(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
  前記調整部は、前記第1アノードから排出された前記アノードオフガスの少なくとも一部を、前記燃料再生部を非通過で前記第2アノードへ送出するバイパス路、を含んでいる、請求項1に記載の燃料電池システム。
  前記燃料再生部は、前記アノードオフガスと前記第1燃料電池セルスタック及び前記第2燃料電池セルスタックの少なくとも一方へ供給される前記空気との熱交換を行う空気熱交換部を有し、
前記調整部は、前記空気熱交換部へ供給される空気の流量を制御すること、を特徴とする、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。
  前記分圧調整部は、前記透過側へ供給するスイープガスの流量により前記透過側における二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の分圧を調整すること、を特徴とする、請求項5または請求項6に記載の燃料電池システム。
  前記分圧調整部は、前記透過側へ供給する前のスイープガスの二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の分圧により前記透過側における二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の分圧を調整すること、を特徴とする、請求項5または請求項6に記載の燃料電池システム。
  前記調整部は、前記第1燃料電池セルスタックよりも下流側から前記第2アノードへ酸化剤ガスを供給する追加酸化剤ガス供給部、を含んで形成されている、請求項1〜請求項9のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
  このような燃料電池システムにおいて、炭化水素系の原料を改質して発電に用いる場合、燃料ガスの経路において、炭素の析出が懸念される。
【0005】
  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。
 
【課題を解決するための手段】
【0006】
  請求項1記載の発明に係る燃料電池システムは、炭化水素系の原料ガスを改質して生成された水素を含む燃料ガスと空気とを反応させて発電する第1燃料電池セルスタックと、前記第1燃料電池セルスタックの第1アノードから排出されたアノードオフガスと空気とを反応させて発電する第2燃料電池セルスタックと、前記アノードオフガスから、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を減じたガスを前記第2燃料電池セルスタックの第2アノードへ供給する燃料再生部と、前記第1燃料電池セルスタックにおける発電が行われないときに、前記第2アノードへ供給されるガスの炭素化合物ガス濃度を前記第2アノードにおいて炭素析出が抑制される濃度となるように、
前記第1燃料電池セルスタックにおける発電が行われているときに非実行とされる調整を行う、調整部と、を備えている。
【0007】
  通常、第1燃料電池セルスタックにおける発電が行われないときには、第1アノードで水が生成されないため、アノードオフガス中に含まれる水蒸気が少なくなり、第2アノードにおいて炭素析出が生じやすくなる。そこで、請求項1に係る燃料電池システムでは、調整部により、第2アノードへ供給される炭素化合物ガス濃度を、炭素析出が抑制される濃度となるように調整する。これにより、第1燃料電池セルスタックにおける発電が行われないときには、アノードオフガスにおける炭素析出を抑制することができる。
【0008】
  請求項2記載の発明に係る燃料電池システムは、前記調整部が、前記第1アノードから排出された前記アノードオフガスの少なくとも一部を、前記燃料再生部を非通過で前記第2アノードへ送出するバイパス路、を含んでいる。
【0009】
  請求項2記載の燃料電池システムでは、アノードオフガスの少なくとも一部が、バイパス路を経て、燃料再生部を非通過で第2アノードへ送出されるので、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を多く残して第2アノードへ供給することができる。これにより、第2アノードへ供給される炭素化合物ガス濃度を低下させて、炭素析出が抑制される濃度となるように調整することができる。
【0010】
  請求項3記載の発明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中の水蒸気を凝縮させる凝縮部を有し、前記調整部は、前記凝縮部での水の凝縮量を制御する水凝縮制御部、を含んで形成されている。
【0011】
  請求項3記載の燃料電池システムでは、水凝縮制御部により、アノードオフガス中の水蒸気の凝縮量を制御することにより、燃料再生部によるアノードオフガス中の水蒸気の除去を抑制して、水蒸気を第2アノードへ供給することができる。なお、アノードオフガス中の水蒸気の凝縮量は、アノードオフガスの温度、供給する燃料ガスの流量、酸化剤ガスの流量などを変えることにより、制御することができる。
【0012】
  請求項4記載の発明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と前記第1燃料電池セルスタック及び前記第2燃料電池セルスタックの少なくとも一方へ供給される前記空気との熱交換を行う空気熱交換部を有し、前記調整部は、前記空気熱交換部へ供給される空気の流量を制御すること、を特徴とする。
【0013】
  請求項4記載の燃料電池システムでは、空気熱交換部において、アノードオフガスと第1燃料電池セルスタック及び第2燃料電池セルスタックの少なくとも一方へ供給される空気との間で熱交換が行われ、アノードオフガスが冷却される。調整部により、空気熱交換部へ供給される空気の流量を制御することにより、アノードオフガスに残る水蒸気の量が調整される。これにより、第2アノードへ供給される炭素化合物ガス濃度を低下させて、炭素析出が抑制される濃度となるように調整することができる。
【0014】
  請求項5記載の発明に係る燃料電池システムは、前記燃料再生部は、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を透過させて分離する分離膜を有し、前記調整部は、前記分離膜の透過側における二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の分圧を調整する分圧調整部、を含んで形成されている。
【0015】
  請求項5記載の燃料電池システムによれば、分圧調整部により、透過側における二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の分圧が高くなるように分離膜の透過側の圧力などを調整することにより、燃料再生部によるアノードオフガス中の水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方の除去を抑制して、水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方を再生燃料ガス中に多く残して、第2アノードへ供給することができる。
【0016】
  請求項6記載の発明に係る燃料電池システムは、前記分圧調整部は、前記透過側を減圧するポンプを含んで構成されている。
【0017】
  請求項6に係る燃料電池システムによれば、ポンプにより透過側を減圧することにより、透過側における二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の分圧を調整することができる。
【0018】
  請求項7記載の発明に係る燃料電池システムは、前記分圧調整部は、前記透過側へ供給するスイープガスの流量により前記透過側における二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の分圧を調整すること、を特徴とする。
【0019】
  請求項7に係る燃料電池システムによれば、分離膜の透過側へ供給するスイープガスの流量を変えることにより、透過側における二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の分圧を調整することができる。
【0020】
  請求項8記載の発明に係る燃料電池システムは、前記分圧調整部は、前記透過側へ供給する前のスイープガスの二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の分圧により前記透過側における二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の分圧を調整すること、を特徴とする。
【0021】
  請求項8に係る燃料電池システムによれば、分離膜の透過側へ供給する前のスイープガスの二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の分圧や、供給するスイープガスの絶対圧を変えることにより、透過側における二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の分圧を調整することができる。
【0022】
  請求項9記載の発明に係る燃料電池システムは、前記第1アノードへは、前記燃料ガスと共に水蒸気が供給され、前記調整部は、前記第1アノードへ供給する水蒸気流量を制御する。
【0023】
  請求項9に係る燃料電池システムによれば、第1アノードへ供給する水蒸気流量を制御することにより、第2アノードへ供給されるガスの炭素化合物ガス濃度が炭素析出を抑制できる濃度となるように調整することができる。
【0024】
  請求項10記載の発明に係る燃料電池システムは、前記調整部は、前記第1燃料電池セルスタックよりも下流側から前記第2アノードへ酸化剤ガスを供給する追加酸化剤ガス供給部、を含んで形成されている。
【0025】
  請求項10に係る燃料電池システムによれば、追加酸化剤ガス供給部により第1燃料電池セルスタックよりも下流側から第2アノードへ酸化剤ガスが供給される。したがって、燃料再生部により二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を減じた再生燃料ガスが第2アノードへ供給されても、第2アノードへ炭素の析出抑制のために必要な酸化剤ガスを供給することができる。なお、追加酸化剤ガス供給部は、燃料再生部よりも下流側に配置しても、上流側に配置してもよい。
 
【発明の効果】
【0026】
  本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料再生を行う燃料電池システムにおいて、アノードオフガスにおける炭素析出を抑制することができる。
 
 
【発明を実施するための形態】
【0028】
  [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、第1燃料電池セルスタック16、第2燃料電池セルスタック18、燃焼部20、燃料再生部22、原料供給ブロワ24、水供給ポンプ26、主酸化剤ガスブロワ28、熱交換部30、補助酸化剤ガスブロワ32、制御部40、パワーコンディショナ41、第1電流制御器42、第2電流制御器43を備えている。また、
図2に示されるように、燃料電池システム10Aを制御する制御部40を備えている。
 
【0029】
  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、原料供給ブロワ24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、水供給ポンプ26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。気化には、後述する燃焼部20の熱が用いられる。
 
【0030】
  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、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。
 
【0031】
  メタン及び水蒸気は、気化器12から配管P3を介して改質器14へ送出される。改質器14は、燃焼部20と隣接されており、燃焼部20との間で熱交換を行うことで加熱される。
 
【0032】
 改質器14は、第1燃料電池セルスタック16の第1アノード(燃料極)16Aと接続されている。改質器14では、メタンを改質し、水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P4を介して第1燃料電池セルスタック16の第1アノード16Aに供給される。
 
【0033】
  第1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であり、積層された複数の燃料電池セルを有している。第1燃料電池セルスタック16は本発明における燃料電池(第1燃料電池)の一例であり、本実施形態では、作動温度が650℃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第1アノード16A、及び第1カソード(空気極)16Bと、を有している。
 
【0034】
  なお、第2燃料電池セルスタック18についての基本構成は、第1燃料電池セルスタック16と同様であり、第1アノード16Aに対応する第2アノード18A、及び第1カソード16Bに対応する第2カソード18Bを有している。
 
【0035】
  第1燃料電池セルスタック16の第1カソード16Bには、酸化剤ガス管P5の一端が接続されており、酸化剤ガス管P5の他端に接続された主酸化剤ガスブロワ28により酸化剤ガス(空気)が供給される。第1カソード16Bでは、下記(1)式に示すように、酸化剤ガス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第1燃料電池セルスタック16の第1アノード16Aに到達する。
 
【0036】
  (空気極反応)
  1/2O
2+2e
− →O
2−  …(1)
 
【0037】
また、第1カソード16Bには、第1カソード16Bから排出されるカソードオフガスを第2燃料電池セルスタック18の第2カソード18Bへ案内するカソードオフガス管P6が接続されている。
 
【0038】
  一方、第1燃料電池セルスタック16の第1アノード16A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。第1アノード16Aで生成された電子が第1アノード16Aから外部回路を通って第1カソード16Bに移動することで、各燃料電池セルにおいて発電される。また、各燃料電池セルは、発電時に発熱する。
 
【0039】
  (燃料極反応)
  H
2 +O
2− →H
2O+2e
−  …(2)
  CO+O
2− →CO
2+2e
−  …(3)
 
【0040】
  第1燃料電池セルスタック16の第1アノード16Aにはアノードオフガス管P7の一端が接続されており、アノードオフガス管P7には、第1アノード16A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、二酸化炭素及び水蒸気等が含まれている。
 
【0041】
  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、アノードオフガスに二酸化炭素及び水素の少なくとも一方が含まれる他の燃料電池、例えば溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)であってもよい。
  また、固体酸化物形の燃料電池として、水素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池(PCFC:Proton Ceramic Solid Oxide Fuel Cell)を用いることもできる。
 
【0042】
  アノードオフガス管P7の他端は、熱交換部30を経て燃料再生部22と接続されている。燃料再生部22は、アノードオフガスから二酸化炭素及び水の少なくとも一方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。
 
【0043】
  燃料再生部22の出口側には、再生燃料ガス管P9の一端が接続されている。再生燃料ガス管P9の他端は、熱交換部30を経て、第2燃料電池セルスタック18の第2アノード18Aと接続されている。二酸化炭素及び水の少なくとも一方が除去されたアノードオフガスは、再生燃料ガスとなって、第2燃料電池セルスタック18の第2アノード18Aに供給される。
 
【0044】
  熱交換部30では、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。ここでは、アノードオフガスが冷却され、再生燃料ガスが加熱される。
 
【0045】
  第2燃料電池セルスタック18の第2アノード18A及び第2カソード18Bでは、第1燃料電池セルスタック16と同様の反応により発電が行われる。第2アノード18A及び第2カソード18Bから排出された使用済のガスは、配管P11、カソードオフ燃焼導入管P12により燃焼部20へ送出され、燃焼部20で焼却に供される。本実施形態の燃料電池システム10Aは、第1燃料電池セルスタック16で使用された燃料であるアノードオフガスが再生されて、燃料ガスとして第2燃料電池セルスタック18で再利用される多段式の燃料電池システムとなっている。
 
【0046】
  燃焼部20からは、燃焼排ガスが送出される。燃焼排ガスは、燃焼排ガス管P10内を流通し、気化器12での熱交換を経て排出される。
 
【0047】
  再生燃料ガス管P9の熱交換部30よりも下流側には、補助酸化剤ガス管P13の一端が接続されている。補助酸化剤ガス管P13の他端には、補助酸化剤ガスブロワ32が接続されており、補助酸化剤ガスブロワ32により再生燃料ガス管P9を経て第2燃料電池セルスタック18の第2アノード18Aに空気(酸化剤ガス)が送出される。
 
【0048】
  第1燃料電池セルスタック16は、電気配線42Aを介して第1電流制御器42と接続されている。第1電流制御器42は、電気配線42Bを介してパワーコンディショナ41と電気的に接続されている。第1電流制御器42は、電気配線42A、42Bを流れる電流の大きさを制御可能とされている。第2燃料電池セルスタック18は、電気配線43Aを介して第2電流制御器43と接続されている。第2電流制御器43は、電気配線43Bを介してパワーコンディショナ41と電気的に接続されている。第2電流制御器43は、電気配線43A、43Bを流れる電流の大きさを制御可能とされている。
  なお、本実施形態では第1燃料電池セルスタック16と第2燃料電池セルスタック18の電気配線を個別に取り出しているが、第1燃料電池セルスタック16と第2燃料電池セルスタック18の電気配線を直列に接続した電気配線としてもよい。
 
【0049】
  パワーコンディショナ41は、制御部40と電気的に接続されている。パワーコンディショナ41は、第1電流制御器42、第2電流制御器43を介して電気配線42A、42B、43A、43Bを流れる各々の電流の大きさを制御可能とされ、電気配線42A、42B、43A、43Bを流れる各々の電流の大きさは、パワーコンディショナ41を介して制御部40によって制御されている。また、パワーコンディショナ41は、図示しない変電機器を介して図示しない電力負荷に接続されている。第1燃料電池セルスタック16、第2燃料電池セルスタック18で発電された電力は、直流→交流や電圧変換などの変電処理を経て電力負荷で消費される。
 
【0050】
  制御部40は、燃料電池システム10Aの全体を制御するものであり、CPU(Central  Processing  Unit:プロセッサ)40A、ROM(Read  Only  Memory)40B、RAM(Random  Access  Memory)40C、ストレージ40D、入出力インターフェース(I/F)40E、を有する。各構成は、バス40Fを介して相互に通信可能に接続されている。
 
【0051】
  CPU40Aは、中央演算処理ユニットであり、各種プログラムを実行したり、各部を制御したりする。すなわち、CPU40Aは、ROM40Bまたはストレージ40Dからプログラムを読み出し、RAM40Cを作業領域としてプログラムを実行する。CPU40Aは、ROM40Bまたはストレージ40Dに記録されているプログラムにしたがって、上記各構成の制御および各種の演算処理を行う。
 
【0052】
  ROM40Bは、各種プログラムおよび各種データを格納する。RAM40Cは、作業領域として一時的にプログラムまたはデータを記憶する。ストレージ40Dは、HDD(Hard  Disk  Drive)またはSSD(Solid  State  Drive)により構成され、オペレーティングシステムを含む各種プログラム、および各種データを格納する。本実施形態では、ROM40Bまたはストレージ40Dには、燃料電池システム10Aの発電停止時における処理についてのプログラム等が格納されている。入出力I/F40Eは、信号線を介して、原料供給ブロワ24、水供給ポンプ26、主酸化剤ガスブロワ28、補助酸化剤ガスブロワ32、及びパワーコンディショナ41、と接続されている。
 
【0053】
  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。
 
【0054】
  燃料電池システム10Aでは、定常運転時には、規定量のメタンが原料供給ブロワ24により気化器12へ供給され、水供給ポンプ26により、規定量の水(液相)が気化器12へ送出される。気化器12では、供給されたメタン及び水が混合されると共に、燃焼排ガス管P10を流通する燃焼排ガスから熱を得て加熱され、水が気化され水蒸気となる。
 
【0055】
  メタン及び水蒸気は、気化器12から配管P3を介して改質器14へ送出される。改質器14では、改質反応により、水素を含む燃料ガスが生成される。燃料ガスは、燃料ガス管P4を介して第1燃料電池セルスタック16の第1アノード16Aに供給される。
 
【0056】
第1燃料電池セルスタック16の第1カソード16Bには、酸化剤ガス管P5の他端に接続された主酸化剤ガスブロワ28により酸化剤ガス(空気)が供給される。これにより、第1燃料電池セルスタック16では、前述の反応により発電が行われる。上記反応により第1燃料電池セルスタック16は発熱し、発電が行われる。この発電に伴い第1燃料電池セルスタック16の第1アノード16Aからは、アノードオフガスが排出される。また、第1カソード16Bからは、カソードオフガスが排出される。第1カソードオフガスは、カソードオフガス管P6を通って第2燃料電池セルスタック18の第2カソード18Bへ供給される。第2カソード18Bへ供給された第1カソードオフガスは、発電に供されて第2カソードオフ管P12へ排出され、燃焼部20へ供給される。
 
【0057】
  第1アノード16Aから排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス管P7に導かれ、熱交換部30を経て、燃料再生部22へ供給される。アノードオフガスは、燃料再生部22で二酸化炭素及び水蒸気の内の少なくとも一方が除去されて、再生燃料ガスとなる。再生燃料ガスは、再生燃料ガス管P9を通って第2アノード18Aへ供給される。再生燃料ガスは、第2アノード18Aで発電に供される。第2アノードオフガスは、アノードオフガス管P11を経て燃焼部20へ送出され、第2アノードオフガス中の未反応水素、一酸化炭素は、燃焼部20で燃焼する。燃焼部20からは、燃焼排ガス管P10から燃焼排ガスが排出される。燃焼排ガスは、気化器12で熱交換後に排出される。
 
【0058】
  次に、第1発電停止時処理について説明する。第1発電停止時処理は、燃料電池システム10Aにおいて、発電を停止させる時(以下「発電停止時」という)に実行される。ここでの発電停止は、燃料電池システム10Aを完全に停止させる場合の他、一時的に負荷電力がゼロの状態が継続する等の事情により発電を停止する場合を含む。
 
【0059】
  運転中の燃料電池システム10Aにおいて、制御部40へ、第1燃料電池セルスタック16、第2燃料電池セルスタック18における発電を停止する旨の信号が入力されると、
図3に示される第1発電停止時処理が実行される。第1発電停止時処理では、まず、ステップS10で、パワーコンディショナ41へ、電流の取り出しを停止するように指示を出力する。これにより、第1電流制御器42及び第2電流制御器43による電流の取り出しが停止される。
 
【0060】
  次に、ステップS12で、補助酸化剤ガスブロワ32を駆動させる。これにより、第2アノード18Aへ酸化剤ガス(空気)が供給される。第1燃料電池セルスタック16では、発電が停止されているため、水の生成反応が生じない。第1アノード18Aから排出されたガスは、定常運転時よりも水の含有量が少ないにもかかわらず、燃料再生部22で二酸化炭素及び水の少なくとも一方が除去される。そこで、本実施形態では、補助酸化剤ガスブロワ32から酸化剤ガスを供給する。これにより、空気中のCO
2やO
2を酸化剤として第2燃料電池セルスタック18では、酸化反応が生じ、炭素の析出は抑制される。
 
【0061】
  次に、ステップS14で、燃料電池システム10Aでの発電を再開するか否かを判断する。判断が肯定された場合には、ステップS16で、パワーコンディショナ41へ、電流の取り出しを行うように指示を出力する。これにより、第1電流制御器42及び第2電流制御器43による電流の取り出しが再開される。そして、ステップS18で、補助酸化剤ガスブロワ32を停止して、本処理を終了する。
 
【0062】
  ステップS14での判断が否定された場合には、ステップS20で、燃料電池システム10Aを完全に停止させるか否かを判断する。判断が肯定された場合には、ステップS22で燃料電池システム10Aの完全停止処理を行う。ステップS20での判断が否定された場合には、ステップS14へ戻り、上記の処理を繰り返す。
 
【0063】
  本実施形態によれば、第1燃料電池セルスタック16、第2燃料電池セルスタック18での発電を停止した時に、第2燃料電池セルスタック18へ酸化剤ガスを追加供給するので、炭素の析出を抑制することができる。したがって、燃料電池システム10Aの一時停止や完全停止を、炭素の析出を抑制しつつ安全に行うことができる。
 
【0064】
  なお、本実施形態では、補助酸化剤ガスブロワ32で空気を酸化剤ガスとして送出したが、水蒸気、二酸化炭素、酸素など、他の酸化剤ガスを供給してもよい。
 
【0065】
  また、本実施形態では、補助酸化剤ガスブロワ32を燃料再生部22よりも下流側に配置したが、燃料再生部22よりも上流側に配置してもよい。
 
【0066】
  なお、気化器12から送出された水蒸気が、燃料電池セルスタックや配管途中で凝縮すると、燃料電池セルスタックの劣化や、配管の詰まりの原因となることが考えられる。そこで、水供給ポンプ26で供給する水の流量は、アノードライン(配管P3、改質器14、燃料ガス管P4、第1アノード18A、アノードオフガス管P7、熱交換部30、燃料再生部22、再生燃料ガス管P9、第2アノード18A、配管P11)で最も低温部分の温度よりも露点が高くなるように制御してもよい。これにより、水蒸気が燃料電池セルスタックや配管途中で凝縮することを抑制でき、燃料電池セルスタックの劣化や、配管の詰まりを抑制することができる。
 
【0067】
  水蒸気の凝縮抑制は、水供給ポンプ26で供給する水の流量を制御することにより行う他、アノードラインの最も低温部分の温度を、露点以下とならないように高く維持するようにすることで行ってもよい。
 
【0068】
  [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。
 
【0069】
  本実施形態の燃料電池システム10Bは、
図4に示すように、第1実施形態の補助酸化剤ガスブロワ32を有していない。燃料電池システム10Bには、アノードオフガス管P7の熱交換部30よりも上流側から分岐して第1アノード16Aから第2アノード18Aへ燃料再生部22を経由せずにアノードオフガスを供給するアノードオフガス直接供給管P8が設けられている。アノードオフガス管P7とアノードオフガス直接供給管P8との分岐部分には、切換部としての三方弁44が設けられている。三方弁44は、
図5に示されるように、制御部40と接続されている。制御部40は、三方弁44を制御し、第1アノード16Aから第2アノード18Aへの流路と第1アノード16Aから燃料再生部22への流路とを切り換える。本実施形態では、三方弁44よりも下流側のアノードオフガス管P7を、符号P7−1として区別する。
 
【0070】
  次に、本実施形態の燃料電池システム10Bの動作について説明する。
 
【0071】
  運転中の燃料電池システム10Bにおいて、制御部40へ、第1燃料電池セルスタック16及び第2燃料電池セルスタック18での発電を停止する旨の信号が入力されると、
図6に示される第2発電停止時処理が実行される。ステップS10で、パワーコンディショナ41へ、電流の取り出しを停止するように指示を出力する。これにより、第1電流制御器42及び第2電流制御器43による電流の取り出しが停止される。
 
【0072】
  次に、ステップS24で、三方弁44をアノードオフガス直接供給管P8側が開となるように制御する。これにより、アノードオフガスが燃料再生部22へ供給されず、第1アノード16Aから第2アノード18Aへ直接供給される。したがって、アノードオフガス中のH
2OやCO
2が低減されることなく、第2アノード18Aへ供給される。
 
【0073】
  次に、ステップS14で、燃料電池システム10Aでの発電を再開するか否かを判断する。判断が肯定された場合には、ステップS16で、パワーコンディショナ41へ、電流の取り出しを行うように指示を出力する。これにより、第1電流制御器42及び第2電流制御器43による電流の取り出しが再開される。そして、ステップS26で、三方弁44をアノードオフガス管P7−1側が開となるように制御して、本処理を終了する。
 
【0074】
  ステップS14での判断が否定された場合には、ステップS20で、燃料電池システム10Aを完全に停止させるか否かを判断する。判断が肯定された場合には、ステップS22で燃料電池システム10Aを停止する。ステップS20での判断が否定された場合には、ステップS14へ戻り、上記の処理を繰り返す。
 
【0075】
  本実施形態によれば、第1燃料電池セルスタック16、第2燃料電池セルスタック18での発電を停止した時に、第1アノード16Aから送出されたアノードオフガスは、アノードオフガス直接供給管P8を経て、燃料再生部22を経由せずに第2アノード18Aへ供給される。したがって、多段式の燃料電池システム10Bにおいて、第2アノード18Aでの炭素の析出を抑制することができる。
 
【0076】
  また、本実施形態では、燃料再生部22へ送出されることによるアノードオフガスの温度低下が抑制されるので、熱エネルギーのロスが抑制される。
 
【0077】
  なお、本実施形態では、切換部として三方弁を用いたが、アノードオフガス管P7−1とアノードオフガス直接供給管P8の各々に開閉弁を設けて、開閉を切り換えてもよい。
 
【0078】
  [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。
 
【0079】
  本実施形態の燃料電池システム10Cは、
図7に示すように、第1実施形態の補助酸化剤ガスブロワ32を有していない。燃料電池システム10C、では、燃料再生部22は、凝縮器22Aで構成されており、凝縮器22Aには、内部の温度を制御する水凝縮制御部46が接続されている。
 
【0080】
  凝縮器22Aでは、水凝縮制御部46によって、アノードオフガスの温度Tcが、以下のように制御される。凝縮器22Aへの導入前のアノードオフガスの露点をTdとすると、アノードオフガスの温度TcがTd以上の場合には、Tcが最高許容温度Tmaxよりも低くなるように制御される。また、アノードオフガスの温度TcがTdよりも低い場合には、Tcが最低許容温度Tminよりも高くなるように制御される。ここで、最高許容温度Tmaxは、例えば、凝縮器22Aに関係する部材の耐用温度などに基づいて設定することができる。また、最低許容温度Tminは、例えば、凝縮器22Aから送出されたガスが、配管、燃料電池等を通過する際に、炭素析出しない程度の水蒸気量が保てる温度に設定することができる。また、凝縮器22Aにおけるアノードオフガスの露点Tdは、運転条件によって変化し、例えば原料ガス、酸化剤ガスの導入量や改質器温度などで予測することができる。
 
【0081】
  水凝縮制御部46としては、ヒーターを用いて加熱したり、燃焼部20からの燃焼排ガスを熱源として加熱したり、水供給ポンプ26によって送出される水を分岐して冷却水として用いたり、外部熱源を用いたりすることができる。燃焼排ガスを熱源として加熱する場合には、燃焼排ガスの流量を調整することにより、凝縮器22Aの温度を調整することができる。
図8に示すように、水凝縮制御部46は、制御部40と接続されている。
 
【0082】
  次に、本実施形態の燃料電池システム10Cの動作について説明する。
 
【0083】
  運転中の燃料電池システム10Cにおいて、制御部40へ、第1燃料電池セルスタック16及び第2燃料電池セルスタック18での発電を停止する旨の信号が入力されると、
図9示される第3発電停止時処理が実行される。第3発電停止時処理は、まず、ステップS10で、パワーコンディショナ41へ、電流の取り出しを停止するように指示を出力する。これにより、第1電流制御器42及び第2電流制御器43による電流の取り出しが停止される。
 
【0084】
  次に、ステップS30で、凝縮器22Aでのアノードオフガスの温度Tcが露点Td以上かどうかを判断する。判断が肯定された場合には、ステップS32で、水凝縮制御部46で、TcがTmaxよりも低くなるように凝縮器22Aの温度を制御する。判断が否定された場合には、ステップS34で、水凝縮制御部46で、TcがTminよりも高くなるように凝縮器22Aの温度を制御する。これにより、第3発電停止時処理中に、凝縮器22Aでのアノードオフガスの温度Tcは、Tmin〜Tmaxの範囲になるように制御され、アノードオフガス中の水蒸気は、凝縮器22Aで凝縮されず、または炭素析出しない程度の量が保たれた状態で、第2アノード18Aへ供給される。
 
【0085】
  次に、ステップS14で、燃料電池システム10Cでの発電を再開するか否かを判断する。判断が肯定された場合には、ステップS16で、パワーコンディショナ41へ、電流の取り出しを行うように指示を出力する。これにより、第1電流制御器42及び第2電流制御器43による電流の取り出しが再開される。そして、ステップS36で、Tcが最低許容温度Tminよりも低くなるように制御され、本処理を終了する。
 
【0086】
  ステップS14での判断が否定された場合には、ステップS20で、燃料電池システム10Cを完全に停止させるか否かを判断する。判断が肯定された場合には、ステップS22で燃料電池システム10Cを停止する。ステップS20での判断が否定された場合には、ステップS14へ戻り、上記の処理を繰り返す。
 
【0087】
  本実施形態によれば、第1燃料電池セルスタック16、第2燃料電池セルスタック18での発電を停止した時に、アノードオフガス中の水蒸気は、凝縮器22Aで凝縮されず、または炭素析出しない程度の量が保たれた状態で、第2アノード18Aへ供給される。したがって、多段式の燃料電池システム10Cにおいて起動時に、第2アノード18Aでの炭素の析出を抑制することができる。
 
【0088】
  なお、本実施形態では、水凝縮制御部46により、アノードオフガスの温度を制御したが、供給する原料ガス、酸化剤ガスの流量を変えることにより、アノードオフガス中の水蒸気の凝縮量を制御することもできる。
 
【0089】
  [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。
 
【0090】
  本実施形態の燃料電池システム10Dは、
図10Aに示すように、第1実施形態の補助酸化剤ガスブロワ32を有していない。燃料電池システム10D、では、燃料再生部22は、分離膜48Cにより二酸化炭素及び水の少なくとも一方を除去する分離器48で構成されている。
 
【0091】
  分離器48は、分離膜48Cを挟んで一方側が流入部48A、他方側が透過部48Bとされている。流入部48Aがアノードオフガスの非透過側となり、透過部48Bが透過側となる。分離器48の流入部48Aの入口側に、アノードオフガス管P7が接続され、出口側に再生燃料ガス管P9が接続されている。分離器48の透過部48Bの入口側には、スイープ用の気体として、スイープ用ブロワ50により送出される空気を流入させるスイープ用管P14が接続されている。透過部48Bの出口側には、排出管P15が接続されている。スイープ用管P14には、スイープ用ブロワ50よりも上流側に加湿器52が接続されている。加湿器52は、駆動により内部で水を気化して水蒸気を生成可能とされており、生成された水蒸気は、スイープ用ブロワ50により、空気と共に透過部48Bへ供給される。
 
【0092】
  図11に示されるように、スイープ用ブロワ50及び加湿器52は、制御部40と接続されている。制御部40は、スイープ用ブロワ50及び加湿器52の駆動を制御する。
 
【0093】
  次に、本実施形態の燃料電池システム10Dの動作について説明する。
 
【0094】
  運転中の燃料電池システム10Dにおいて、制御部40へ、第1燃料電池セルスタック16及び第2燃料電池セルスタック18での発電を停止する旨の信号が入力されると、
図12示される第4発電停止時処理が実行される。第4発電停止時処理は、まず、ステップS40で、加湿器52を駆動させる。次に、ステップS10で、パワーコンディショナ41へ、電流の取り出しを停止するように指示を出力する。これにより、第1電流制御器42及び第2電流制御器43による電流の取り出しが停止される。
 
【0095】
  第1アノード16Aから送出されたアノードオフガスは、熱交換部30を通って分離器48の流入部48Aへ送出される。ここで、透過部48Bへは、空気と共に加湿器52で生成された水蒸気も供給されている。したがって、透過部48BはH
2Oの分圧が高く、流入部48Aから透過部48BへH
2Oは透過しにくい。これにより、アノードオフガスの水蒸気はほとんどが透過部48Bへ透過されずに再生燃料ガス管P9へ送出される。そして、熱交換部30を経て第2アノード18Aへ供給される。
 
【0096】
  次に、ステップS14で、燃料電池システム10Dでの発電を再開するか否かを判断する。判断が肯定された場合には、ステップS16で、パワーコンディショナ41へ、電流の取り出しを行うように指示を出力する。これにより、第1電流制御器42及び第2電流制御器43による電流の取り出しが再開される。そして、ステップS42で、加湿器52を停止して、本処理を終了する。
 
【0097】
  ステップS14での判断が否定された場合には、ステップS20で、燃料電池システム10Cを完全に停止させるか否かを判断する。判断が肯定された場合には、ステップS22で燃料電池システム10Dを停止する。ステップS20での判断が否定された場合には、ステップS14へ戻り、上記の処理を繰り返す。
 
【0098】
  本実施形態によれば、第1燃料電池セルスタック16、第2燃料電池セルスタック18での発電を停止した時に、第1アノード16Aから送出されたアノードオフガス中の水蒸気は、流入部48Aから透過部48Bへ透過されず、第2アノード18Aへ供給される。したがって、多段式の燃料電池システム10Dにおいて、起動時に、第2アノード18Aでの炭素の析出を抑制することができる。
 
【0099】
  なお、本実施形態では、加湿器52で空気を加湿することにより、透過部48Bへ供給される前のスイープガスに含まれる水蒸気の濃度を高くした。この濃度調整により、透過部48Bの水蒸気分圧を高くして、アノードオフガス中の水蒸気が分離膜48Cを透過しないように制御したが、加湿器52なしで透過部48Bの水蒸気や二酸化炭素の分圧を高くしてもよい。例えば、燃焼排ガスをスイープガスとして透過部48Bへ供給して二酸化炭素の濃度を高くしてもよいし、スイープ用ブロワ50の出力を調整して、透過部48Bへ供給するスイープガスの流量を増減させることにより、透過部48Bにおける酸化剤ガスの分圧を調整してもよい。
 
【0100】
  また、スイープガスとして、原料ガスを用いてもよく、この場合には、原料ガスを加湿器で加湿して透過部48Bにおける水蒸気分圧を高くしてもよい。
 
【0101】
  また、
図10Bに示されるように、排出管P15にポンプP1を設け、透過部48Bのガスを吸引することにより透過部48Bを減圧し、透過部48Bにおける酸化剤ガスの分圧を調整してもよい。その他、スイープガスの絶対圧を調整することで、水蒸気や二酸化炭素の分圧を調整しても良い。
 
【0102】
  なお、第1〜第4実施形態では、第1燃料電池セルスタック16及び第2燃料電池セルスタック18の両方において発電を停止する場合について説明したが、第1燃料電池セルスタック16のみにおいて発電を停止する場合においても、同様の発電停止時処理(第1発電停止時処置〜第5発電停止時処理)を実施してもよい。
 
【0103】
  また、本発明は、第1燃料電池セルスタック16、第2燃料電池セルスタック18において発電が行われていないときであれば適用することができ、例えば、燃料電池システムの起動時に適用することもできる。
 
【0104】
  さらに、本発明は、第1〜第4実施形態を適宜組み合わせてもよいし、本発明の技術的思想内で、当業者によって、既知の装置を組み合わせて実施することができる。例えば、熱交換器の設置、組み合わせなどを、種々に設定することができる。