５０の直流電流と流量制御弁４３の開度（すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタックの発電用空気３９の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁４３の開度を制御することによって、燃料電池直流出力５０の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３８の空気極３７では、金属酸化物系電極触媒の働きで、固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９中の酸素が（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。
（空気極反応）
1/2Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−………（化２）
空気極３７で生成した酸素イオンは、安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等の固体酸化物電解質３６の内部を移動し、燃料極３５に到達する。燃料極３５では、ニッケル−ＹＳＺサーメット、ルテニウム−ＹＳＺサーメット等の金属系電極触媒の働きで、空気極から固体酸化物電解質３６の内部を燃料極に移動してきた酸素イオンが、（化３）式および（化４）式に示す反応により燃料極３５に供給された水素リッチ改質ガス２２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素と電子が生成する。
（燃料極反応）
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−………（化３）
ＣＯ＋Ｏ２−→ＣＯ２＋２ｅ−………（化４）
燃料極３５で生成した電子は、外部回路を移動し、空気極３７に到達する。空気極３７に到達した電子は、前述した（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５０として取り出すことができる。
（化２）式と（化３）式、および（化２）式と（化４）式をまとめると、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の電池反応は、（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、（化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………（化５）
ＣＯ＋1/2Ｏ２→ＣＯ２………（化６）
固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発電によって得られた燃料電池直流出力５０は、負荷４９に合わせて出力調整装置４８で電圧の変換と直流から交流への変換を行った後に、送電端交流出力５１として負荷４９に供給する。なお、図１６では、出力調整装置４８で直流から交流への変換を行っているが、出力調整装置４８で電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷４９に供給してもよい。
【００１３】
固体酸化物燃料電池セルスタック３８の作動温度は、一般的に８００〜１０００℃であり、電池反応による発熱により作動温度が維持されている。このため、固体酸化物燃料電池セルスタック３８の排熱は、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。実際、固体酸化物燃料電池セルスタック３８での電池反応による発熱量は多く、発電温度を維持するために、固体酸化物形燃料電池セルスタックの発電用空気３９を多量に固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極３７に供給し、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却を行っており、空気極３７での酸素利用率は２０％程度である。したがって、天然ガス１の供給量に合わせて、固体酸化物形燃料電池セルスタックの発電用空気３９の供給量を変化させて、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８から改質器３に供給する排熱量を変化させることによって、改質器３で効率的に炭化水素の水蒸気改質反応を行わせることが可能である。すなわち、あらかじめ設定した流量制御弁２７の開度（すなわち、天然ガス１の供給量）と流量制御弁４３の開度の補正量（すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタックの発電用空気３９の供給量の補正量）の関係に基づいて、天然ガス１の供給量が増加した場合には、流量制御弁４３の開度を減少させることによって固体酸化物形燃料電池セルスタックの発電用空気３９の供給量を減少させる補正を行い、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の作動温度を８００〜１０００℃に維持しながら、空気極３７での酸素利用率を上昇させると共に、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８から改質器３に供給する排熱量を増やす。一方、天然ガス１の供給量が減少した場合には、流量制御弁４３の開度を増加させることによって固体酸化物形燃料電池セルスタックの発電用空気３９の供給量を増加させる補正を行い、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の作動温度を８００〜１０００℃に維持しながら、空気極３７での酸素利用率を低下させると共に、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８から改質器３に供給する排熱量を減らす。
【００１４】
燃料極３５で電池反応により生成した水蒸気を含む固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス４２の一部は、前述したように改質器３での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な水蒸気を供給するために、改質器リサイクル用固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス４１として脱硫天然ガス２４と混合して改質器３に供給する。固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス４２の残りは、排出用固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス４５として排出する。この排出用固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス４５を、給湯、暖房、および吸収式冷凍機による冷房の熱源として利用することにより、システムの電気出力と熱利用を合わせた総合熱効率を向上させることが可能である。また、固体酸化物形燃料電池セルスタックの空気極排出ガス４４も、給湯、暖房、およ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。
【００１５】
水素リッチな改質ガス２２には、固体高分子形燃料電池セルスタック９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３８の燃料極３５に供給しない水素リッチな改質ガス２２は、銅−亜鉛系触媒等のシフト触媒が充填されたＣＯシフトコンバータ４に供給し、シフト触媒の働きにより（化７）式に示す水性シフト反応を行わせることによって、水素リッチな改質ガス２２に含まれる一酸化炭素の濃度を１％以下まで低減させる。
（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。
【００１６】
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２１の一部は、前述したように脱硫器リサイクル用改質ガス３２として脱硫器２に供給し、残りは、一酸化炭素濃度が１００ｐｐｍ以上であると、固体高分子形燃料電池セルスタック９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３４として、白金、ルテニウム等の貴金属系触媒がＣＯ選択酸化触媒として充填されたＣＯ選択酸化器５に供給する。また、空気供給用ブロワ１２で取り込んだ空気１４の一部を、ＣＯ選択酸化器用空気２６としてＣＯ選択酸化器５に供給する。ＣＯ選択酸化器５では、ＣＯ選択酸化器用改質ガス３４に含まれる一酸化炭素を、ＣＯ選択酸化用空気２６中の酸素と反応させることによって二酸化炭素に変換し、ＣＯ選択酸化器用改質ガス３４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ＣＯ酸化反応を（化８）式に示す。
（ＣＯ酸化反応）
ＣＯ＋1/2Ｏ２→ＣＯ２………（化８）
ＣＯ選択酸化器用空気２６の供給量は、あらかじめ設定された流量制御弁４６の開度（すなわち、ＣＯシフトコンバータ４への水素リッチな改質ガス２２の供給量）と流量制御弁１１の開度（すなわち、ＣＯ選択酸化器用空気２６の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１１の開度を制御することによって、ＣＯシフトコンバータ４への水素リッチな改質ガス２２の供給量に見合った値に設定する。  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２０に含まれる未反応水蒸気は、凝縮器２９で１００℃以下に冷却することによって、凝縮水３１として回収する。凝縮器２９で未反応水蒸気を凝縮させた改質ガス２８は、固体高分子形燃料電池セルスタック９の燃料極６に供給する。
【００１７】
一方、空気供給用ブロワ１２で取り込んだ空気１４の一部を、高分子形燃料電池セルスタックの発電用空気２５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の発電用空気２５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の発電用空気２５の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１０の開度を制御することによって、燃料電池直流出力１８の電池電流に見合った値に設定する。固体高分子形燃料電池セルスタック９の作動温度は、６０〜８０℃が一般的であり、電池反応による発熱により作動温度が維持される。
【００１８】
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２８中に含まれる水素の約８０％が、（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。
（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の内部を移動し、空気極８に到達する。一方、燃料極６で生成した電子は、外部回路を移動し、空気極８に到達する。この電子が外部回路を移動する過程で、電気エネルギーを燃料電池直流出力１８として取り出すことができる。
【００１９】
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の発電用空気２５中の酸索が、（化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………（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。
（電池反応）
Ｈ２十1/2Ｏ２→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１８は、負荷１７に合わせて出力調整装置１６で電圧の変換と直流から交流への変換を行った後に、送電端交流出力１９として負荷１７に供給する。なお、図１６では、出力調整装置１６で直流から交流への変換を行っているが、出力調整装置１６で電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷１７に供給してもよい。  固体高分子形燃料電池セルスタックの発電用空気２５は、固体高分子形燃料電池セルスタック９の空気極８で酸素の一部を（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の空気極排出ガス１３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２８は、固体高分子形燃料電池セルスタック９の燃料極６で水素の約８０％を（化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の燃料極排出ガス１５として排出する。
【００２０】
なお、二種類の燃料電池セルスタックを組み合わせて発電を行う燃料発電システムは、本出願人による例えば、特願2002-327233号（未公開）がある。
【００２１】
【非特許文献１】「竹原善一郎監修：燃料電池の技術とその応用、pp.141-142、テクノシステム(2000)」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
本発明の解決しようとする課題は、従来の固体酸化物形燃料電池セルスタックは、燃料極にニッケル−ＹＳＺサーメット、固体酸化物電解質にＹＳＺ、空気極にランタンストロンチウムマンガナイト等の金属酸化物を用い、１０００℃で作動し発電を行っていた。しかし、作動温度が高いと、寿命が短い、起動に長時間を要する、安価な金属材料の使用が困難であり装置コストが高いという間題があった。そこで、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の低温作動化に向けて、ＹＳＺに代わる低温での酸素イオン導電性が高い固体酸化物電解質材料と低温でも反応性が高い燃料極材料および空気極材料の開発が行われている。現在注目をあびている低温作動型固体酸化物形燃料電池セルスタックの一つに、燃料極３５にＮｉＯ−（ＣｅＯ２）０．８（ＳｍＯ１．５）０．２等のニッケル−セリア系高性能サーメット燃料極、固体酸化物電解質にＬａ０．９Ｓｒ０．１Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ３−α等の高酸素イオン導電性ランタンガレート系電解質、空気極にＳｍ０．５Ｓｒ０．５ＣｏＯ３−δ等のサマリウムコバルタイト系高活性空気極を用いた固体酸化物形燃料電池セルスタックがあり、６００〜８００℃で作動することが期待されている。しかし、このような低温作動型固体酸化物形燃料電池セルスタックを図１６に示した燃料電池発電システムに適用すると、長寿命化、起動時間の短縮、および装置の低コスト化が期待できるが、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８から改質器３に供給される排熱の温度が低下することによって改質器３の温度が７００℃以下に低下すると、熱力学的な平行状態におけるメタン濃度が上昇し、その結果として水素リッチな改質ガス２２中のメタン濃度も上昇するので、固体酸化物形燃料電池スタック３８と固体高分子形燃料電池セルスタック９で有効利用される燃料の割合を示すメタン換算の燃料利用率が低下することによって、燃料電池発電システムの発電効率の低下を引き起こすという問題があった。
【００２３】
本発明の課題は、低温作動の燃料電池セルスタックを用いても高効率で発電することが可能な、二種類の燃料電池セルスタックを組み合わせた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】
【００２４】
前記課題を解決するために、本発明は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って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リッチな改質ガスを作る第一の改質器と、
前記水素リッチな改質ガス中のメタンの水蒸気改質反応によってメタン濃度を低減させた水素リッチな改質ガスを作る改質器バーナを設けた第二の改質器と、
前記メタン濃度を低減させた水素リッチな改質ガス中の水素、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第一の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第一の改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、
前記メタン濃度を低減させた水素リッチな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、を有する燃料電池発電システムとするものである。
【００２５】
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って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リッチな改質ガスを作る第一の改質器と、
前記水素リッチな改質ガス中のメタンの水蒸気改質反応によってメタン濃度を低減させた水素リッチな改質ガスを作る改質器バーナを設けた第二の改質器と、
前記メタン濃度を低減させた水素リッチな改質ガス中の水素、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第一の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第一の改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、
前記メタン濃度を低減させた水素リッチな改質ガス中の一酸化炭秦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、を有する燃料電池発電システムとするものである。
【００２６】
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って生成する水素と酸素を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リッチな改質ガスを作る第一の改質器と、
前記水素リッチな改質ガス中のメタンの水蒸気改質反応によってメタン濃度を低減させた水素リッチな改質ガスを作る改質器バーナを設けた第二の改質器と、
前記メタン濃度を低減させた水素リッチな改質ガス中の水素、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第一の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第一の改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、
前記メタン濃度を低減させた水素リッチな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、を有する燃料電池発電システムとするものである。
【００２７】
また、請求項４に記載のように、燃料の水蒸気改質反応によって生成する水素と酸素を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リッチな改質ガスを作る第一の改質器と、
前記水素リッチな改質ガス中のメタンの水蒸気改質反応によってメタン濃度を低減させた水素リッチな改質ガスを作る改質器バーナを設けた第二の改質器と、
前記メタン濃度を低減させた水素リッチな改質ガス中の水素、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第一の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第一の改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、
前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させ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、を有する燃料電池発電システムとするものである。
【００２８】
また、請求項５に記載のように、燃料の水蒸気改質反応によって生成する水素と酸素を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リッチな改質ガスを作る第一の改質器と、
前記水素リッチな改質ガス中のメタンの水蒸気改質反応によってメタン濃度を低減させた水素リッチな改質ガスを作る改質器バーナを設けた第二の改質器と、
前記メタン濃度を低減させた水素リッチな改質ガス中の水素、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第一の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第一の改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、
前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させ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、
前記水素と酸素を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、を有する燃料電池発電システムとするものである。
【００２９】
また、請求項６に記載のように、燃料の水蒸気改質反応によって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リッチな改質ガスを作る第一の改質器と、
前記水素リッチな改質ガス中のメタンの水蒸気改質反応によってメタン濃度を低減させた水素リッチな改質ガスを作る改質器バーナを設けた第二の改質器と、
前記メタン濃度を低減させた水素リッチな改質ガス中の水素、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第一の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第一の改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、
前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させ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、を有する燃料電池発電システムとするものである。
【００３０】
また、請求項７に記載のように、燃料の水蒸気改質反応によって生成する水素と酸素を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リッチな改質ガスを作る第一の改質器と、
前記水素リッチな改質ガス中の水素、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第一の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第一の改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、  前記燃料極排出ガス中のメタンの水蒸気改質反応によってメタン濃度を低減させた燃料極排出ガスを作る改質器バーナを設けた第二の改質器と、
前記メタン濃度を低減させた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、を有する燃料電池発電システムとするものである。
【００３１】
また、請求項８に記載のように、燃料の水蒸気改質反応によって生成する水素と酸素を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リッチな改質ガスを作る第一の改質器と、
前記水素リッチな改質ガス中の水素、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第一の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第一の改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、
前記燃料極排出ガス中のメタンの水蒸気改質反応によってメタン濃度を低減させた燃料極排出ガスを作る改質器バーナを設けた第二の改質器と、
前記メタン濃度を低減させた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、を有する燃料電池発電システムとするものである。
【００３２】
また、請求項９に記載のように、燃料の水蒸気改質反応によって生成する水素と酸素を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リッチな改質ガスを作る第一の改質器と、
前記水素リッチな改質ガス中の水素、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第一の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第一の改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、
前記燃料極排出ガス中のメタンの水蒸気改質反応によってメタン濃度を低減させた燃料極排出ガスを作る改質器バーナを設けた第二の改質器と、
前記メタン濃度を低減させた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、を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１０に記載のように、燃料の水蒸気改質反応によって生成する水素と酸素を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によって水素と一酸化炭素を生成させると共に、前記水素、もしくは前記水素および前記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燃料極での前記燃料の水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費し、また、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、
前記燃料極排出ガス中のメタンの水蒸気改質反応によってメタン濃度を低減させた燃料極排出ガスを作る改質器バーナを設けた改質器と、
前記メタン濃度を低減させた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と酸素を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、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１１に記載のように、燃料の水蒸気改質反応によって生成する水素と酸素を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によって水素と一酸化炭素を生成させると共に、前記水素、もしくは前記水素および前記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燃料極での前記燃料の水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費し、また、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、
前記燃料極排出ガス中のメタンの水蒸気改質反応によってメタン濃度を低減させた燃料極排出ガスを作る改質器バーナを設けた改質器と、
前記メタン濃度を低減させた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、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１２に記載のように、燃料の水蒸気改質反応によって生成する水素と酸素を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によって水素と一酸化炭素を生成させると共に、前記水素、もしくは前記水素および前記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燃料極での前記燃料の水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費し、また、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、
前記燃料極排出ガス中のメタンの水蒸気改質反応によってメタン濃度を低減させた燃料極排出ガスを作る改質器バーナを設けた改質器と、
前記メタン濃度を低減させた燃料極排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、を有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１３に記載のように、燃料の水蒸気改質反応によって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リッチな改質ガスを作る第一の改質器と、
前記水素リッチな改質ガス中の水素、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第一の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第一の改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、
前記水素リッチな改質ガス中のメタンの水蒸気改質反応によってメタン濃度を低減させた水素リッチな改質ガスを作る改質器バーナを設けた第二の改質器と、
前記メタン濃度を低減させた水素リッチな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、を有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１４に記載のように、燃料の水蒸気改質反応によって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リッチな改質ガスを作る第一の改質器と、
前記水素リッチな改質ガス中の水素、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第一の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第一の改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、
前記水素リッチな改質ガス中のメタンの水蒸気改質反応によってメタン濃度を低減させた水素リッチな改質ガスを作る改質器バーナを設けた第二の改質器と、
前記メタン濃度を低減させた水素リッチな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、を有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１５に記載のように、燃料の水蒸気改質反応によって生成する水素と酸素を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リッチな改質ガスを作る第一の改質器と、
前記水素リッチな改質ガス中の水素、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第一の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第一の改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、
前記水素リッチな改質ガス中のメタンの水蒸気改質反応によってメタン濃度を低減させた水素リッチな改質ガスを作る改質器バーナを設けた第二の改質器と、
前記メタン濃度を低減させた水素リッチな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、を有する燃料電池発電システムとするものである。
【００３９】
また、請求項１６に記載のように、請求項１ないし請求項１５のいずれか１項に記載の燃料電池発電システムにおいて、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からなり、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からなる燃料電池発電システムとするものである。
【００４０】
また、請求項１７に記載のように、請求項１ないし請求項１５のいずれか１項に記載の燃料電池発電システムにおいて、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からなり、前記第二の燃料電池セルスタックがりん酸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】
【００４１】
本発明によれば、低温作動の燃料電池セルスタックを用いても燃料の水蒸気改質反応によって発電に必要な水素リッチな改質ガスを効率的に作ることが可能であり、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燃料電池発電システムを実現できるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
［実施例１］
【００４３】
図１は、実施例１として例示した本発明の燃料電池発電システムの構成を示す図である。図１において、前述した図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。図１において、５２は第一の改質器、５３は第二の改質器、５４は改質器バーナ、５５はメタン濃度を低減させた改質ガス、５６は改質器バーナ燃焼排出ガス、８８はメタン濃度を低減させた改質ガス５５のＣＯシフトコンバータヘの供給量を制御する流量制御弁、８９はメタン濃度を低減させた改質ガス５５の固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５への供給量を制御する流量制御弁である。
【００４４】
図１を用いて、実施例１で例示した本発明の燃料電池発電システムについて説明する。
【００４５】
本実施例の燃料電池発電システムは、図１６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、改質器３の代わりに第一の改質器５２と第二の改質器５３という二つの改質器を設け、さらに第二の改質器５３には改質器バーナ５４を設けた点が異なる。
【００４６】
次に、本実施例の燃料電池発電システムの作用について、図１を参照して説明する。本実施例では、水蒸気と脱硫天然ガスの混合ガス２３を第一の改質器５２に供給する。第一の改質器５２では、充填された改質触媒の働きにより天然ガス１に含まれる炭化水素の水蒸気改質反応が行われ、水素リッチな改質ガス２２が作られる。この炭化水素の水蒸気改質反応は吸熱反応であり、効率的に水素を生成させるために、第一の改質器５２の近傍に設置された固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の高温排熱を、炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として第一の改質器５２に供給する。しかし、固体酸化物燃料電池セルスタック３８の作動温度が６００〜８００℃と低い場合には、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の排熱の温度が低下するために第一の改質器５２の温度も７００℃より低下し、熱力学的な平衡の関係で未反応メタンが水素リッチな改質ガス２２中に多く含まれることになる。そこで、水素リッチな改質ガス２２を７００℃以上の温度に設定した第二の改質器５３に供給し、充填された改質触媒の働きにより（化１）式に示したメタンの水蒸気改質反応を行わせ、水素リッチな改質ガス２２中のメタン濃度を低減させる。第二の改質器５３の排出ガスであるメタン濃度が低減された改質ガス５５の一部は、ＣＯシフトコンバータ４に供給し、残りは、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５に供給する。
【００４７】
ＣＯシフトコンバータ４へのメタン濃度が低減された改質ガス５５の供給量は、あらかじめ設定された燃料電池直流出力１８の直流電流と流量制御弁８８の開度（すなわち、ＣＯシフトコンバータ４へのメタン濃度が低減された改質ガス５５の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁８８の開度を制御することによって、燃料電池直流出力１８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３８の燃料極３５へのメタン濃度が低減された改質ガス５５の供給量は、あらかじめ設定した燃料電池直流出力５０の直流電流と流量制御弁８９の開度（すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５へのメタン濃度が低減された改質ガス５５の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁８９の開度を制御することによって、燃料電池直流出力５０の直流電流に見合った値に設定する。
【００４８】
第二の改質器５３を７００℃以上に設定し吸熱反応であるメタンの水蒸気改質反応を行わせるために、固体高分子形燃料電池セルスタックの空気極排出ガス１３と固体高分子形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス１５を改質器バーナ５４に供給し、固体高分子形燃料電池セルスタックの空気極排出ガス１３中の未反応酸素と固体高分子形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス１５中の未反応燃料および未反応水素を燃焼させることによって、改質器バーナ５４から第二の改質器５３に必要な熱を供給する。改質器バーナ５４からは改質バーナ燃焼排ガス５６を放出する。なお、図１では、第二の改質器５３に必要な熱を供給するために、固体高分子形燃料電池セルスタックの空気極排出ガス１３と固体高分子形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス１５を改質器バーナ５４に供給し燃焼させたが、固体高分子形燃料電池セルスタックの空気極排出ガス１３、固体酸化物形燃料電池セルスタックの空気極排出ガス４４、および空気１４のいずれか一つ以上と、固体高分子形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス１５と排出用固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス４５の一つ以上を改質器バーナ５４に供給し、酸素と未反応燃料、未反応水素、および未反応一酸化炭素を燃焼させれば、改質器バーナ５４での燃焼のために新たに燃料である天然ガス１を供給することなく、第二の改質器５３で水素リッチな改質ガス２２中のメタンの水蒸気改質反応を効率的に行わせ、水素リッチな改質ガス２２中のメタン濃度を低減させることができる。
【００４９】
図１に示した実施例１では、図１６に示した従来例と比べて、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の作動温度が６００〜８００℃と低い場合に、固体酸化物燃料電池セルスタック３８から第一の改質器５２に供給される排熱の温度が低いために第一の改質器５２の温度が７００℃以下に低下して水素リッチな改質ガス２２中のメタン濃度が上昇しても、第二の改質器５３で水素リッチな改質ガス２２中のメタンの水蒸気改質反応を行わせることによって水素が作られ、また、第二の改質器５３での水素リッチな改質ガス２２中のメタンの水蒸気改質反応に必要な反応熱は、新たに燃料である天然ガス１を用いることなく、固体高分子形燃料電池セルスタックの空気極排出ガス１３と固体高分子形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス１５を改質器バーナ５４で燃焼させることによって供給するので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８と固体高分子形燃料電池セルスタック９で有効利用される燃料の割合を示すメタン換算の燃料利用率の低下を抑制することができ、燃料電池発電システムの発電効率の低下を抑えることが可能である。
［実施例２］
【００５０】
図２は、実施例２として例示した本発明の燃料電池発電システムの構成を示す図である。図２において、前述した図１６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、５７は水素分離器、５８は水素分離器排出ガス、５９は水素、６０は未反応水素、６１はパージ弁、６２はパージガス、６３は水素分離器用改質ガスである。
【００５１】
図２を用いて、実施例２で例示した本発明の燃料電池発電システムについて説明する。本実施例の燃料電池発電システムは、図１６に示した従来の燃料電池発電システムとは、図２に示したように、改質器３の代わりに第一の改質器５２と第二の改質器５３という二つの改質器を設け、さらに第二の改質器５３には改質器バーナ５４を設けた点と、ＣＯ選択酸化器５と凝縮器２９の代わりに水素分離器５７を設けた点が異なる。
【００５２】
次に、本実施例の燃料電池発電システムの作用について、図２を参照して説明する。本実施例では、第二の改質器５３を７００℃以上に設定し吸熱反応であるメタンの水蒸気改質反応を行わせるために、固体高分子形燃料電池セルスタックの空気極排出ガス１３と水素分離器排出ガス５８を改質器バーナ５４に供給し、固体高分子形燃料電池セルスタックの空気極排出ガス１３中の未反応酸素と固体高分子形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス１５中の未反応燃料および未反応水素を燃焼させることによって、改質器バーナ５４から第二の改質器５３に必要な熱を供給する。改質器バーナ５４からは改質バーナ燃焼排ガス５６を放出する。なお、図２では、第二の改質器５３に必要な熱を供給するために、固体高分子形燃料電池セルスタックの空気極排出ガス１３と水素分離器排出ガス５８を改質器バーナ５４に供給し燃焼させたが、固体高分子形燃料電池セルスタックの空気極排出ガス１３、固体酸化物形燃料電池セルスタックの空気極排出ガス４４、および空気１４のいずれか一つ以上と、水素分離器排出ガス５８と排出用固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス４５のいずれか一つ以上を改質器バーナ５４に供給し、酸素と未反応燃料、未反応水素、および未反応一酸化炭素を燃焼させれば、改質バーナ５４での燃焼のために新たに燃料である天然ガス１を供給することなく、第二の改質器５３で水素リッチな改質ガス２２中のメタンの水蒸気改質反応を効率的に行わせ、水素リッチな改質ガス２２中のメタン濃度を低減させることができる。
【００５３】
ＣＯシフトコンバータ４で作られた一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた改質ガス２１の一部は、水素分離器用改質ガス６３としてパラジウム膜等の水素分離膜を有する水素分離器５７に供給され、水素５９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６３の加圧を行う。水素５９は、固体高分子形燃料電池セルスタック９の燃料極６に供給され、固体高分子形燃料電池セルスタックの発電用空気２５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の発電が行われる。未反応水素６０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、未反応水素６０中には、水素以外の不純物が若干含まれるので、パージ弁６１を間欠的に開け、パージガス６２を放出する。
【００５４】
図２に示した実施例２においても、図１に示した実施例１と同様に、図１６に示した従来例と比べて、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の作動温度が６００〜８００℃と低い場合に、固体酸化物燃料電池セルスタック３８から第一の改質器５２に供給される排熱の温度が低いために第一の改質器５２の温度が７００℃以下に低下して水素リッチな改質ガス２２中のメタン濃度が上昇しても、第二の改質器５３で水素リッチな改質ガス２２中のメタンの水蒸気改質反応を行わせることによって水素が作られ、また、第二の改質器５３での水素リッチな改質ガス２２中のメタンの水蒸気改質反応に必要な反応熱は、新たに燃料である天然ガス１を用いることなく、固体高分子形燃料電池セルスタックの空気極排出ガス１３と固体高分子形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス１５を改質器バーナ５４で燃焼させることによって供給するので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８と固体高分子形燃料電池セルスタック９で有効利用される燃料の割合を示すメタン換算の燃料利用率の低下を抑制することができ、燃料電池発電システムの発電効率の低下を抑えることが可能である。
［実施例３］
【００５５】
図３は、実施例３として例示した本発明の燃料電池発電システムの構成を示す図である。図３において、前述した図１６、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において、６４は燃料極、６５はりん酸電解質、６６は空気極、６７はりん酸形燃料電池セルスタック、６８はりん酸形燃料電池セルスタック用改質ガス、６９はりん酸形燃料電池セルスタックの空気極排出ガス、７０はりん酸形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス、８５はりん酸形燃料電池セルスタックの発電用空気、８６はりん酸形燃料電池セルスタックの発電用空気８５の供給量を制御する流量制御弁である。
【００５６】
図３を用いて、実施例３で例示した本発明の燃料電池発電システムについて説明する。本実施例の燃料電池発電システムは、図１６に示した従来の燃料電池発電システムとは、図３に示したように、改質器３の代わりに第一の改質器５２と第二の改質器５３という二つの改質器を設け、さらに第二の改質器５３には改質器バーナ５４を設けた点、ＣＯ選択酸化器５と凝縮器２９が不要で、燃料極６、固体高分子電解質７、および空気極８からなる単セルより構成される固体高分子形燃料電池セルスタック９の代わりに、燃料極６４、りん酸電解質６５、空気極６６からなる単セルより構成されるりん酸形燃料電池セルスタック６７を設けた点が異なる。なお、図３において、りん酸形燃料電池セルスタック６７が一組の燃料極６４、りん酸電解質６５、および空気極６６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、実際にはりん酸形燃料電池セルスタック６７は複数の単セルから構成されている。
【００５７】
次に、本実施例の燃料電池発電システムの作用について、図３を参照して説明する。本実施例では、第二の改質器５３を７００℃以上に設定し吸熱反応であるメタンの水蒸気改質反応を行わせるために、りん酸形燃料電池セルスタックの空気極排出ガス６９とりん酸形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス７０を改質器バーナ５４に供給し、りん酸形燃料電池セルスタックの空気極排出ガス６９中の未反応酸素とりん酸形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス７０中の未反応燃料および未反応水素を燃焼させることによって、改質器バーナ５４から第二の改質器５３に必要な熱を供給する。改質器バーナ５４からは改質器バーナ燃焼排出ガス５６を放出する。なお、図３では、第二の改質器５３に必要な熱を供給するために、りん酸形燃料電池セルスタックの空気極排出ガス６９とりん酸形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス７０を改質器バーナ５４に供給し燃焼させたが、りん酸形燃料電池セルスタックの空気極排出ガス６９、固体酸化物形燃料電池セルスタックの空気極排出ガス４４、および空気１４のいずれか一つ以上と、りん酸形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス７０と排出用固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス４５の一つ以上を改質器バーナ５４に供給し、酸素と未反応燃料、未反応水素、および未反応一酸化炭素を燃焼させれば、改質器バーナ５４での燃焼のために新たに燃料である天然ガス１を供給することなく、第二の改質器５３で水素リッチな改質ガス２２中のメタンの水蒸気改質反応を効率的に行わせ、水素リッチな改質ガス２２中のメタン濃度を低減させることができる。
【００５８】
ＣＯシフトコンバータ４で作られた一酸化炭秦濃度を１％以下に低減させた改質ガス２１の一部を、りん酸形燃料電池セルスタック用改質ガス６８として第二の燃料電池セルスタックであるりん酸形燃料電池セルスタック６７の燃料極６４に供給する。一方、空気供給用ブロア１２で取り込んだ空気１４の一部を、りん酸形燃料電池セルスタックの発電用空気８５として、りん酸形燃料電池セルスタック６７の空気極６６に供給する。りん酸形燃料電池セルスタック６７の空気極６６へのりん酸形燃料電池セルスタックの発電用空気８５の供給量は、あらかじめ設定された燃料電池直流出力１８の電池電流と流量制御弁８６の開度（すなわち、りん酸形燃料電池セルスタックの発電用空気８５の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁８６の開度を制御することによって、燃料電池直流出力１８の電池電流に見合った値に設定する。りん酸形燃料電池セルスタック６７の作動温度は１９０℃が一般的であり、電池反応による発熱により作動温度が維持される。
【００５９】
りん酸形燃料電池セルスタック６７の燃料極６４では、白金系電極触媒の働きで、りん酸形燃料電池セルスタック用改質ガス６８中に含まれる水素の約８０％が、固体高分子形燃料電池セルスタックの場合と同様に（化９）式に示した燃料極反応により水素イオンと電子に変わる。燃料極６５で生成した水素イオンは、りん酸電解質の内部を移動し、空気極６６に到達する。一方、燃料極６４で生成した電子は、外部回路を移動し、空気極６６に到達する。この電子が外部回路を移動する過程で電気エネルギーを燃料電池直流出力１８として取り出すことができる。
【００６０】
りん酸形燃料電池セルスタック６７の空気極６６では、白金系電極触媒の働きで、燃料極６４からりん酸電解質６５の内部を空気極６６に移動してきた水素イオン、燃料極６４から外部回路を空気極６６に移動してきた電子、および空気極６６に供給されたりん酸形燃料電池セルスタックの発電用空気８５中の酸索が、固体高分子形燃料電池セルスタックの場合と同様に（化１０）式に示した空気極反応により反応し、水が生成（水蒸気で生成）する。（化９）式と（化１０）式をまとめると、りん酸形燃料電池セルスタック６７の電池反応は、固体高分子形燃料電池セルスタックの場合と同様に、（化１１）式に示した水素と酸素から水ができる水の電気分解の逆反応として表すことができる。
【００６１】
りん酸形燃料電池セルスタックの発電用空気８５は、りん酸形燃料電池セルスタック６７の空気極６６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、りん酸形燃料電池セルスタックの空気極排出ガス６９として排出する。一方、りん酸形燃料電池セルスタック用改質ガス６８は、りん酸形燃料電池セルスタック６７の燃料極６４で水素の約８０％を（化９）式に示した燃料極反応により消費した後に、りん酸形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス７０として排出する。
【００６２】
図３に示した実施例３においても、図１および図２に示した実施例１および実施例２と同様に、図１６に示した従来例と比べて、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の作動温度が６００〜８００℃と低い場合に、固体酸化物燃料電池セルスタック３８から第一の改質器５２に供給される排熱の温度が低いために第一の改質器５２の温度が７００℃以下に低下して水素リッチな改質ガス２２中のメタン濃度が上昇しても、第二の改質器５３で水素リッチな改質ガス２２中のメタンの水蒸気改質反応を行わせることによって水素が作られ、また、第二の改質器５３での水素リッチな改質ガス２２中のメタンの水蒸気改質反応に必要な反応熱は、新たに燃料である天然ガス１を用いることなく、りん酸形燃料電池セルスタックの空気極排出ガス６９と、りん酸形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス７０を改質器バーナ５４で燃焼させることによって供給するので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８とりん酸形燃料電池セルスタック６７で有効利用される燃料の割合を示すメタン換算の燃料利用率の低下を抑制することができ、燃料電池発電システムの発電効率の低下を抑えることが可能である。
［実施例４］
【００６３】
図４は、実施例４として例示した本発明の燃料電池発電システムの構成を示す図である。図４において、前述した図１６、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、７１は一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス、７２はＣＯ選択酸化器用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス、７３は一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーに低減させた固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス、７４は未反応水蒸気を凝縮させた固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス、７５は脱硫器リサイクル用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス、７６は脱硫器リサイクル用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス７５の供給量を制御する流量制御弁、７７はＣＯシフトコンバータ用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガスである。
【００６４】
図４を用いて、実施例４に例示した本発明の燃料電池発電システムについて説明する。本実施例の燃料電池発電システムは、図１６に示した従来の燃料電池発電システムとは、図４に示したように、改質器３の代わりに第一の改質器５２と第二の改質器５３という二つの改質器を設け、さらに第二の改質器５３には改質器バーナ５４を設けた点と、水素リッチな改質ガス２２の代わりにＣＯシフトコンバータ用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス７７をシフトコンバータ４に供給する点が異なる。
【００６５】
次に、本実施例の燃料電池発電システムの作用について、図４を参照して説明する。本実施例では、脱硫器２で、第一の改質器５２および第二の改質器５３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３８の燃料極３５の電極触媒の劣化原因となる天然ガス１中のメルカプタン等の腐臭剤に含まれる硫黄分を水添脱硫により吸着除去する。すなわち、コバルト−モリブデン系触媒により最初に硫黄と水素を反応させて硫化水素を生成させ、次にこの硫化水素と酸化亜鉛を反応させることによって硫化亜鉛を生成させ、硫黄分を除去する。硫化水秦の生成に必要な水素を供給するために、水素リッチな一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス７１の一部を、脱硫器リサイクル用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス７５として脱硫器２にリサイクルする。脱硫器リサイクル用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス７５の供給量は、あらかじめ設定された流量制御弁２７の開度（すなわち、天然ガス１の供給量）と流量制御弁７６の開度（すなわち、脱硫器リサイクル用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス７５の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁７６の開度を制御することによって、天然ガス１の供給量と見合った値に設定する。
【００６６】
第二の改質器５３でメタン濃度が低減された改質ガス５５は、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５に供給し、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発電を行う。
【００６７】
ＣＯシフトコンバータ用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス７７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、ＣＯシフトコンバータ用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス７７はＣＯシフトコンバータ４に供給し、ＣＯシフトコンバータ用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス７７中の一酸化炭素濃度を１％以下まで低減させる。ＣＯシフトコンバータ４で作られた一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス７１の一部は、前述したように脱硫器リサイクル用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス７５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選択酸化器用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス７２としてＣＯ選択酸化器５に供給する。ＣＯ選択酸化器５では、ＣＯ選択酸化器用の固体酸化物形燃料電池の燃料極排出ガス７２中の一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーに低減させる。
【００６８】
ＣＯ選択酸化器用空気２６の供給量は、あらかじめ設定された流量制御弁２７の開度（すなわち、天然ガス１の供給量）と流量制御弁１１の開度（すなわち、ＣＯ選択酸化器用空気２６の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１１の開度を制御することによって、天然ガス１の供給量に見合った値に設定する。
【００６９】
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固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス７３に含まれる未反応水蒸気は、凝縮器２９で１００℃以下に冷却することによって、凝縮水３１として回収する。凝縮器２９で未反応水蒸気を凝縮させた固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス７４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。
【００７０】
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固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス７４に含まれる水素の約８０％が、（化９）式に示した燃料極反応により水素イオンと電子に変わる。燃料極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の内部を移動し、空気極８に到達する。一方、燃料極６で生成した電子は、外部回路を移動し、空気極８に到達する。この電子が外部回路を移動する過程で、電気エネルギーを燃料電池直流出力１８として取り出すことができる。
【００７１】
図４に示した実施例４においても、図１、図２、および図３に示した実施例１、実施例２、および実施例３と同様に、図１６に示した従来例と比べて、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の作動温度が６００〜８００℃と低い場合に、固体酸化物燃料電池セルスタック３８から第一の改質器５２に供給される排熱の温度が低いために第一の改質器５２の温度が７００℃以下に低下して水素リッチな改質ガス２２中のメタン濃度が上昇しても、第二の改質器５３で水素リッチな改質ガス２２中のメタンの水蒸気改質反応を行わせることによって水素が作られ、また、第二の改質器５３での水素リッチな改質ガス２２中のメタンの水蒸気改質反応に必要な反応熱は、新たに燃料である天然ガス１を用いることなく、固体高分子形燃料電池セルスタックの空気極排出ガス１３と固体高分子形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス１５を改質器バーナ５４で燃焼させることによって供給するので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８と固体高分子形燃料電池セルスタック９で有効利用される燃料の割合を示すメタン換算の燃料利用率の低下を抑制することができ、燃料電池発電システムの発電効率の低下を抑えることが可能である。
［実施例５］
【００７２】
図５は、実施例５として例示した本発明の燃料電池発電システムの構成を示す図である。図５において、前述した図１６、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において、７８は水素分離器用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガスである。
【００７３】
図５を用いて、実施例５で例示した本発明の燃料電池発電システムについて説明する。本実施例の燃料電池発電システムは、図１６に示した従来の燃料電池発電システムとは、図５に示したように、改質器３の代わりに第一の改質器５２と第二の改質器５３という二つの改質器を設け、さらに第二の改質器５３には改質器バーナ５４を設けた点、水素リッチな改質ガス２２の代わりにＣＯシフトコンバータ用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス７７をシフトコンバータ４に供給する点、およびＣＯ選択酸化器５と凝縮器２９の代わりに水素分離器５７を設けた点が異なる。
【００７４】
次に、本実施例の燃料電池発電システムの作用について、図５を参照して説明する。本実施例では、ＣＯシフトコンバータ４で作られた一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス７１の一部は、水素分離器用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス７８としてパラジウム膜等の水素分離膜を有する水素分離器５７に供給され、水素５９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の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス７８の加圧を行う。
【００７５】
図５に示した実施例５においても、図１、図２、図３、および図４に示した本発明の実施例１、実施例２、実施例３、および実施例４と同様に、図１６に示した従来例と比べて、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の作動温度が６００〜８００℃と低い場合に、固体酸化物燃料電池セルスタック３８から第一の改質器５２に供給される排熱の温度が低いために第一の改質器５２の温度が７００℃以下に低下して水素リッチな改質ガス２２中のメタン濃度が上昇しても、第二の改質器５３での水素リッチな改質ガス２２中のメタンの水蒸気改質反応を行わせることによって水素が作られ、また、第二の改質器５３での水素リッチな改質ガス２２中のメタンの水蒸気改質反応に必要な反応熱は、新たに燃料である天然ガス１を用いることなく、固体高分子形燃料電池セルスタックの空気極排出ガス１３と固体高分子形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス１５を改質器バーナ５４で燃焼させることによって供給するので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８と固体高分子形燃料電池セルスタック９で有効利用される燃料の割合を示すメタン換算の燃料利用率の低下を抑制することができ、燃料電池発電システムの発電効率の低下を抑えることが可能である。
［実施例６］
【００７６】
図６は、実施例６として例示した本発明の燃料電池発電システムの構成を示す図である。図６において、前述した図１６、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において、７９はりん酸形燃料電池セルスタック用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガスである。
【００７７】
図６を用いて、実施例６で例示した本発明の燃料電池発電システムについて説明する。本実施例の燃料電池発電システムは、図１６に示した従来の燃料電池発電システムとは、図６に示したように、改質器３の代わりに第一の改質器５２と第二の改質器５３という二つの改質器を設け、さらに第二の改質器５３には改質器バーナ５４を設けた点、水素リッチな改質ガス２２の代わりにＣＯシフトコンバータ用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス７７をＣＯシフトコンバータ４に供給する点、およびＣＯ選択酸化器５と凝縮器２９が不要で、燃料極６、固体高分子電解質７、および空気極８からなる単セルより構成される固体高分子形燃料電池セルスタック９の代わりに、燃料極６４、りん酸電解質６５、空気極６６からなる単セルより構成されるりん酸形燃料電池セルスタック６７を設けた点が異なる。
【００７８】
次に、本実施例の燃料電池発電システムの作用について、図６を参照して説明する。本実施例では、一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス７１の一部を、りん酸形燃料電池セルスタック用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス７９として、りん酸形燃料電池セルスタック６７の燃料極６４に供給し、りん酸形燃料電池セルスタック６７の発電を行う。
【００７９】
図６に示した本実施例においても、図１、図２、図３、図４、および図５に示した実施例１、実施例２、実施例３、実施例４、および実施例５と同様に、図１６に示した従来例と比べて、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の作動温度が６００〜８００℃と低い場合に、固体酸化物燃料電池セルスタック３８から第一の改質器５２に供給される排熱の温度が低いために第一の改質器５２の温度が７００℃以下に低下して水素リッチな改質ガス２２中のメタン濃度が上昇しても、第二の改質器５３で水素リッチな改質ガス２２中のメタンの水蒸気改質反応を行わせることによって水素が作られ、また、第二の改質器５３での水素リッチな改質ガス２２中のメタンの水蒸気改質反応に必要な反応熱は、新たに燃料である天然ガス１を用いることなく、りん酸形燃料電池セルスタックの空気極排出ガス６９とりん酸形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス７０を改質器バーナ５４で燃焼させることによって供給するので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８とりん酸形燃料電池セルスタック６７で有効利用される燃料の割合を示すメタン換算の燃料利用率の低下を抑制することができ、燃料電池発電システムの発電効率の低下を抑えることが可能である。
［実施例７］
【００８０】
図７は、実施例７として例示した本発明の燃料電池発電システムの構成を示す図である。図７において、前述した図１６、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、８０は第二の改質器用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス、８１はメタン濃度を低減させた固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガスである。
【００８１】
図７を用いて、実施例７で例示した本発明の燃料電池発電システムについて説明する。本実施例の燃料電池発電システムは、図１６に示した従来の燃料電池発電システムとは、図７に示したように、改質器３の代わりに第一の改質器５２と第二の改質器５３を設け、さらに第二の改質器５３には改質器バーナ５４を設けた点と、第二の改質器用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス８０を第二の改質器５３に供給する点が異なる。
【００８２】
次に、本実施例の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。本実施例では、固体酸化物燃料電池セルスタック３８の発電温度が６００〜８００℃と低い場合には、第一の改質器５２の温度が７００℃より低下し、熱力学的な平衡の関係で未反応メタンが水素リッチな改質ガス２２中に多く含まれることになる。水素リッチな改質ガス２２は、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５に供給され、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発電が行われる。未反応メタンを多く含む第二の改質器用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス８０は、第二の改質器５３に供給され、充填された改質触媒の働きにより（化１）式に示したメタンの水蒸気改質反応を行わせ、第二の改質器用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス８０中のメタン濃度を低減させる。メタン濃度を低減させた固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス８１は、ＣＯシフトコンバータ４に供給する。
【００８３】
図７に示した実施例７においても、図１、図２、図３、図４、図５、および図６に示した実施例１、実施例２、実施例３、実施例４、実施例５、および実施例６と同様に、図１６に示した従来例と比べて、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の作動温度が６００〜８００℃と低い場合に、固体酸化物燃料電池セルスタック３８から第一の改質器５２に供給される排熱の温度が低いために第一の改質器５２の温度が７００℃以下に低下して水素リッチな改質ガス２２中のメタン濃度が上昇しても、第二の改質器５３で第二の改質器用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス８０中のメタンの水蒸気改質反応を行わせることによって水素が作られ、また、第二の改質器５３での第二の改質器用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス８０中のメタンの水蒸気改質反応に必要な反応熱は、新たに燃料である天然ガス１を用いることなく、固体高分子形燃料電池セルスタックの空気極排出ガス１３と固体高分子形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス１５を改質器バーナ５４で燃焼させることによって供給するので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８と固体高分子形燃料電池セルスタック９で有効利用される燃料の割合を示すメタン換算の燃料利用率の低下を抑制することができ、燃料電池発電システムの発電効率の低下を抑えることが可能である。
［実施例８］
【００８４】
図８は、実施例８として例示した本発明の燃料電池発電システムの構成を示す図である。図８において、前述した図１６、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。
【００８５】
図８を用いて、実施例８で例示した本発明の燃料電池発電システムについて説明する。本実施例の燃料電池発電システムは、図１６に示した従来の燃料電池発電システムとは、図８に示したように、改質器３の代わりに第一の改質器５２と第二の改質器５３を設け、さらに第二の改質器５３には改質器バーナ５４を設けた点、第二の改質器用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス８０を第二の改質器５３に供給する点、ＣＯ選択酸化器５と凝縮器２９の代わりに水素分離器５７を設けた点が異なる。
【００８６】
次に、本実施例の燃料電池発電システムの作用について、図８を参照して説明する。本実施例では、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％以下に低減させた固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス７１の一部を、水素分離器用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス７８として水素分離器５８に供給する。
【００８７】
図８に示した実施例８においても、図１、図２、図３、図４、図５、図６、および図７に示した実施例１、実施例２、実施例３、実施例４、実施例５、実施例６、および実施例７と同様に、図１６に示した従来例と比べて、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発電温度が６００〜８００℃と低い場合に、固体酸化物燃料電池セルスタック３８から第一の改質器５２に供給される排熱の温度が低いために第一の改質器５２の温度が７００℃以下に低下して水素リッチな改質ガス２２中のメタン濃度が上昇しても、第二の改質器５３で第二の改質器用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス８０中のメタンの水蒸気改質反応を行わせることによって水素が作られ、また、第二の改質器５３での第二の改質器用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス８０中のメタンの水蒸気改質反応に必要な反応熱は、新たに燃料である天然ガス１を用いることなく、固体高分子形燃料電池セルスタックの空気極排出ガス１３と固体高分子形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス１５を改質器バーナ５４で燃焼させることによって供給するので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８と固体高分子形燃料電池セルスタック９で有効利用される燃料の割合を示すメタン換算の燃料利用率の低下を抑制することができ、燃料電池発電システムの発電効率の低下を抑えることが可能である。
［実施例９］
【００８８】
図９は、実施例９として例示した本発明の燃料電池発電システムの構成を示す図である。図９において、前述した図１６、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。
【００８９】
図９を用いて、実施例９で例示した本発明の燃料電池発電システムについて説明する。本実施例の燃料電池発電システムは、図１６に示した従来の燃料電池発電システムとは、図９に示したように、改質器３の代わりに第一の改質器５２と第二の改質器５３を設け、さらに第二の改質器５３には改質器バーナ５４を設けた点、第二の改質器用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス８０を第二の改質器５３に供給する点、およびＣＯ選択酸化器５と凝縮器２９が不要で、燃料極６、固体高分子電解質７、および空気極８からなる単セルより構成される固体高分子形燃料電池セルスタック９の代わりに、燃料極６４、りん酸電解質６５、空気極６６からなる単セルより構成されるりん酸形燃料電池セルスタック６７を設けた点が異なる。
【００９０】
次に、本実施例の燃料電池発電システムの作用について、図９を参照して説明する。本実施例では、ＣＯシフトコンバータ４で作られた一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス７１の一部を、りん酸形燃料電池セルスタック用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス７９としてりん酸形燃料電池セルスタック６７の燃料極６４に供給し、りん酸形燃料電池セルスタック６７の発電を行う。
【００９１】
図９に示した実施例９においても、図１、図２、図３、図４、図５、図６、図７、および図８に示した実施例１、実施例２、実施例３、実施例４、実施例５、実施例６、実施例７、および実施例８と同様に、図１６に示した従来例と比べて、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の作動温度が６００〜８００℃と低い場合に、固体酸化物燃料電池セルスタック３８から第一の改質器５２に供給される排熱の温度が低下するために第一の改質器５２の温度が７００℃以下に低下して水素リッチな改質ガス２２中のメタン濃度が上昇しても、第二の改質器５３で第二の改質器用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス８０中のメタンの水蒸気改質反応を行わせることによって水素が作られ、また、第二の改質器５３での第二の改質器用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス８０中のメタンの水蒸気改質反応に必要な反応熱は、新たに燃料である天然ガス１を用いることなく、りん酸形燃料電池セルスタックの空気極排出ガス６９とりん酸形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス７０を改質器バーナ５４で燃焼させることによって供給するので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８とりん酸形燃料電池セルスタック６７で有効利用される燃料の割合を示すメタン換算の燃料利用率の低下を抑制することができ、燃料電池発電システムの発電効率の低下を抑えることが可能である。
［実施例１０］
【００９２】
図１０は、実施例１０として例示した本発明の燃料電池発電システムの構成を示す図である。図１０において、前述した図１６、図１、図２、図３、図４、図５、図６、図７、図８、および図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。図１０において、８２は改質器、８３は改質器バーナ、８４は改質器バーナ燃焼排出ガス、８７は改質器用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガスである。
【００９３】
図１０を用いて、実施例１０で例示した本発明の燃料電池発電システムについて説明する。本実施例の燃料電池発電システムは、図１６に示した従来の燃料電池発電システムとは、図１０に示したように、改質器３の代わりに、改質器用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス８７を供給し、改質器用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス８７中のメタンの水蒸気改質反応を行わせる改質器バーナ８３を有する改質器８２を設けた点が異なる。
【００９４】
次に、本実施例の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。本実施例では、水蒸気と脱硫天然ガスの混合ガス２３を固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５に供給する。固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５では、燃料極触媒の働きにより天然ガス１に含まれる炭化水素の水蒸気改質反応が行われ、水素と一酸化炭素が生成する。燃料極３５で生成した水素と一酸化炭素がその場で（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３８の発電が行われる。炭化水素の水蒸気改質反応は吸熱反応であるので、発電に伴う固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発熱を、炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として利用する。しかし、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の作動温度が７００℃より低い場合には、天然ガス１中の炭化水素がすべて水素と一酸化炭素に変換されることはなく、熱力学的な平衡の関係で未反応のメタンが固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス４２中に多く存在することになる。
【００９５】
そこで、未反応メタンを含む固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス４２の一部を、改質器用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス８７として改質器８２に供給する。改質器８２では、充填されたニッケル、ルテニウム等の金属を担持したアルミナ等の金属酸化物からなる改質触媒の働きにより、（化１）式に示した改質器用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス８７中のメタンの水蒸気改質反応を行わせることにより、メタン濃度を低減させた固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス８１が作られる。（化１）式に示したメタンの水蒸気改質反応は吸熱反応であり、反応に必要な反応熱は、改質器バーナ８３に固体高分子形燃料電池セルスタックの空気極排出ガス１３と固体高分子形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス１５を供給し、固体高分子形燃料電池セルスタックの空気極排出ガス１３中の未反応酸素と固体高分子形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス１５中の未反応燃料および未反応水素を燃焼させることによって、改質器バーナ８３から改質器８２に供給する。改質器バーナ８３からは改質器バーナ燃焼排ガス８４を放出する。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％以下に低減させた固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス７１の一部は、ＣＯ選択酸化器用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス７２としてＣＯ選択酸化器５に供給する。
【００９６】
図１０では、改質器８２に必要な熱を供給するために、固体高分子形燃料電池セルスタックの空気極排出ガス１３と固体高分子形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス１５を改質器バーナ８３に供給し燃焼させたが、固体高分子形燃料電池セルスタックの空気極排出ガス１３、固体酸化物形燃料電池セルスタックの空気極排出ガス４４、および空気１４のいずれか一つ以上と、固体高分子形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス１５を改質器バーナ８３に供給し、酸素と未反応燃料および未反応水素を燃焼させれば、改質器バーナ８３での燃焼のために新たに燃料である天然ガス１を供給することなく、改質器８２で改質器用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス８７中のメタンの水蒸気改質反応を効率的に行わせ、改質器用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス８７中のメタン濃度を低減させることができる。
【００９７】
図１０に示した本実施例においても、図１、図２、図３、図４、図５、図６、図７、図８、および図９に示した実施例１、実施例２、実施例３、実施例４、実施例５、実施例６、実施例７、実施例８、および実施例９と同様に、図１６に示した従来例と比べて、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の作動温度が６００〜８００℃と低い場合に、固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス４２中のメタン濃度が上昇しても、改質器８２で改質器用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス８７中のメタンの水蒸気改質反応を行わせることによって水素が作られ、また、改質器８２での改質器用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス８７中のメタンの水蒸気改質反応に必要な反応熱は、新たに燃料である天然ガス１を用いることなく、固体高分子形燃料電池セルスタックの空気極排出ガス１３と固体高分子形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス１５を改質器バーナ８３で燃焼させることによって供給するので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８と固体高分子形燃料電池セルスタック９で有効利用される燃料の割合を示すメタン換算の燃料利用率の低下を抑制することができ、燃料電池発電システムの発電効率の低下を抑えることが可能である。
［実施例１１］
【００９８】
図１１は、実施例１１として例示した本発明の燃料電池発電システムの構成を示す図である。図１１において、前述した図１６、図１、図２、図３、図４図５、図６、図７、図８、図９、および図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。
【００９９】
図１１を用いて、実施例１１で例示した本発明の燃料電池発電システムについて説明する。本実施例の燃料電池発電システムは、図１６に示した従来の燃料電池発電システムとは、図１１に示したように、改質器３の代わりに、改質器用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス８７を供給し、改質器用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス８７中のメタンの水蒸気改質反応を行わせる改質器バーナ８３を有する改質器８２を設けた点と、ＣＯ選択酸化器５と凝縮器２９の代わりに水素分離器５７を設けた点が異なる。
【０１００】
次に、本実施例の燃料電池発電システムの作用について、図１１を参照して説明する。本実施例では、ＣＯシフトコンバータ４で作られた一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス７１の一部は、水素分離器用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス７８として水素分離器５７に供給する。
【０１０１】
図１１に示した本実施例においても、図１、図２、図３、図４、図５、図６図７、図８、図９、および図１０に示した実施例１、実施例２、実施例３、実施例４、実施例５、実施例６、実施例７、実施例８、実施例９、および実施例１０と同様に、図１６に示した従来例と比べて、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発電温度が６００〜８００℃と低い場合に、固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス４２中のメタン濃度が上昇しても、改質器８２で改質器用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス８７中のメタンの水蒸気改質反応を行わせることによって水素が作られ、また、改質器８２での改質器用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス８７中のメタンの水蒸気改質反応に必要な反応熱は、新たに燃料である天然ガス１を用いることなく、固体高分子形燃料電池セルスタックの空気極排出ガス１３と固体高分子形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス１５を改質器バーナ８３で燃焼させることによって供給するので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８と固体高分子形燃料電池セルスタック９で有効利用される燃料の割合を示すメタン換算の燃料利用率の低下を抑制することができ、燃料電池発電システムの発電効率の低下を抑えることが可能である。
［実施例１２］
【０１０２】
図１２は、実施例１２として例示した本発明の燃料電池発電システムの構成を示す図である。図１２において、前述した図１６、図１、図２、図３、図４、図５、図６、図７、図８、図９、図１０、および図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。
【０１０３】
図１２を用いて、実施例１２で例示した本発明の燃料電池発電システムについて説明する。本実施例による燃料電池発電システムは、図１６に示した従来の燃料電池発電システムとは、図１２に示したように、改質器３の代わりに、改質器用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス８７を供給し、改質器用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス８７中のメタンの水蒸気改質反応を行わせる改質器バーナ８３を有する改質器８２を設けた点と、ＣＯ選択酸化器５と凝縮器２９が不要で、燃料極６、固体高分子電解質７、および空気極８からなる単セルより構成される固体高分子形燃料電池セルスタック９の代わりに、燃料極６４、りん酸電解質６５、空気極６６からなる単セルより構成されるりん酸形燃料電池セルスタック６７を設けた点が異なる。
【０１０４】
次に、本実施例の燃料電池発電システムの作用について、図１２を参照して説明する。本実施例では、ＣＯシフトコンバータ４で作られた一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス７１の一部を、りん酸形燃料電池セルスタック用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス７９として、りん酸形燃料電池セルスタック６７の燃料極に供給し、りん酸形燃料電池セルスタック６７の発電を行う。改質器８２を７００℃以上に設定し吸熱反応であるメタンの水蒸気改質反応を行わせるために、りん酸形燃料電池セルスタックの空気極排出ガス６９とりん酸形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス７０を改質器バーナ８３に供給し、りん酸形燃料電池セルスタックの空気極排出ガス６９中の未反応酸素とりん酸形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス７０中の未反応燃料および未反応水素を燃焼させることによって、改質器バーナ８３から改質器８２に必要な熱を供給する。改質器バ一ナ８３からは改質器バーナ燃焼排出ガス５６を放出する。
【０１０５】
なお、図１２では、改質器８２に必要な熱を供給するために、りん酸形燃料電池セルスタックの空気極排出ガス６９とりん酸形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス７０を改質器バーナ８３に供給し燃焼させたが、りん酸形燃料電池セルスタックの空気極排出ガス６９、固体酸化物形燃料電池セルスタックの空気極排出ガス４４、および空気１４のいずれか一つ以上と、りん酸形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス７０を改質器バーナ８３に供給し、酸素と未反応燃料および未反応水素を燃焼させれば、改質器バーナ８３での燃焼のために新たに燃料である天然ガス１を供給することなく、改質器８２で改質器用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス８７中のメタンの水蒸気改質反応を効率的に行わせ、改質器用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス８７中のメタン濃度を低減させることができる。
【０１０６】
図１２に示した本実施例においても、図１、図２、図３、図４、図５、図６、図７、図８、図９、図１０、および図１１に示した実施例１、実施例２、実施例３、実施例４、実施例５、実施例６、実施例７、実施例８、実施例９、実施例１０、および実施例１１と同様に、図１６に示した従来例と比べて、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の作動温度が６００〜８００℃と低い場合に、固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス４２中のメタン濃度が上昇しても、改質器８２で改質器用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス８７中のメタンの水蒸気改質反応を行わせることによって水素が作られ、また、改質器８２での改質器用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス８７中のメタンの水蒸気改質反応に必要な反応熱は、新たに燃料である天然ガス１を用いることなく、りん酸形燃料電池セルスタックの空気極排出ガス６９と、りん酸形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス７０を改質器バーナ８３で燃焼させることによって供給するので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８とりん酸形燃料電池セルスタック６７で有効利用される燃料の割合を示すメタン換算の燃料利用率の低下を抑制することができ、燃料電池発電システムの発電効率の低下を抑えることが可能である。
［実施例１３］
【０１０７】
図１３は、実施例１３として例示した本発明の燃料電池発電システムの構成を示す図である。図１３において、前述した図１６、図１、図２、図３、図４、図５、図６、図７、図８、図９、図１０、図１１、および図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。図１３において、９０は水素リッチな改質ガス２２の第二の改質器への供給量を制御する流量制御弁である。
【０１０８】
図１３を用いて、実施例１３で例示した本発明の燃料電池発電システムについて説明する。本実施例の燃料電池発電システムは、図１６に示した従来の燃料電池発電システムとは、図１３に示したように、改質器３の代わりに第一の改質器５２と第二の改質器５３という二つの改質器を設け、さらに第二の改質器５３には改質器バーナ５４を設けた点が異なる。
【０１０９】
次に、本実施例の燃料電池発電システムの作用について、図１３を参照して説明する。本実施例では、第一の改質器５２で作られた水素リッチな改質ガス２２の一部は第二の改質器５３に供給し、残りは固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５に供給する。第二の改質器５３への水素リッチな改質ガス２２の供給量は、あらかじめ設定された燃料電池直流出力１８の直流電流と流量制御弁９０の開度（すなわち、第二の改質器５５への水素リッチな改質ガス２２の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁９０の開度を制御することによって、燃料電池直流出力１８の直流電流に見合った値に設定する。第二の改質器５３の排出ガスであるメタン濃度を低下させた改質ガス５５はすべてＣＯシフトコンバータ４に供給する。ＣＯシフトコンバータ４で作られた一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた改質ガス２１の一部は、ＣＯ選択酸化器用改質ガス３４としてＣＯ選択酸化器５に供給する。
【０１１０】
図１３に示した本実施例においても、図１、図２、図３、図４、図５、図６、図７、図８、図９、図１０、図１１、および図１２に示した実施例１、実施例２、実施例３、実施例４、実施例５、実施例６、実施例７、実施例８、実施例９、実施例１０、実施例１１、および実施例１２と同様に、図１６に示した従来例と比べて、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の作動温度が６００〜８００℃と低い場合に、固体酸化物燃料電池セルスタック３８から第一の改質器５２に供給される排熱の温度が低いために第一の改質器５２の温度が７００℃以下に低下して水素リッチな改質ガス２２中のメタン濃度が上昇しても、第二の改質器５３で水素リッチな改質ガス２２中のメタンの水蒸気改質反応を行わせることによって水素が作られ、また、第二の改質器５３での水素リッチな改質ガス２２中のメタンの水蒸気改質反応に必要な反応熱は、新たに燃料である天然ガス１を用いることなく、固体高分子形燃料電池セルスタックの空気極排出ガス１３と固体高分子形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス１５を改質器バーナ５４で燃焼させることによって供給するので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８と固体高分子形燃料電池セルスタック９で有効利用される燃料の割合を示すメタン換算の燃料利用率の低下を抑制することができ、燃料電池発電システムの発電効率の低下を抑えることが可能である。
［実施例１４］
【０１１１】
図１４は、実施例１４として例示した本発明の燃料電池発電システムの構成を示す図である。図１４において、前述した図１６、図１、図２、図３、図４、図５、図６、図７、図８、図９、図１０、図１１、図１２、および図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、実施例１４で例示した本発明の燃料電池発電システムについて説明する。本実施例の燃料電池発電システムは、図１６に示した従来の燃料電池発電システムとは、図１４に示したように、改質器３の代わりに第一の改質器５２と第二の改質器５３という二つの改質器を設け、さらに第二の改質器５３には改質器バーナ５４を設けた点と、ＣＯ選択酸化器５と凝縮器２９の代わりに水素分離器５７を設けた点が異なる。
【０１１３】
次に、本実施例の燃料電池発電システムの作用について、図１４を参照して説明する。本実施例では、ＣＯシフトコンバータ４で作られた一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた改質ガス２１の一部は、水素分離器用改質ガス６３として水素分離器５７に供給する。
【０１１４】
図１４に示した本実施例においても、図１、図２、図３、図４、図５、図６、図７、図８、図９、図１０、図１１、図１２、および図１３に示した実施例１、実施例２、実施例３、実施例４、実施例５、実施例６、実施例７、実施例８、実施例９、実施例１０、実施例１１、実施例１２、および実施例１３と同様に、図１６に示した従来例と比べて、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の作動温度が６００〜８００℃と低い場合に、固体酸化物燃料電池セルスタック３８から第一の改質器５２に供給される排熱の温度が低いために第一の改質器５２の温度が７００℃以下に低下して水素リッチな改質ガス２２中のメタン濃度が上昇しても、第二の改質器５３で水素リッチな改質ガス２２中の未反応メタンの水蒸気改質反応を行わせることによって水素が作られ、また、第二の改質器５３での水素リッチな改質ガス２２中のメタンの水蒸気改質反応に必要な反応熱は、新たに燃料である天然ガス１を用いることなく、固体高分子形燃料電池セルスタックの空気極排出ガス１３と固体高分子形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス１５を改質器バーナ５４で燃焼させることによって供給するので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８と固体高分子形燃料電池セルスタック９で有効利用される燃料の割合を示すメタン換算の燃料利用率の低下を抑制することができ、燃料電池発電システムの発電効率の低下を抑えることが可能である。
［実施例１５］
【０１１５】
図１５は、実施例１５として例示した本発明の燃料電池発電システムの構成を示す図である。図１５において、前述した図１６、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、および図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。
【０１１６】
図１５を用いて、実施例１５で例示した本発明の燃料電池発電システムについて説明する。本実施例の燃料電池発電システムは、図１６に示した従来の燃料電池発電システムとは、図１５に示したように、改質器３の代わりに第一の改質器５２と第二の改質器５３という二つの改質器を設け、さらに第二の改質器５３には改質器バーナ５４を設けた点と、ＣＯ選択酸化器５と凝縮器２９が不要で、燃料極６、固体高分子電解質７、および空気極８からなる単セルより構成される固体高分子形燃料電池セルスタック９の代わりに、燃料極６４、りん酸電解質６５、空気極６６からなる単セルより構成されるりん酸形燃料電池セルスタック６７を設けた点が異なる。
【０１１７】
次に、本実施例の燃料電池発電システムの作用について、図１５を参照して説明する。本実施例では、ＣＯシフトコンバータで作られた一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた改質ガス２１の一部は、りん酸形燃料電池セルスタック用改質ガス６８としてりん酸形燃料電池セルスタック６７の燃料極６４に供給し、りん酸形燃料電池セルスタック６７の発電を行う。
【０１１８】
図１５に示した本実施例においても、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、および図１４に示した実施例１、実施例２、実施例３、実施例４、実施例５、実施例６、実施例７、実施例８、実施例９、実施例１０、実施例１１、実施例１２、実施例１３、および実施例１４と同様に、図１６に示した従来例と比べて、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の作動温度が６００〜８００℃と低い場合に、固体酸化物燃料電池セルスタック３８から第一の改質器５２に供給される排熱の温度が低いために第一の改質器５２の温度が７００℃以下に低下して水素リッチな改質ガス２２中のメタン濃度が上昇しても、第二の改質器５３で水素リッチな改質ガス２２中のメタンの水蒸気改質反応を行わせることによって水素が作られ、また、第二の改質器５３での水素リッチな改質ガス２２中のメタンの水蒸気改質反応に必要な反応熱は、新たに燃料である天然ガス１を用いることなく、りん酸形燃料電池セルスタックの空気極排出ガス６９と、りん酸形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス７０を改質器バーナ５４で燃焼させることによって供給するので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８とりん酸形燃料電池セルスタック６７で有効利用される燃料の割合を示すメタン換算の燃料利用率の低下を抑制することができ、燃料電池発電システムの発電効率の低下を抑えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１１９】
【図１】実施例１として例示した本発明の燃料電池発電システムの構成を示す図。
【図２】実施例２として例示した本発明の燃料電池発電システムの構成を示す図。
【図３】実施例３として例示した本発明の燃料電池発電システムの構成を示す図。
【図４】実施例４として例示した本発明の燃料電池発電システムの構成を示す図。
【図５】実施例５として例示した本発明の燃料電池発電システムの構成を示す図。
【図６】実施例６として例示した本発明の燃料電池発電システムの構成を示す図。
【図７】実施例７として例示した本発明の燃料電池発電システムの構成を示す図。
【図８】実施例８として例示した本発明の燃料電池発電システムの構成を示す図。
【図９】実施例９として例示した本発明の燃料電池発電システムの構成を示す図。
【図１０】実施例１０として例示した本発明の燃料電池発電システムの構成を示す図。
【図１１】実施例１１として例示した本発明の燃料電池発電システムの構成を示す図。
【図１２】実施例１２として例示した本発明の燃料電池発電システムの構成を示す図。
【図１３】実施例１３として例示した本発明の燃料電池発電システムの構成を示す図。
【図１４】実施例１４として例示した本発明の燃料電池発電システムの構成を示す図。
【図１５】実施例１５として例示した本発明の燃料電池発電システムの構成を示す図。
【図１６】従来の燃料電池発電システムの構成を示す図。
【符号の説明】
【０１２０】
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
１２  空気供給用ブロワ
１３  固体高分子形燃料電池セルスタックの空気極排出ガス
１４  空気
１５  固体高分子形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス
１６  出力調整装置              １７  負荷
１８  燃料電池直流出力          １９  送電端交流出力
２０  一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーに低減させた改質ガス
２１  一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた改質ガス
２２  水素リッチな改質ガス
２３  水蒸気と脱硫天然ガスの混合ガス
２４  脱硫天然ガス
２５  固体高分子形燃料電池セルスタックの発電用空気
２６  ＣＯ選択酸化器用空気      ２７  流量制御弁
２８  未反応水蒸気を凝縮させた改質ガス
２９  凝縮器                    ３０  電池反応による生成水
３１  凝縮水                    ３２  脱硫器リサイクル用改質ガス
３３  流量制御弁                ３４  ＣＯ選択酸化器用改質ガス
３５  燃料極                    ３６  固体酸化物電解質
３７  空気極                    ３８  固体酸化物形燃料電池セルスタック
３９  固体酸化物形燃料電池セルスタックの発電用空気
４０  流量制御弁
４１  改質器リサイクル用固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス
４２  固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス
４３  流量制御弁
４４  固体酸化物形燃料電池セルスタックの空気極排出ガス
４５  排出用固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス
４６  流量制御弁                ４７  流量制御弁
４８  出力調整装置              ４９  負荷
５０  燃料電池直流出力          ５１  送電端交流出力
５２  第一の改質器              ５３  第二の改質器
５４  改質器バーナ              ５５  メタン濃度を低減させた改質ガス
５６  改質器バーナ燃焼排出ガス  ５７  水素分離器
５８  水素分離器排出ガス        ５９  水素
６０  未反応水素                ６１  パージ弁
６２  パージガス                ６３  水素分離器用改質ガス
６４  燃料極                    ６５  りん酸電解質
６６  空気極                    ６７  りん酸形燃料電池セルスタック
６８  りん酸形燃料電池セルスタック用改質ガス
６９  りん酸形燃料電池セルスタックの空気極排出ガス
７０  りん酸形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス
７１  ー酸化炭素濃度を１％以下に低減させた固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス
７２  ＣＯ選択酸化器用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス
７３  一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーに低減させた固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス
７４  未反応水蒸気を凝縮させた固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス
７５  脱硫器リサイクル用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス
７６  流量制御弁
７７  ＣＯシフトコンバータ用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス
７８  水素分離器用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス
７９  りん酸形燃料電池セルスタック用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス
８０  第二の改質器用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス
８１  メタン濃度を低減させた固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス
８２  改質器                    ８３  改質器バーナ
８４  改質器バーナ燃焼排出ガス
８５  りん酸形燃料電池セルスタックの発電用空気
８６  流量制御弁
８７  改質器用の固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス
８８  流量制御弁                ８９  流量制御弁
９０  流量制御弁
【図１】
2005071813.tif 000003
【図２】
2005071813.tif 000004
【図３】
2005071813.tif 000005
【図４】
2005071813.tif 000006
【図５】
2005071813.tif 000007
【図６】
2005071813.tif 000008
【図７】
2005071813.tif 000009
【図８】
2005071813.tif 000010
【図９】
2005071813.tif 000011
【図１０】
2005071813.tif 000012
【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】
2005071813.tif 000018