特許 7535685 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-08-08

(45)【発行日】2024-08-19

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0668 20160101AFI20240809BHJP

   H01M 8/249 20160101ALI20240809BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20240809BHJP

   H01M 8/0662 20160101ALI20240809BHJP

【ＦＩ】

H01M8/0668

H01M8/249

H01M8/04 J

H01M8/0662

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2021545675

(86)(22)【出願日】2021-01-19

(86)【国際出願番号】 JP2021001568

(87)【国際公開番号】W WO2021186879

(87)【国際公開日】2021-09-23

【審査請求日】2023-02-15

(31)【優先権主張番号】P 2020044871

(32)【優先日】2020-03-16

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106116

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 健司

(74)【代理人】

【識別番号】100131495

【弁理士】

【氏名又は名称】前田 健児

(72)【発明者】

【氏名】田村 佳央

(72)【発明者】

【氏名】苅野 健

(72)【発明者】

【氏名】尾関 正高

(72)【発明者】

【氏名】武田 憲有

(72)【発明者】

【氏名】田口 清

【審査官】橋本 敏行

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２００７／０８１０１６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１５－０９９８０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－０４６３９５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ０１Ｂ ３／００－６／３４

Ｈ０１Ｍ ８／００－８／２４９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

水素と窒素と一酸化炭素とを含んだ原料水素が、外部から供給される燃料電池システムであって、
前記原料水素に含まれる一酸化炭素の一部を空気を供給して酸化反応させることにより除去して水素含有ガスを排出する一酸化炭素除去部と、
前記水素含有ガスを用いて発電する第一の燃料電池と、を備え、
前記原料水素に含まれる窒素の濃度が２５％を上回る、
燃料電池システム。

【請求項2】

前記一酸化炭素除去部が、前記原料水素に含まれる一酸化炭素の一部を変成反応により除去する変成器と、
前記原料水素に含まれる一酸化炭素を酸化反応により除去する一酸化炭素除去器との少なくとも一方を有する、
請求項１記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記水素含有ガスのうち発電に使用されずに前記第一の燃料電池を通過したガスである１次オフガスを用いて発電する第二の燃料電池をさらに備え、
前記第二の燃料電池の発電出力が、前記第一の燃料電池の発電出力よりも小さい、
請求項１または２に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

前記水素含有ガスのうち発電に使用されずに前記第一の燃料電池を通過したガスである１次オフガスを用いて前記一酸化炭素除去部を加熱する燃焼器をさらに備えた、
請求項１または２に記載の燃料電池システム。

【請求項5】

前記１次オフガスのうち発電に使用されずに前記第二の燃料電池を通過したガスである
２次オフガスを用いて前記一酸化炭素除去部を加熱する燃焼器を備えた、
請求項３に記載の燃料電池システム。

【請求項6】

前記第一の燃料電池は、複数の第一の燃料電池のうちの１つであり、
前記第二の燃料電池は、複数の第二の燃料電池のうちの１つであり、
前記複数の第一の燃料電池は、並列に配置され、
前記複数の第二の燃料電池は、並列に配置され、
前記複数の第一の燃料電池の発電出力の総和よりも前記複数の第二の燃料電池の発電出力の総和の方が小さい、
請求項３または５に記載の燃料電池システム。

【請求項7】

前記一酸化炭素除去部は、複数の一酸化炭素除去部のうちの１つであり、
前記複数の一酸化炭素除去部は、並列に配置される、
請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

【請求項8】

前記１次オフガスのうち発電に使用されずに前記第二の燃料電池を通過したガスである２次オフガスを用いて発電する第三の燃料電池をさらに備え、
前記第三の燃料電池の発電出力が、前記第二の燃料電池の発電出力よりも小さい、
請求項３に記載の燃料電池システム。

【請求項9】

前記第一の燃料電池の上流にアンモニアを除去するアンモニア除去器をさらに備えた、
請求項１から８のいずれかに記載の燃料電池システム。

【請求項10】

前記一酸化炭素除去部に供給する前記原料水素から硫黄を除去する硫黄除去部をさらに備えた、
請求項１から９のいずれかに記載の燃料電池システム。

【請求項11】

前記硫黄除去部が水添脱硫により硫黄を除去する水添脱硫部である、
請求項１０に記載の燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、水素含有ガスを用いて発電する燃料電池を備える、燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、窒素が含まれる原料から、改質器にて水素と窒素と一酸化炭素とアンモニアとを含んだ水素含有ガスを生成し、その水素含有ガス（以下、原料水素ともいう）に含まれる一酸化炭素の濃度を、変成器にてシフト反応により低減し、アンモニア除去器にて水素含有ガスに含まれるアンモニアを除去し、一酸化炭素除去器にて一酸化炭素を酸化反応により除去した水素含有ガスを生成し、その水素含有ガスを用いて燃料電池で発電する燃料電池システムを開示する。

【0003】

この燃料電池システムは、変成器と、アンモニア除去器と、一酸化炭素除去器と、燃料電池と、を備える。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１２－４６３９５号公報

【発明の概要】

【0005】

本開示は、水素と窒素と一酸化炭素とを含んだ原料水素を用いて発電できるコンパクトな燃料電池システムを提供する。

【0006】

本開示における燃料電池システムは、水素と窒素と一酸化炭素とを含み窒素の濃度が２５％を上回る原料水素が供給され、原料水素に含まれる一酸化炭素の一部を除去して水素含有ガスを排出する一酸化炭素除去部と、水素含有ガスを用いて発電する第一の燃料電池と、を備える。

【0007】

本開示における燃料電池システムは、発電する際に、アンモニアを生成しない。そのため、アンモニア除去器を小さくすることができる。このため、燃料電池システムをコンパクトに構成することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、実施の形態１における燃料電池システムのブロック図である。

【図2】図２は、実施の形態２における燃料電池システムのブロック図である。

【図3】図３は、実施の形態３における燃料電池システムのブロック図である。

【図4】図４は、他の実施の形態における燃料電池システムのブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

（本開示の基礎となった知見等）
発明者らが本開示に想到するに至った当時、燃料電池システムという技術は、都市ガスが主成分となる窒素が含まれる原料から、改質器にて改質反応により水素と窒素と一酸化炭素とアンモニアとを含んだ水素含有ガスを生成し、その水素含有ガス（以下、原料水素ともいう）に含まれる一酸化炭素の濃度を、変成器にてシフト反応により低減した上で、アンモニア除去器にて水素含有ガスに含まれるアンモニアを除去し、一酸化炭素除去器にて一酸化炭素を酸化反応により除去した水素含有ガスを用いて、燃料電池で発電するという状況であった。

【0010】

なお、天然ガスが直接原料として供給されることが想定されており、原料に含まれる窒素の濃度は、例えば、欧州では最大でも２５％であった。

【0011】

そうした状況において、天然ガス由来ではなく、水素を主成分とし、窒素を２５％より多く含んだガス（以下、原料水素ともいう）を原料として用いた場合、改質部にて、窒素と水素とが反応してアンモニアに変わることにより、アンモニアが燃料電池を被毒し、劣化させてしまう虞があった。

【0012】

燃料電池の劣化を防止するためには、アンモニアを除去する必要がある。このとき、原料水素に含まれる窒素の濃度が高いほど、アンモニア除去器が大きくなるという課題を有していた。

【0013】

そこで、本開示は、原料水素に窒素が２５％よりも多く含まれていても、アンモニアの生成を防止し、アンモニア除去器を小さくできるコンパクトな燃料電池システムを提供する。

【0014】

以下、図面を参照しながら実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、または、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。

【0015】

なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。

【0016】

（実施の形態１）
以下、図１を用いて、実施の形態１を説明する。図１は、実施の形態１における燃料電池システム１００のブロック図である。

【0017】

［１－１．構成］
図１に示すように、本実施の形態の燃料電池システム１００は、変成器１と、一酸化炭素除去器２と、第一の燃料電池３と、燃焼器４と、を備える。

【0018】

変成器１は、原料水素に含まれる一酸化炭素の一部を変成反応により除去する。本実施の形態において、原料水素は、水素と窒素と一酸化炭素を含んでおり、窒素の濃度は２５％を上回る。

【0019】

一酸化炭素除去器２は、一酸化炭素を酸化反応により除去する。一酸化炭素除去器２には、酸化反応のために、酸素を含んだガスとして空気が供給される。

【0020】

第一の燃料電池３は、水素含有ガスを用いて発電する。また、第一の燃料電池３は、電解質膜の両主面をアノードとカソードとで挟んだ電解質膜‐電極接合体を有する。アノードに水素含有ガスが供給され、カソードに酸素を含んだ空気が供給されることにより、第一の燃料電池３は発電する。

【0021】

燃焼器４は、１次オフガスを燃焼させることによって、一酸化炭素除去部を構成する変成器１と一酸化炭素除去器２とを加熱する。１次オフガスは、第一の燃料電池３に供給された水素含有ガスのうち第一の燃料電池３での発電に使用されずに第一の燃料電池３を通過したガス（水素含有ガス）である。

【0022】

［１－２．動作］
以上のように構成された本実施の形態の燃料電池システム１００について、以下その動作と作用を説明する。

【0023】

まず、図１に基づいて、燃料電池システム１００における原料水素を用いて発電する動作を説明する。

【0024】

水素と窒素と一酸化炭素とを含んだ原料水素に含まれる一酸化炭素の一部を除去するために、原料水素が変成器１に供給される。これにより、変成器１にて原料水素に含まれる一酸化炭素の濃度を低減することができる。しかし、変成器１を通過した水素含有ガスを第一の燃料電池３に供給する場合、変成器１を通過した水素含有ガスに含まれる一酸化炭素濃度は高い、すなわち一酸化炭素濃度が十分に低減されておらず、第一の燃料電池３を被毒する可能性がある。

【0025】

そこで、変成器１から排出された水素含有ガスを一酸化炭素除去器２に供給して、第一の燃料電池３に供給される水素含有ガスの一酸化炭素濃度をさらに低減する。このように、一酸化炭素濃度を低減した水素含有ガスを第一の燃料電池３に供給することにより、第一の燃料電池３にて水素含有ガスに含まれる水素を用いて発電することができる。

【0026】

ここで、第一の燃料電池３は、水素含有ガスに含まれる全ての水素を発電に使うことはできない。第一の燃料電池３で使い切れなかった水素を含んだ水素含有ガスは、１次オフガスとして第一の燃料電池３から排出される。この１次オフガスを捨ててしまうと、すなわち燃料電池システム１００の外部に排出してしまうと、水素が無駄になってしまう。そこで、１次オフガスを燃焼器４に供給して、燃焼させる。これにより、燃焼器４において、熱としてエネルギーを取り出すことができる。

【0027】

一酸化炭素除去部を構成する変成器１と一酸化炭素除去器２とは、それぞれの温度を１００℃以上の高温に維持することにより、一酸化炭素を除去する能力を維持することができる。変成器１と一酸化炭素除去器２とは、どちらも発熱反応ではあるが、発熱反応による温度上昇よりも、放熱による温度低下の方が相対的に大きく、温度を維持することが難しい。そこで、燃焼器４で発生する熱を用いて、変成器１と一酸化炭素除去器２とを加熱する。これにより、変成器１と一酸化炭素除去器２とのそれぞれの温度を反応に適切な温度に維持することができる。したがって、変成器１と一酸化炭素除去器２とは、一酸化炭素を除去する能力を維持することが可能となる。これにより、燃料電池システム１００にて安定して発電することができる。

【0028】

［１－３．効果等］
以上のように、本実施の形態の燃料電池システム１００は、窒素の濃度が２５％を上回る原料水素に含まれる一酸化炭素の一部を除去して水素含有ガスを排出する一酸化炭素除去部と、その水素含有ガスを用いて発電する第一の燃料電池３と、を備える。

【0029】

これにより、燃料電池システム１００は、発電する際にアンモニアを生成しない。そのため、原料水素にアンモニアが含まれない場合には、アンモニア除去器を不要とすることができ、燃料電池システムをコンパクトにすることができる。

【0030】

一酸化炭素除去部は、原料水素に含まれる一酸化炭素の一部を変成反応により除去する変成器１と、変成器１から排出される水素含有ガスに含まれる一酸化炭素を酸化反応により除去する一酸化炭素除去器２と、を有する。

【0031】

本実施の形態では、一酸化炭素除去部として、変成器１と一酸化炭素除去器２とを備えるが、第一の燃料電池３に供給される水素含有ガスの一酸化炭素濃度を、第一の燃料電池３において被毒の問題が起こらない程度に低減できるのであれば、変成器１と一酸化炭素除去器２とのどちらか一方だけを備えるようにしてもよい。

【0032】

これにより、原料水素に含まれる一酸化炭素の濃度に応じて、適切に一酸化炭素除去部を設けることができる。そのため、燃料電池システムから不要な機器を無くすことができ、コンパクトにすることができる。

【0033】

また、本実施の形態の燃料電池システム１００は、水素含有ガスのうち発電に使用されずに第一の燃料電池３を通過したガスである１次オフガスを用いて、一酸化炭素除去部を加熱する燃焼器４を備える。

【0034】

本実施の形態では、燃焼器４が、変成器１と一酸化炭素除去器２の両方を加熱しているが、第一の燃料電池３に供給される水素含有ガスの一酸化炭素濃度を、第一の燃料電池３において被毒の問題が起こらない程度に低減できるのであれば、変成器１と一酸化炭素除去器２のうちのどちらか一方だけを、燃焼器４で加熱するように構成しても構わない。

【0035】

これにより、原料水素に含まれる一酸化炭素の濃度に応じて、燃焼器４が一酸化炭素除去部を適切に加熱することができ、不要な加熱構成を無くすことで、燃料電池システムをコンパクトにすることができる。

【0036】

（実施の形態２）
以下、図２を用いて、実施の形態２を説明する。図２は、実施の形態２における燃料電池システム２００のブロック図である。

【0037】

［２－１．構成］
図２に示すように、本実施の形態の燃料電池システム２００は、変成器１と、一酸化炭素除去器２と、第一の燃料電池３と、燃焼器４と、第二の燃料電池５と、硫黄除去部６と、を備える。

【0038】

本実施の形態の燃料電池システム２００において、実施の形態１と同一の構成要素には同一符号を付与して、その説明は省略する。

【0039】

第二の燃料電池５は、１次オフガスを用いて発電する。１次オフガスは、第一の燃料電池３に供給された水素含有ガスのうち第一の燃料電池３での発電に使用されずに第一の燃料電池３を通過したガスである。

【0040】

第一の燃料電池３に供給される水素含有ガスに含まれる水素量よりも、第一の燃料電池３から排出され第二の燃料電池５に供給される１次オフガスに含まれる水素量は少ない。したがって、第一の燃料電池３の発電出力よりも、第二の燃料電池５の発電出力が小さくなるように構成される。

【0041】

硫黄除去部６は、原料水素に含まれる硫黄成分を吸着材により除去する。硫黄成分が変成器１、一酸化炭素除去器２、第一の燃料電池３、および第二の燃料電池５に供給されると、それぞれの機器が被毒される。したがって、変成器１の上流側に硫黄除去部６を設けることにより、それぞれの機器の硫黄成分による被毒を抑制することができる。硫黄除去部６としては、例えば、硫黄を吸着除去する吸着材が用いられる。

【0042】

［２－２．動作］
以上のように構成された本実施の形態の燃料電池システム２００について、以下その動作と作用を説明する。

【0043】

まず、図２に基づいて、燃料電池システム２００における原料水素を用いて発電する動作を説明する。

【0044】

原料水素は水素と窒素と一酸化炭素とに加え、硫黄成分を含むことがある。この硫黄成分を除去するために、原料水素が硫黄除去部６に供給される。硫黄除去部６により硫黄濃度が低減された原料水素は、一酸化炭素除去部を構成する変成器１と一酸化炭素除去器２とに供給されて、一酸化炭素濃度が低減された水素含有ガスになる。

【0045】

この水素含有ガスを用いて、第一の燃料電池３は発電する。第一の燃料電池３は、第一の燃料電池３に供給された全ての水素含有ガスを発電に使用することができず、第一の燃料電池３に供給された水素含有ガスのうち第一の燃料電池３での発電に使用されなかったガスが、１次オフガスとして第一の燃料電池３から排出される。

【0046】

第一の燃料電池３から排出された１次オフガスは、第二の燃料電池５に供給される。第二の燃料電池５は、１次オフガスを用いて発電する。これにより、燃料電池システム２００は、第一の燃料電池３のみでは得られない電力を生み出すことができる。

【0047】

第一の燃料電池３に供給される水素含有ガスに含まれる水素量は、第一の燃料電池３から排出され第二の燃料電池５に供給される１次オフガスに含まれる水素量よりも多い。したがって、第一の燃料電池３の発電出力が第二の燃料電池５の発電出力よりも大きくなるように構成してもよい。

【0048】

第二の燃料電池５は、第二の燃料電池５に供給された全ての１次オフガスを発電に使用することができない。第二の燃料電池５に供給された１次オフガスのうち第二の燃料電池５での発電に使用されなかったガスは、２次オフガスとして第二の燃料電池５から排出される。

【0049】

この２次オフガスを燃料電池システム２００で利用せずに排気した場合、２次オフガスに含まれるエネルギーを無駄にしてしまう。そこで、２次オフガスを燃焼器４に供給して燃焼させ、２次オフガスが保有するエネルギーを熱エネルギーとして取り出し、一酸化炭素除去部を構成する変成器１と一酸化炭素除去器２との加熱に用いる。

【0050】

［２－３．効果等］
以上のように、本実施の形態の燃料電池システム２００は、窒素の濃度が２５％を上回る原料水素に含まれる一酸化炭素の一部を除去して水素含有ガスを排出する一酸化炭素除去部と、その水素含有ガスを用いて発電する第一の燃料電池３と、を備える。

【0051】

一酸化炭素除去部は、原料水素に含まれる一酸化炭素の一部を変成反応により除去する変成器１と、変成器１から排出される水素含有ガスに含まれる一酸化炭素を酸化反応により除去する一酸化炭素除去器２と、を有する。

【0052】

また、本実施の形態の燃料電池システム２００は、水素含有ガスのうち発電に使用されずに第一の燃料電池３を通過したガスである１次オフガスを用いて発電する第二の燃料電池５を備える。第二の燃料電池５の発電出力は、第一の燃料電池３の発電出力よりも小さい。

【0053】

これにより、本実施の形態の燃料電池システム２００は、第二の燃料電池５が、第一の燃料電池３から排出される１次オフガスを用いて発電することができる。そのため、燃料電池システム２００は原料水素に含まれる水素を無駄なく使用することができる。

【0054】

また、本実施の形態の燃料電池システム２００は、１次オフガスのうち発電に使用されずに第二の燃料電池５を通過したガスである２次オフガスを用いて一酸化炭素除去部を加熱する燃焼器４を備える。

【0055】

これにより、本実施の形態の燃料電池システム２００は、第二の燃料電池５から排出される２次オフガスを用いて一酸化炭素除去部を加熱することができる。そのため、燃料電池システム２００は原料水素を無駄なく使用することができる。

【0056】

また、本実施の形態の燃料電池システム２００は、一酸化炭素除去部に供給する原料水素から硫黄を除去する硫黄除去部６を備える。

【0057】

これにより、本実施の形態の燃料電池システム２００は、変成器１に供給される原料水素に含まれる硫黄成分を、硫黄除去部６で除去することができる。そのため、燃料電池システム２００は、原料水素中に硫黄成分が含まれていても、安定して発電することができる。

【0058】

なお、本実施の形態における硫黄除去部６は、吸着材による硫黄の除去に限らず、硫黄除去部６として、水添脱硫により硫黄を除去する水添脱硫部を用いてもよい。水添脱硫部を用いた場合は、原料水素に含まれる水素を用いることで硫黄成分をより低濃度にまで低減することができる。

【0059】

また、水添脱硫部に適した温度帯と変成器１と一酸化炭素除去器２との温度帯が近いため、水添脱硫部を、変成器１や一酸化炭素除去器２や燃焼器４で加熱してもよい。

【0060】

これにより、原料水素に含まれる硫黄成分をより低濃度に低減することができる。そのため、変成器１や一酸化炭素除去器２や第一の燃料電池３や第二の燃料電池５の被毒をより防止することができる。

【0061】

（実施の形態３）
以下、図３を用いて、実施の形態３を説明する。図３は、実施の形態３における燃料電池システム３００のブロック図である。

【0062】

［３－１．構成］
図３に示すように、本実施の形態の燃料電池システム３００は、変成器１と、一酸化炭素除去器２と、第一の燃料電池３と、燃焼器４と、第二の燃料電池５と、第三の燃料電池７と、アンモニア除去器８と、を備える。

【0063】

本実施の形態の燃料電池システム３００において、実施の形態１または実施の形態２と同一の構成要素には同一符号を付与し、その説明は省略する。

【0064】

第三の燃料電池７は、２次オフガスを用いて発電する。２次オフガスは、第二の燃料電池５に供給された１次オフガスのうち第二の燃料電池５での発電に使用されずに第二の燃料電池５を通過したガスである。

【0065】

第二の燃料電池５に供給される１次オフガスに含まれる水素量よりも、第二の燃料電池５から排出され第三の燃料電池７に供給される２次オフガスに含まれる水素量は少ない。したがって、第二の燃料電池５の発電出力よりも、第三の燃料電池７の発電出力が小さくなるように構成してもよい。この場合、第一の燃料電池３の発電出力よりも第二の燃料電池５の発電出力が小さく、第二の燃料電池５の発電出力よりも第三の燃料電池７の発電出力が小さくなる。

【0066】

アンモニア除去器８は、第一の燃料電池３に供給される水素含有ガスに含まれるアンモニアを除去する。アンモニア除去器８にて、水素含有ガスに含まれるアンモニアの濃度を第一の燃料電池３を被毒しない濃度にまで低減する。

【0067】

［３－２．動作］
以上のように構成された燃料電池システム３００について、以下その動作、作用を説明する。

【0068】

まず、図３に基づいて、燃料電池システム３００における原料水素を用いて発電する動作を説明する。

【0069】

原料水素は水素と窒素と一酸化炭素とに加え、アンモニアを含むことがある。このアンモニアを除去するために、一酸化炭素除去部を構成する変成器１と一酸化炭素除去器２とを通過して一酸化炭素濃度が低減された水素含有ガスが、アンモニア除去器８に供給される。

【0070】

アンモニア除去器８は、水素含有ガスに含まれるアンモニアの濃度を第一の燃料電池３を被毒しない濃度にまで低減する。アンモニア濃度が低減された水素含有ガスは、第一の燃料電池３に供給される。

【0071】

第一の燃料電池３は、アンモニア除去器８によってアンモニア濃度が低減された水素含有ガスを用いて発電する。第一の燃料電池３は、第一の燃料電池３に供給された全ての水素含有ガスを発電に使用することができない。第一の燃料電池３に供給された水素含有ガスのうち第一の燃料電池３での発電に使用されなかったガスは、１次オフガスとして、第一の燃料電池３から排出される。この１次オフガスは、第二の燃料電池５に供給される。

【0072】

第二の燃料電池５は、第二の燃料電池５に供給された全ての１次オフガスを発電に使用することができず、第二の燃料電池５に供給された１次オフガスのうち第二の燃料電池５での発電に使用されなかったガスは、２次オフガスとして、第二の燃料電池５から排出される。この２次オフガスは、第三の燃料電池７に供給される。

【0073】

第三の燃料電池７は、第三の燃料電池７に供給された全ての２次オフガスを発電に使用することができず、第三の燃料電池７に供給された２次オフガスのうち第三の燃料電池７での発電に使用されなかったガスは、３次オフガスとして、第三の燃料電池７から排出される。この３次オフガスは、燃焼器４に供給される。

【0074】

燃焼器４は、３次オフガスを燃焼して、一酸化炭素除去部を構成する変成器１と一酸化炭素除去器２とを加熱する。

【0075】

［３－３．効果等］
以上のように、本実施の形態の燃料電池システム３００は、窒素の濃度が２５％を上回る原料水素に含まれる一酸化炭素の一部を除去して水素含有ガスを排出する一酸化炭素除去部と、その水素含有ガスを用いて発電する第一の燃料電池３と、を備える。

【0076】

一酸化炭素除去部は、原料水素に含まれる一酸化炭素の一部を変成反応により除去する変成器１と、変成器１から排出される水素含有ガスに含まれる一酸化炭素を酸化反応により除去する一酸化炭素除去器２と、を有する。

【0077】

また、本実施の形態の燃料電池システム３００は、水素含有ガスのうち発電に使用されずに第一の燃料電池３を通過したガスである１次オフガスを用いて発電する第二の燃料電池５と、１次オフガスのうち発電に使用されずに第二の燃料電池５を通過したガスである２次オフガスを用いて発電する第三の燃料電池７と、を備える。

【0078】

第二の燃料電池５の発電出力は、第一の燃料電池３の発電出力よりも小さく、第三の燃料電池７の発電出力は、第二の燃料電池５の発電出力よりも小さい。

【0079】

これにより、本実施の形態の燃料電池システム３００は、第二の燃料電池５が、第一の燃料電池３から排出される１次オフガスを用いて発電することができ、第三の燃料電池７が、第二の燃料電池５から排出される２次オフガスを用いて発電することができる。そのため、燃料電池システム３００は、原料水素に含まれる水素を無駄なく使用することができる。

【0080】

また、本実施の形態の燃料電池システム３００は、２次オフガスのうち発電に使用されずに第三の燃料電池７を通過したガスである３次オフガスを用いて一酸化炭素除去部を加熱する燃焼器４を備える。

【0081】

これにより、本実施の形態の燃料電池システム３００は、第三の燃料電池７から排出される３次オフガスを用いて一酸化炭素除去部を加熱することができる。そのため、燃料電池システム３００は原料水素を無駄なく使用することができる。

【0082】

また、本実施の形態の燃料電池システム３００は、第一の燃料電池３の上流にアンモニアを除去するアンモニア除去器８を備える。

【0083】

これにより、燃料電池システム３００は、第一の燃料電池３に供給される水素含有ガスに含まれるアンモニアをアンモニア除去器８で除去することができる。そのため、燃料電池システム３００は、原料水素にアンモニアが含まれていても、安定して発電することができる。

【0084】

（他の実施の形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１から実施の形態３を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。また、上記実施の形態１から実施の形態３で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。

【0085】

そこで、以下、他の実施の形態を例示する。

【0086】

実施の形態２では、変成器１と一酸化炭素除去器２と第一の燃料電池３と第二の燃料電池５と燃焼器４とが直列に一台ずつ接続された構成について説明した。しかし、この構成に限ることなく、図４に示す燃料電池システム４００のように、変成器１ａ，１ｂ，１ｃと一酸化炭素除去器２ａ，２ｂ，２ｃと第一の燃料電池３ａ，３ｂ，３ｃと第二の燃料電池５ａ，５ｂと燃焼器４ａ，４ｂ，４ｃとを、それぞれ複数台有するように構成してもよい。

【0087】

図４に示す燃料電池システム４００のように、機器を並列に複数台配置する場合においては、第一の燃料電池３ａ，３ｂ，３ｃの複数台の総和の発電出力よりも第二の燃料電池５ａ，５ｂの複数台の総和の発電出力を小さくすることにより、原料水素に含まれる水素を無駄なく使用することができる。

【0088】

また、図４に示すように、第一の燃料電池３ａ，３ｂ，３ｃの台数よりも第二の燃料電池５ａ，５ｂの台数を少なくすることにより、第一の燃料電池３ａ，３ｂ，３ｃの各々が第二の燃料電池５ａ，５ｂの各々と同じ発電出力の装置であったとしても、第一の燃料電池３ａ，３ｂ，３ｃの総和の発電出力よりも第二の燃料電池５ａ，５ｂの総和の発電出力を小さくすることができる。

【0089】

また、実施の形態１から実施の形態３では、一酸化炭素除去部として、変成器１と一酸化炭素除去器２との両方を用いたが、これに限らず、変成器１と一酸化炭素除去器２とのどちらか一方のみであってもよい。原料水素に含まれる一酸化炭素の濃度および第一の燃料電池３を被毒する一酸化炭素の濃度などにより、変成器１と一酸化炭素除去器２との組み合わせを変更してもよい。

【0090】

原料水素に含まれる一酸化炭素の濃度が高い場合には、変成器１を用いて一酸化炭素を低減してもよい。原料水素に含まれる一酸化炭素の濃度が低い場合には、一酸化炭素除去器２のみで一酸化炭素を低減してもよい。また、第一の燃料電池３に供給される水素含有ガスの一酸化炭素濃度を低濃度に抑えない場合に第一の燃料電池３が一酸化炭素で被毒する可能性がある場合には、一酸化炭素除去器２を用いてもよい。

【0091】

実施の形態１から実施の形態３では、原料水素として、水素と窒素と一酸化炭素とに加え、アンモニアが含まれる場合がある。

【0092】

原料水素のアンモニア濃度が高く、アンモニアが第一の燃料電池３を被毒する可能性がある場合には、実施の形態３のように、アンモニア除去器８を設けてもよい。また、原料水素に含まれるアンモニアの濃度が低く、水素含有ガスに含まれるアンモニアが第一の燃料電池３を被毒しない場合には、アンモニア除去器８を設置しなくてもよい。

【0093】

実施の形態３では、アンモニア除去器８を、一酸化炭素除去器２と第一の燃料電池３との間に配置したが、アンモニア除去器８の設置個所は、第一の燃料電池３の上流側であれば、一酸化炭素除去器２と第一の燃料電池３との間でなくてもよい。例えば、アンモニア除去器８を変成器１の上流側に設置して、アンモニア除去器８で原料水素からアンモニアを除去して、変成器１にアンモニアを除去した原料水素を供給してもよい。また、変成器１と一酸化炭素除去器２との間にアンモニア除去器８を設けてもよい。

【0094】

なお、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

【産業上の利用可能性】

【0095】

本開示は、水素と窒素と一酸化炭素を含んだ原料水素を用いて発電する燃料電池システムに適用可能である。具体的には、産業分野で排出される余剰な水素を含んだガスを用いた発電などに本開示は適用可能である。

【符号の説明】

【0096】

１，１ａ，１ｂ，１ｃ 変成器
２，２ａ，２ｂ，２ｃ 一酸化炭素除去器
３，３ａ，３ｂ，３ｃ 第一の燃料電池
４，４ａ，４ｂ，４ｃ 燃焼器
５，５ａ，５ｂ 第二の燃料電池
６ 硫黄除去部
７ 第三の燃料電池
８ アンモニア除去器
１００ 燃料電池システム
２００ 燃料電池システム
３００ 燃料電池システム
４００ 燃料電池システム

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】