JP2005108509A - 燃料電池発電システム - Google Patents

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Abstract

【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。
【解決手段】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において、第二の燃料電池セルスタック９の燃料極６の排出ガスと空気極８の排出ガスを燃焼させる燃焼器９６を設け、この燃焼器９６の燃焼熱を利用して水蒸気を発生する水蒸気発生器９５から改質器３へ水蒸気を供給できる構成となし、水蒸気改質反応に必要な水蒸気の不足を抑制し、安定に発電することができる構造にする。本発明の第二の燃料電池セルスタックとしては、ＣＯ選択酸化器や水分凝縮器が不要な発電システムにおいて、例えば、りん酸形燃料電池セルスタック９または固体高分子形燃料電池セルスタックなどが有効に用いられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、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に関するものである。
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に発電を行う従来の燃料電池発電システムを示す構成図である（例えば、特許文献１参照）。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りん酸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、改質器、固体酸化物形燃料電池セルスタック、ＣＯシフトコンバータ、りん酸形燃料電池セルスタック、出力調整器、流量制御弁、空気供給用ブロア、燃焼器、および配管類である。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はりん酸形燃料電池セルスタック用改質ガス、６は燃料極、７はりん酸電解質、８は空気極、９は第二の燃料電池セルスタックであるりん酸形燃料電池セルスタックであり、このりん酸形燃料電池セルスタック９は、燃料極６、りん酸電解質７、および空気極８を構成要素とする。１０はりん酸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、１３は空気供給用ブロア、１７はりん酸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はりん酸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、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はりん酸形燃料電池セルスタック用空気、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、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、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、および空気極５６を構成要素とする。５８は固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気、５９は改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０の供給量を制御する流量制御弁、６０は燃料極５４から排出され改質器リサイクルに用いられる改質器リサイクル用燃料極排出ガス、６１は燃料極５４から排出されるすべての燃料極排出ガスであり、この燃料極排出ガス６１は改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０と排出用燃料極排出ガス６４とに分配される。６２は固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気５８の供給量を制御する流量制御弁、６３は空気極５６から排出される空気極排出ガス、６４は排出用燃料極排出ガス、７４は水素豊富な改質ガス２７のＣＯシフトコンバータ４への供給量を制御する流量制御弁、７５は水素豊富な改質ガス２７の固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極５４への供給量を制御する流量制御弁、８６は出力調整器、８７は負荷、８８は燃料電池直流出力、８９は送電端交流出力である。
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。
図１９において、りん酸形燃料電池セルスタック９が一組の燃料極６、りん酸電解質７、および空気極８からなる単セルスタック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、および空気極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。
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、あらかじめ設定された燃料電池直流出力２２の電池電流およ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の電池電流およ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。
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の改質触媒とりん酸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添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よ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、あらかじめ設定された流量制御弁３７の開度（すなわち、燃料である天然ガス１の供給量）と流量制御弁５１の開度（すなわち、脱硫器リサイクル用改質ガス５０の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁５１の開度を制御することによって、燃料である天然ガス１の供給量に見合った値に設定する。硫化水素と硫化亜鉛の生成反応は吸熱反応であり、反応に必要な反応熱は、後述する発熱反応であるＣＯシフトコンバータ４での水性シフト反応によって発生する熱をＣＯシフトコンバータ４から脱硫器２に供給することによって賄う。
脱硫器２で脱硫された脱硫天然ガス２９は、固体酸化物形燃料電池セルスタック５７での電池反応により生成した水蒸気を含む改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０と混合し、改質器リサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガス２８として改質器３に供給する。改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０の供給量は、あらかじ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。
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（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。
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、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、あらかじ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。
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、あらかじ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。
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（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）
(1/2)Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−………（化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（化３）式および（化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中の水素および一酸化炭素と反応し、水蒸気および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（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８８として取り出すことができる。
（化２）式と（化３）式、（化２）式と（化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（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、下記（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＋(1/2)Ｏ２→Ｈ２Ｏ………（化５）
ＣＯ＋(1/2)Ｏ２→ＣＯ２………（化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で直流から交流の変換を行っているが、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。
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。
燃料極５４で電池反応により生成した水蒸気を含む固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極排出ガス６１の一部は、前述したように改質器３での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な水蒸気を供給するために、改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０として脱硫天然ガス２９と混合して改質器３に供給する。固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の燃料極排出ガス６１の残りは、排出用燃料極排出ガス６４として排出する。
水素豊富な改質ガス２７中にはりん酸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（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………（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。
ＣＯシフトコンバータ４でつくられた一酸化炭素濃度１％以下に低減させた改質ガス２６の一部は、前述したように脱硫器リサイクル用改質ガス５０として脱硫器２に供給し、残りは、りん酸形燃料電池セルスタック用改質ガス５としてりん酸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、りん酸形燃料電池セルスタック用空気３２としてりん酸形燃料電池セルスタック９の空気極８に供給する。りん酸形燃料電池セルスタック９の空気極８へのりん酸形燃料電池セルスタック用空気３２の供給量は、あらかじめ設定された燃料電池直流出カ２２の電池電流と流量制御弁１０の開度（すなわち、りん酸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。りん酸形燃料電池セルスタック９の発電温度は、１９０℃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。
りん酸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、りん酸形燃料電池セルスタック用改質ガス５中に含まれる水素の８０％が、下記（化８）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８）
燃料極６で生成した水素イオンは、りん酸電解質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。りん酸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からりん酸電解質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、および空気極８に供給されたりん酸形燃料電池セルスタック用空気３２中の酸素が、下記（９）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＋＋(1/2)Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ………（化９）
上記（化８）式と（化９）式をまとめると、りん酸形燃料電池セルスタック９の電池反応は、下記（化１０）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(1/2)Ｏ２→Ｈ２Ｏ………（化１０）
りん酸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。
りん酸形燃料電池セルスタック用空気３２は、りん酸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９）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９の空気極排出ガス１７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５は、りん酸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８）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９の燃料極排出ガス１９として排出する。
次に、前述したような従来の燃料電池発電システムの間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。
特開平８−４５５２３号公報
本発明の解決しようとする課題は、従来の例えば図１９に示した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。
本発明の目的は、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。
前記本発明の目的を達成するために、本発明においては、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作る改質器と、
前記改質ガス中の水素、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熱を前記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、
前記第二の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の燃料、水素、および一酸化炭素を酸素と燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器の燃焼熱を利用して水を水蒸気に変換して前記改質器へ供給する水蒸気発生器とを、少なくとも具備する燃料電池発電システムとするものである。
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作る改質器と、前記改質ガス中の水素、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熱を前記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んだ燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、
前記第一の燃料電池セルスタックの前記燃料極排出ガス中の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、
前記第二の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の燃料、水素、および一酸化炭素を酸素と燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器の燃焼熱を利用して水を水蒸気に変換して前記改質器へ供給する水蒸気発生器と、を少なくとも具備する燃料電池発電システムとするものである。
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および一酸化炭素を生成させると共に、前記燃料極で生成した水素、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、
前記第二の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の燃料、水素、および一酸化炭素を酸素と燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器の燃焼熱を利用して水を水蒸気に変換して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水蒸気発生器と、を少なくとも具備する燃料電池発電システムとするものである。
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作る改質器と、
前記改質ガス中の水素、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熱を前記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んだ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、
前記水素分離器の排出ガス中の燃料、水素、および一酸化炭素を酸素と燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器の燃焼熱を利用して水を水蒸気に変換して前記改質器へ供給する水蒸気発生器と、を少なくとも具備する燃料電池発電システムとするものである。
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作る改質器と、
前記改質ガス中の水素、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熱を前記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んだ燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、
前記第一の燃料電池セルスタックの前記燃料極排出ガス中の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、
前記水素分離器の排出ガス中の燃料、水素、および一酸化炭素を酸素と燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器の燃焼熱を利用して水を水蒸気に変換して前記改質器へ供給する水蒸気発生器と、を少なくとも具備する燃料電池発電システムとするものである。
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および一酸化炭素を生成させると共に、前記燃料極で生成した水素、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、
前記水素分離器の排出ガス中の燃料、水素、および一酸化炭素を酸素と燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器の燃焼熱を利用して水を水蒸気に変換して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水蒸気発生器と、を少なくとも具備する燃料電池発電システムとするものである。
また、請求項７に記載のように、
請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、前記燃焼器に空気を供給する燃料電池発電システムとするものである。
また、請求項８に記載のように、
請求項１ないし請求項７のいずれか１項において、前記燃焼器に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燃料電池発電システムとするものである。
また、請求項９に記載のように、
請求項１ないし請求項８のいずれか１項において、前記燃焼器に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燃料電池発電システムとするものである。
また、請求項１０に記載のように、
請求項１ないし請求項９のいずれか１項において、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であり、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。
また、請求項１１に記載のように、
請求項１ないし請求項９のいずれか１項において、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燃料電池発電システムとするものである。
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。
〈実施例１〉
図１は、本発明による燃料電池発電システムの一実施の形態を示す構成図であり、本発明を実施するための最良の形態として例示するものであって、これを〈実施例１〉とする。
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、９０は補給水、９１は補給水ポンプ、９２は水タンク、９３は水蒸気発生器用水供給ポンプ、９４は水、９５は水蒸気発生器、９６は燃焼器、９７は燃焼器排出ガス、９８は水蒸気、９９は水蒸気９８の供給量を制御する流量制御弁である。
図１を用いて本実施例１を説明する。本実施例は、図１９に示した従来の燃料電池発電システムとは、図１に示したようにりん酸形燃料電池セルスタック９の燃料極排出ガス１９と空気極排出ガス１７を供給して燃焼反応を行わせる燃焼器９６と、補給水ポンプ９１で供給される補給水９０を貯蔵する水タンク９２と、水タンク９２から水蒸気発生器用水供給ポンプ９３で供給した水９４を燃焼器９６の燃焼熱で気化させて水蒸気９８を生成させる水蒸気発生器９５を備え、水蒸気発生器９５で発生した水蒸気９８を改質器３に供給する点が大きく異なる。
次に、本実施例の作用について、図１を参照して説明する。補給水ポンプ９１を作動させ、外部から補給水９０を水タンク９２に供給する。りん酸形燃料電池セルスタック９の燃料極排出ガス１９とりん酸形燃料電池セルスタック９の空気極排出ガス１７を燃焼器９６に供給し、りん酸形燃料電池セルスタック９の燃料極排出ガス１９中の未反応燃料および未反応水素を、りん酸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させ、燃焼器排出ガス９７を排出する。燃焼器９６の燃焼熱を利用して水タンク９２から水蒸気発生器９５に供給した水９４を気化させることによって水蒸気９８を生成させる。水蒸気発生器９５で生成させた水蒸気９８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２８に混ぜて改質器３に供給する。水蒸気９８の供給量は、あらかじ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）および流量制御弁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９９の開度（すなわち、水蒸気９８の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁９９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。
本実施例においては、燃焼器９６の燃料としてりん酸形燃料電池セルスタック９の燃料極排出ガス１９を利用し、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給することがないので、水蒸気９８を供給するために、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。
図１に示した実施例１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、水蒸気発生器９５で燃焼器９６の燃焼熱を利用して生成させた水蒸気９８を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３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。
〈実施例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例（これを実施例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においては、１００は燃焼用空気１０１の供給量を制御する流量制御弁、１０１は燃焼用空気である。
図２を用いて実施例２を説明する。本実施例は、図１に示した実施例１とは、図２に示したように、りん酸形燃料電池セルスタック９の空気極排出ガス１７を燃焼器９６に供給する代わりに、燃焼器用空気１０１を燃焼器９６に供給する点が大きく異なる。
次に、本実施例の作用について、図２を参照して説明する。りん酸形燃料電池セルスタック９の燃料極排出ガス１９と燃焼用空気１０１を燃焼器９６に供給し、りん酸形燃料電池セルスタック９の燃料極排出ガス１９中の未反応燃料および未反応水素を、燃焼用空気１０１中の酸素と燃焼させる。燃焼器９６への燃焼用空気１０１の供給量は、あらかじめ設定された流量制御弁９９の開度（すなわち、水蒸気９８の供給量）と流量制御弁１００の開度（すなわち、燃焼用空気１０１の供給量）の関係に基づいて、水蒸気９８の供給量に見合った値に設定する。
本実施例においても、燃焼器９６の燃料としてりん酸形燃料電池セルスタック９の燃料極排出ガス１９を利用し、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給することがないので、水蒸気９８を供給するために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。
図２に示した本実例では、図１に示した実施例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、水蒸気発生器９５で燃焼器９６の燃焼熱を利用して生成させた水蒸気９８を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３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。
〈実施例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例（これを実施例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、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を用いて実施例３を説明する。本実施例による燃料電池発電システムは、図１に示した実施例１とは、図３に示したように、りん酸形燃料電池セルスタック９の空気極排出ガス１７を燃焼器９６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を燃焼器９６に供給する点が大きく異なる。
次に、本実施例の作用について、図３を参照して説明する。りん酸形燃料電池セルスタック９の燃料極排出ガス１９と固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の空気極排出ガス６３を燃焼器９６に供給し、りん酸形燃料電池セルスタック９の燃料極排出ガス１９中の未反応燃料および未反応水素を、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させる。
本実施例においても、燃焼器９６の燃料としてりん酸形燃料電池セルスタック９の燃料極排出ガス１９を利用し、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給することがないので、水蒸気９８を供給するために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。
図３に示した本実施例では、図１に示した実施例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、水蒸気発生器９５で燃焼器９６の燃焼熱を利用して生成させた水蒸気９８を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３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。
〈実施例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例（これを実施例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、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、１１１は脱硫器リサイクル用燃料極排出ガス、１１２は脱硫器リサイクル用燃料極排出ガス１１１の供給量を制御する流量制御弁、１１３はＣＯシフトコンバータ用燃料極排出ガス、１１４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、１１５はりん酸形燃料電池セルスタック用燃料極排出ガスを表す。
図４を用いて実施例４を説明する。本実施例は、図１に示した実施例１とは、図４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１１３をＣＯシフトコンバータ４に供給する点が大きく異なる。
次に、本実施例の作用について、図４を参照して説明する。本実施例では、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とＣＯシフトコンバータ用燃料極排出ガス１１３に分配され、それぞれ改質器３とＣＯシフトコンバータ４に供給される。
脱硫器２での硫化水素の生成に必要な水素を供給するために、ＣＯシフトコンバータ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１１４の一部を、脱硫器リサイクル用燃料極排出ガス１１１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１１１の供給量は、あらかじ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１１２の開度（すなわち、脱硫器リサイクル用燃料極排出ガス１１１の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１１２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。
ＣＯシフトコンバータ４で作られた一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた燃料極排出ガス１１４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１１１として脱硫器２に供給し、残りは、りん酸形燃料電池セルスタック用燃料極排出ガス１１５としてりん酸形燃料電池セルスタック９の燃料極６に供給する。
本実施例においても、燃焼器９６の燃料としてりん酸形燃料電池セルスタック９の燃料極排出ガス１９を利用し、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給することがないので、水蒸気９８を供給するために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。
図４に示した実施例４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の電池電流より多い場合には、水蒸気発生器９５で燃焼器９６の燃焼熱を利用して生成させた水蒸気９８を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３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。
〈実施例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例（これを実施例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、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を用いて実施例５を説明する。本実施例は、図４に示した実施例４とは、図５に示したように、りん酸形燃料電池セルスタック９の空気極排出ガス１７を燃焼器９６に供給する代わりに、燃焼器用空気１０１を燃焼器９６に供給する点が大きく異なる。
次に、本実施例の作用について、図５を参照して説明する。りん酸形燃料電池セルスタック９の燃料極排出ガス１９と燃焼用空気１０１を燃焼器９６に供給し、りん酸形燃料電池セルスタック９の燃料極排出ガス１９中の未反応燃料および未反応水素を、燃焼用空気１０１中の酸素と燃焼させる。燃焼器９６への燃焼用空気１０１の供給量は、あらかじめ設定された流量制御弁９９の開度（すなわち、水蒸気９８の供給量）と流量制御弁１００の開度（すなわち、燃焼用空気１０１の供給量）の関係に基づいて、水蒸気９８の供給量に見合った値に設定する。
本実施例においても、燃焼器９６の燃料としてりん酸形燃料電池セルスタック９の燃料極排出ガス１９を利用し、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給することがないので、水蒸気９８を供給するために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。
図５に示した実施例５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の電池電流より多い場合には、水蒸気発生器９５で燃焼器９６の燃焼熱を利用して生成させた水蒸気９８を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３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。
〈実施例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例（これを実施例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、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を用いて実施例６を説明する。本実施例は、図４に示した実施例４とは、図６に示したように、りん酸形燃料電池セルスタック９の空気極排出ガス１７を燃焼器９６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を燃焼器９６に供給する点が大きく異なる。
次に、本実施例の作用について、図６を参照して説明する。りん酸形燃料電池セルスタック９の燃料極排出ガス１９と固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の空気極排出ガス６３を燃焼器９６に供給し、りん酸形燃料電池セルスタック９の燃料極排出ガス１９中の未反応燃料および未反応水素を、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させる。
本実施例においても、燃焼器９６の燃料としてりん酸形燃料電池セルスタック９の燃料極排出ガス１９を利用し、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給することがないので、水蒸気９８を供給するために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。
図６に示した実施例６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の電池電流より多い場合には、水蒸気発生器９５で燃焼器９６の燃焼熱を利用して生成させた水蒸気９８を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３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。
〈実施例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例（これを実施例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、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、１２０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、１２１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１２０の供給量を制御する流量制御弁、１２２は固体酸化物形燃料電池セルスタックリサイクル用燃料極排出ガスと脱硫天然ガスの混合ガスを表す。
図７を用いて実施例７を説明する。本実施例は、図４に示した実施例４とは、図７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１２２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。
次に、本実施例の作用について、図７を参照して説明する。本実施例では、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１２０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渥合ガス１２２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１２０の供給量は、あらかじ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１２１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１２２の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１２１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１２２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。
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前記（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。
本実施例においても、燃焼器９６の燃料としてりん酸形燃料電池セルスタック９の燃料極排出ガス１９を利用し、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給することがないので、水蒸気９８を供給するために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。
図７に示した実施例７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りん酸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、水蒸気発生器９５で燃焼器９６の燃焼熱を利用して生成させた水蒸気９８を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１２２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１２２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。
〈実施例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例（これを実施例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、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。
図８を用いて実施例８を説明する。本実施例は、図７に示した実施例７とは、図８に示したように、りん酸形燃料電池セルスタック９の空気極排出ガス１７を燃焼器９６に供給する代わりに、燃焼器用空気１０１を燃焼器９６に供給する点が大きく異なる。
次に、本実施例の作用について、図８を参照して説明する。りん酸形燃料電池セルスタック９の燃料極排出ガス１９と燃焼用空気１０１を燃焼器９６に供給し、りん酸形燃料電池セルスタック９の燃料極排出ガス１９中の未反応燃料および未反応水素を、燃焼用空気１０１中の酸素と燃焼させる。燃焼器９６への燃焼用空気１０１の供給量は、あらかじめ設定された流量制御弁９９の開度（すなわち、水蒸気９８の供給量）と流量制御弁１００の開度（すなわち、燃焼用空気１０１の供給量）の関係に基づいて、水蒸気９８の供給量に見合った値に設定する。
本実施例においても、燃焼器９６の燃料としてりん酸形燃料電池セルスタック９の燃料極排出ガス１９を利用し、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給することがないので、水蒸気９８を供給するために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。図８に示した実施例８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りん酸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、水蒸気発生器９５で燃焼器９６の燃焼熱を利用して生成させた水蒸気９８を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１２２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１２２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。
〈実施例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例（これを実施例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、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。
図９を用いて実施例９を説明する。本実施例は、図７に示した実施例７とは、図９に示したように、りん酸形燃料電池セルスタック９の空気極排出ガス１７を燃焼器９６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を燃焼器９６に供給する点が大きく異なる。
次に、本実施例の作用について、図９を参照して説明する。りん酸形燃料電池セルスタック９の燃料極排出ガス１９と固体酸化物形燃料電池セルスタック５７の空気極排出ガス６３を燃焼器９６に供給し、りん酸形燃料電池セルスタック９の燃料極排出ガス１９中の未反応燃料および未反応水素を、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させる。
本実施例においても、燃焼器９６の燃料としてりん酸形燃料電池セルスタック９の燃料極排出ガス１９を利用し、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給することがないので、水蒸気９８を供給するために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。
図９に示した実施例９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りん酸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、水蒸気発生器９５で燃焼器９６の燃焼熱を利用して生成させた水蒸気９８を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１２２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１２２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。
〈実施例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例（これを実施例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、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１３０は水素分離器用改質ガス、１３１は水素分離器、１３２は水素分離器排出ガス、１３６は水素、１３７は燃料極、１３８は固体高分子電解質、１３９は空気極、１４０は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１４０は、燃料極１３７、固体高分子電解質１３８、および空気極１３９を構成要素とする。１４１は固体高分子形燃料電池セルスタック用空気１４２の供給量を制御する流量制御弁、１４２は固体高分子形燃料電池セルスタック用空気、１４３は空気極排出ガス、１４４は燃料極水素排出ガス、１４５はパージ弁、１４６はパージガス、１４７は出力調整器、１４８は負荷、１４９は燃料電池直流出力、１５０は送電端交流出力、１５１は電池反応による生成水を表す。
図１０を用いて実施例１０を説明する。本実施例は、図１に示した実施例１とは、図１０に示したように、りん酸形燃料電池セルスタック９の代わりに水素分離器１３１と固体高分子形燃料電池セルスタック１４０を設けた点が大きく異なる。
次に、本実施例の作用について、図１０を参照して説明する。水素分離器用改質ガス１３０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１３１に供給され、水素１３６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１３０の加圧を行う。水素１３６は、固体高分子形燃料電池セルスタック１４０の燃料極１３７に供給する。
固体高分子形燃料電池セルスタック１４０の燃料極１３７では、白金系電極触媒の働きで、水素１３６の８０％が、下記（化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−………（化１１）
燃料極１３７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１３８の内部に移動し、空気極１３９に到達する。一方、燃料極１３７で生成した電子は、外部回路を移動し、空気極１３９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１４９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１４０の空気極１３９では、白金系電極触媒の働きで、燃料極１３７から固体高分子電解質１３８の内部を空気極１３９に移動してきた水素イオン、燃料極１３７から外部回路を空気極１３９に移動してきた電子、および空気極１３９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１４２中の酸素が、下記（化１２）式に示す空気極反応により反応し、水が性成する。
（空気極反応）
２Ｈ＋＋(1/2)Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ………（化１２）
固体高分子形燃料電池セルスタック用空気１４２の供給量は、あらかじめ設定した燃料電池直流出力１４９の電池電流と流量制御弁１４１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１４２の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１４１の開度を制御することによって、燃料電池直流出力１４９の電池電流に見合った値に設定する。
（化１１）式と（化１２）式をまとめると、固体高分子形燃料電池セルスタック１４０の電池反応は、下記（化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＋(1/2)Ｏ２→Ｈ２Ｏ………（化１３）
固体高分子形燃料電池セルスタック１４０の発電によって得られた燃料電池直流出力１４９は、負荷１４８に合わせて出力調整器１４７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１５０として負荷１４８に供給する。なお、図１０では、出力調整器１４７で直流から交流への変換を行っているが、出力調整器１４７で電圧変換のみ行い、送電端直流出力を負荷１４８に供給してもよい。
水素からなる燃料極水素排出ガス１４４は、固体高分子形燃料電池セルスタック１４０の発電効率を向上させるために、すべて燃料極１３７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１４４中には、水素以外の不純物が若干含まれるので、パージ弁１４５を間欠的に開け、パージガス１４６を放出する。水素分離器排出ガス１３２は、燃焼器９６に供給する。固体高分子形燃料電池セルスタック１４０の空気極１３９から排出する電池反応による生成水１５１を水タンク９２に貯蔵する。水素分離器排出ガス１３２と固体高分子形燃料電池セルスタック１４０の空気極排出ガス１３９を燃焼器９６に供給し、水素分離器排出ガス１３２中の未反応燃料および未反応水素を、固体高分子形燃料電池セルスタック１４０の空気極排出ガス１３９中の未反応酸索と燃焼させ、燃焼器排出ガス９７を排出する。燃焼器９６の燃焼熱を利用して水タンク９２から水蒸気発生器９５に供給した水９４を気化させることによって水蒸気９８を生成させる。
本実施例においても、燃焼器９６の燃料として水素分離器排出ガス１３２を利用し、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給することがないので、水蒸気９８を供給するために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。
図１０に示した実施例１０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１４９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１４０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、水蒸気発生器９５で燃焼器９６の燃焼熱を利用して生成させた水蒸気９８を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３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。
〈実施例１１〉
図１１は、本発明による燃料電池発電システムの他の一実施例（これを実施例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。
図１１を用いて実施例１１を説明する。本実施例は、図１０に示した実施例１０とは、図１１に示したように、固体高分子形燃料電池セルスタック１４０の空気極排出ガス１４３を燃焼器９６に供給する代わりに、燃焼器用空気１０１を燃焼器９６に供給する点が大きく異なる。
次に、本実施例の作用について、図１１を参照して説明する。水素分離器排出ガス１３２と燃焼用空気１０１を燃焼器９６に供給し、水素分離器乾燥排出ガス１３４の未反応燃料および未反応水素を燃焼用空気１０１中の酸素と燃焼させる。燃焼器９６への燃焼用空気１０１の供給量は、あらかじ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１００の開度（すなわち、燃焼用空気１０１の供給量）の関係に基づいて、水素分離器排出ガス１３２の供給量に見合った値に設定する。
本実施例においても、燃焼器９６の燃料として水素分離器排出ガス１３２を利用し、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給することがないので、水蒸気９８を供給するために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。
図１１に示した本実施例では、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１４９の電池電流カミ燃料電池直流出力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１４０での電池反応による水生成量よりも少ない場合には、水蒸気発生器９５で燃焼器９６の燃焼熱を利用して生成させた水蒸気９８を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３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。
〈実施例１２〉
図１２は、本発明による燃料電池発電システムの他の一実施例（これを実施例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、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。
図１２を用いて実施例１２を説明する。本実施例は、図１０に示した実施例１０とは、図１２に示したように、固体高分子形燃料電池セルスタック１４０の空気極排出ガス１４３を燃焼器９６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を燃焼器９６に供給する点が大きく異なる。
次に、本実施例の作用について、図１２を参照して説明する。水素分離器排出ガス１３２と燃焼用空気１０１を燃焼器９６に供給し、水素分離器排出ガス１３２中の未反応燃料および未反応水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させる。
本実施例においても、燃焼器９６の燃料として水素分離器排出ガス１３２を利用し、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給することがないので、水蒸気９８を供給するために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。
図１２に示した本実施例では、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１４９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１４０での電池反応による水生成量よりも少ない場合には、水蒸気発生器９５で燃焼器９６の燃焼熱を利用して生成させた水蒸気９８を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３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。
〈実施例１３〉
図１３は、本発明による燃料電池発電システムの他の一実施例（これを実施例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、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、１６０は水素分離器用燃料極排出ガスを表す。
図１３を用いて実施例１３を説明する。本実施例は、図１０に示した実施例１０とは、図１３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１１３をＣＯシフトコンバータ４に供給する点が大きく異なる。
次に、本実施例の作用について、図１３を参照して説明する。ＣＯシフトコンバータ４で作られた一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた燃料極排出ガス１１４の一部は、脱硫器リサイクル用燃料極排出ガス１１１として脱硫器２に供給し、残りは、水素分離器用燃料極排出ガス１６０として水素分離器１３１に供給する。
本実施例においても、燃焼器９６の燃料として水素分離器排出ガス１３２を利用し、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給することがないので、水蒸気９８を供給するために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。
図１３に示した本実施例では、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１４９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１４０での電池反応による水生成量よりも少ない場合には、水蒸気発生器９５で燃焼器９６の燃焼熱を利用して生成させた水蒸気９８を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３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。
〈実施例１４〉
図１４は、本発明による燃料電池発電システムの他の一実施例（これを実施例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、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。
図１４を用いて実施例１４を説明する。本実施例は、図１３に示した実施例１３とは、図１４に示したように固体高分子形燃料電池セルスタック１４０の空気極排出ガス１４３を燃焼器９６に供給する代わりに、燃焼器用空気１０１を燃焼器９６に供給する点が大きく異なる。
次に、本実施例の作用について、図１４を参照して説明する。水素分離器排出ガス１３２と燃焼用空気１０１を燃焼器９６に供給し、水素分離器排出ガス１３２中の未反応燃料および未反応水素を燃焼用空気１０１中の酸素と燃焼させる。
本実施例においても、燃焼器９６の燃料として水素分離器排出ガス１３２を利用し、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給することがないので、水蒸気９８を供給するために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。
図１４に示した実施例１４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１４９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１４０での電池反応による水生成量よりも少ない場合には、水蒸気発生器９５で燃焼器９６の燃焼熱を利用して生成させた水蒸気９８を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３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。
〈実施例１５〉
図１５は、本発明による燃料電池発電システムの他の一実施例（これを実施例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、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。
図１５を用いて実施例１５を説明する。本実施例は、図１３に示した実施例１３とは、図１５に示したように固体高分子形燃料電池セルスタック１４０の空気極排出ガス１４３を燃焼器９６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を燃焼器９６に供給する点が大きく異なる。
次に、本実施例の作用について、図１５を参照して説明する。水素分離器排出ガス１３２と燃焼用空気１０１を燃焼器９６に供給し、水素分離器排出ガス１３２中の未反応燃料および未反応水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させる。
本実施例においても、燃焼器９６の燃料として水素分離器排出ガス１３２を利用し、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給することがないので、水蒸気９８を供給するために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。
図１５に示した本実施例１５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１４９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１４０での電池反応による水生成量よりも少ない場合には、水蒸気発生器９５で燃焼器９６の燃焼熱を利用して生成させた水蒸気９８を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３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。
〈実施例１６〉
図１６は、本発明による燃料電池発電システムの他の一実施例（これを実施例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、および図１５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１６を用いて実施例１６を説明する。本実施例は、図１３に示した実施例１３とは、図１６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１２２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。
次に、本実施例の作用について、図１６を参照して説明する。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１２０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１２２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。
本実施例においても、燃焼器９６の燃料として水素分離器排出ガス１３２を利用し、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給することがないので、水蒸気９８を供給するために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。
図１６に示した本実施例では、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１４９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１４０での電池反応による水生成量よりも少ない場合には、水蒸気発生器９５で燃焼器９６の燃焼熱を利用して生成させた水蒸気９８を固体酸化物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１２２に混ぜて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１２２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。
〈実施例１７〉
図１７は、本発明による燃料電池発電システムの他の一実施例（これを実施例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、および図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。
図１７を用いて実施例１７を説明する。本実施例は、図１６に示した実施例１６とは、図１７に示したように固体高分子形燃料電池セルスタック１４０の空気極排出ガス１４３を燃焼器９６に供給する代わりに、燃焼器用空気１０１を燃焼器９６に供給する点が大きく異なる。
次に、本実施例の作用について、図１７を参照して説明する。水素分離器排出ガス１３２と燃焼用空気１０１を燃焼器９６に供給し、水素分離器排出ガス１３２中の未反応燃料および未反応水素を燃焼用空気１０１中の酸素と燃焼させる。
本実施例においても、燃焼器９６の燃料として水素分離器排出ガス１３２を利用し、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給することがないので、水蒸気９８を供給するために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。
図１７に示した本実施例では、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１４９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１４０での電池反応による水生成量よりも少ない場合には、水蒸気発生器９５で燃焼器９６の燃焼熱を利用して生成させた水蒸気９８を固体酸化物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１２２に混ぜて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１２２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。
〈実施例１８〉
図１８は、本発明による燃料電池発電システムの他の一実施例（これを実施例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、および図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。
図１８を用いて実施例１８を説明する。本実施例は、図１６に示した実施例１６とは、図１８に示したように固体高分子形燃料電池セルスタック１４０の空気極排出ガス１４３を燃焼器９６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を燃焼器９６に供給する点が大きく異なる。
次に、本実施例の作用について、図１６を参照して説明する。水素分離器排出ガス１３２と燃焼用空気１０１を燃焼器９６に供給し、水素分離器排出ガス１３２中の未反応燃料および未反応水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させる。
本実施例においても、燃焼器９６の燃料として水素分離器排出ガス１３２を利用し、新たに外部から燃料である天然ガス１を供給することがないので、水蒸気９８を供給するために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。
図１８に示した本実施例では、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１４９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１４０での電池反応による水生成量よりも少ない場合には、水蒸気発生器９５で燃焼器９６の燃焼熱を利用して生成させた水蒸気９８を固体酸化物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１２２に混ぜて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１２２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。
本発明の実施例１で例示した燃料電池発電システムの構成を示す図。 本発明の実施例２で例示した燃料電池発電システムの構成を示す図。 本発明の実施例３で例示した燃料電池発電システムの構成を示す図。 本発明の実施例４で例示した燃料電池発電システムの構成を示す図。 本発明の実施例５で例示した燃料電池発電システムの構成を示す図。 本発明の実施例６で例示した燃料電池発電システムの構成を示す図。 本発明の実施例７で例示した燃料電池発電システムの構成を示す図。 本発明の実施例８で例示した燃料電池発電システムの構成を示す図。 本発明の実施例９で例示した燃料電池発電システムの構成を示す図。 本発明の実施例１０で例示した燃料電池発電システムの構成を示す図。 本発明の実施例１１で例示した燃料電池発電システムの構成を示す図。 本発明の実施例１２で例示した燃料電池発電システムの構成を示す図。 本発明の実施例１３で例示した燃料電池発電システムの構成を示す図。 本発明の実施例１４で例示した燃料電池発電システムの構成を示す図。 本発明の実施例１５で例示した燃料電池発電システムの構成を示す図。 本発明の実施例１６で例示した燃料電池発電システムの構成を示す図。 本発明の実施例１７で例示した燃料電池発電システムの構成を示す図。 本発明の実施例１８で例示した燃料電池発電システムの構成を示す図。 従来の燃料電池発電システムの構成の一例を示す図。
符号の説明
１：天然ガス ２：脱硫器 ３：改質器
４：ＣＯシフトコンバータ ５：りん酸形燃料電池セルスタック用改質ガス
６：燃料極 ７：りん酸電解質 ８：空気極
９：りん酸形燃料電池セルスタック １０：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
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：りん酸形燃料電池セルスタック用空気
３７：流量制御弁 ５０：脱硫器リサイクル用改質ガス
５１：流量制御弁 ５４：燃料極５５：固体酸化物電解質
５６：空気極５７：固体酸化物形燃料電池セルスタック
５８：固体酸化物形燃料電池セルスタック用空気 ５９：流量制御弁
６０：改質器リサイクル用燃料極排出ガス ６１：燃料極排出ガス
６２：流量制御弁 ６３：空気極排出ガス
６４：排出用燃料極排出ガス ７４：流量制御弁
７５：流量制御弁 ８６：出力調整器 ８７：負荷
８８：燃料電池直流出力 ８９：送電端交流出力 ９０：補給水
９１：補給水ポンプ９２：水タンク
９３：水蒸気発生器用水供給ポンプ ９４：水
９５：水蒸気発生器９６：燃焼器９７：燃焼器排出ガス
９８：水蒸気９９：流量制御弁１００：流量制御弁
１０１：燃焼用空気 １１１：脱硫器リサイクル用燃料極排出ガス
１１２：流量制御弁 １１３：ＣＯシフトコンバータ用燃料極排出ガス
１１４：一酸化炭素の濃度を１％以下に低減させた燃料極排出ガス
１１５：りん酸形燃料電池セルスタック用燃料極排出ガス
１２０：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
１２１：流量制御弁
１２２：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
１３０：水素分離器用改質ガス１３１：水素分離器
１３２：水素分離器排出ガス １３６：水素
１３７：燃料極 １３８：固体高分子電解質
１３９：空気極 １４０：固体高分子形燃料電池セルスタック
１４１：流量制御弁 １４２：固体高分子形燃料電池セルスタック用空気
１４３：空気極排出ガス
１４４：燃料極水素排出ガス １４５：パージ弁
１４６：パージガス １４７：出力調整器１４８：負荷
１４９：燃料電池直流出力 １５０：送電端交流出力
１５１：電池反応による生成水
１６０：水素分離器用燃料極排出ガス

Claims (11)

  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作る改質器と、
    前記改質ガス中の水素、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熱を前記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、
    前記第二の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の燃料、水素、および一酸化炭素を酸素と燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器の燃焼熱を利用して水を水蒸気に変換して前記改質器へ供給する水蒸気発生器とを、少なくとも有することを特徴とする燃料電池発電システム。
  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作る改質器と、前記改質ガス中の水素、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熱を前記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んだ燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、
    前記第一の燃料電池セルスタックの前記燃料極排出ガス中の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、
    前記第二の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の燃料、水素、および一酸化炭素を酸素と燃焼させる燃焼器と、
    前記燃焼器の燃焼熱を利用して水を水蒸気に変換して前記改質器へ供給する水蒸気発生器と、を少なくとも有することを特徴とする燃料電池発電システム。
  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、
    燃料極で前記燃料の水蒸気改質反応を行わせ水素および一酸化炭素を生成させると共に、前記燃料極で生成した水素、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、
    前記第二の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の燃料、水素、および一酸化炭素を酸素と燃焼させる燃焼器と、
    前記燃焼器の燃焼熱を利用して水を水蒸気に変換して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水蒸気発生器と、を少なくとも有することを特徴とする燃料電池発電システム。
  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作る改質器と、
    前記改質ガス中の水素、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熱を前記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んだ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、
    前記水素分離器の排出ガス中の燃料、水素、および一酸化炭素を酸素と燃焼させる燃焼器と、
    前記燃焼器の燃焼熱を利用して水を水蒸気に変換して前記改質器へ供給する水蒸気発生器と、を少なくとも有することを特徴とする燃料電池発電システム。
  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、
    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作る改質器と、
    前記改質ガス中の水素、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熱を前記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んだ燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、
    前記第一の燃料電池セルスタックの前記燃料極排出ガス中の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、
    前記水素分離器の排出ガス中の燃料、水素、および一酸化炭素を酸素と燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器の燃焼熱を利用して水を水蒸気に変換して前記改質器へ供給する水蒸気発生器と、を少なくとも有することを特徴とする燃料電池発電システム。
  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および一酸化炭素を生成させると共に、前記燃料極で生成した水素、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、
    前記水素分離器の排出ガス中の燃料、水素、および一酸化炭素を酸素と燃焼させる燃焼器と、
    前記燃焼器の燃焼熱を利用して水を水蒸気に変換して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水蒸気発生器と、を少なくとも有することを特徴とする燃料電池発電システム。
  7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、前記燃焼器に空気を供給することを特徴とする燃料電池発電システム。
  8. 請求項１ないし請求項７のいずれか１項において、前記燃焼器に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燃料電池発電システム。
  9. 請求項１ないし請求項８のいずれか１項において、前記燃焼器に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燃料電池発電システム。
  10. 請求項１ないし請求項９のいずれか１項において、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であり、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。
  11. 請求項１ないし請求項９のいずれか１項において、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燃料電池発電システム。
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