(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１燃料ガスと第１酸化剤ガスの供給により発電を行なう第１燃料電池と、
前記第１燃料電池から送出される第１使用済み燃料ガスと、第２燃料ガスと、第２酸化剤ガスの供給により発電を行なう第２燃料電池と、
を具備し、
前記第１燃料ガスは、前記第２燃料電池から送出される第２使用済み燃料ガスを含み、
前記第２酸化剤ガスは、更に、前記第１燃料電池から送出される使用済み第１酸化剤ガスを含む
燃料電池システム。
【請求項２】
前記第２燃料ガスの量は、前記第１使用済み燃料ガスに含まれる水蒸気の量に基づいて決定される、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池の少なくとも一方は、予め設定された燃料利用率に基づいて運転される、
請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第２燃料電池は、ガス的に直列に接続された複数の燃料電池から成り、
各々の前記燃料電池は、前段の前記燃料電池又は前記第１燃料電池から送出される使用済み燃料ガスと、燃料ガスと酸化剤ガスの供給により発電を行ない、
前記燃料ガスの量は、前記使用済み燃料ガスに含まれる水蒸気の量に基づいて決定される、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記酸化剤ガスは、前段の前記燃料電池又は前記第１燃料電池から送出される使用済み酸化剤ガスを含む、
請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池システムと、
前記燃料電池システムからの排燃料ガス及び排酸化剤ガスを用いるガスタービンと、
前記ガスタービンにより稼動する第１発電機と、
を具備する複合発電システム。
【請求項７】
前記ガスタービンの燃焼排ガスを用いる排熱回収ボイラと、
前記排熱回収ボイラにより稼動する蒸気タービンと、
前記蒸気タービンにより稼動する第２発電機と、
を更に具備する、
請求項６に記載の複合発電システム。
【請求項８】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池システムと、
前記燃料電池システムからの排燃料ガス及び排酸化剤ガスを燃焼する排ガス燃焼器と、
前記排ガス燃焼器からの排出ガスを用いる排熱回収ボイラと、
前記排熱回収ボイラで加熱された水及び蒸気を用いる設備と、
を具備する、
コジェネレーションシステム。
【請求項９】
複合発電システムの起動方法であって、
ここで、前記複合発電システムは、
燃料電池システムと、
前記燃料電池システムからの排燃料ガス及び排酸化剤ガスを用いるガスタービンと、
前記ガスタービンにより稼動する第１発電機と、
前記ガスタービンの燃焼排ガスを用いる排熱回収ボイラと、
前記排熱回収ボイラにより稼動する蒸気タービンと、
前記蒸気タービンにより稼動する第２発電機と
を具備し、
前記燃料電池システムは、
第１燃料ガスと第１酸化剤ガスの供給により発電を行なう第１燃料電池と、
前記第１燃料電池から送出される第１使用済み燃料ガスと、第２燃料ガスと、第２酸化剤ガスの供給により発電を行なう第２燃料電池と、
を備え、
前記第２酸化剤ガスは、更に、前記第１燃料電池から送出される使用済み第１酸化剤ガスを含み、
前記起動方法は、
（ａ）停止中の前記燃料電池システムを経由して供給される前記第１燃料ガス及び前記第１酸化剤ガスを燃焼して、前記ガスタービンを起動するステップステップと、
（ｂ）前記ガスタービンの起動により、前記第１発電機を起動するステップと、
（ｃ）前記燃焼排ガスにより、前記排熱回収ボイラを起動するステップと、
（ｄ）前記排熱回収ボイラの起動により、前記第２発電機を起動するステップと、
（ｅ）前記排熱回収ボイラから排出された前記排燃焼ガスを混合した前記第１燃料ガスを前記燃料電池システムへ供給して、前記燃料電池システムを加熱するステップと、
（ｆ）前記第１燃料ガスと前記第１酸化剤ガスとにより、燃料電池システムで発電を行なうステップと
を具備する
複合発電システムの起動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システム及び複合発電システムに関し、特に他の発電装置と共に複合発電を行う、複数の燃料電池を組み合わせて用いる燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムでは、システム効率の向上のために、燃料利用率の向上、燃料供給に伴い必要となる水蒸気の供給の効率化などが進められている。その方法の一つとして、燃料ガスの再循環がある。それは、燃料電池の燃料極側の排ガスを、再び燃料極へ供給し再利用する方法である。燃料極側の排ガス中には、残余の燃料ガス及び発電により生成した水蒸気がある。従って、排ガスを再循環させ再利用することにより、燃料利用率の向上、水蒸気の供給の効率化を図ることが出来る。
【０００３】
従来の燃料電池発電システムにおける燃料ガスの再循環システムについて説明する。概略構成の一例を図６及び図７に示す。ただし、発電された電力の集電に関わる部分は省略している。
図６は、燃料電池システムにおける燃料ガスの再循環システムの概略構成の一例を示している。改質器１０２と燃料電池本体１０３とを有する燃料電池１０１、エジェクタ１０７、燃料導入管１１１、燃料供給管Ａ１１４−１〜燃料供給管Ｃ１１４−３、燃料排出管１１３、燃料循環管１１２、酸化剤供給管１１５を具備する。
【０００４】
燃料電池１０１は、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて、電気化学反応（電池反応）により、発電を行なう。
改質器１０２は、燃料ガスであるメタンやエタン、ブタン、プロパンなどの有機系炭化水素ガスを、触媒上で水蒸気と共に反応（水蒸気改質反応）させ、水素を主成分とする改質された燃料ガスを生成する。内部に水蒸気改質触媒を含む。
燃料電池本体１０３は、供給された改質された燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて、電気化学反応（電池反応）により、発電を行なう。内部に複数の単セルを含む。
エジェクタ１０７は、内部を流れる第１流体の流れにより負圧を形成し、その負圧により、第２流体を第１流体の流れに引き込む（吸い込む）機能を有する。本従来例では、第１流体は、新たに供給される燃料ガスと水蒸気である。また、第２流体は、発電後に燃料電池本体１０３から排出される水蒸気を含む燃料排ガスである。
【０００５】
燃料導入管１１１は、エジェクタ１０７へ新たな燃料ガス及び水蒸気を供給する配管である。一端部を外部の燃料ガス（水蒸気を含む）供給部（図示せず）に、他端部をエジェクタ１０７に接続している。
燃料供給管Ａ１１４−１〜燃料供給管Ｃ１１４−３は、燃料ガスを燃料電池１０１へ供給し、使用済みの燃料ガスを燃料電池１０１の外部へ排出する配管である。燃料供給管Ａ１１４−１は、一端部をエジェクタ１０７に、他端部を改質器１０２に接続している。燃料供給管Ｂ１１４−２は、一端部を改質器１０２に、他端部を燃料電池本体１０３に接続している。燃料供給管Ｃ１１４−３は、一端部を燃料電池本体１０３に、他端部を燃料循環管１１２及び燃料排出管１１３に接続している。
燃料循環管１１２は、燃料電池１０１から排出される燃料排ガスの内、再循環するものをエジェクタ１０７へ再循環する。一端部を燃料供給管Ｃ１１４−３と燃料排出管１１３に、他端部をエジェクタ１０７に接続している。
燃料排出管１１３は、燃料電池１０１から排出される燃料排ガスの内、再循環しないものを外部へ排出する。一端部を燃料供給管Ｃ１１４−３に、他端部を燃料循環管１１２に接続している。
酸化剤供給管１１５は、燃料電池本体１０３に酸化剤ガスを供給する。一端部を外部の酸化剤ガス供給部（図示せず）に、他端部を燃料電池本体１０３に接続している。
【０００６】
水蒸気を含む燃料ガスは、エジェクタ１０７を通過する。その際、エジェクタ１０７を通過する流れによりエジェクタ１０７に負圧を形成する。そして、その燃料ガスは、燃料電池１０１内の改質器１０２へ供給される。改質器１０２では、水蒸気を含む燃料ガスが触媒により改質され、水素ガス及び水蒸気を主成分とする改質された燃料ガスとなる。改質された燃料ガスは、燃料電池本体１０３へ供給され、別経路で供給される酸化剤ガスと共に発電に寄与する。発電に使用された改質された燃料ガスである燃料排ガスは、発電により水素ガスが少なく、水蒸気の量が増加している。その燃料排ガスの一部は、エジェクタ１０７で形成された負圧により、燃料循環管１１２経由でエジェクタ１０７へ再循環される。残りは、外部へ排出される。
【０００７】
図６に示すような技術の場合、燃料排ガスの再循環のためには、専用の配管及び機器が必要となる。特に、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）では、作動温度が９００〜１０００℃である。従って、高温で使用可能な材料を用いる必要があり、コストがかかる。また、エジェクタ１０７に再循環する燃料排ガスの量の制御範囲が狭い。そのため、燃料電池の負荷の変化に効率的に対応することが難しい。
【０００８】
図７は、燃料電池システムにおける燃料ガスの再循環システムの概略構成の他の例を示している。改質器１０２と燃料電池本体１０３とを有する燃料電池１０１、ブロワ１０４、熱交換器１０５、ヒータ１０６、燃料導入管１１１、燃料供給管Ａ１１４−１〜燃料供給管Ｃ１１４−３、燃料排出管１１３、燃料循環管Ａ１１２−１〜燃料循環管Ｄ１１２−４、酸化剤供給管１１５を具備する。
【０００９】
燃料電池１０１、改質器１０２、燃料電池本体１０３、燃料排出管１１３及び酸化剤供給管１１５は、図６と同様であるのでその説明を省略する。
ブロワ１０４は、流体を強制的に流すポンプの機能を有する。高温では使用できず、流体を低温にして使用する。本従来例において流体は、燃料電池１０１から排出された燃料排ガスである。
熱交換器１０５は、内部を流れる流体の温度を熱交換により低下させる。本従来例において流体は、燃料電池１０１から排出された燃料排ガスである。
ヒータ１０６は、内部を流れる流体の温度を加熱により上昇させる。本従来例において流体は、燃料電池１０１から排出された燃料排ガスである。
【００１０】
燃料導入管１１１は、燃料電池１０１へ新たな燃料ガス及び水蒸気を燃料供給管Ａ１１４−１へ供給する配管である。一端部を外部の燃料ガス（水蒸気を含む）供給部（図示せず）に、他端部を燃料供給管Ａ１１４−１及び燃料循環管Ｄ１１２−４に接続している。
燃料供給管Ａ１１４−１〜燃料供給管Ｃ１１４−３は、燃料ガスを燃料電池１０１へ供給し、使用済みの燃料ガスを燃料電池１０１の外部へ排出する配管である。燃料供給管Ａ１１４−１は、一端部を燃料導入管１１１及び燃料循環管Ｄ１１２−４に、他端部を改質器１０２に接続している。燃料供給管Ｂ１１４−２は、一端部を改質器１０２に、他端部を燃料電池本体１０３に接続している。燃料供給管Ｃ１１４−３は、一端部を燃料電池本体１０３に、他端部を燃料循環管Ａ１１２−１及び燃料排出管１１３に接続している。
燃料循環管Ａ１１２−１〜燃料循環管Ｄ１１２−４は、燃料電池１０１から排出される燃料排ガスの内、再循環するものをブロワ１０４経由で燃料電池１０１へ再循環する。燃料循環管Ａ１１２−１は、一端部を燃料供給管Ｃ１１４−３と燃料排出管１１３に、他端部を熱交換器１０５に接続している。燃料循環管Ｂ１１２−２は、一端部を熱交換器１０５に、他端部をブロワ１０４に接続している。燃料循環管Ｃ１１２−３は、一端部をブロワ１０４に、他端部をヒータ１０６に接続している。燃料循環管Ｄ１１２−４は、一端部をヒータ１０６に、他端部を燃料導入管１１１及び燃料供給管Ａ１１４−１に接続している。
【００１１】
水蒸気を含む燃料ガスは、燃料電池１０１に供給される。その際、再循環した燃料排ガス（水蒸気を含む）が途中で混合される。そして、その燃料ガスは、燃料電池１０１内の改質器１０２へ供給される。改質器１０２では、水蒸気を含む燃料ガスが触媒により改質され、水素ガス及び水蒸気を主成分とする改質された燃料ガスとなる。改質された燃料ガスは、燃料電池本体１０３へ供給され、別経路で供給される酸化剤ガスと共に発電に寄与する。発電に使用された改質された燃料ガスである燃料排ガスは、発電により水素ガスが少なく、水蒸気の量が増加している。その燃料排ガスの一部は、ブロワ１０４で形成された流れにより、熱交換器１０５に入る。そしてそこで温度を下げられ、ブロワ１０４を経由する。その後、ヒータ１０６に達し、燃料電池１０１に供給するのに必要な温度に昇温される。そして、再循環された燃料排ガスは再び新規の燃料ガスと共に、燃料電池へ供給される。残りは、外部へ排出される。
【００１２】
図７に示すような技術の場合、燃料排ガスの再循環のためには、専用の配管及び機器が必要となる。特に、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）では、作動温度が９００〜１０００℃である。従って、高温で使用可能な材料を用いる必要がある。従って、コストがかかる。また、ブロワ１０４の稼動のための動力が必要である。更に、再循環する燃料排ガスを、一度降温し、再び昇温する必要があり、熱のロスが発生する。従って、効率が低下する。
【００１３】
資源の有効利用、環境負荷低減等のために、燃料電池システム全体としての効率の向上が求められている。
それらを達成するために、燃料利用率の向上と、燃料供給に伴い必要となる水蒸気の供給の効率化が求められている。
また、低コストでの効率の向上と、高い運転制御性が求められている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、システム全体の効率を向上することが可能な燃料電池システム及び複合発電システムを提供することである。
【００１５】
また、本発明の別の目的としては、燃料電池における燃料利用率の向上を図ることが可能な燃料電池システム及び複合発電システムを提供することである。
【００１６】
また、本発明の更に別の目的としては、燃料電池において、燃料供給に伴い必要となる水蒸気の供給の効率化を図ることが可能な燃料電池システム及び複合発電システムを提供することである。
【００１７】
本発明の他の目的は、燃料利用率の向上や水蒸気の供給の効率化を低コストで行なうことが可能な燃料電池システム及び複合発電システムを提供することである。
【００１８】
本発明の更に他の目的は、運転制御性及び不可追従性の高い燃料電池システム及び複合発電システムを提供することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
以下に、［発明の実施の形態］で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明の実施の形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００２０】
従って、上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、第１燃料ガスと第１酸化剤ガスの供給により発電を行なう第１燃料電池（１−１）と、前記第１燃料電池から送出される第１使用済み燃料ガスと、第２燃料ガスと、第２酸化剤ガスの供給により発電を行なう第２燃料電池（１−２／１−３）とを具備する。
【００２１】
また、本発明の燃料電池システムは、前記第１燃料ガスは、前記第２燃料電池（１−２／１−３）から送出される第２使用済み燃料ガスを含む。
【００２２】
また、本発明の燃料電池システムは、前記第２燃料ガスの量は、前記第１使用済み燃料ガスに含まれる水蒸気の量に基づいて決定される。
【００２３】
また、本発明の燃料電池システムは、前記第１燃料電池（１−１）及び前記第２燃料電池（１−２）の少なくとも一方が、予め設定された燃料利用率に基づいて運転される。
【００２４】
更に、本発明の燃料電池システムは、前記第２酸化剤ガスが、更に、前記第１燃料電池（１−１）から送出される使用済み第１酸化剤ガスを含む。
【００２５】
更に、本発明の燃料電池システムは、前記第２燃料電池（１−２／１−３）が、ガス的に直列に接続された複数の燃料電池（１−２、１−３）から成り、各々の前記燃料電池（１−２、１−３）は、前段の前記燃料電池（１−２）又は前記第１燃料電池（１−１）から送出される使用済み燃料ガスと、燃料ガスと酸化剤ガスの供給により発電を行ない、前記燃料ガスの量は、前記使用済み燃料ガスに含まれる水蒸気の量に基づいて決定される。
【００２６】
更に、本発明の燃料電池システムは、前記酸化剤ガスが、前段の前記燃料電池（１−２）又は前記第１燃料電池（１−１）から送出される使用済み酸化剤ガスを含む。
【００２７】
上記課題を解決するための本発明の複合発電システムは、上記のいずれか一項に記載の燃料電池システム（５０）と、前記燃料電池システム（５０）からの排燃料ガス及び排酸化剤ガスを用いるガスタービン（６５）と、前記ガスタービン（６５）により稼動する第１発電機（８４−１）とを具備する。
【００２８】
また、本発明の複合発電システムは、前記ガスタービン（６５）の燃焼排ガスを用いる排熱回収ボイラ（５２）と、前記排熱回収ボイラ（５２）により稼動する蒸気タービン（５３）と、前記蒸気タービン（５３）により稼動する第２発電機（８４−２）とを更に具備する。
【００２９】
上記課題を解決するための本発明のコジェネレーションシステムは、上記のいずれか一項に記載の燃料電池システム（５０）と、前記燃料電池システム（５０）からの排燃料ガス及び排酸化剤ガスを燃焼する排ガス燃焼器（５１）と、前記排ガス燃焼器（５１）からの排出ガスを用いる排熱回収ボイラ（５２）と、前記排熱回収ボイラ（５２）で加熱された水及び蒸気を用いる設備とを具備する。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明である燃料電池システムの実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。
本実施例において、燃料電池の内、円筒型の固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）に関して例を示して説明する。ただし、他の構造（平板型、球型など）を有する他の種類（溶融炭酸塩型、リン酸型など）の燃料電池においても適用が可能である。なお、各実施の形態において同一又は相当部分には同一の符号を付して説明する。
【００３１】
（実施例１）
本発明である燃料電池システムの実施の形態の構成に関して、図面を参照して説明する。
図１は、本発明である燃料電池システムの実施の形態の構成を示す図である。
燃料電池システム５０は、第１燃料電池１−１〜第３燃料電池１−３、第１燃料導入管Ａ４−１〜第１燃料導入管Ｂ４−２、第２燃料導入管Ａ５−１〜第２燃料導入管Ｂ５−２、第３燃料導入管Ａ６−１〜第３燃料導入管Ｂ６−２、第１燃料弁１２〜第３燃料弁１４、第１燃料供給管Ａ２１−１〜第１燃料供給管Ｃ２１−３、第２燃料供給管Ａ２２−３〜第２燃料供給管Ｃ２２−３、第３燃料供給管Ａ２３−１〜第３燃料供給管Ｃ２３−３、水蒸気供給管Ａ２０−１〜水蒸気供給管Ｂ２０−２、水蒸気弁１１、第１酸化剤供給管Ａ２８−１〜第１酸化剤供給管Ｂ２８−２、第２酸化剤供給管Ａ２９−１〜第２酸化剤供給管Ｂ２９−２、第３酸化剤供給管Ａ３０−１〜第３酸化剤供給管Ｂ３０−２、第１酸化剤弁１５〜第３酸化剤弁１７を具備する。
【００３２】
また、第１燃料電池１−１〜第３燃料電池１−３は、それぞれ第１改質器２−１〜第３改質器２−３、及び、第１燃料電池本体３−１〜第３燃料電池本体３−２を具備する。
なお、図１の構成は、発電に使用されるガスの流通に関わる構成を示しており、集電に関する構成等については、省略している。
【００３３】
従来の技術（図６、図７）では、一つの燃料電池において、使用済みの燃料排ガスを再循環することにより、燃料利用率の向上と燃料ガスへの水蒸気供給の効率化の効果を得ていた。
しかし、本発明においては、複数の燃料電池（図１では、１−１〜１−３の３個）を燃料ガスの流通系統に関して直列に接続する。そして、２番目以降の燃料電池については、前段の燃料電池から排出される燃料排ガスと、新規の燃料ガスを混合して利用する。そうすることにより、同等の効果を得ることが可能となる。
【００３４】
すなわち、最初の燃料電池には、新規に燃料と水蒸気とを投入する。一方、それ以降の燃料電池には、前段の燃料電池の燃料排ガス中の水蒸気量に対応して、適当な量（その水蒸気により、適切に水蒸気改質が可能な量）の燃料を投入する。このような操作により、基本的には燃料ガスの流量のみの管理で発電を行なうことが可能となる。従って、運転の制御性及び負荷追従性が向上する。また、ブロワやエジェクタ等の機器や高温配管が不要となり、低コスト化が図れる。
【００３５】
また、このような燃料電池システムでは、個々の燃料電池を取付け、取外しすることにより、発電規模の変更をフレキシブルに行なうことが出来る。特に、最初に小規模発電システムとし、後に発電システムを増設する場合には、増設が容易であるばかりでなく、増設するほど燃料利用率を向上することが可能となる。
【００３６】
以下に各構成を詳細に説明する。
図１を参照して、まず全体の燃料電池システム５０について説明する。
第１燃料電池１−１〜第３燃料電池１−３は、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて、電気化学反応（電池反応）により、発電を行なう。円筒型や平板型等の形状を有する固体電解質型や溶融炭酸塩型、リン酸型等の燃料電池を含む。本実施例では、複数の円筒型の固体電解質（固体酸化物）型燃料電池（ＳＯＦＣ）を有する。各燃料電池同士は、発電する電力に関して互いに独立していても良いし、少なくとも２つが組み合わされていても良い。
【００３７】
第１改質器２−１〜第３改質器２−３は、それぞれ第１燃料電池１−１〜第３燃料電池１−３に含まれている。内部に水蒸気改質触媒を有する。燃料ガスであるメタンやエタン、ブタン、プロパン、ガソリン、軽油、灯油などの有機系炭化水素（ガス）を、触媒上で水蒸気と共に反応（水蒸気改質反応）する。そして、水素を主成分とする改質された燃料ガスを生成する。動作温度は、水蒸気改質後のガス組成（供給ガス組成、圧力、温度で熱力学的に定まる）が所望の値となるような温度である。本実施例では、約９００℃である。
触媒は、例えば、担持する金属としてニッケル、ルテニウム、ロジウムなどがあり、担体としてアルミナ、マグネシア、ジルコニア、シリカなどがある。そこで、水蒸気改質反応が行なわれ、水素を主成分とする燃料ガスとなる。
第１改質器２−１〜第３改質器２−３は、後述の第１燃料電池本体３−１〜第３燃料電池本体３−２に含まれていても良い。本実施例では、各燃料電池本体内の燃料極が各改質器としての機能を有する。
【００３８】
第１燃料電池本体３−１〜第３燃料電池本体３−２は、供給される改質された燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて、電気化学反応（電池反応）により、発電を行なう。本実施例では、各燃料電池本体は、内部に複数の単セルを含む複数の円筒型ＳＯＦＣを有する。一つの円筒型ＳＯＦＣは、円筒型の多孔質セラミックスの基体管の長手方向の一定の幅毎に、外周面上に燃料極、電解質、空気極の膜が順に少しずつずらして積層されている。一組の燃料極、電解質、空気極で、一つの単セルを形成している（図示せず）。それぞれのセル同士は、インターコネクタ膜で接合されている（図示せず）。
【００３９】
水蒸気供給管Ａ２０−１〜水蒸気供給管Ｂ２０−２は、第１燃料電池１−１へ新規の水蒸気を供給する。これらは、必ずしも管である必要は無く、流体を漏れなく流通可能であれば良い。
水蒸気弁１１は、水蒸気供給管Ａ２０−１〜水蒸気供給管Ｂ２０−２経由で供給される水蒸気の導入及び流量を制御する。制御は、制御部（図示せず）により行なわれる。
水蒸気供給管Ａ２０−１は、一端部を外部の水蒸気供給部（図示せず）に、他端部を水蒸気弁１１に接続している。水蒸気供給管Ｂ２０−２は、一端部を水蒸気弁１１に、他端部を第１燃料導入管Ｂ４−２及び第１燃料供給管Ａ２１−１に接続している。
【００４０】
第１燃料導入管Ａ４−１〜第１燃料導入管Ｂ４−２は、第１燃料電池１−１へ新規の燃料ガスを供給する。これらは、必ずしも管である必要は無く、流体を漏れなく流通可能であれば良い。
第１燃料弁１２は、第１燃料導入管Ａ４−１〜第１燃料導入管Ｂ４−２経由で供給される燃料ガスの導入及び流量を制御する。制御は、制御部（図示せず）により行なわれる。
第１燃料導入管Ａ４−１は、一端部を外部の燃料供給部（図示せず）に、他端部を第１燃料弁１２に接続している。第１燃料導入管Ｂ４−２は、一端部を第１燃料弁１２に、他端部を水蒸気供給管Ｂ２０−２及び第１燃料供給管Ａ２１−１に接続している。
【００４１】
第２燃料導入管Ａ５−１〜第２燃料導入管Ｂ５−２は、第２燃料電池１−２へ新規の燃料ガスを供給する。これらは、必ずしも管である必要は無く、流体を漏れなく流通可能であれば良い。
第２燃料弁１３は、第２燃料導入管Ａ５−１〜第２燃料導入管Ｂ５−２経由で供給される燃料ガスの導入及び流量を制御する。制御は、制御部（図示せず）により行なわれる。
第２燃料導入管Ａ５−１は、一端部を外部の燃料供給部（図示せず）に、他端部を第２燃料弁１３に接続している。第２燃料導入管Ｂ５−２は、一端部を第２燃料弁１３に、他端部を第１燃料供給管Ｃ２１−３及び第２燃料供給管Ａ２２−１に接続している。
【００４２】
第３燃料導入管Ａ６−１〜第３燃料導入管Ｂ６−２は、第３燃料電池１−３へ新規の燃料ガスを供給する。これらは、必ずしも管である必要は無く、流体を漏れなく流通可能であれば良い。
第３燃料弁１４は、第３燃料導入管Ａ６−１〜第３燃料導入管Ｂ６−２経由で供給される燃料ガスの導入及び流量を制御する。制御は、制御部（図示せず）により行なわれる。
第３燃料導入管Ａ６−１は、一端部を外部の燃料供給部（図示せず）に、他端部を第３燃料弁１４に接続している。第３燃料導入管Ｂ６−２は、一端部を第３燃料弁１４に、他端部を第２燃料供給管Ｃ２２−３及び第３燃料供給管Ａ２３−１に接続している。
【００４３】
第１燃料供給管Ａ２１−１〜第１燃料供給管Ｃ２１−３は、燃料ガスを第１燃料電池１−１へ供給し、使用済みの燃料ガスである燃料排ガスを第１燃料電池１−１の外部へ排出する。これらは、必ずしも管である必要は無く、流体を漏れなく流通可能であれば良い。
第１燃料供給管Ａ２１−１は、一端部を第１燃料導入管Ｂ４−２及び水蒸気導入管Ｂ２０−２に、他端部を改質器２−１に接続している。第１燃料供給管Ｂ２１−２は、一端部を改質器２−１に、他端部を第１燃料電池本体３−１に接続している。第１燃料供給管Ｃ２１−３は、一端部を第１燃料電池本体３−１に、他端部を第２燃料導入管Ｂ５−２及び第２燃料供給管Ａ２２−１に接続している。本実施例では、第１燃料電池体本３−１内に改質器２−１があるため、第１燃料供給管Ｂ２１−２は管ではない。
【００４４】
第２燃料供給管Ａ２２−３〜第２燃料供給管Ｃ２２−３は、燃料ガスを第２燃料電池１−２へ供給し、使用済みの燃料ガスである燃料排ガスを第２燃料電池１−２の外部へ排出する。これらは、必ずしも管である必要は無く、流体を漏れなく流通可能であれば良い。
第２燃料供給管Ａ２２−１は、一端部を第２燃料導入管Ｂ５−２及び第１燃料供給管Ｃ２１−２に、他端部を改質器２−２に接続している。第２燃料供給管Ｂ２２−２は、一端部を改質器２−２に、他端部を第２燃料電池本体３−２に接続している。第２燃料供給管Ｃ２２−３は、一端部を第２燃料電池本体３−２に、他端部を第３燃料導入管Ｂ６−２及び第３燃料供給管Ａ２３−１に接続している。本実施例では、第２燃料電池体本３−２内に改質器２−２があるため、第２燃料供給管Ｂ２２−２は管ではない。
【００４５】
第３燃料供給管Ａ２３−１〜第３燃料供給管Ｃ２３−３は、燃料ガスを第３燃料電池１−３へ供給し、使用済みの燃料ガスである燃料排ガスを第３燃料電池１−３の外部へ排出する。これらは、必ずしも管である必要は無く、流体を漏れなく流通可能であれば良い。
第３燃料供給管Ａ２３−１は、一端部を第３燃料導入管Ｂ６−２及び第２燃料供給管Ｃ２２−３に、他端部を改質器２−３に接続している。第３燃料供給管Ｂ２３−２は、一端部を改質器２−３に、他端部を第３燃料電池本体３−３に接続している。第３燃料供給管Ｃ２３−３は、一端部を第１燃料電池本体３−３に、他端部を外部の燃料排出部（図示せず）に接続している。本実施例では、第３燃料電池体本３−３内に改質器２−３があるため、第３燃料供給管Ｂ２３−２は管ではない。
【００４６】
第１酸化剤供給管Ａ２８−１〜第１酸化剤供給管Ｂ２８−２は、第１燃料電池本体３−１へ新規の酸化剤ガス（酸素を含むガス）を供給する。これらは、必ずしも管である必要は無く、流体を漏れなく流通可能であれば良い。
第１酸化剤弁１５は、第１酸化剤供給管Ａ２８−１〜第１酸化剤供給管Ｂ２８−２経由で供給される酸化剤ガスの導入及び流量を制御する。制御は、制御部（図示せず）により行なわれる。
第１酸化剤供給管Ａ２８−１は、一端部を第１酸化剤弁１５に、他端部を第１燃料電池本体３−１に接続している。第１酸化剤供給管Ｂ２８−２は、一端部を外部の酸化剤供給部（図示せず）に、他端部を第１酸化剤弁１５に接続している。
【００４７】
第２酸化剤供給管Ａ２９−１〜第２酸化剤供給管Ｂ２９−２は、第２燃料電池本体３−２へ新規の酸化剤ガス（酸素を含むガス）を供給する。これらは、必ずしも管である必要は無く、流体を漏れなく流通可能であれば良い。
第２酸化剤弁１６は、第２酸化剤供給管Ａ２９−１〜第２酸化剤供給管Ｂ２９−２経由で供給される酸化剤ガスの導入及び流量を制御する。制御は、制御部（図示せず）により行なわれる。
第２酸化剤供給管Ａ２９−１は、一端部を第２酸化剤弁１６に、他端部を第２燃料電池本体３−２に接続している。第２酸化剤供給管Ｂ２９−２は、一端部を外部の酸化剤供給部（図示せず）に、他端部を第２酸化剤弁１６に接続している。
【００４８】
第３酸化剤供給管Ａ３０−１〜第３酸化剤供給管Ｂ３０−２は、第３燃料電池本体３−３へ新規の酸化剤ガス（酸素を含むガス）を供給する。これらは、必ずしも管である必要は無く、流体を漏れなく流通可能であれば良い。
第３酸化剤弁１７は、第３酸化剤供給管Ａ３０−１〜第３酸化剤供給管Ｂ３０−２経由で供給される酸化剤ガスの導入及び流量を制御する。制御は、制御部（図示せず）により行なわれる。
第３酸化剤供給管Ａ３０−１は、一端部を第３酸化剤弁１７に、他端部を第３燃料電池本体３−３に接続している。第３酸化剤供給管Ｂ３０−２は、一端部を外部の酸化剤供給部（図示せず）に、他端部を第３酸化剤弁１７に接続している。
【００４９】
本発明である燃料電池システムの実施の形態の動作に関して、図面を参照して説明する。
図２は、図１の各部における燃料ガス、酸化剤ガス、改質後の燃料ガス、発電後の燃料ガスの組成（流量比）の一例を示す表である。すなわち、図２上部に示す図と図１とが対応しており、図２上部の図の（１）（図２中は○内に数字１で記載、以下（１）〜（１６）で同様）〜（１６）でのガス組成（流量比）が、図２下部の表中に流量比として表示されている。表中の数値の単位はＮｍ３／ｈであり、小数点以下一桁のみ表示している。図１と図２とを参照して動作を説明する。なお、本発明は、図２の表に示すガス組成（流量）に限られるものでは無い。
【００５０】
新規の水蒸気は、水蒸気供給部（図示せず）より、水蒸気弁１１で流量を調節されながら、水蒸気導入管Ａ２０−１−水蒸気導入管Ｂ２０−２経由で、第１燃料供給管Ａ２１−１へ入る。その時の流量は図２の表の（１）欄で示されるように、Ｈ２Ｏ：４．０Ｎｍ３／ｈである。また、新規の燃料ガス（本実施例ではメタン）は、燃料供給部（図示せず）より、第１燃料弁１２で流量を調節されながら、第１燃料導入管Ａ４−１−第１燃料供給管Ｂ４−２経由で、第１燃料供給管Ａ２１−１へ入る。その時の流量は図２の表の（２）欄で示されるように、ＣＨ４：１．０Ｎｍ３／ｈである。それらのガスは、第１燃料供給管Ａ２１−１で混合されながら、第１燃料電池１−１の改質器２−１へ供給される。
【００５１】
この時改質器２−１へ供給される新規の燃料ガス及び水蒸気の量（流量）は、水蒸気と燃料ガス中の炭素原子とのモル比（以後「Ｓ／Ｃ」ともいう）が、予め定められた値になるように制御部（図示せず）により設定・制御される。本実施例では、Ｓ／Ｃ＝４とし、水蒸気のモル量と燃料ガス（メタン）中の炭素原子のモル量との比が、４となるように、新規燃料ガスの流量を設定する。ここでは、図２の表の（３）欄で示されるように、Ｈ２Ｏ：４．０（Ｎｍ３／ｈ）／ＣＨ４：１．０（Ｎｍ３／ｈ）＝４となっている。
【００５２】
改質器２−１において、水蒸気を含む燃料ガスは、触媒により改質される。そして、水素ガス及び水蒸気を主成分とする改質された燃料ガスとなる。改質反応は、
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２      ［１］
である。ただし、［１］式は完全に反応が進んだ場合であるが、実際には完全には進まない。改質された燃料ガスの組成は、改質器２−１に供給される全ガスの組成、改質器２−１内の圧力及び温度で熱力学的に定まる値になる。ここでは、簡単のために、［１］式で示す反応が完全に進んだものとする。その時の流量比は図２の表の（４）欄で示されるように、Ｈ２：Ｈ２Ｏ：ＣＯ＝３．０：３．０：１．０（Ｎｍ３／ｈ）となる。
【００５３】
改質された燃料ガス（（４）の組成）は、第１燃料電池本体３−１の燃料極へ供給される。一方、酸化剤ガスは、酸化剤供給部（図示せず）より、第１酸化剤弁１５で流量を調節されながら、第１酸化剤導入管Ｂ２８−２−第１酸化剤導入管Ａ２８−１経由で、第１燃料電池本体３−１の空気極へ供給される。その時の酸化剤ガス（酸素）の流量は図２の表の（１４）欄で示されるように、Ｏ２：１．０Ｎｍ３／ｈである。
【００５４】
第１燃料電池本体３−１は、改質された燃料ガスと酸化剤ガスとを用いる電解質を介した電気化学反応（電池反応）により発電を行なう。発電反応は、
２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ      ［２］
２ＣＯ＋Ｏ２→２ＣＯ２      ［３］
である。［２］及び［３］式より発電により水素ガス及び一酸化炭素ガス消費され、水蒸気及び二酸化炭素ガスが生成する。図２の表において、Ｈ２：１．５Ｎｍ３／ｈ、ＣＯ：０．５Ｎｍ３／ｈが消費され、新たにＨ２Ｏ：１．５Ｎｍ３／ｈ、ＣＯ２：０．５Ｎｍ３／ｈが生成される。この時、Ｈ２とＣＯをそれぞれ５０％使用している。すなわち、第１燃料電池１−１単体での燃料利用率は５０％である。
【００５５】
第１燃料排ガス（第１燃料電池１−１の発電に使用された、改質された燃料ガスの残余分と水蒸気との混合ガス）は、水素ガスが減少し、水蒸気の量が増加する。第１燃料排ガスは、第１燃料供給管Ｃ２１−３により、第１燃料電池本体３−１（第１燃料電池１−１）から排出される。その時の流量比は図２の表の（５）欄で示されるように、Ｈ２：Ｈ２Ｏ：ＣＯ：ＣＯ２＝１．５：４．５：０．５：０．５（Ｎｍ３／ｈ）となる。
なお、第１酸化剤排ガス（第１燃料電池１−１の発電に使用された、酸化剤ガスの残余分）もまた、配管（図示せず）経由で、第１燃料電池本体３−１（第１燃料電池１−１）から排出される。
【００５６】
第１燃料電池本体３−１（第１燃料電池１−１）から排出された第１燃料排ガス（（５）の組成）は、第１燃料供給管Ｃ２１−３経由で第２燃料供給管Ａ２２−１へ入る。また、新規の燃料ガス（本実施例ではメタン）は、燃料供給部（図示せず）より、第２燃料弁１３で流量を調節されながら、第２燃料導入管Ａ５−１−第２燃料供給管Ｂ５−２経由で、第２燃料供給管Ａ２２−１へ入る。
【００５７】
この時供給される新規の燃料ガスは、本実施例では第１燃料電池１−１の場合と同様、Ｓ／Ｃ＝４となるように決定される。すなわち、新規燃料ガスの流量は、第１燃料排ガス中に含まれる水蒸気の量に基づいて、第１燃料排ガス中の水蒸気のモル量と新規の燃料ガス（メタン）中の炭素原子のモル量との比が４となるように、制御部（図示せず）により設定・制御される。ここでは、図２の表の（６）欄で示されるように、ＣＨ４：１．１Ｎｍ３／ｈである。
それらのガスは、第２燃料供給管Ａ２２−１で混合されながら、第２燃料電池１−２の改質器２−２へ供給される。
【００５８】
第１燃料排ガス中の水蒸気量は、例えば第１燃料供給管Ｃ２１−３の途中に水蒸気量を測定するセンサや簡易ガスクロメータ（図示せず）を設置する方法や、第１燃料電池１−１に供給した燃料ガス及び水蒸気の流量、改質器２−１における改質条件、第１燃料電池１−１に供給した酸化剤ガスの流量、第１燃料電池１−１において発電した電力量に基づいて、計算で求める方法などがある。
【００５９】
改質器２−２において、水蒸気を含む燃料ガス（第１燃料排ガス＋新規の燃料ガス）の組成は、図２の表の（７）欄で示されるように、Ｈ２：Ｈ２Ｏ：ＣＯ：ＣＯ２：ＣＨ４＝１．５：４．５：０．５：０．５：１．１（Ｎｍ３／ｈ）となる。
この燃料ガスは、触媒により改質される。そして、水素ガス及び水蒸気を主成分とする改質された燃料ガスとなる。改質反応は、上記［１］式の説明の通りである。この時の改質された燃料ガスの組成は、図２の表の（８）欄で示されるように、Ｈ２：Ｈ２Ｏ：ＣＯ：ＣＯ２＝４．８：３．４：１．６：０．５（Ｎｍ３／ｈ）となる。
【００６０】
改質された燃料ガス（（８）の組成）は、第２燃料電池本体３−２の燃料極へ供給される。一方、酸化剤ガスは、酸化剤供給部（図示せず）より、第２酸化剤弁１６で流量を調節されながら、第２酸化剤導入管Ｂ２９−２−第２酸化剤導入管Ａ２９−１経由で、第２燃料電池本体３−２の空気極へ供給される。その時の酸化剤ガス（酸素）の流量は図２の表の（１５）欄で示されるように、Ｏ２：１．６Ｎｍ３／ｈである。
【００６１】
第２燃料電池本体３−２は、改質された燃料ガスと酸化剤ガスとを用いる電解質を介した電気化学反応（電池反応）により発電を行なう。発電反応は、［２］及び［３］で説明した通りである。図２の表において、Ｈ２：Ｈ２Ｏ：ＣＯ：ＣＯ２＝４．８：３．４：１．６：０．５（Ｎｍ３／ｈ）である。
発電により水素ガス及び一酸化炭素ガス消費され、水蒸気及び二酸化炭素ガスが生成する。図２の表において、Ｈ２：２．４Ｎｍ３／ｈ、ＣＯ：０．８Ｎｍ３／ｈが消費され、新たにＨ２Ｏ：２．４Ｎｍ３／ｈ、ＣＯ２：０．８Ｎｍ３／ｈが生成される。この時、Ｈ２とＣＯをそれぞれ５０％使用している。すなわち、第２燃料電池１−２単体での燃料利用率は５０％である。
【００６２】
第２燃料排ガス（第２燃料電池１−２の発電に使用された、改質された燃料ガスの残余分と水蒸気との混合ガス）は、水素ガスが減少し、水蒸気の量が増加する。第２燃料排ガスは、第２燃料供給管Ｃ２２−３により、第２燃料電池本体３−２（第２燃料電池１−２）から排出される。その時の流量比は図２の表の（９）欄で示されるように、Ｈ２：Ｈ２Ｏ：ＣＯ：ＣＯ２＝２．４：５．８：０．８：１．３（Ｎｍ３／ｈ）となる。
なお、第２酸化剤排ガス（第２燃料電池１−２の発電に使用された、酸化剤ガスの残余分）もまた、配管（図示せず）経由で、第２燃料電池本体３−２（第２燃料電池１−２）から排出される。
【００６３】
第２燃料電池本体３−２（第２燃料電池１−２）から排出された第２燃料排ガス（（９）の組成）は、第２燃料供給管Ｃ２２−３経由で第３燃料供給管Ａ２３−１へ入る。また、新規の燃料ガス（本実施例ではメタン）は、燃料供給部（図示せず）より、第３燃料弁１４で流量を調節されながら、第３燃料導入管Ａ６−１−第３燃料供給管Ｂ６−２経由で、第３燃料供給管Ａ２３−１へ入る。
【００６４】
この時供給される新規の燃料ガスは、第２燃料電池１−２の場合と同様、Ｓ／Ｃ＝４となるように決定される。すなわち、新規燃料ガスの流量は、第２燃料排ガス中に含まれる水蒸気の量に基づいて、第２燃料排ガス中の水蒸気のモル量と新規の燃料ガス（メタン）中の炭素原子のモル量との比が４となるように、制御部（図示せず）により設定・制御される。ここでは、図２の表の（１０）欄で示されるように、ＣＨ４：１．４Ｎｍ３／ｈである。
それらのガスは、第３燃料供給管Ａ２３−１で混合されながら、第３燃料電池１−３の改質器２−３へ供給される。
【００６５】
第２燃料排ガス中の水蒸気量は、例えば第２燃料供給管Ｃ２２−３の途中に水蒸気量を測定するセンサや簡易ガスクロメータ（図示せず）を設置する方法や、第２燃料電池１−２に供給した燃料ガス及び水蒸気の流量、改質器２−２における改質条件、第２燃料電池１−２に供給した酸化剤ガスの流量、第２燃料電池１−２において発電した電力量に基づいて、計算で求める方法などがある。
【００６６】
改質器２−３において、水蒸気を含む燃料ガス（第２燃料排ガス＋新規の燃料ガス）の組成は、図２の表の（１１）欄で示されるように、Ｈ２：Ｈ２Ｏ：ＣＯ：ＣＯ２：ＣＨ４＝２．４：５．８：０．８：１．３：１．４（Ｎｍ３／ｈ）となる。
この燃料ガスは、触媒により改質される。そして、水素ガス及び水蒸気を主成分とする改質された燃料ガスとなる。改質反応は、上記［１］式の説明の通りである。この時の改質された燃料ガスの組成は、図２の表の（１２）欄で示されるように、Ｈ２：Ｈ２Ｏ：ＣＯ：ＣＯ２＝６．７：４．４：２．２：１．３（Ｎｍ３／ｈ）となる。
【００６７】
改質された燃料ガス（（１２）の組成）は、第３燃料電池本体３−３の燃料極へ供給される。一方、酸化剤ガスは、酸化剤供給部（図示せず）より、第３酸化剤弁１７で流量を調節されながら、第３酸化剤導入管Ｂ３０−２−第３酸化剤導入管Ａ３０−１経由で、第３燃料電池本体３−３の空気極へ供給される。その時の酸化剤ガス（酸素）の流量は図２の表の（１６）欄で示されるように、Ｏ２：２．２Ｎｍ３／ｈである。
【００６８】
第３燃料電池本体３−３は、改質された燃料ガスと酸化剤ガスとを用いる電解質を介した電気化学反応（電池反応）により発電を行なう。発電反応は、［２］及び［３］で説明した通りである。
発電により水素ガス及び一酸化炭素ガス消費され、水蒸気及び二酸化炭素ガスが生成する。図２の表において、Ｈ２：３．３Ｎｍ３／ｈ、ＣＯ：１．１Ｎｍ３／ｈが消費され、新たにＨ２Ｏ：３．３Ｎｍ３／ｈ、ＣＯ２：１．１Ｎｍ３／ｈが生成される。この時、Ｈ２とＣＯをそれぞれ５０％使用している。すなわち、第３燃料電池１−３単体での燃料利用率は５０％である。
【００６９】
第３燃料排ガス（第３燃料電池１−３の発電に使用された、改質された燃料ガスの残余分と水蒸気との混合ガス）は、水素ガスが減少し、水蒸気の量が増加する。第３燃料排ガスは、第３燃料供給管Ｃ２３−３により、第３燃料電池本体３−３（第３燃料電池１−３）から排出される。その時の流量比は図２の表の（１３）欄で示されるように、Ｈ２：Ｈ２Ｏ：ＣＯ：ＣＯ２＝３．４：７．７：１．１：２．４（Ｎｍ３／ｈ）となる。
なお、第３酸化剤排ガス（第３燃料電池１−３の発電に使用された、酸化剤ガスの残余分）もまた、配管（図示せず）経由で、第３燃料電池本体３−３（第３燃料電池１−３）から排出される。
【００７０】
第３燃料電池１−３から排出される第３燃料排ガスについて、他の機器（図示せず）と熱交換をすることにより、その熱を有効利用することが可能である。例えば、第１燃料電池１−１〜第３燃料電池１−３へ供給される新規の燃料ガス及び酸化剤ガスの加熱用や、他のコジェネレーション設備である。
また、第１燃料電池１−１〜第３燃料電池１−３〜排出される第１酸化剤排ガス〜第３酸化剤排ガスについても同様である。
【００７１】
以上のシステムにおいて、投入燃料流量と消費燃料流量との関係から、第１燃料電池１−１での燃料利用率は、４９．５％と計算される。第１燃料電池１−１及び第２燃料電池１−２を合わせた場合には、６１．４％の燃料利用率となる。更に、第１燃料電池１−１から第３燃料電池１−３までの総合燃料利用率は、６８．１％となる。すなわち、燃料電池を複数直列（ガス系）に接続することにより、単独の燃料電池の場合に比較して、燃料利用率が著しく向上している事がわかる。
【００７２】
すなわち、第１燃料電池１−１で使用した燃料ガスが、第２燃料電池１−２及び第３燃料電池１−３において再利用される。同様に、第２燃料電池１−２で使用した燃料ガスが、第３燃料電池１−３において再利用される。従って、図６や図７で示す燃料ガスの再循環と同様の効果（燃料利用率の向上）を得ることが出来る。
加えて、ブロワやエジェクタ等の付属機器や高温用の配管を用いる必要が無い。また、基本的に燃料流量のみの管理となるため、運転制御性及び付加追従性が向上する。
【００７３】
本実施例では、３つの燃料電池（第１燃料電池１−１〜第３燃料電池１−３）が接続されているが、本発明の燃料電池システムは、必ずしも３つに限られるものではない。２つ以上であれば、上記効果を得ることが可能である。
また、４つ以上の燃料電池を付加することも可能である。付加により燃料利用率の更なる向上が可能となる。
【００７４】
なお、図５に示すように、図１の燃料電池システム５０の第３燃料供給管Ｃ２３−３から排出される第３燃料排ガスを、再循環することも可能である。この場合、水蒸気導入管Ｂ２０−２の途中にエジェクタ３３を設ける。そして、第３燃料供給管Ｃ２３−３の途中から配管を分岐（再循環管Ａ３２−１〜再循環管Ｃ３２−３）し、エジェクタ３３と接続する。そして、第３燃料排ガスを再循環したい場合には、再循環管Ａ３２−１〜再循環管Ｃ３２−３の途中に設置された再循環弁Ａ１８及び再循環弁Ｂ１９を開とする。
【００７５】
これにより、燃料利用率を更に向上することが可能となる。また、燃料ガスへ供給する水蒸気を効率的に供給することが可能となる。
【００７６】
（実施例２）
本発明である燃料電池システムを利用した複合発電システムの実施の形態の構成に関して、図面を参照して説明する。
図３は、本発明である複合発電システムの実施の形態の構成を示す図である。複合発電システムは、燃料電池システム５０、ガスタービンシステム６５、蒸気タービンシステム６６、燃料供給導入管６０、燃料排出管６１、酸化剤排出管６２、酸化剤導入管Ａ６４−１〜酸化剤導入管Ｃ６４−３、導入弁６８、燃焼ガス供給管Ｂ６３−２、蒸気供給ライン７６を具備する。
ここで、ガスタービンシステム６５は、燃焼器５１、圧縮機５７とタービン５８とを有するガスタービン５６、発電機Ａ８４−１、回転軸５９、燃焼ガス供給管Ａ６３−１を具備する。
また、蒸気タービンシステム６６は、排熱回収ボイラ５２、蒸気タービン５３、発電機Ｂ８４−２、回転軸６７、復水器５４、ポンプ５５、循環管Ａ７１−１〜循環管Ｄ７１−４、排出管７２を具備する。
【００７７】
本実施例では、燃料電池システムとして、実施例１の燃料電池システム５０を用いるので、燃料利用率の向上と燃料ガスへの水蒸気供給の効率化が図られ、かつ、付属機器や高温用配管を用いない低コストなシステムである。すなわち、低コストで効率的な燃料電池システム５０を使用している。従って、それを用いた複合発電システムにおいても、低コストかつ高効率なシステムとすることが可能となる。
【００７８】
以下に各構成を詳細に説明する。
図１を参照して、燃料電池システムを利用した複合発電システムについて説明する。
燃料電池システム５０は、実施例１で説明した燃料電池システム５０である。従って、その説明を省略する。
燃料導入管６０は、燃料供給部（図示せず）から燃料電池システム５０へ燃料ガスを供給する。これは、実施例１における第１燃料導入管Ａ４−１、第２燃料導入管Ａ５−１及び第３燃料導入管Ａ６−１に対応する。図３中では、代表的に１つの燃料導入管を示している。一端部を燃料供給部（図示せず）に、他端部を燃料電池システム５０に接続している。
蒸気供給ライン７６は、排熱回収ボイラ５２（後述）から燃料電池システム５０へ水蒸気を供給する。水蒸気は、排燃焼ガス（ガスタービン５８からの排ガス）中の水蒸気を使用する。すなわち、蒸気供給ライン７６は、排燃焼ガスの一部を燃料電池システム５０へ供給する。これは、実施例１における水蒸気導入管Ａ２０−１に対応する。一端部を蒸気タービンシステム６６の排熱回収ボイラ５２に、他端部を燃料電池システム５０に接続している。
酸化剤導入管Ｂ６４−２は、ガスタービンシステム６５から燃料電池システム５０へ酸化剤ガス（本実施例では空気）を供給する。これは、実施例１における第１酸化剤供給管Ｂ２８−２、第２酸化剤供給管Ｂ２９−２及び第３酸化剤供給管Ｂ３０−２に対応する。一端部をガスタービンシステム６５の圧縮機５７に、他端部を燃料電池システム５０に接続している。
酸化剤導入管Ｃ６４−３は、酸化剤供給部（図示せず）から燃料電池システム５０へ、複合発電システムの起動時に酸化剤ガスを供給する。これは、起動時において、実施例１における第１酸化剤供給管Ｂ２８−２、第２酸化剤供給管Ｂ２９−２及び第３酸化剤供給管Ｂ３０−２に対応する。一端部を酸化剤供給部（図示せず）に、他端部を燃料電池システム５０に接続している。
導入弁６８は、酸化剤導入管Ｃ６４−３の途中にあり、複合発電システムの起動時に開く。制御部（図示せず）により、その開閉を制御される。これは、起動時において、実施例１における第１酸化剤弁１５〜第３酸化剤弁１７に対応する。
燃料排出管６１は、燃料電池システム５０からガスタービンシステム６５へ使用済みの燃料排ガスを供給する。これは、実施例１における第３燃料供給管Ｃ２３−３に対応する。一端部を燃料電池システム５０に、他端部をガスタービンシステム６５の燃焼器５１に接続している。
酸化剤排出管６２は、燃料電池システム５０からガスタービンシステム６５へ使用済みの酸化剤排ガスを供給する。これは、実施例１では図示していないが、各燃料電池本体で使用済みの各酸化剤排ガスの排出管が対応する。一端部を燃料電池システム５０に、他端部をガスタービンシステム６５の燃焼器５１に接続している。
【００７９】
ガスタービンシステム６５は、燃料電池システム５０から送出される燃料排ガス及び酸化剤排ガスを燃焼し、その燃焼ガスによりタービン５８を回転し、その回転のエネルギーにより発電機Ａ８４−１で発電を行なう。
ここで、ガスタービンシステム６５の燃焼器５１は、燃料電池システム５０から燃料排ガス及び酸化剤排ガスの供給を受ける。そして、それらを燃焼し、高温高圧の燃焼ガスを生成する。生成された燃焼ガスは、ガスタービン５６へ送出される。
ガスタービン５６のタービン５８は、燃焼器５１で生成された高温高圧の燃焼ガスの供給により、そのエネルギーを回転エネルギーに変換する（回転する）。そして、その回転エネルギーは回転軸５９により、発電機Ａ８４−１及び圧縮機５７へ伝達される。それにより、圧縮機５７が酸化剤ガスの圧縮を行なう。また、発電機Ａ８４−１が発電を行なう。タービン５８から排出された排燃焼ガスは蒸気タービンシステムへ送出される。
圧縮機５７は、酸化剤供給部（図示せず）から酸化剤ガス（酸素を含むガス、本実施例では空気）の供給を受けて、回転軸５９を介してタービン５８の回転のエネルギーを受け取る。そして、そのエネルギーにより、酸化剤ガスを圧縮して燃料電池システム５０へ送出する。
回転軸５９は、ガスタービン５６の圧縮機５７及びタービン５８、発電機Ａ８４−１の回転の軸であり、それらを相互に結合している。それにより、タービン５８の回転を圧縮機５７及び発電機Ａ８４−１へ伝達可能である。
発電機Ａ８４−１は、回転軸５９を介してタービン５８の回転のエネルギーを受け取る。そして、そのエネルギーを電磁誘導作用で電気エネルギーへ変換することにより発電を行なう。
【００８０】
燃焼ガス供給管Ａ６３−１は、燃焼器５１で燃焼により生成された燃焼ガスをタービン５８に供給する。一端部を燃焼器５１に、他端部をタービン５８に接続している。
燃焼ガス供給管Ｂ６３−２は、タービン５８で使用された燃焼ガスである燃焼排ガスを、排熱回収ボイラ５２に供給する。一端部をタービン５８に、他端部をはい熱回収ボイラ５２に接続している。
酸化剤導入管Ａ６４−１は、酸化剤供給部（図示せず）から圧縮機５７へ酸化剤（本実施例では空気）を供給する。
【００８１】
蒸気タービンシステム６６は、ガスタービンシステム６５から送出される排燃焼ガスを用いて高温高圧の水蒸気を生成し、そのエネルギーにより蒸気タービン５３を回転し、その回転のエネルギーにより発電機Ｂ８４−２で発電を行なう。
ここで、蒸気タービンシステム６６の排熱回収ボイラ５２は、ガスタービンシステム６５から供給される高温の排燃焼ガスを用いて、内部の配管中の水を高温高圧の水蒸気に変換する。そして、その水蒸気を蒸気タービン５３へ供給する。
蒸気タービン５３は、排熱回収ボイラ５２から供給された高温高圧の水蒸気のエネルギーを回転のエネルギーに変換する。その回転のエネルギーは、回転軸６７により発電機Ｂ８４−２へ伝達される。
回転軸６７は、蒸気タービン５３と発電機Ｂ８４−２の回転の軸であり、それらを相互に結合している。それにより、蒸気タービン５３の回転を発電機Ｂ８４−２へ伝達可能である。
発電機Ｂ８４−２は、回転軸６７を介して蒸気タービン５３の回転のエネルギーを受け取る。そして、そのエネルギーを電磁誘導作用で電気エネルギーへ変換することにより発電を行なう。
復水器５４は、蒸気タービン５３で使用された水蒸気の温度を下げて水に戻す熱交換器である。熱交換により得られた熱エネルギーは、他の機器により使用可能である。
ポンプ５５は、復水器５４で生成された水を排熱回収ボイラ５２へ供給する。
【００８２】
循環管Ａ７１−１〜循環管Ｄ７１−４は、排熱回収ボイラ５２から蒸気タービン５３−復水器５４−ポンプ５５と経由して、排熱回収ボイラ５２に戻る水（水蒸気）の循環用の流路である。循環管Ａ７１−１は、一端部を排熱回収ボイラ５２に、他端部を蒸気タービン５３に接続している。循環管Ｂ７１−２は、一端部を蒸気タービン５３に、他端部を復水器５４に接続している。循環管Ｃ７１−３は、一端部を復水器５４に、他端部をポンプ５５に接続している。循環管Ｄ７１−４は、一端部をポンプ５５に、他端部を排熱回収ボイラ５２に接続している。
排出管７２は、排熱回収ボイラ５２において、熱回収された燃焼排ガスを外部へ排出する。
【００８３】
酸化剤ガスは、酸素を含むガスである。本実施例では、空気である。
燃料ガスは、水素を含むガスや、ＬＮＧ及びＬＰＧのような炭化水素を含む可燃性のガスである。本実施例では、メタンガスである。
【００８４】
次に、本発明である複合発電システムの実施の形態における動作について、図面を参照して説明する。
まず、図３を参照して、起動の動作について説明する。
Ｉ）ガスタービンシステム６５の起動
（１）燃料ガスを、燃料電池システム５０経由で燃焼器５１に供給する。この段階では、水蒸気が生成されていないため、燃料電池システム５０における発電は行なわれない。
（２）一方、酸化剤ガスを、導入弁６８−燃料電池システム５０経由で燃焼器５１に供給する。
（３）ガスタービンシステム６５の燃焼器５１において、燃料ガス及び酸化剤ガスが燃焼され、高温高圧の燃焼ガスが生成される。生成された燃焼ガスは、タービン５８に供給される。
（４）供給される高温高圧の燃焼ガスにより、タービン５８が回転される。その回転により、圧縮機５７及び発電機８４−１を動作させる。
（５）圧縮機５７は、タービン５８の回転により回転し、酸化剤ガス（空気）を吸引し、圧縮し、燃料電池システム５０へ向けて送出する。
（６）発電機Ａ８４−１は、タービン５８の回転により回転子が回転して、電磁誘導作用により発電が行なわれる。
（７）タービン５８において、回転に使用された燃焼ガスは、排燃焼ガスとして蒸気タービンシステム６６の排熱回収ボイラ５２へ送出される。
以上の動作により、ガスタービンシステム６５が起動される。
【００８５】
ＩＩ）蒸気タービンシステム６６の起動
（１）排熱回収ボイラ５２は、タービン５８から送出された排燃焼ガスにより、水及び水蒸気を加熱し、高温高圧の水蒸気とする。そして、その水蒸気を蒸気タービン５３に供給する。
（２）供給される高温高圧の水蒸気により、蒸気タービン５３が回転される。その回転により、発電機Ｂ８４−２を動作させる。
（３）発電機Ｂ８４−２は、蒸気タービン５３の回転により回転子が回転して、電磁誘導作用により発電が行なわれる。
（４）蒸気タービン５３において、回転に使用された水蒸気は、復水器５４へ送出される。
（５）復水器５４で水に戻された後、ポンプ５５により強制的に排熱回収ボイラ５２に還流する。
以上の動作により、蒸気タービンシステム６６が起動される。
ＩＩＩ）燃料電池システム５０の起動
（１）高温の水蒸気を含んだ排燃焼ガスが、排熱回収ボイラ５２から供給される。この時蒸気供給ライン７６（実施例１の水蒸気導入管Ａ２０−１）経由で供給される排燃焼ガスの量は、その内部に含まれる水蒸気のモル量と、燃料導入管６０（実施例１の第１燃料導入管Ａ４−１）から供給される燃料ガスのモル比とが予め設定された値になるように決定される。ただし、燃料導入管６０（実施例１の第１燃料導入管Ａ４−１）から供給される新規の燃料ガスを、調整するようにしても良い。排燃焼ガスによりにより、燃料ガスが加湿される（水蒸気を含むようになる）。また、排燃焼ガスにより、燃料電池システム５０内の改質器及び燃料電池本体が加熱される。
（２）一方、ガスタービンシステム６５の起動により、酸化剤ガスが圧縮機５７に吸引され、燃料電池システム５０へ供給されるようになる。それに伴い、導入弁６８を閉止する。
（３）高温且つ加湿された燃料ガスにより、燃料電池システム５０の温度が上昇することにより、燃料ガスの改質が行なわれる。そして、燃料電池本体へ改質された燃料ガスが供給される。
（４）燃料電池本体は、改質された燃料ガスと酸化剤ガスとの供給を受けて、外部負荷との接続により発電を行なう。
以上の動作により、燃料電池システム５０が起動される。
【００８６】
以上（Ｉ）〜（ＩＩＩ）の動作により、複合発電システムが起動される。なお、本発明は、上記起動方法に限定されるものでは無い。
【００８７】
複合発電システムの定常運転の動作は、燃料電池システム５０、ガスタービンシステム６５及び蒸気タービンシステム６６の起動終了時における各動作の状態を継続して行なわれる。ただし、燃料電池システム５０の動作については、実施例１の動作と同様である。
【００８８】
なお、停止方法については、起動方法の逆を行なえば良いので、その説明を省略する。
【００８９】
本発明により、燃料電池システムにおいて、燃料利用率の向上を図ることができる。また、燃料電池システムでの燃料ガスへの水蒸気を、排熱回収ボイラ（あるいは、ガスタービンでも良い）から得ることにより、水蒸気供給の効率化を図ることが可能となる。
【００９０】
本実施例において、燃料電池システムの燃料排ガスおよび酸化剤排ガスは燃焼器５１で燃焼した後、ガスタービン５８へ導入されている。しかし、その熱を熱交換器により熱回収し、他の熱を利用することが可能な設備に供給することも可能である。その概念的な構成図を示したのが図４である。
図４においては、燃焼器５１の燃焼ガスは、排ガス供給管８３経由で排熱回収ボイラ５２へ直接供給される。そして、排熱回収ボイラ５２において水（水蒸気）と熱交換することにより熱回収される。熱を回収した水蒸気・温水は、他の設備において使用される。使用後の水は、再びポンプ５５により、排熱回収ボイラ５２へ循環される。他の設備としては、吸収式冷凍器、ヒートポンプ、暖房用熱交換器、給湯器などがある。
これにより、ガスタービンや蒸気タービン以外の設備においても、燃料電池システムの燃料排ガス及び酸化剤排ガスを有効利用することが可能となる。すなわち、コジェネレーションシステムを組むことが出来る。
【００９１】
【発明の効果】
発明により、低コストで、燃料電池システムにおける燃料利用率の向上と、燃料ガスへの水蒸気の供給の効率化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明である燃料電池システムの実施の形態の構成を示す図である。
【図２】本発明である燃料電池システムの実施の形態に関わるガス組成を示す表である。
【図３】本発明である複合発電システムの実施の形態の構成を示す図である。
【図４】本発明である複合発電システムの他の実施の形態の構成を示す図である。
【図５】本発明である燃料電池システムの他の実施の形態の構成を示す図である。
【図６】従来技術の構成を示す図である。
【図７】従来技術の他の構成を示す図である。
【符号の説明】
１−１    第１燃料電池
１−２    第２燃料電池
１−３    第３燃料電池
２−１    第１改質器
２−２    第２改質器
２−３    第３改質器
３−１    第１燃料電池本体
３−２    第２燃料電池本体
３−３    第３燃料電池本体
４−１    第１燃料導入管Ａ
４−２    第１燃料導入管Ｂ
５−１    第２燃料導入管Ａ
５−２    第２燃料導入管Ｂ
６−１    第３燃料導入管Ａ
６−２    第３燃料導入管Ｂ
１１    水蒸気弁
１２    第１燃料弁
１３    第２燃料弁
１４    第３燃料弁
１５    第１酸化剤弁
１６    第２酸化剤弁
１７    第３酸化剤弁
１８    再循環弁Ａ
１９    再循環弁Ｂ
２０−１    水蒸気供給管Ａ
２０−２    水蒸気供給管Ｂ
２１−１    第１燃料供給管Ａ
２１−２    第１燃料供給管Ｂ
２１−３    第１燃料供給管Ｃ
２２−３    第２燃料供給管Ａ
２２−２    第２燃料供給管Ｂ
２２−３    第２燃料供給管Ｃ
２３−１    第３燃料供給管Ａ
２３−２    第３燃料供給管Ｂ
２３−３    第３燃料供給管Ｃ
２８−１    第１酸化剤供給管Ａ
２８−２    第１酸化剤供給管Ｂ
２９−１    第２酸化剤供給管Ａ
２９−２    第２酸化剤供給管Ｂ
３０−１    第３酸化剤供給管Ａ
３０−２    第３酸化剤供給管Ｂ
３２−１    再循環管Ａ
３２−２    再循環管Ｂ
３２−３    再循環管Ｃ
３３    エジェクタ
５０    燃料電池システム
５１    燃焼器
５２    排熱回収ボイラ
５３    蒸気タービン
５４    復水器
５５    ポンプ
５６    ガスタービン
５７    圧縮機
５８    タービン
５９    回転軸
６０    燃料供給導入管
６１    燃料排出管
６２    酸化剤排出管
６３−１    燃焼ガス供給管Ａ
６３−２    燃焼ガス供給管Ｂ
６４−１    酸化剤導入管Ａ
６４−２    酸化剤導入管Ｂ
６４−３    酸化剤導入管Ｃ
６５    ガスタービンシステム
６６    蒸気タービンシステム
６７    回転軸
６８    導入弁
７１−１    循環管Ａ
７１−２    循環管Ｂ
７１−３    循環管Ｃ
７１−４    循環管Ｄ
７２    排出管
７６    蒸気供給ライン
８４−１    発電機Ａ
８４−２    発電機Ｂ
１０１    燃料電池
１０２    改質器
１０３    燃料電池本体
１０４    ブロワ
１０５    熱交換器
１０６    ヒータ
１０７    エジェクタ
１１１    燃料導入管
１１２    燃料循環管
１１２−１    燃料循環管Ａ
１１２−２    燃料循環管Ｂ
１１２−３    燃料循環管Ｃ
１１２−４    燃料循環管Ｄ
１１３    燃料排出管
１１４−１    燃料供給管Ａ
１１４−２    燃料供給管Ｂ
１１４−３    燃料供給管Ｃ
１１５    酸化剤供給管
【図１】
0003917838.tif 000002
【図２】
0003917838.tif 000003
【図３】
0003917838.tif 000004
【図４】
0003917838.tif 000005
【図５】
0003917838.tif 000006
【図６】
0003917838.tif 000007
【図７】
0003917838.tif 000008