JP7370792B2

JP7370792B2 - 燃料電池システム、及び燃料電池システムの運転方法

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Publication number: JP7370792B2
Application number: JP2019178342A
Authority: JP
Inventors: 和郎中村; 卓宏井出; 康晴川端; 立樹道幸; 麻理恵白井; 俊之輔赤羽; 徹波多江; 達哉中島
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2019-09-30
Filing date: 2019-09-30
Publication date: 2023-10-30
Anticipated expiration: 2039-09-30
Also published as: JP2021057167A

Description

本発明は燃料電池システム、及び燃料電池システムの運転方法に関する。

燃料電池システムにおいて、炭化水素系の原料を燃料電池システム内で改質して水素や一酸化炭素（以下これらをまとめて「燃料ガス」という）を得ることがある。水蒸気改質等の改質により水素や一酸化炭素を生成して、これらを燃料として燃料電池セルスタックで発電する場合、燃料電池セルスタックの燃料極からアノードオフガスが排出される。このアノードオフガスを燃料電池セルスタックで再利用する循環式の燃料電池システムが提案されている（特許文献１、２参照）。この循環式の燃料電池システムでは、燃料ガスを再利用することにより、発電効率を高くすることができる。

特許５３２７６９３号公報特許６２７２６３９号公報

一方、アノードオフガスには、炭化水素系燃料や一酸化炭素が含まれており、これらの熱分解等による炭素の析出が懸念される。

本発明は上記事実を考慮して成されたものであり、燃料電池セルスタックから排出されたアノードオフガスを再利用する場合に、当該アノードオフガスにおける炭素の析出を抑制することを目的とする。

本発明の請求項１に係る燃料電池システムは、炭化水素ガスが改質された燃料ガスと空気とを反応させて発電する燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルスタックから排出されたアノードオフガスから水を除去して再生燃料ガスを生成する燃料再生部と、前記燃料再生ガスに前記燃料電池セルスタックへ供給される前の原料ガスと水蒸気とが混合された混合ガスを混合する水混合部と、前記水混合部よりも下流側に設けられ、前記アノードオフガスと前記再生燃料ガスとの間で熱交換が行われ、前記再生燃料ガスを昇温すると共に前記燃料再生部を経ない前記アノードオフガスが前記再生燃料ガスと非合流とされた熱交換部と、前記熱交換部で昇温された前記再生燃料ガスを前記燃料電池セルスタックへ供給する循環部と、を備えている。

請求項１に係る燃料電池システムでは、燃料再生部においてアノードオフガスから水が除去されて再生燃料ガスが生成される。当該再生燃料ガスには、水混合部で水を含む混合ガスが混合される。したがって、燃料再生部で十分に水を除去することができると共に、その後に水を加えることで、炭素析出の抑制に必要とされる水の混合量を容易に制御することができる。また、水混合部よりも下流側に設けられた熱交換部における熱交換で昇温されるので、昇温前に再生燃料ガスに水が混合され、高温下における炭素の析出を抑制することができる。なお、水混合部で混合される水は、液相であっても気相であってもよい。

また、熱交換部では、アノードオフガスとその下流側の再生燃料ガスとの間で熱交換が行われるので、カソードオフガスと燃料再生ガスとの間で熱交換する場合と比較して、温度のバランスを保つことができる。

さらに、燃料再生部を経ないアノードオフガスが再生燃料ガスと非合流とされているので、再生燃料ガスにおける水の濃度を制御し易くなり、発電効率を高めることができる。

請求項１に係る燃料電池システムは、前記アノードオフガスの一部を前記燃料再生部よりも上流側で分岐させた分岐アノードオフガスを燃焼させる燃焼器、を備えている。

請求項１に係る燃料電池システムでは、アノードオフガスの一部を燃料再生部よりも上流側で分岐させて、燃焼器で燃焼させる。したがって、燃料再生部において再生するアノードオフガス量が少なくなり、燃料再生部の負荷を低減することができる。

請求項２に係る燃料電池システムは、前記再生燃料ガスの一部を前記水混合部よりも上流側で分岐させた分岐再生燃料ガスを燃焼させる燃焼器、を備えている。

請求項２に係る燃料電池システムでは、燃料再生部で再生された再生燃料ガスを分岐して、燃焼器で燃焼させる。したがって、燃焼器への水の供給が抑制され、燃焼効率を高めることができる。

請求項３に係る燃料電池システムは、請求項２に係る燃料電池システムにおいて、前記燃料再生部よりも下流側、且つ前記燃焼器へ前記アノードオフガスを分岐させる分岐部よりも上流側に、前記再生燃料ガスを送出するブロワが設けられている。

請求項３に係る燃料電池システムによれば、ブロワよりも上流側で水が除去されているので、ブロワで送出する気体の体積を低減させることができる。また、ブロワを、燃料再生部で冷却された後の再生燃料ガスに用いることができるので、ブロワを高温耐用のものにする必要がなく、ブロワの選択自由度が高くなる。

請求項４、５に係る燃料電池システムは、前記混合ガスは、水を気化する気化器から送出される。

請求項４、５に係る燃料電池システムによれば、気化器において水と原料ガスを混合することができる。

請求項６に係る燃料電池システムは、前記燃料再生部は、前記アノードオフガスから二酸化炭素をさらに除去する。

請求項６に係る燃料電池システムによれば、燃料電池セルスタックにおける発電効率をより高くすることができる。また、二酸化炭素を除去する際に、水が必要以上に除去されてしまうことがあるため、熱交換部での昇温前に水を混合する本発明がより好適である。

請求項７に係る燃料電池システムの運転方法は、炭化水素ガスが改質された燃料ガスと空気とを反応させて燃料電池セルスタックで発電し、前記燃料電池セルスタックから排出されたアノードオフガスから燃料再生部で水を除去して再生燃料ガスを生成し、前記燃料再生ガスに水混合部で前記燃料電池セルスタックへ供給される前の原料ガスと水蒸気とが混合された混合ガスを混合し、前記水混合部よりも下流側の熱交換部で、前記再生燃料ガスを昇温すると共に前記燃料再生部を経ない前記アノードオフガスが前記再生燃料ガスと非合流として、前記アノードオフガスと前記再生燃料ガスとの間で熱交換を行い、前記熱交換部で昇温された前記再生燃料ガスを前記燃料電池セルスタックへ供給する。

請求項７に係る燃料電池システムの運転方法では、燃料再生部でアノードオフガスから水が除去されて再生燃料ガスが生成されて再生燃料ガスが生成される。当該再生燃料ガスには、水混合部で水を含む混合ガスが混合される。したがって、燃料再生部で十分に水を除去することができると共に、その後に水を加えることで、必要とされる水の混合量を容易に制御することができる。また、水混合部よりも下流側に設けられた熱交換部における熱交換で昇温されるので、昇温前に再生燃料ガスに水が混合され、高温下における炭素の析出を抑制することができる。なお、水混合部で混合される水は、液相であっても気相であってもよい。

請求項７に係る燃料電池システムの運転方法は、前記アノードオフガスの一部を前記燃料再生部よりも上流側で分岐させた分岐アノードオフガスを燃焼器で燃焼させる。

請求項７に係る燃料電池システムの運転方法では、アノードオフガスの一部を前記燃料再生部よりも上流側で分岐させて、燃焼器で燃焼させる。したがって、燃料再生部において再生するアノードオフガス量が少なくなり、燃料再生部の負荷を低減することができる。

請求項８に係る燃料電池システムの運転方法は、前記再生燃料ガスの一部を前記水混合部よりも上流側で分岐させた分岐再生燃料ガスを燃焼器で燃焼させる。

請求項８に係る燃料電池システムの運転方法では、燃料再生部で再生された再生燃料ガスを分岐して、燃焼器で燃焼させる。したがって、燃焼器への水の供給が抑制され、燃焼効率を高めることができる。

請求項９に係る燃料電池システムの運転方法は、前記燃料再生部よりも下流側、且つ前記燃焼器へ前記アノードオフガスを分岐させる分岐部よりも上流側にブロワを設けて、前記再生燃料ガスを送出する。

請求項９に係る燃料電池システムの運転方法によれば、ブロワよりも上流側で水が除去されているので、ブロワで送出する気体の体積を低減させることができる。

請求項１０、１１に係る燃料電池システムの運転方法は、前記混合ガスは、水を気化する気化器から送出される。

請求項１０、１１に係る燃料電池システムの運転方法によれば、気化器において水と原料ガスを混合することができる。

請求項１２に係る燃料電池システムの運転方法は、前記燃料再生部で、前記アノードオフガスから二酸化炭素をさらに除去する。

請求項１２に係る燃料電池システムの運転方法によれば、燃料電池セルスタックにおける発電効率をより高くすることができる。また、二酸化炭素を除去する際に、水が必要以上に除去されてしまうことがあるため、熱交換部での昇温前に水を混合する本発明がより好適である。

本発明に係る燃料電池システム、及び燃料電池システムの運転方法によれば、炭素析出の抑制に必要とされる水の混合量を容易に制御することができる。

第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。第１実施形態の変形例に係る燃料電池システムの構成図である。第１実施形態の他の変形例に係る燃料電池システムの構成図である。第１実施形態の他の変形例に係る燃料電池システムの構成図である。第２実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。第２実施形態の変形例に係る燃料電池システムの構成図である。第２実施形態の他の変形例に係る燃料電池システムの構成図である。第２実施形態の他の変形例に係る燃料電池システムの構成図である。第３実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。第３実施形態の変形例に係る燃料電池システムの構成図である。第３実施形態の他の変形例に係る燃料電池システムの構成図である。第３実施形態の他の変形例に係る燃料電池システムの構成図である。第４実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。第４実施形態の変形例に係る燃料電池システムの構成図である。第４実施形態の他の変形例に係る燃料電池システムの構成図である。第４実施形態の他の変形例に係る燃料電池システムの構成図である。第１実施形態の他の変形例に係る燃料電池システムの構成図である。

［第１実施形態］
以下、図面を参照して本発明の第１実施形態について詳細に説明する。図１には、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０Ａの主要構成の概略が示されている。本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０Ａは、主要な構成として、気化器１２、改質器１４、燃料電池セルスタック１６、熱交換部１８、燃料再生部２０、燃焼器２２、及び、ブロワ２４を備えている。なお、燃料電池システム１０Ａを流通する気体として、本実施形態では、燃料電池セルスタック１６のアノード（燃料極）側へ入力され、アノード側から送出される気体のみを図示しており、カソード（空気極）側へ入力され、カソード側から送出される気体についての図示は省略している。

気化器１２には、原料ガス管Ｐ１の一端が接続されており、原料ガス管Ｐ１の他端は図示しないガス源に接続されている。ガス源からは、不図示のブロワによりメタンが気化器１２へ送出される。また、気化器１２には、水供給管Ｐ２が接続されており、不図示のポンプにより、水（液相）が気化器１２へ送出される。気化器１２では、水が気化される。

なお、本実施形態では、原料ガスとしてメタンを用いるが、改質が可能なガスであれば特に限定されず、炭化水素燃料を用いることができる。炭化水素燃料としては、天然ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）、石炭改質ガス、バイオガス、低級炭化水素ガスなどが例示される。低級炭化水素ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭素数４以下の低級炭化水素が挙げられ、本実施形態で用いるメタンが好ましい。なお、炭化水素燃料としては、上述した低級炭化水素ガスを混合したものであってもよく、上述した低級炭化水素ガスは天然ガス、都市ガス、ＬＰガス等のガスであってもよい。原料ガスに不純物が含まれる場合、脱硫器等が必要になるが、図では省略されている。

気化器１２には、水蒸気とメタンが混合された混合ガスを送出する混合ガス管Ｐ３Ａの一端が接続されている。混合ガス管Ｐ３Ａの他端は、後述する循環再生燃料管Ｐ９と接続されている。混合ガスは、混合ガス管Ｐ３Ａから送出され、後述する再生燃料ガスと合流される。

ここで、混合ガス中の水蒸気量は、後述する改質器１４における混合原料ガスの水蒸気改質に必要な量であると共に、後述する再生燃料ガスと合流された後の混合原料ガスが、熱交換部１８で加熱された後に炭素析出を抑制できる十分な量とされている。すなわち、再生燃料ガスの流量、混合原料ガス中のメタン、一酸化炭素、水素、二酸化炭素、水蒸気の含有量等を考慮して設定される。

改質器１４の出口側には、燃料ガス管Ｐ５の一端が接続され、燃料ガス管Ｐ５の他端は、燃料電池セルスタック１６のアノードと接続されている。改質器１４では、メタンを改質し、水素や一酸化炭素及び二酸化炭素を含む燃料ガスが生成される。改質器１４で生成された燃料ガスは、燃料ガス管Ｐ５を介して燃料電池セルスタック１６のアノードに供給される。

燃料電池セルスタック１６は固体酸化物形の燃料電池セルスタックの１個あるいは複数個であり、積層された複数の燃料電池セルを有している。本実施形態では、作動温度が６００℃～７５０℃程度とされている。個々の燃料電池セルは、電解質層と、当該電解質層の表裏面にそれぞれ積層されたアノード、及びカソードと、を有している。

カソードには、空気が供給され、下記（１）式に示すように、空気中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。生成された酸素イオンは電解質層を通ってアノードに到達する。

（空気極反応）
１／２Ｏ_２＋２ｅ^－ →Ｏ^２－ …（１）

一方、アノードでは、下記（２）式及び（３）式に示すように、電解質層を通ってきた酸素イオンが燃料ガス中の水素及び一酸化炭素と反応し、水(水蒸気)及び二酸化炭素と電子が生成される。アノードで生成された電子がアノードから外部回路を通ってカソードに移動することで、各燃料電池セルにおいて発電される。

（燃料極反応）
Ｈ_２＋Ｏ^２－ →Ｈ_２Ｏ＋２ｅ^－ …(２)
ＣＯ＋Ｏ^２－ →ＣＯ_２＋２ｅ^－ …(３)

アノードにはアノードオフガス管Ｐ６の一端が接続されており、アノードオフガス管Ｐ６には、アノードからアノードオフガスが排出される。アノードオフガスには、未反応の、水素、未反応の一酸化炭素、メタン、二酸化炭素及び水蒸気等が含まれている。アノードオフガス管Ｐ６の他端は、熱交換部１８を経て燃料再生部２０と接続されている。

なお、本発明の燃料電池としては、固体酸化物形の燃料電池(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)に限られるものではなく、他の燃料電池、例えば溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC：Molten Carbonate Fuel Cell)であってもよい。第２実施形態～第４実施形態でも同様である。

燃料再生部２０は、アノードオフガスから少なくとも水を除去する機能を有しており、凝縮器や分離膜等を用いて構成することができる。

燃料再生部２０では、後述する熱交換部１８における熱交換後の再生燃料ガスの温度で炭素析出が生じる可能性のある程度まで十分な量の水が除去される。例えば、水を除去した後の再生燃料ガスは、４００℃～９００℃において、炭素析出が生じる可能性のある炭素対比での水蒸気含有量（Ｓ／Ｃ）とされる。

燃料再生部２０の出口側には、再生燃料ガス管Ｐ７の一端が接続されている。再生燃料ガス管Ｐ７は、熱交換部１８よりも上流側で分岐され、分岐部Ｂ１が設けられている。分岐部Ｂ１において、再生燃料ガス管Ｐ７は、熱交換部１８へ接続される循環再生燃料管Ｐ９と燃焼用ガス管Ｐ８とに分岐されている。分岐部Ｂ１は、分配管等で分岐を構成することができる。循環再生燃料管Ｐ９は、熱交換部１８と接続されている。

再生燃料ガス管Ｐ７には、ブロワ２４が設けられている。ブロワ２４は、再生燃料ガスを分岐部Ｂ１へ向かって送出する。燃焼用ガス管Ｐ８の下流端は、燃焼器２２と接続されている。分流された再生燃料ガスは、燃焼器２２での燃焼に供される。燃焼には、不図示の酸素を含むガス（例えば、カソードオフガスの一部あるいは全部）が加えられる。燃焼器２２には、燃焼排ガス管Ｐ１０が接続されており、燃焼排ガスは燃焼排ガス管Ｐ１０へ排出される。燃焼排ガス管Ｐ１０は、燃料電池システム１０Ａ内で熱を必要とする場所、例えば、改質器１４や燃料電池セルスタック１６へ熱交換用に配管され、対象となる気体等を加熱し、その後、外部へ排出される。

循環再生燃料管Ｐ９には、混合ガス管Ｐ３Ａの他端が接続され合流部Ｇ１が形成されている。合流部Ｇ１において再生燃料ガスと混合ガス（水蒸気とメタンが混合された気体）とが混合される（以下この混合されたガスを「混合原料ガス」と称する）。本実施形態では、合流部Ｇ１が水供給部となる。混合原料ガスは、熱交換部１８で加熱された後に炭素析出を抑制できる十分な水蒸気量とされ、熱交換部１８へ供給される。

なお、燃料電池セルスタック１６のアノードから排出されたアノードオフガスを源流とするガスの内、再生燃料ガス側から熱交換部１８へ供給されるガスは、すべて燃料再生部２０を経ている。

熱交換部１８では、燃料電池セルスタック１６のアノードから排出されて燃料再生部２０へ至る前のアノードオフガスと混合原料ガスとの間で熱交換が行われる。混合原料ガスは加熱され、アノードオフガスは冷却される。

熱交換部１８の混合原料ガスの出口側には、混合ガス管Ｐ４の一端が接続されており、混合ガス管Ｐ４の他端は改質器１４と接続されている。熱交換部１８で加熱された混合原料ガスは、混合ガス管Ｐ４を経て改質器１４へ供給される。改質器１４へ供給された混合原料ガスは、前述のように改質器１４で改質される。

次に、本実施形態の燃料電池システム１０Ａの動作について説明する。

ガス源から、不図示のブロワによりメタンが気化器１２へ送出され、不図示のポンプにより、水（液相）が水供給管Ｐ２を経て気化器１２へ送出される。気化器１２では、水が気化され、水蒸気とメタンが混合された混合ガスが混合ガス管Ｐ３Ａへ送出される。混合ガスは、合流部Ｇ１で再生燃料ガスと合流され、混合原料ガスが熱交換部１８で加熱されて、改質器１４で改質されて、水素や一酸化炭素を含む燃料ガスが生成される。

燃料ガスは、燃料ガス管Ｐ５を介して燃料電池セルスタック１６のアノードに供給され、カソードに供給される空気から得られる酸素イオンとの発電反応により発電が行われる。発電よって得られる電力は、不図示の電力ラインから取り出される。当該発電反応により、アノードでは、水と二酸化炭素が生成される。

燃料電池セルスタック１６のアノードから、未反応の水素、メタン、一酸化炭素、水、及び二酸化炭素を含むアノードオフガスが送出され、アノードオフガス管Ｐ６を経て熱交換部１８へ供給される。アノードオフガスは、熱交換部１８で冷却され、燃料再生部２０へ供給される。

燃料再生部２０では、水が除去されて再生燃料ガスが生成される。再生燃料ガスは、ブロワ２４により再生燃料ガス管Ｐ７を下流へ向かって送出される。再生燃料ガスの一部は、分岐部Ｂ１で燃焼器２２へ分岐され、燃焼器２２で燃焼される。燃焼には、不図示の酸素を含むガス（例えば、カソードオフガスの一部あるいは全部）が加えられる。その他の再生燃料ガスは、合流部Ｇ１を経て混合ガスと合流されて、前記と同様の流れで改質、発電、及びアノードオフガスの循環が行われる。

本実施形態の燃料電池システム１０Ａでは、燃料再生部２０においてアノードオフガスから水を除去し、その後合流部Ｇ１で再生燃料ガスに水蒸気が混合される。したがって、燃料再生部２０で十分に水を除去することができると共に、その後に水蒸気を加えることで、炭素析出の抑制に必要とされる水蒸気の混合量を容易に制御することができる。また、混合原料ガスは、合流部Ｇ１よりも下流側に設けられた熱交換部１８における熱交換で昇温されるので、高温下における炭素の析出を抑制することができる。

また、本実施形態の燃料電池システム１０Ａでは、熱交換部１８において、アノードオフガスと再生燃料ガスとの間で熱交換が行われるので、カソードオフガスと燃料再生ガスとの間で熱交換する場合と比較して、温度のバランスを保つことができる。

また、本実施形態の燃料電池システム１０Ａ（後述する図３、図４に示す変形例を除く）では、燃料再生部２０で再生された再生燃料ガスを分岐して、燃焼器２２で燃焼させる。したがって、燃焼器２２への水の供給が抑制され、燃焼効率を高めることができる。

また、本実施形態の燃料電池システム１０Ａ（後述する図３、図４に示す変形例を除く）では、燃料再生部２０よりも下流側、且つ分岐部Ｂ１よりも上流側にブロワ２４が設けられている。したがって、ブロワ２４よりも上流側で水が除去されているので、ブロワ２４で送出する気体の体積を低減させることができる。また、ブロワ２４を、燃料再生部で冷却された後の再生燃料ガスに用いることができるので、ブロワ２４を高温耐用のものにする必要がなく、ブロワ２４の選択自由度が高くなる。

また、実施形態の燃料電池システム１０Ａでは、合流部Ｇ１において、水蒸気と共に燃料電池セルスタック１６へ供給される前の原料ガスが混合されるので、再生燃料ガスと共に燃料ガスについても昇温させることができる。

なお、本実施形態では、燃料再生部２０において、アノードオフガスから水を除去する例について説明したが、水に加えて二酸化炭素も除去してもよい。この場合には、二酸化炭素と水を除去できる分離膜を用いてもよいし、二酸化炭素を除去できる分離膜と水を除去できる分離膜の２種類の分離膜を用いてもよいし、分離膜と凝縮器の両方を用いてもよい。さらに、分離膜や凝縮器以外の手段を用いてもよい。二酸化炭素を除去することにより、燃料電池セルスタック１６へ供給される二酸化炭素が低減され、発電効率を向上させることができる。また、二酸化炭素を除去する際に、水蒸気が必要以上に除去されてしまうことがあるため、熱交換部１８での昇温前に水蒸気を混合する本発明がより好適である。

また、本実施形態では、改質器１４を設けたが、燃料電池セルスタック１６内での内部改質が行われる場合には、図２に示されるように、改質器１４を設けない構成とすることもできる。この場合には、混合ガス管Ｐ４の他端が燃料電池セルスタック１６のアノードに接続される。

また、本実施形態では、分岐部Ｂ１が燃料再生部２０よりも下流側に配置されている例について説明したが、図３に示されるように、分岐部Ｂ１を燃料再生部２０よりも上流側、ブロワ２４よりも下流側に配置してもよい。この場合には、アノードオフガスの一部を燃料再生部２０よりも上流側のアノードオフガス管Ｐ６を分岐させて（分岐部Ｂ１）、燃焼器２２で燃焼させるので、燃料再生部２０において再生するアノードオフガス量が少なくなり、燃料再生部２０の負荷を低減することができる。

なお、分岐部Ｂ１を燃料再生部２０よりも上流側に配置する場合でも、図４に示されるように、改質器１４を設けない構成とすることができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態では、第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

本実施形態の燃料電池システム１０Ｂは、図５に示すように、気化器１２の下流側に分岐部Ｂ２を設けている。分岐の一方側の混合ガス管Ｐ３Ａは、第１実施形態と同様に、合流部Ｇ１で再生燃料ガスと合流されている。分岐の他方側の混合ガス管Ｐ３Ｂは、改質器１４と接続されている。混合ガス管Ｐ３Ｂには、改質器１４の上流側の合流部Ｇ２で、混合ガス管Ｐ４が合流されている。

ここで、混合ガス管Ｐ３Ａへ分岐される混合ガス中の水蒸気量は、混合ガス管Ｐ３Ａ、混合ガス管Ｐ３Ｂ、及び循環再生燃料管Ｐ９を流れるガスを合わせた後に、改質器１４における水蒸気改質に必要な量であると共に、再生燃料ガスのみと合流部Ｇ１で合流された後の混合原料ガスが、熱交換部１８で加熱された後に炭素析出を抑制できる十分な量とされている。

本実施形態の燃料電池システム１０Ｂでも、燃料再生部２０においてアノードオフガスから水を除去し、その後合流部Ｇ１で再生燃料ガスに水蒸気が混合される。したがって、燃料再生部２０で十分に水を除去することができると共に、その後に水蒸気を加えることで、炭素析出の抑制に必要とされる水蒸気の混合量を容易に制御することができる。また、混合原料ガスは、合流部Ｇ１よりも下流側に設けられた熱交換部１８における熱交換で昇温されるので、高温下における炭素の析出を抑制することができる。

なお、本実施形態でも、図６に示されるように、改質器１４を設けない構成とすることもできる。この場合には、混合ガス管Ｐ３Ｂが燃料電池セルスタック１６のアノードに接続される。

また、本実施形態でも、図７に示されるように、分岐部Ｂ１を燃料再生部２０よりも上流側、ブロワ２４よりも下流側に配置してもよい。

なお、分岐部Ｂ１を燃料再生部２０よりも上流側に配置する場合でも、図８に示されるように、改質器１４を設けない構成とすることができる。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態では、第１、第２実施形態と同様の部分については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

本実施形態の燃料電池システム１０Ｃは、図９に示すように、気化器１２には、気化された改質水を原料ガスと混合させずに送出する水蒸気管Ｐ３Ｃの一端が接続されている。水蒸気管Ｐ３Ｃの他端は、合流部Ｇ１で再生燃料ガスと合流されている。また、気化器１２には、原料ガスと水蒸気を混合させた混合ガスを送出する混合ガス管Ｐ３Ｂの一端が接続されている。混合ガス管Ｐ３Ｂの他端は、改質器１４と接続されている。混合ガス管Ｐ３Ｂには、改質器１４の上流側の合流部Ｇ２で、混合ガス管Ｐ４が合流されている。

ここで、水蒸気管Ｐ３Ｃへ送出される水蒸気量は、水蒸気管Ｐ３Ｃ、混合ガス管Ｐ３Ｂ、及び循環再生燃料管Ｐ９を流れるガスを合わせた後に、改質器１４における水蒸気改質に必要な量であると共に、再生燃料ガスのみと合流部Ｇ１で合流された後の混合原料ガスが、熱交換部１８で加熱された後に炭素析出を抑制できる十分な量とされている。

本実施形態の燃料電池システム１０Ｃでも、燃料再生部２０においてアノードオフガスから水を除去し、その後合流部Ｇ１で再生燃料ガスに水蒸気が混合される。したがって、燃料再生部２０で十分に水を除去することができると共に、その後に水蒸気を加えることで、炭素析出の抑制に必要とされる水蒸気の混合量を容易に制御することができる。また、混合原料ガスは、合流部Ｇ１よりも下流側に設けられた熱交換部１８における熱交換で昇温されるので、高温下における炭素の析出を抑制することができる。

なお、本実施形態でも、図１０に示されるように、改質器１４を設けない構成とすることもできる。この場合には、混合ガス管Ｐ３Ｂが燃料電池セルスタック１６のアノードに接続される。

また、本実施形態でも、図１１に示されるように、分岐部Ｂ１を燃料再生部２０よりも上流側、ブロワ２４よりも下流側に配置してもよい。

なお、分岐部Ｂ１を燃料再生部２０よりも上流側に配置する場合でも、図１２に示されるように、改質器１４を設けない構成とすることができる。

［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態では、第１～第３実施形態と同様の部分については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

本実施形態の燃料電池システム１０Ｄは、第３実施形態の水蒸気管Ｐ３Ｃに代えて、分岐水管Ｐ３Ｄを有している。その他の構成は、第３実施形態と同様である。

図１３に示すように、分岐水管Ｐ３Ｄは、水供給管Ｐ２を気化器１２よりも上流側の分岐部Ｂ３で分岐させたものであり、改質水の一部を合流部Ｇ１で再生燃料ガスと合流させている。気化器１２には、原料ガスと水蒸気を混合させた混合ガスを送出する混合ガス管Ｐ３Ｂの一端が接続されている。混合ガス管Ｐ３Ｂの他端は、改質器１４と接続されている。混合ガス管Ｐ３Ｂには、改質器１４の上流側の合流部Ｇ２で、混合ガス管Ｐ４が合流されている。

ここで、分岐水管Ｐ３Ｄへ送出される水は、液相であり、熱交換部１８での加熱により気化される。また、分岐水管Ｐ３Ｄへ送出される水は、分岐水管Ｐ３Ｄ、混合ガス管Ｐ３Ｂ、及び循環再生燃料管Ｐ９を流れるガスを合わせた後に、改質器１４における水蒸気改質に必要な量であると共に、再生燃料ガスのみと合流部Ｇ１で合流された後の混合原料ガスが、熱交換部１８で加熱された後に炭素析出を抑制できる十分な量とされている。

本実施形態の燃料電池システム１０Ｄでも、燃料再生部２０においてアノードオフガスから水を除去し、その後合流部Ｇ１で再生燃料ガスに水が混合され、熱交換部１８で水蒸気となる。したがって、燃料再生部２０で十分に水を除去することができると共に、その後に水を加えることで、炭素析出の抑制に必要とされる水蒸気の混合量を容易に制御することができる。また、混合原料ガスは、合流部Ｇ１よりも下流側に設けられた熱交換部１８における熱交換で昇温されるので、高温下における炭素の析出を抑制することができる。

なお、本実施形態でも、図１４に示されるように、改質器１４を設けない構成とすることもできる。この場合には、混合ガス管Ｐ３Ｂが燃料電池セルスタック１６のアノードに接続される。

また、本実施形態でも、図１５に示されるように、分岐部Ｂ１を燃料再生部２０よりも上流側、ブロワ２４よりも下流側に配置してもよい。

なお、分岐部Ｂ１を燃料再生部２０よりも上流側に配置する場合でも、図１６に示されるように、改質器１４を設けない構成とすることができる。

前述の第１～第４実施形態では、ブロワ２４を用いて、アノードオフガス、または再生燃料ガスを送出したが、ブロワ２４に代えて、エジェクタ２５を用いてもよい。この場合には、図１７に示されるように、合流部Ｇ１に接続され、分岐部Ｂ１よりも下流側にエジェクタ２５を設ける。

１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ燃料電池システム
１４改質器
１６燃料電池セルスタック
１８熱交換部
２０燃料再生部
２２燃焼器
２４ブロワ
Ｇ１合流部（水混合部）
Ｐ４混合ガス管Ｐ４（循環部）

Claims

炭化水素ガスが改質された燃料ガスと空気とを反応させて発電する燃料電池セルスタックと、
前記燃料電池セルスタックから排出されたアノードオフガスから水を除去して再生燃料ガスを生成する燃料再生部と、
前記再生燃料ガスに前記燃料電池セルスタックへ供給される前の原料ガスと水蒸気とが混合された混合ガスを混合する水混合部と、
前記水混合部よりも下流側に設けられ、前記アノードオフガスと前記再生燃料ガスとの間で熱交換が行われ、前記再生燃料ガスを昇温すると共に前記燃料再生部を経ない前記アノードオフガスが前記再生燃料ガスと非合流とされた熱交換部と、
前記熱交換部で昇温された前記再生燃料ガスを前記燃料電池セルスタックへ供給する循環部と、
前記アノードオフガスの一部を前記燃料再生部よりも上流側で分岐させた分岐アノードオフガスを燃焼させる燃焼器と、
を備えた燃料電池システム。
炭化水素ガスが改質された燃料ガスと空気とを反応させて発電する燃料電池セルスタックと、
前記燃料電池セルスタックから排出されたアノードオフガスから水を除去して再生燃料ガスを生成する燃料再生部と、
前記再生燃料ガスに前記燃料電池セルスタックへ供給される前の原料ガスと水蒸気とが混合された混合ガスを混合する水混合部と、
前記水混合部よりも下流側に設けられ、前記アノードオフガスと前記再生燃料ガスとの間で熱交換が行われ、前記再生燃料ガスを昇温すると共に前記燃料再生部を経ない前記アノードオフガスが前記再生燃料ガスと非合流とされた熱交換部と、
前記熱交換部で昇温された前記再生燃料ガスを前記燃料電池セルスタックへ供給する循環部と、
前記再生燃料ガスの一部を前記水混合部よりも上流側で分岐させた分岐再生燃料ガスを燃焼させる燃焼器と、
を備えた燃料電池システム。
前記燃料再生部よりも下流側、且つ前記燃焼器へ前記アノードオフガスを分岐させる分岐部よりも上流側に、前記再生燃料ガスを送出するブロワが設けられている、請求項２に記載の燃料電池システム。
前記混合ガスは、水を気化する気化器から送出される、請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
炭化水素ガスが改質された燃料ガスと空気とを反応させて発電する燃料電池セルスタックと、
前記燃料電池セルスタックから排出されたアノードオフガスから水を除去して再生燃料ガスを生成する燃料再生部と、
前記再生燃料ガスに前記燃料電池セルスタックへ供給される前の原料ガスと水蒸気とが混合された混合ガスを混合する水混合部と、
前記水混合部よりも下流側に設けられ、前記アノードオフガスと前記再生燃料ガスとの間で熱交換が行われ、前記再生燃料ガスを昇温すると共に前記燃料再生部を経ない前記アノードオフガスが前記再生燃料ガスと非合流とされた熱交換部と、
前記熱交換部で昇温された前記再生燃料ガスを前記燃料電池セルスタックへ供給する循環部と、
を備え、
前記混合ガスは、水を気化する気化器から送出される、燃料電池システム。
前記燃料再生部は、前記アノードオフガスから二酸化炭素をさらに除去する、請求項１～請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
炭化水素ガスが改質された燃料ガスと空気とを反応させて燃料電池セルスタックで発電し、
前記燃料電池セルスタックから排出されたアノードオフガスから燃料再生部で水を除去して再生燃料ガスを生成し、
前記再生燃料ガスに水混合部で前記燃料電池セルスタックへ供給される前の原料ガスと水蒸気とが混合された混合ガスを混合し、
前記水混合部よりも下流側の熱交換部で、前記再生燃料ガスを昇温すると共に前記燃料再生部を経ない前記アノードオフガスが前記再生燃料ガスと非合流として、前記アノードオフガスと前記再生燃料ガスとの間で熱交換を行い、
前記熱交換部で昇温された前記再生燃料ガスを前記燃料電池セルスタックへ供給し、
前記アノードオフガスの一部を前記燃料再生部よりも上流側で分岐させた分岐アノードオフガスを燃焼器で燃焼させる、
燃料電池システムの運転方法。
炭化水素ガスが改質された燃料ガスと空気とを反応させて燃料電池セルスタックで発電し、
前記燃料電池セルスタックから排出されたアノードオフガスから燃料再生部で水を除去して再生燃料ガスを生成し、
前記再生燃料ガスに水混合部で前記燃料電池セルスタックへ供給される前の原料ガスと水蒸気とが混合された混合ガスを混合し、
前記水混合部よりも下流側の熱交換部で、前記再生燃料ガスを昇温すると共に前記燃料再生部を経ない前記アノードオフガスが前記再生燃料ガスと非合流として、前記アノードオフガスと前記再生燃料ガスとの間で熱交換を行い、
前記熱交換部で昇温された前記再生燃料ガスを前記燃料電池セルスタックへ供給し、
前記再生燃料ガスの一部を前記水混合部よりも上流側で分岐させた分岐再生燃料ガスを燃焼器で燃焼させる、
燃料電池システムの運転方法。
前記燃料再生部よりも下流側、且つ前記燃焼器へ前記アノードオフガスを分岐させる分岐部よりも上流側にブロワを設けて、前記再生燃料ガスを送出する、請求項８に記載の燃料電池システムの運転方法。
前記混合ガスを、水を気化する気化器から送出する、請求項７～請求項９のいずれか１項に記載の燃料電池システムの運転方法。
炭化水素ガスが改質された燃料ガスと空気とを反応させて燃料電池セルスタックで発電し、
前記燃料電池セルスタックから排出されたアノードオフガスから燃料再生部で水を除去して再生燃料ガスを生成し、
前記再生燃料ガスに水混合部で前記燃料電池セルスタックへ供給される前の原料ガスと水蒸気とが混合された混合ガスを混合し、
前記水混合部よりも下流側の熱交換部で、前記再生燃料ガスを昇温すると共に前記燃料再生部を経ない前記アノードオフガスが前記再生燃料ガスと非合流として、前記アノードオフガスと前記再生燃料ガスとの間で熱交換を行い、
前記熱交換部で昇温された前記再生燃料ガスを前記燃料電池セルスタックへ供給し、
前記混合ガスを、水を気化する気化器から送出する、燃料電池システムの運転方法。
前記燃料再生部で、前記アノードオフガスから二酸化炭素をさらに除去する、請求項７～請求項１１のいずれか１項に記載の燃料電池システムの運転方法。