(57)【要約】【課題】系内の熱エネルギ収支に無駄を生じさせることなく燃料電池本体の発電効率の低下を防止することができる燃料電池発電システムを提供する。【解決手段】固体酸化物電解質形の燃料電池本体１３と、燃料電池本体１３の燃料極へ都市ガス１を供給する送給ファン１１及び都市ガス供給源１８等と、燃料電池本体１３の空気極へ空気２を供給する送給ファン１４等と、燃料電池本体１３の燃料ガス排出口から排出された使用済みの都市ガス１の少なくとも一部を当該燃料電池本体１３の燃料極へ再び供給する配管１０ｇ等とを備えている燃料電池発電システム１０において、燃料電池本体１３の燃料極へ一酸化炭素ガス４を供給する一酸化炭素供給源１９を備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物形の燃料電池本体と、
前記燃料電池本体の燃料極へ炭化水素ガスからなる燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池本体の空気極へ酸素を含有する酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
前記燃料電池本体から排出された使用済みの前記燃料ガスの少なくとも一部を当該燃料電池本体の前記燃料極へ再び供給する燃料ガス循環手段と
を備えている燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料電池本体の前記燃料極へ一酸化炭素を供給する一酸化炭素供給手段を備えている
ことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
請求項１において、
前記一酸化炭素供給手段が、前記燃料ガス供給手段で前記燃料極へ供給する前記燃料ガスの供給量と前記燃料ガス循環手段で前記燃料極へ供給する使用済みの前記燃料ガスとの合計量に対して１０〜４０mol％の割合で前記一酸化炭素ガスを供給するものである
ことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項３】
請求項１又は請求項２において、
前記一酸化炭素供給手段が、化学プラントで副生した一酸化炭素ガスを前記燃料極へ供給するものである
ことを特徴とする燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の固体酸化物形の燃料電池発電システムにおいては、図２に示すように、燃料ガスである都市ガス（メタン）１を、都市ガス１を燃焼させて発生させた水蒸気と共に送給ファン１１１により送給して、熱交換器１１２により運転温度（７００〜１０００℃）にまで加熱し、固体酸化物形の燃料電池本体１１３の燃料ガス供給口へ供給すると、当該燃料電池本体１１３内の燃料極で都市ガス（メタン）１が下記式（１）に示す改質反応及び下記式（２）に示すシフト反応を生じ、水素ガスが発生する。
【０００３】
ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ  （１）：改質反応
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→Ｈ2＋ＣＯ2    （２）：シフト反応
【０００４】
そして、送給ファン１１４により酸化ガスである空気２を送給して、熱交換器１１５ａにより空気２を運転温度（７００〜１０００℃）にまで加熱し、上記燃料電池本体１１３の酸化ガス供給口に当該空気２を供給すると、当該空気２中の酸素が当該燃料電池本体１１３内の空気極から固体酸化物電解質層を介してイオンとなって燃料極に伝導し、前記水素のイオンと電気化学的な反応を生じることにより、水を生成すると共に電子を発生するようになっている。
【０００５】
燃料電池本体１１３で使用された使用済みの都市ガス（水素や二酸化炭素やメタンや水蒸気等の混合ガス）１は、当該燃料電池本体１１３の燃料ガス排出口から排出され、未利用のメタンや水素等の燃料を有効利用するために、その一部が、新たに供給される都市ガス１と共に前記送給ファン１１１を介して燃料電池本体１１３内に再び供給されて再利用される一方、残りが、燃焼室１１６に送給される。
【０００６】
燃料電池本体１１３で使用された使用済みの空気２は、当該燃料電池本体１１３の酸化ガス排出口から排出され、燃焼室１１６で使用済みの前記都市ガス１と共に燃焼処理される。燃焼室１１６で燃焼処理された排ガス３は、前記熱交換器１１５ａに送給されて空気２の加熱源に利用された後、排ガスボイラ１１５ｂで熱源に利用されてから、煙突１１７から外部へ排出される。
【０００７】
このような図２に示したような従来の燃料電池発電システム１１０においては、上述したように、上記改質反応（式（１））及び上記シフト反応（式（２））に水を要するため、起動の際には、都市ガス１と共に水蒸気を供給するものの、酸素と水素との電気化学的な反応により水を生成することから、起動後しばらくしたら水蒸気の供給を停止して、酸素と水素との電気化学的な反応で生成した水を利用するようにしている。
【０００８】
ところが、酸素と水素との電気化学的な反応による水の生成量が、上記改質反応（式（１））及び上記シフト反応（式（２））での水の使用量よりも多いため、使用済みの前記都市ガス１の一部を新たに供給される都市ガス１と共に燃料電池本体１１３内に再び供給していると、燃料電池本体１１３内に供給される都市ガス１中の水蒸気量が次第に過剰になってしまい、燃料電池本体１１３の発電効率の低下を引き起こしてしまう。
【０００９】
このため、図３に示すように、都市ガス１の循環供給系統に熱交換器１２８及び凝縮器１２９等を設け、燃料電池本体１１３から排出された使用済みの都市ガス１の前記一部を上記熱交換器１２８により熱回収して、凝縮器１２９により冷却して水分を凝縮除去してから、新たに供給される都市ガス１と混合して燃料電池本体１１３内に再び供給するようにしている。
【００１０】
【特許文献１】特開平１１−３１２５２７号公報
【特許文献２】特開２００３−２８８９１２号公報
【特許文献３】特開２００５−００５０７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、前述した図３に示したような従来の燃料電池発電システム１２０では、前述したように、新たに供給される都市ガス１と混合する使用済みの都市ガス１を凝縮器１２９により冷却して水分を凝縮除去するため、系内の熱エネルギ収支に無駄を生じてしまっていた。
【００１２】
このようなことから、本発明は、系内の熱エネルギ収支に無駄を生じさせることなく燃料電池本体の発電効率の低下を防止することができる燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前述した課題を解決するための、第一番目の発明に係る燃料電池発電システムは、固体酸化物形の燃料電池本体と、前記燃料電池本体の燃料極へ炭化水素ガスからなる燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池本体の空気極へ酸素を含有する酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、前記燃料電池本体から排出された使用済みの前記燃料ガスの少なくとも一部を当該燃料電池本体の前記燃料極へ再び供給する燃料ガス循環手段とを備えている燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池本体の前記燃料極へ一酸化炭素を供給する一酸化炭素供給手段を備えていることを特徴とする。
【００１４】
第二番目の発明に係る燃料電池発電システムは、第一番目の発明において、前記一酸化炭素供給手段が、前記燃料ガス供給手段で前記燃料極へ供給する前記燃料ガスの供給量と前記燃料ガス循環手段で前記燃料極へ供給する使用済みの前記燃料ガスとの合計量に対して１０〜４０mol％の割合で前記一酸化炭素ガスを供給するものであることを特徴とする。
【００１５】
第三番目の発明に係る燃料電池発電システムは、第一番目又は第二番目の発明において、前記一酸化炭素供給手段が、化学プラントで副生した一酸化炭素ガスを前記燃料極へ供給するものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る燃料電池発電システムによれば、一酸化炭素供給手段が燃料電池本体の燃料極へ一酸化炭素を供給することから、燃料ガス循環手段で循環利用される使用済みの燃料ガスによって増加する水分と当該一酸化炭素とがシフト反応を生じて水素ガスと二酸化炭素ガスとにシフトするので、使用済みの燃料ガスを循環利用しても、系内の水分の増加を抑制することができる。このため、従来のような凝縮器を使用しなくても、系内の水分の増加を抑制することができるので、系内の熱エネルギ収支に無駄を生じさせることなく燃料電池本体の発電効率の低下を防止することができるばかりか、余剰な水分から水素ガスをさらに生成させることができるので、燃料電池本体の発電効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明に係る燃料電池発電システムの実施形態を図１に基づいて以下に説明する。図１は、燃料電池発電システムの概略構成図である。
【００１８】
図１に示すように、固体酸化物電解質形の燃料電池本体１３の燃料ガス供給口には、炭化水素ガスからなる燃料ガスである都市ガス（メタン）１の都市ガス源１８が配管１０ａを介して連絡している。燃料電池本体１３の燃料ガス供給口と都市ガス源１８との間の配管１０ａ部分には、一酸化炭素ガス４の一酸化炭素ガス源１９が配管１０ｇを介して連絡している。燃料電池本体１３の燃料ガス供給口と都市ガス源１８及び一酸化炭素ガス源１９との間の配管１０ａ部分には、送給ファン１１が配設されている。送給ファン１１と燃料電池本体１３の燃料ガス供給口との間の配管１０ａ部分には、熱交換器１２が配設されている。
【００１９】
前記燃料電池本体１３の酸化ガス供給口には、酸素を含有する酸化ガスである空気２の送給ファン１４が前記熱交換器１２を経由する配管１０ｂを介して連絡している。送給ファン１４と前記熱交換器１２との間の配管１０ｂ部分には、熱交換器１５ａが配設されている。
【００２０】
前記燃料電池本体１３の燃料ガス排出口は、前記送給ファン１１と前記都市ガス源１８及び前記一酸化炭素ガス源１９との間の配管１０ａ部分に配管１０ｃを介して連絡すると共に、燃焼室１６の受入口に配管１０ｄを介して連絡している。また、燃料電池本体１３の酸化ガス排出口は、上記燃焼室１６の受入口に配管１０ｅを介して連絡している。
【００２１】
燃焼室１６の排出口は、前記熱交換器１５ａ及び排ガスボイラ１５ｂを経由して煙突１７に配管１０ｆを介して連絡している。
【００２２】
なお、本実施形態では、配管１０ａ，送給ファン１１，都市ガス源１８等により燃料ガス供給手段を構成し、配管１０ｂ，送給ファン１４等により酸化ガス供給手段を構成し、配管１０ｃ等により燃料ガス循環手段を構成し、配管１０ｇ，一酸化炭素ガス源１９等により一酸化炭素供給手段を構成している。
【００２３】
このような本実施形態に係る燃料電池発電システム１０の作用を次に説明する。
【００２４】
まず、都市ガス源１８からの都市ガス（メタン）１を、都市ガス１を燃焼させて発生させた水蒸気と共に送給ファン１１により送給して、熱交換器１２により運転温度（７００〜１０００℃）にまで加熱し、固体酸化物形の燃料電池本体１３の燃料ガス供給口に供給すると、当該燃料電池本体１３内の燃料極で都市ガス（メタン）１が下記式（１）に示す改質反応及び下記式（２）に示すシフト反応を生じ、水素ガスが発生する。
【００２５】
ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ  （１）：改質反応
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→Ｈ2＋ＣＯ2    （２）：シフト反応
【００２６】
そして、送給ファン１４により空気２を送給して、熱交換器１５ａにより空気２を運転温度（７００〜１０００℃）にまで加熱し、上記燃料電池本体１３の酸化ガス供給口に当該空気２を供給すると、当該空気２中の酸素が当該燃料電池本体１３内の空気極から固体酸化物電解質層を介してイオンとなって燃料極に伝導し、前記水素のイオンと電気化学的な反応を生じることにより、水を生成すると共に電子を発生する。
【００２７】
燃料電池本体１３で使用された使用済みの都市ガス（水素や二酸化炭素やメタンや水蒸気等の混合ガス）１は、当該燃料電池本体１３の燃料ガス排出口から排出され、その一部が前記配管１０ｃを介して前記配管１０ａ内に流入し、新たに供給される都市ガス１と共に前記送給ファン１１を介して燃料電池本体１３内に再び供給されることにより、未利用のメタンや水素等の燃料が再利用される一方、残りが前記配管１０ｄを介して燃焼室１６に送給される。
【００２８】
燃料電池本体１３で使用された使用済みの空気２は、当該燃料電池本体１３の酸化ガス排出口から排出され、燃焼室１６で使用済みの前記都市ガス１と共に燃焼処理される。燃焼室１６で燃焼処理された排ガス３は、前記熱交換器１５ａに送給されて空気２の加熱源に利用された後、排ガスボイラ１５ｂで熱源に利用されてから、煙突１７から外部へ排出される。
【００２９】
このようにして燃料電池本体１３を起動して、酸素と水素との電気化学的な反応によって生成する水だけでも都市ガス１の改質反応及びシフト反応が十分に生じるようになったら、水蒸気の供給を停止すると共に、前記一酸化炭素ガス源１９から一酸化炭素ガス４を、配管１０ｇを介して前記配管１０ａ内に流入させ、都市ガス源１８からの新たな都市ガス（メタン）１及び前記配管１０ｃからの使用済みの都市ガス（水素や二酸化炭素やメタンや水蒸気等の混合ガス）１と共に燃料電池本体１３の燃料ガス供給口に供給すると、当該燃料電池本体１３内の燃料極で都市ガス（メタン）１が、前述したように、前記式（１）に示す改質反応及び前記式（２）に示すシフト反応を生じ、水素ガスを発生させると共に、使用済みの都市ガス（水素や二酸化炭素やメタンや水蒸気等の混合ガス）１の循環利用によって増加する水分が前記一酸化炭素ガス源１９からの一酸化炭素ガス４と前記式（２）で示したシフト反応を生じて水素ガスと二酸化炭素ガスとにシフトするようになる。
【００３０】
このため、使用済みの都市ガス１を循環利用しても、系内の水分の増加を抑制することができる。
【００３１】
したがって、本実施形態によれば、従来のような凝縮器を使用しなくても、系内の水分の増加を抑制することができるので、系内の熱エネルギ収支に無駄を生じさせることなく燃料電池本体１３の発電効率の低下を防止することができるばかりか、一酸化炭素ガス４を加えることにより、余剰な水分から水素ガスをさらに生成させることができるので、燃料電池本体１３の発電効率を向上させることができる。
【００３２】
また、一酸化炭素ガス４を副生してしまう化学プラントを有するコンビナート等に適用すれば、副生した一酸化炭素ガス４を有効利用しながら燃料電池本体１３の発電効率を向上させることができる。
【００３３】
なお、燃料電池本体１３の燃料極へ供給する一酸化炭素ガス４の量は、都市ガス源１８から上記燃料極へ供給する都市ガス１の供給量と前記配管１０ｃを介して上記燃料極へ供給する使用済みの都市ガス１との合計量に対して１０〜４０mol％の割合で供給すると好ましく、特に、３０〜４０mol％の割合で供給するとより好ましい。
【００３４】
なぜなら、一酸化炭素ガス４の上記供給量が１０mol％未満であると、一酸化炭素ガス４を供給することによる効果（系内の水分の増加抑制、発電効率の向上（電圧向上）等）をほとんど期待することができず、４０mol％を超えると、一酸化炭素ガス４の供給量が過剰となってむしろ悪影響を与えてしまい（系内の水分の減少、発電効率の低下（電圧低下）、炭素析出等）、３０〜４０mol％の範囲であると、系内の水分のバランスを図りながら、電圧向上率を４％以上とすることができ、本発明の効果を最も効率よく得ることができるからである。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明に係る燃料電池発電システムは、系内の熱エネルギ収支に無駄を生じさせることなく燃料電池本体の発電効率の低下を防止することができるばかりか、余剰な水分から水素ガスをさらに生成させることができるので、燃料電池本体の発電効率を向上させることができ、産業上、極めて有益に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係る燃料電池発電システムの実施形態の概略構成図である。
【図２】従来の燃料電池発電システムの一例の概略構成図である。
【図３】従来の燃料電池発電システムの他の例の概略構成図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  都市ガス
２  空気
３  排ガス
４  一酸化炭素ガス
１０  燃料電池発電システム
１０ａ〜１０ｇ  配管
１１  送給ファン
１２  熱交換器
１３  燃料電池本体
１４  送給ファン
１５ａ  熱交換器
１５ｂ  排ガスボイラ
１６  燃焼室
１７  煙突
１８  都市ガス源
１９  一酸化炭素ガス源
【図１】
2007103014.tif 000003
【図２】
2007103014.tif 000004
【図３】
2007103014.tif 000005