JP2015138573A - 燃料電池複合発電システムおよび燃料電池複合発電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料ガスに添加される水蒸気の量を低減する。
【解決手段】第１燃料ガスを用いて発電することにより排燃料ガスを生成する第１燃料電池２と、排燃料ガスから水分を除去することにより第２燃料ガスを生成する水分回収装置３と、第２燃料ガスを用いて発電する第２燃料電池５と、排燃料ガスから水分が除去される量が変化するように水分回収装置３を制御する制御装置２０とを備えている。このような燃料電池複合発電システム１は、排燃料ガスから水分が除去される程度が調整されることにより、第２燃料ガスに水蒸気を添加することなく、第２燃料ガスのＳ／Ｃを調整することができる。このため、このような燃料電池複合発電システム１は、第２燃料ガスに添加される水蒸気の量を低減することにより、低コストで発電することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池複合発電システムおよび燃料電池複合発電方法に関し、特に、前段の燃料電池から排気される排燃料ガスを後段の燃料電池の発電に利用する燃料電池複合発電システムおよび燃料電池複合発電方法に関する。

前段の燃料電池から排気される排燃料ガスを後段の燃料電池の発電に利用する燃料電池複合発電システムが知られている（特許文献１、２参照。）。その燃料電池複合発電システムは、前段の燃料電池から排気される排燃料ガスから水分が除去された再生燃料ガスを後段の燃料電池に供給することにより、高効率に発電することができ、かつ発電と同時に二酸化炭素を高効率に回収することができる。

特開２００４−６３３４１号公報 特開２００４−１９９９７９号公報

一般に燃料電池発電システムでは、セル内での平衡反応によって燃料ガス中の炭素が析出し、セル内部で固着することが知られている。燃料電池に供給される燃料ガスは、セル内での炭素の析出を避けるために、Ｓ／Ｃ（スチーム／カーボン比、燃料ガスに含有される炭素と燃料ガスに含有される水蒸気の質量比）が適切になるように、水蒸気が添加されることがある。添加する水蒸気の量が増加すると燃料電池複合発電システムの発電部に供給される熱量が減少するため、熱効率が低下する。より高い熱効率で発電を行うためには、燃料電池に供給される燃料ガスに添加される水蒸気の量を低減することが望まれている。

本発明の課題は、高効率で発電する燃料電池複合発電システムおよび燃料電池複合発電方法を提供することにある。
本発明の他の課題は、燃料ガスに添加される水蒸気の量を低減する燃料電池複合発電システムおよび燃料電池複合発電方法を提供することにある。
本発明のさらに他の課題は、外部から供給されるエネルギーを低減する燃料電池複合発電システムおよび燃料電池複合発電方法を提供することにある。

本発明による燃料電池複合発電システムは、第１燃料ガスを用いて発電し、排燃料ガスを生成する第１燃料電池と、前記排燃料ガスから水分を除去することにより第２燃料ガスを生成する水分回収装置と、前記第２燃料ガスを用いて発電する第２燃料電池と、前記排燃料ガスから前記水分が除去される量が変化するように前記水分回収装置を制御する制御装置とを備えている。

このような燃料電池複合発電システムは、排燃料ガスから水分が除去される程度が調整されることにより、第２燃料ガスに水蒸気を添加することなく、第２燃料ガスのＳ／Ｃを調整することができる。このため、このような燃料電池複合発電システムは、第２燃料ガスに添加される水蒸気の量を低減することにより、より高い熱効率で発電することができる。

前記水分回収装置は、前記排燃料ガスを冷却することにより冷却後排燃料ガスを生成する再生熱交換器と、温度調節用媒体を用いて前記冷却後排燃料ガスを温度調節することにより前記温調後排燃料ガスを生成する温度調節用熱交換器と、前記温調後排燃料ガスから前記水分を除去することにより前記水分除去後排燃料ガスを生成する凝縮器と、前記温度調節用媒体を前記温度調節用熱交換器に供給する温調用媒体供給装置とを有している。前再生熱交換器は、さらに、前記排燃料ガスから前記水分除去後排燃料ガスに熱を伝達し、前記水分除去後排燃料ガスを加熱することにより前記第２燃料ガスを生成する。このとき、前記制御装置は、前記温度調節用熱交換器に前記温度調節用媒体が供給される流量が変化するように前記温調用媒体供給装置を制御する。

このような燃料電池複合発電システムは、温度調節用熱交換器に温度調節用媒体が供給される流量を調整することにより前記冷却後排燃料ガスを適切に温度調節することができる。このような燃料電池複合発電システムは、前記冷却後排燃料ガスを温度調節することにより、凝縮器が前記温調後排燃料ガスから水分を除去する量を調整することができ、第２燃料ガスのＳ／Ｃを適切に調整することができる。

本発明による燃料電池複合発電システムは、前記温調後排燃料ガスの温度を測定する温度測定装置をさらに備えている。このとき、前記制御装置は、前記温度に基づいて前記温調用媒体供給装置を制御する。

このような燃料電池複合発電システムは、温調後排燃料ガスの温度に基づいて温度調節用熱交換器に温度調節用媒体が供給される流量を調整することにより、第２燃料ガスのＳ／Ｃを適切に調整することができる。

本発明による燃料電池複合発電システムは、前記温調後排燃料ガスの圧力を測定する圧力測定装置をさらに備えている。このとき、前記制御装置は、前記圧力に基づいて前記温調用媒体供給装置を制御する。

このような燃料電池複合発電システムは、温調後排燃料ガスの圧力に基づいて温度調節用熱交換器に温度調節用媒体が供給される流量を調整することにより、第２燃料ガスのＳ／Ｃを適切に調整することができる。

本発明による燃料電池複合発電システムは、前記第２燃料ガスに水蒸気を添加する水蒸気添加装置をさらに備えている。前記温度調節用熱交換器は、前記温度調節用媒体を加熱することにより前記水蒸気を生成する。

このような燃料電池複合発電システムは、水蒸気を第２燃料ガスに添加することにより、第２燃料ガスのＳ／Ｃを適切に調整することができる。このような燃料電池複合発電システムは、さらに、冷却後排燃料ガスの熱を用いて水蒸気を生成することにより、外部から供給されるエネルギーを低減することができ、より高い熱効率で発電することができる。

本発明による燃料電池複合発電システムは、前記第１燃料ガスのガス組成を測定するガス成分分析装置をさらに備えている。このとき、前記制御装置は、前記ガス組成に基づいて前記水分回収装置を制御する。前記制御装置は、前記第１燃料電池の発電量にさらに基づいて前記水分回収装置を制御する。

このような燃料電池複合発電システムは、第１燃料ガスのガス組成および第１燃料ガスの発電量に基づいて水分回収装置を制御することにより、第２燃料ガスのＳ／Ｃを適切に調整することができる。

本発明による燃料電池複合発電システムは、前記水分回収装置から排水された排水を加熱することにより水蒸気を生成する加熱装置と、前記第２燃料ガスに前記水蒸気を添加する水蒸気添加装置をさらに備えている。このとき、前記制御装置は、前記水蒸気が前記第２燃料ガスに添加される添加量が変化するように、前記水蒸気添加装置をさらに制御する。

このような燃料電池複合発電システムは、水分回収装置により回収された水分から生成された水蒸気を第２燃料ガスに添加することにより、外部で生成された水蒸気が供給されることなく、第２燃料ガスのＳ／Ｃを適切に調整することができる。

前記加熱装置は、前記第１燃料電池または前記第２燃料電池が放出する熱を用いて前記排水を加熱する。

このような燃料電池複合発電システムは、第１燃料電池または第２燃料電池が放出する熱を用いて水蒸気を生成することにより、外部から供給されるエネルギーを低減することができ、より高い熱効率で発電することができる。

前記水分回収装置は、前記第１燃料ガスを前記第２燃料ガスに添加するバイパスラインをさらに有している。このとき、前記制御装置は、前記第１燃料ガスが前記第２燃料ガスに添加される添加量を調整するバイパス流量調節弁を制御する。

このような燃料電池複合発電システムは、第１燃料ガスが第２燃料ガスに添加される添加量を調整することにより、第２燃料ガスのＳ／Ｃを適切に調整することができる。

本発明による燃料電池複合発電システムは、前記第２燃料電池から排気される他の排燃料ガスから水分を除去することにより第３燃料ガスを生成する他の水分回収装置と、前記第３燃料ガスを用いて発電する第３燃料電池とをさらに備えている。このとき、前記制御装置は、前記他の排燃料ガスから水分が除去される量が変化するように前記他の水分回収装置をさらに制御する。

このような燃料電池複合発電システムは、燃料電池が３個以上備える場合でも適用することにより、添加される水蒸気の量を低減することにより、より高い熱効率で発電することができる。

本発明による燃料電池複合発電方法は、燃料電池複合発電システムを用いて実行される。燃料電池複合発電システムは、第１燃料ガスを用いて発電し、排燃料ガスを生成する第１燃料電池と、前記排燃料ガスから水分を除去することにより第２燃料ガスを生成する水分回収装置と、前記第２燃料ガスを用いて発電する第２燃料電池とを備えている。本発明による燃料電池複合発電方法は、前記燃料電池複合発電システムを準備すること、前記排燃料ガスから前記水分が除去される量が変化するように前記水分回収装置を制御することとを備えている。

このような燃料電池複合発電方法によれば、燃料電池複合発電システムは、排燃料ガスから水分が除去される程度が調整されることにより、第２燃料ガスに水蒸気を添加することなく、第２燃料ガスのＳ／Ｃを調整することができる。このため、このような燃料電池複合発電方法は、第２燃料ガスに添加される水蒸気の量を低減することにより、より高い熱効率で発電することができる。

本発明による燃料電池複合発電システムおよび燃料電池複合発電方法は、前段の燃料電池から排気される排燃料ガスから水分が除去される量が調整されることにより、後段の燃料電池に供給される燃料ガスに添加される水蒸気の量を低減してＳ／Ｃを調整することができ、より高い熱効率で発電することができる。

燃料電池複合発電システムの第１実施形態を示すブロック図である。 温調用媒体供給装置の流量調節弁の開度の変化を示し、凝縮器のガス側温度の変化を示し、凝縮器の排水量の変化を示し、後段の燃料電池に供給される燃料ガスのＳ／Ｃの変化を示すグラフである。 燃料電池複合発電システムの第２実施形態を示すブロック図である。 燃料電池複合発電システムの第３実施形態を示すブロック図である。

図面を参照して、燃料電池複合発電システムの第１実施形態が以下に記載される。その燃料電池複合発電システム１は、図１に示されているように、第１燃料電池２と第１水分回収装置３と第２燃料電池５と第２水分回収装置６と第３燃料電池７とを備えている。第１燃料電池２は、固体電解質型燃料電池のセルを備えている。第１燃料電池２は、外部から燃料電池複合発電システム１に供給される酸化剤ガスと第１燃料ガスとを用いて発電し、第１排燃料ガスと排酸化剤ガスとを排気する。第１水分回収装置３は、第１燃料電池２から排気された第１排燃料ガスから水分を除去することにより第２燃料ガスを生成する。

第２燃料電池５は、固体電解質型燃料電池のセルを備えている。第２燃料電池５は、外部から燃料電池複合発電システム１に供給される酸化剤ガスと第１水分回収装置３により生成された第２燃料ガスとを用いて発電し、第２排燃料ガスと排酸化剤ガスとを排気する。第２水分回収装置６は、第２燃料電池５から排気された第２排燃料ガスから水分を除去することにより第３燃料ガスを生成する。

第３燃料電池７は、固体電解質型燃料電池のセルを備えている。第３燃料電池７は、外部から燃料電池複合発電システム１に供給される酸化剤ガスと第２水分回収装置６により生成された第３燃料ガスとを用いて発電し、第３排燃料ガスと排酸化剤ガスとを排気する。

燃料電池複合発電システム１は、さらに、排熱回収ボイラ１０と凝縮器１１と二酸化炭素回収装置１２とを備えている。排熱回収ボイラ１０は、第３燃料電池７から排気された第３排燃料ガスの熱を、外部から供給される媒体に伝熱する。排熱回収ボイラ１０は、第３燃料電池７から排気された第３排燃料ガスを冷却することにより冷排燃料ガスを生成する。凝縮器１１は、排熱回収ボイラ１０により生成された冷排燃料ガスを冷却することにより凝縮させる。凝縮器１１は、冷排燃料ガスから水分を除去することにより乾燥排燃料ガスを生成し、冷排燃料ガスから除去された水分を貯留し排水する。二酸化炭素回収装置１２は、凝縮器１１により生成された乾燥排燃料ガスから二酸化炭素を回収する。

第１水分回収装置３は、再生熱交換器１４と温調用熱交換器１５と凝縮器１６とを備えている。再生熱交換器１４は、第１燃料電池２から排気された第１排燃料ガスの熱を凝縮器１６により生成された水分除去後排燃料ガスに伝熱する。再生熱交換器１４は、第１燃料電池２から排気された第１排燃料ガスを冷却することにより冷却後排燃料ガスを生成する。再生熱交換器１４は、さらに、凝縮器１６により生成された水分除去後排燃料ガスを加熱することにより、第２燃料ガスを生成する。

温調用熱交換器１５は、再生熱交換器１４により生成された冷却後排燃料ガスの熱を温調用媒体に伝熱することにより、冷却後排燃料ガスを冷却する。温調用熱交換器１５は、再生熱交換器１４により生成された冷却後排燃料ガスを冷却することにより温調後排燃料ガスを生成する。凝縮器１６は、温調用熱交換器１５により生成された温調後排燃料ガスを冷却することにより凝縮させ、温調後排燃料ガスから水分を除去する。凝縮器１６は、温調後排燃料ガスから水分を除去することにより水分除去後排燃料ガスを生成し、温調後排燃料ガスから除去された水分を貯留し排水する。

第２水分回収装置は、再生熱交換器１７と温調用熱交換器１８と凝縮器１９とを備えている。再生熱交換器１７は、第２燃料電池５から排気された第２排燃料ガスの熱を凝縮器１９により生成された水分除去後排燃料ガスに伝熱する。再生熱交換器１７は、第２燃料電池５から排気された第２排燃料ガスを冷却することにより冷却後排燃料ガスを生成する。再生熱交換器１７は、さらに、凝縮器１９により生成された水分除去後排燃料ガスを加熱することにより、第３燃料ガスを生成する。

温調用熱交換器１８は、再生熱交換器１７により生成された冷却後排燃料ガスの熱を温調用媒体に伝熱することにより、冷却後排燃料ガスを冷却する。温調用熱交換器１８は、再生熱交換器１７により生成された冷却後排燃料ガスを冷却することにより温調後排燃料ガスを生成する。凝縮器１９は、温調用熱交換器１８により生成された温調後排燃料ガスを冷却することにより凝縮させ、温調後排燃料ガスから水分を除去する。凝縮器１９は、温調後排燃料ガスから水分を除去することにより水分除去後排燃料ガスを生成し、温調後排燃料ガスから除去された水分を貯留し排水する。

燃料電池複合発電システム１は、さらに、制御装置２０とガス成分分析装置２１と第１水蒸気添加装置２２と第２水蒸気添加装置２３と第３水蒸気添加装置２４とを備えている。ガス成分分析装置２１は、燃料電池複合発電システム１に供給される第１燃料ガスの成分を測定し、測定結果を制御装置２０に送信する。第１水蒸気添加装置２２は、制御装置２０に制御されることにより、所定の量の第１燃料ガスに水蒸気を添加する。第２水蒸気添加装置２３は、制御装置２０に制御されることにより、所定の量の第２燃料ガスに水蒸気を添加する。第３水蒸気添加装置２４は、制御装置２０に制御されることにより、所定の量の第３燃料ガスに水蒸気を添加する。

第１水分回収装置３は、さらに、温度測定器３１と圧力測定器３２と温調用媒体供給装置３３とを備えている。温度測定器３１は、凝縮器１６のガス側温度（再生熱交換器１４により生成された冷却後排燃料ガスの温度）を測定し、そのガス側温度を制御装置２０に送信する。圧力測定器３２は、凝縮器１６のガス側圧力（再生熱交換器１４により生成された冷却後排燃料ガスの圧力）を測定し、そのガス側圧力を制御装置２０に送信する。温調用媒体供給装置３３は、流路と弁とを備えている。その流路は、温調用媒体を温調用熱交換器１５に供給する。その弁は、制御装置２０に制御されることにより、流路を開閉する。すなわち、温調用媒体供給装置３３は、制御装置２０に制御されることにより、所定の流量の温調用媒体を温調用熱交換器１５に供給する。

第２水分回収装置６は、温度測定器３４と圧力測定器３５と温調用媒体供給装置３６とを備えている。温度測定器３４は、凝縮器１９のガス側温度（再生熱交換器１７により生成された冷却後排燃料ガスの温度）を測定し、そのガス側温度を制御装置２０に送信する。圧力測定器３５は、凝縮器１９のガス側圧力（再生熱交換器１７により生成された冷却後排燃料ガスの圧力）を測定し、そのガス側圧力を制御装置２０に送信する。温調用媒体供給装置３６は、流路と弁とを備えている。その流路は、温調用媒体を温調用熱交換器１８に供給する。その弁は、制御装置２０に制御されることにより、流路を開閉する。すなわち、温調用媒体供給装置３６は、制御装置２０に制御されることにより、所定の流量の温調用媒体を温調用熱交換器１５に供給する。

制御装置２０は、燃料電池複合発電システム１に供給される第１燃料ガスの成分の測定結果をガス成分分析装置２１から収集する。制御装置２０は、凝縮器１６のガス側温度を温度測定器３１から収集する。制御装置２０は、凝縮器１６のガス側圧力を圧力測定器３２から収集する。制御装置２０は、凝縮器１９のガス側温度を温度測定器３４から収集する。制御装置２０は、凝縮器１９のガス側圧力を圧力測定器３５から収集する。制御装置２０は、さらに、その収集された情報に基づいて第１水蒸気添加装置２２と第２水蒸気添加装置２３と第３水蒸気添加装置２４と温調用媒体供給装置３３と温調用媒体供給装置３６とを制御する。

燃料電池複合発電方法の実施の形態は、制御装置２０により実行される。制御装置２０は、ガス成分分析装置２１により測定された測定結果に基づいて第１水蒸気添加装置２２を制御することにより、第１燃料電池２の供給される第１燃料ガスのＳ／Ｃが目標Ｓ／Ｃに等しくなるように、第１燃料電池２の供給される第１燃料ガスに所定流量の水蒸気を添加する。燃料ガスのＳ／Ｃは、燃料ガスに含有される水Ｈ_２Ｏの物質量を燃料ガスに含有される炭素の物質量で除算した商を示している。

制御装置２０は、さらに、ガス成分分析装置２１により測定された測定結果と第１燃料電池２の発電量とに基づいて、第１燃料電池２により排気される第１排燃料ガスのＳ／Ｃを算出する。制御装置２０は、その算出された第１排燃料ガスのＳ／Ｃと温度測定器３１により測定されたガス側温度と圧力測定器３２により測定されたガス側圧力とに基づいて温調用媒体供給装置３３を制御することにより、第２燃料電池５に供給される第２燃料ガスのＳ／Ｃが目標Ｓ／Ｃに等しくなるように、所定の流量の温調用媒体を温調用熱交換器１５に供給する。

制御装置２０は、所定の流量の温調用媒体を温調用熱交換器１５に供給した場合でも、第２燃料電池５に供給される第２燃料ガスのＳ／Ｃが目標Ｓ／Ｃに満たないときに、第２水蒸気添加装置２３を制御することにより、第２燃料電池５に供給される第２燃料ガスのＳ／Ｃが目標Ｓ／Ｃに等しくなるように、第２燃料電池５の供給される第２燃料ガスに所定流量の水蒸気を添加する。

制御装置２０は、さらに、その算出された第１排燃料ガスのＳ／Ｃと温度測定器３１により測定されたガス側温度と圧力測定器３２により測定されたガス側圧力と温調用媒体供給装置３３により供給される温調用媒体の流量と第２水蒸気添加装置２３により添加される水蒸気の流量とに基づいて、第２燃料電池５の発電量に供給される第２燃料ガスのＳ／Ｃを算出する。制御装置２０は、その算出された第２燃料ガスのＳ／Ｃと第２燃料電池５の発電量とに基づいて第２燃料電池５により排気される第２排燃料ガスのＳ／Ｃを算出する。制御装置２０は、その算出された第２排燃料ガスのＳ／Ｃと温度測定器３４により測定されたガス側温度と圧力測定器３５により測定されたガス側圧力とに基づいて温調用媒体供給装置３６を制御することにより、第３燃料電池７に供給される第３燃料ガスのＳ／Ｃが目標Ｓ／Ｃに等しくなるように、所定の流量の温調用媒体を温調用熱交換器１８に供給する。

制御装置２０は、所定の流量の温調用媒体を温調用熱交換器１８に供給した場合でも、第３燃料電池７に供給される第３燃料ガスのＳ／Ｃが目標Ｓ／Ｃに満たないときに、第３水蒸気添加装置２４を制御することにより、第３燃料電池７に供給される第３燃料ガスのＳ／Ｃが目標Ｓ／Ｃに等しくなるように、第３燃料電池７の供給される第３燃料ガスに所定流量の水蒸気を添加する。

図２は、温調用媒体供給装置３３が冷媒である温調用媒体を温調用熱交換器１５に供給する流路の弁の開度の変化を示している。制御装置２０は、時刻ｔ０以降に第２燃料電池５に供給される第２燃料ガスのＳ／Ｃが減少すると算出したときに、第２燃料電池５に供給される第２燃料ガスのＳ／Ｃが上昇するように、温調用媒体供給装置３３を制御する。その開度変化４１は、時刻ｔ０より後の時刻ｔ１からその弁が徐々に閉鎖することを示している。

図２は、さらに、凝縮器１６のガス側温度の変化を示している。そのガス側温度変化４２は、時刻ｔ１より後の時刻ｔ２以降に凝縮器１６のガス側温度が低下することを示している。開度変化４１とガス側温度変化４２とは、温調用媒体供給装置３３が冷媒である温調用媒体を温調用熱交換器１５に供給する流量が減少すると、凝縮器１６のガス側温度が低下することを示している。

図２は、さらに、凝縮器１６が排水する排水量の変化を示している。その排水量変化４３は、時刻ｔ２より後の時刻ｔ３以降に凝縮器１６が排水する排水量が減少することを示している。ガス側温度変化４２と排水量変化４３とは、凝縮器１６のガス側温度が低下すると凝縮器１６が排水する排水量が減少することを示している。

図２は、さらに、第２燃料電池５に供給される第２燃料ガス（すなわち、第１水分回収装置３により生成される第２燃料ガス）のＳ／Ｃの変化を示している。そのＳ／Ｃ変化４４は、時刻ｔ４以降に第２燃料ガスのＳ／Ｃが上昇することを示している。排水量変化４３とＳ／Ｃ変化４４とは、凝縮器１６が排水する排水量が減少することにより第２燃料ガスのＳ／Ｃが上昇することを示している。

開度変化４１とガス側温度変化４２と排水量変化４３とＳ／Ｃ変化４４とは、温調用媒体供給装置３３を制御することにより第２燃料ガスのＳ／Ｃを調整できることを示している。これは、温調用媒体を加熱媒体とした場合も同様である。

燃料電池複合発電システム１は、第１水分回収装置３により第１排燃料ガスから水分が除去される程度が調整されることにより、水蒸気を添加することなく、第２燃料電池５に供給される第２燃料ガスのＳ／Ｃを低コストで適切に調整することができる。その結果、燃料電池複合発電システム１は、第２燃料電池５のセル内で炭素が析出しないように、第２燃料電池５に高い熱効率で適切に発電させることができる。

燃料電池複合発電システム１は、第２水蒸気添加装置２３を備えることにより、第１水分回収装置３により第１排燃料ガスから水分が除去される程度が調整された場合でも、第２燃料電池５に供給される第２燃料ガスのＳ／Ｃが目標Ｓ／Ｃに満たないときに、第２燃料ガスに水蒸気を添加することができ、第２燃料電池５に適切に発電させることができる。

燃料電池複合発電システム１は、さらに、第２水分回収装置６により第２排燃料ガスから水分が除去される程度が調整されることにより、水蒸気を添加することなく、第３燃料電池７に供給される第３燃料ガスのＳ／Ｃを高い熱効率で適切に調整することができる。その結果、燃料電池複合発電システム１は、第３燃料電池７のセル内で炭素が析出しないように、第３燃料電池７に高い熱効率で適切に発電させることができる。

燃料電池複合発電システム１は、第３水蒸気添加装置２４を備えることにより、第２水分回収装置６により第２排燃料ガスから水分が除去される程度が調整された場合でも、第３燃料電池７に供給される第３燃料ガスのＳ／Ｃが目標Ｓ／Ｃに満たないときに、第３燃料ガスに水蒸気を添加することができ、第３燃料電池７に適切に発電させることができる。

図３は、燃料電池複合発電システムの第２実施形態を示している。その燃料電池複合発電システム５０は、第１実施形態における燃料電池複合発電システム１に、排水供給装置５１と第１熱交換器５２と第２熱交換器５３と第３熱交換器５４とが追加されている。排水供給装置５１は、凝縮器１１から排水される排水と凝縮器１６から排水される排水と凝縮器１９から排水される排水とを、温調用媒体供給装置３３と温調用媒体供給装置３６と第１熱交換器５２と第２熱交換器５３と第３熱交換器５４とに供給する。

このとき、温調用媒体供給装置３３は、排水供給装置５１から供給された排水を所定の流量だけ温調用熱交換器１５に供給する。温調用熱交換器１５は、再生熱交換器１４により生成された冷却後排燃料ガスの熱を温調用媒体供給装置３３から供給された排水に伝熱することにより、冷却後排燃料ガスを冷却する。温調用熱交換器１５は、さらに、温調用媒体供給装置３３から供給された排水を加熱することにより、水蒸気を生成する。

温調用媒体供給装置３６は、排水供給装置５１から供給された排水を所定の流量だけ温調用熱交換器１８に供給する。温調用熱交換器１８は、再生熱交換器１７により生成された冷却後排燃料ガスの熱を温調用媒体供給装置３６から供給された排水に伝熱することにより、冷却後排燃料ガスを冷却する。温調用熱交換器１８は、さらに、温調用媒体供給装置３６から供給された排水を加熱することにより、水蒸気を生成する。

第１熱交換器５２は、第１燃料電池２により生成された熱を排水供給装置５１から供給された排水に伝熱することにより、その排水を加熱する。第１熱交換器５２は、その排水を加熱することにより、水蒸気を生成する。

第２熱交換器５３は、第２燃料電池５により生成された熱を排水供給装置５１から供給された排水に伝熱することにより、その排水を加熱する。第２熱交換器５３は、その排水を加熱することにより、水蒸気を生成する。

第３熱交換器５４は、第３燃料電池７により生成された熱を排水供給装置５１から供給された排水に伝熱することにより、その排水を加熱する。第３熱交換器５４は、その排水を加熱することにより、水蒸気を生成する。

温調用熱交換器１５と温調用熱交換器１８と第１熱交換器５２と第２熱交換器５３と第３熱交換器５４とにより生成された水蒸気は、第１水蒸気添加装置２２と第２水蒸気添加装置２３と第３水蒸気添加装置２４とに供給される。第１水蒸気添加装置２２は、その供給された水蒸気のうちの所定の量の水蒸気を第１燃料ガスに添加する。第２水蒸気添加装置２３は、その供給された水蒸気のうちの所定の量の水蒸気を第２燃料ガスに添加する。第２水蒸気添加装置２４は、その供給された水蒸気のうちの所定の量の水蒸気を第２燃料ガスに添加する。

燃料電池複合発電システム５０は、第１実施形態における燃料電池複合発電システム１と同様にして、制御装置２０が第１水分回収装置３と第２水分回収装置６との能力を調整することにより、第２燃料ガスのＳ／Ｃと第３燃料ガスのＳ／Ｃとを高い熱効率で適切に調整することができ、第２燃料電池５と第３燃料電池７を用いて、高い熱効率で適切に発電させることができる。

燃料電池複合発電システム５０は、第１水蒸気添加装置２２と第２水蒸気添加装置２３と第３水蒸気添加装置２４とにより燃料ガスに添加される水蒸気を、燃料電池複合発電システム５０内で生成される熱を用いて、燃料電池複合発電システム５０内で排水される排水から生成することができる。燃料電池複合発電システム５０は、燃料ガスに添加される水蒸気を燃料電池複合発電システム５０内で生成される排水と熱とを用いて生成することにより、第１実施形態における燃料電池複合発電システム１に比較して、第２燃料ガスのＳ／Ｃと第３燃料ガスのＳ／Ｃとをより高い熱効率で調整することができる。

図４は、燃料電池複合発電システムの第３実施形態を示している。その燃料電池複合発電システム６０は、第１実施形態における燃料電池複合発電システム１の第１水分回収装置３が他の第１水分回収装置６１に置換され、第２水分回収装置６が他の第２水分回収装置６２に置換されている。

第１水分回収装置６１は、第１実施形態における第１水分回収装置３に、バイパス流路６３とバイパス側流調弁６４と熱交換器側流調弁６５とが追加されている。バイパス流路６３は、第１燃料電池２から排気される第１排燃料ガスを再生熱交換器１４に供給する流路を、再生熱交換器１４により生成される第２燃料ガスを第２燃料電池５に供給する流路に接続している。バイパス側流調弁６４は、バイパス流路６３の途中に設けられている。バイパス側流調弁６４は、制御装置２０に制御されることにより、バイパス流路６３を開閉する。熱交換器側流調弁６５は、第１燃料電池２から排気される第１排燃料ガスを再生熱交換器１４に供給する流路のうちのバイパス流路６３との分岐点より再生熱交換器１４の側に設けられている。熱交換器側流調弁６５は、制御装置２０に制御されることにより、第１燃料電池２から排気される第１排燃料ガスを再生熱交換器１４に供給する流路を開閉する。

第２水分回収装置６２は、第１実施形態における第２水分回収装置６に、バイパス流路６６とバイパス側流調弁６７と熱交換器側流調弁６８とが追加されている。バイパス流路６６は、第２燃料電池５から排気される第２排燃料ガスを再生熱交換器１７に供給する流路を、再生熱交換器１７により生成される第３燃料ガスを第３燃料電池７に供給する流路に接続している。バイパス側流調弁６７は、バイパス流路６６の途中に設けられている。バイパス側流調弁６７は、制御装置２０に制御されることにより、バイパス流路６６を開閉する。熱交換器側流調弁６８は、第２燃料電池５から排気される第２排燃料ガスを再生熱交換器１７に供給する流路のうちのバイパス流路６６との分岐点より再生熱交換器１７の側に設けられている。熱交換器側流調弁６８は、制御装置２０に制御されることにより、第２燃料電池５から排気される第２排燃料ガスを再生熱交換器１７に供給する流路を開閉する。

このとき、制御装置２０は、バイパス側流調弁６４と熱交換器側流調弁６５とを制御することにより、第２燃料電池５に供給される第２燃料ガスのＳ／Ｃが目標Ｓ／Ｃに等しくなるように、第１燃料電池２から排気される第１排燃料ガスのうちの所定の流量の第１排燃料ガスを第２燃料電池５に供給する。このとき、制御装置２０は、バイパス側流調弁６７と熱交換器側流調弁６８とを制御することにより、第３燃料電池７に供給される第３燃料ガスのＳ／Ｃが目標Ｓ／Ｃに等しくなるように、第２燃料電池５から排気される第２排燃料ガスのうちの所定の流量の第２排燃料ガスを第３燃料電池７に供給する。

燃料電池複合発電システム６０は、第１実施形態における燃料電池複合発電システム１と同様にして、制御装置２０が第１水分回収装置６１と第２水分回収装置６２との能力を調整することにより、第２燃料ガスのＳ／Ｃと第３燃料ガスのＳ／Ｃとを高い熱効率で適切に調整することができ、第２燃料電池５と第３燃料電池７を用いて、高い熱効率で適切に発電させることができる。

燃料電池複合発電システム６０は、第１水分回収装置６１のバイパス流路６３を介して、第１燃料電池２から排気された第１排燃料ガスを、第２燃料電池５に供給される第２燃料ガスに添加することができる。第２燃料ガスは、第１排燃料ガスが添加されることにより、Ｓ／Ｃが上昇する。燃料電池複合発電システム６０は、制御装置２０がバイパス側流調弁６４と熱交換器側流調弁６５とを制御することにより、第２燃料電池５に供給される第２燃料ガスのＳ／Ｃを調整することができ、第２燃料電池５に適切に発電させることができる。

燃料電池複合発電システム６０は、第１水分回収装置６１と同様にして、第２水分回収装置６２に関しても、制御装置２０がバイパス側流調弁６７と熱交換器側流調弁６８とを制御することにより、バイパス流路６６を介して第２排燃料ガスを第３燃料ガスに添加し、第３燃料ガスのＳ／Ｃを調整することができ、第３燃料電池７に適切に発電させることができる。

なお、第１水分回収装置６１は、温調用熱交換器１５を省略することができる。このとき、凝縮器１６は、再生熱交換器１４により生成された冷却後排燃料ガスを凝縮させる。燃料電池複合発電システム６０は、温調用熱交換器１５が省略された場合でも、バイパス流路６３を介して第２排燃料ガスを第３燃料ガスに添加することにより、第３燃料ガスのＳ／Ｃを調整することができ、第３燃料電池７に適切に発電させることができる。第２水分回収装置６２も、第１水分回収装置６１と同様にして、温調用熱交換器１８を省略することができる。燃料電池複合発電システム６０は、温調用熱交換器１５または温調用熱交換器１８を省略することにより、第１実施形態における燃料電池複合発電システム１に比較して、より低コストで作製することができる。

なお、燃料電池複合発電システム１、５０、６０は、第２水分回収装置６、６２と第３燃料電池７とが省略されることもできる。また、燃料電池複合発電システム１、５０、６０は、他の水分回収装置と燃料電池とが追加されることもできる。このとき、その燃料電池複合発電システムは、その追加された水分回収装置を同様に制御することにより、その追加された燃料電池に適切に発電させることができる。

１ ：燃料電池複合発電システム
２ ：第１燃料電池
３ ：第１水分回収装置
５ ：第２燃料電池
６ ：第２水分回収装置
７ ：第３燃料電池
１０：排熱回収ボイラ
１１：凝縮器
１２：二酸化炭素回収装置
１４：再生熱交換器
１５：温調用熱交換器
１６：凝縮器
１７：再生熱交換器
１８：温調用熱交換器
１９：凝縮器
２０：制御装置
２１：ガス成分分析装置
２２：第１水蒸気添加装置
２３：第２水蒸気添加装置
２４：水蒸気添加装置
３１：温度測定器
３２：圧力測定器
３３：温調用媒体供給装置
３４：温度測定器
３５：圧力測定器
３６：温調用媒体供給装置
５０：燃料電池複合発電システム
５１：排水供給装置
５２：第１熱交換器
５３：第２熱交換器
５４：第３熱交換器
６０：燃料電池複合発電システム
６１：第１水分回収装置
６２：第２水分回収装置
６３：バイパス流路
６４：バイパス側流調弁
６５：熱交換器側流調弁
６６：バイパス流路
６７：バイパス側流調弁
６８：熱交換器側流調弁

Claims (12)

1. 第１燃料ガスを用いて発電し、排燃料ガスを生成する第１燃料電池と、
   前記排燃料ガスから水分を除去することにより第２燃料ガスを生成する水分回収装置と、
   前記第２燃料ガスを用いて発電する第２燃料電池と、
   前記排燃料ガスから前記水分が除去される量が変化するように前記水分回収装置を制御する制御装置とを備える燃料電池複合発電システム。
2. 前記水分回収装置は、
   前記排燃料ガスを冷却することにより冷却後排燃料ガスを生成する再生熱交換器と、
   温度調節用媒体を用いて前記冷却後排燃料ガスを温度調節することにより前記温調後排燃料ガスを生成する温度調節用熱交換器と、
   前記温調後排燃料ガスから前記水分を除去することにより前記水分除去後排燃料ガスを生成する凝縮器と、
   前記温度調節用媒体を前記温度調節用熱交換器に供給する温調用媒体供給装置とを有し、
   前再生熱交換器は、さらに、前記排燃料ガスから前記水分除去後排燃料ガスに熱を伝達し、前記水分除去後排燃料ガスを加熱することにより前記第２燃料ガスを生成し、
   前記制御装置は、前記温度調節用熱交換器に前記温度調節用媒体が供給される流量が変化するように前記温調用媒体供給装置を制御する請求項１に記載される燃料電池複合発電システム。
3. 前記温調後排燃料ガスの温度を測定する温度測定装置をさらに備え、
   前記制御装置は、前記温度に基づいて前記温調用媒体供給装置を制御する請求項２に記載される燃料電池複合発電システム。
4. 前記温調後排燃料ガスの圧力を測定する圧力測定装置をさらに備え、
   前記制御装置は、前記圧力に基づいて前記温調用媒体供給装置を制御する請求項２〜請求項３のうちのいずれか一項に記載される燃料電池複合発電システム。
5. 前記第２燃料ガスに水蒸気を添加する水蒸気添加装置をさらに備え、
   前記温度調節用熱交換器は、前記温度調節用媒体を加熱することにより前記水蒸気を生成する請求項２〜請求項４のうちのいずれか一項に記載される燃料電池複合発電システム。
6. 前記第１燃料ガスのガス組成を測定するガス成分分析装置をさらに備え、
   前記制御装置は、前記ガス組成に基づいて前記水分回収装置を制御する請求項１〜請求項５のうちのいずれか一項に記載される燃料電池複合発電システム。
7. 前記制御装置は、前記第１燃料電池の発電量にさらに基づいて前記水分回収装置を制御する請求項１〜請求項６のうちのいずれか一項に記載される燃料電池複合発電システム。
8. 前記水分回収装置から排水された排水を加熱することにより水蒸気を生成する加熱装置と、
   前記第２燃料ガスに前記水蒸気を添加する水蒸気添加装置をさらに備え、
   前記制御装置は、前記水蒸気が前記第２燃料ガスに添加される添加量が変化するように、前記水蒸気添加装置をさらに制御する請求項１〜請求項４のうちのいずれか一項に記載される燃料電池複合発電システム。
9. 前記加熱装置は、前記第１燃料電池または前記第２燃料電池が放出する熱を用いて前記排水を加熱する請求項８に記載される燃料電池複合発電システム。
10. 前記水分回収装置は、前記第１燃料ガスを前記第２燃料ガスにバイパスするバイパスラインをさらに有し、
    前記制御装置は、前記第１燃料ガスが前記第２燃料ガスにバイパスされる量を調整するバイパス流量調節弁を制御する請求項１〜請求項９のうちのいずれか一項に記載される燃料電池複合発電システム。
11. 前記第２燃料電池から排気される他の排燃料ガスから水分を除去することにより第３燃料ガスを生成する他の水分回収装置と、
    前記第３燃料ガスを用いて発電する第３燃料電池とをさらに備え、
    前記制御装置は、前記他の排燃料ガスから水分が除去される量が変化するように前記他の水分回収装置をさらに制御する請求項１〜請求項１０のうちのいずれか一項に記載される燃料電池複合発電システム。
12. 第１燃料ガスを用いて発電し、排燃料ガスを生成する第１燃料電池と、
    前記排燃料ガスから水分を除去することにより第２燃料ガスを生成する水分回収装置と、
    前記第２燃料ガスを用いて発電する第２燃料電池とを備える燃料電池複合発電システムを用いて実行される燃料電池複合発電方法であり、
    前記燃料電池複合発電システムを準備すること、
    前記排燃料ガスから前記水分が除去される量が変化するように前記水分回収装置を制御することとを備える燃料電池複合発電方法。

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