特許 7557335 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】2024-09-18

(45)【発行日】2024-09-27

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04014 20160101AFI20240919BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20240919BHJP

   H01M 8/249 20160101ALI20240919BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20240919BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04014

H01M8/04 J

H01M8/249

H01M8/12 101

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020175553

(22)【出願日】2020-10-19

(65)【公開番号】P2022066934

(43)【公開日】2022-05-02

【審査請求日】2023-05-26

(73)【特許権者】

【識別番号】000220262

【氏名又は名称】東京瓦斯株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】赤羽 俊之輔

(72)【発明者】

【氏名】辻 麻理恵

(72)【発明者】

【氏名】波多江 徹

【審査官】藤森 一真

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－０７１９６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－１７６７８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特許第５５４２３３２（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】特開２０１４－０７１９５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１４／１６７７６４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特表２０１６－５２４３０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１６／１７４７３８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００６－０３１９８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／０７４４４３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００４－１０３２８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００５／０１６４０５１（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／０４０１４

Ｈ０１Ｍ ８／０４

Ｈ０１Ｍ ８／２４９

Ｈ０１Ｍ ８／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料極の燃料ガスと空気極の酸化剤ガスにより発電し、前記燃料極からアノードオフガスが排出され、前記空気極からカソードオフガスが排出される燃料電池と、
前記アノードオフガスの少なくとも一部を前記燃料電池での発電に供するアノードオフガス再利用路と、
前記アノードオフガス再利用路を流れる前記アノードオフガスと水との熱交換により水を加熱するアノードオフ熱交換部と、前記カソードオフガスと水との熱交換により水を加熱するカソードオフ熱交換部を有し、水を気化させて水蒸気を前記燃料極へ向かう燃料ガスへ供給する、水蒸気供給部と、
前記アノードオフガス再利用路の前記アノードオフ熱交換部よりも下流に設けられた燃料再生部と、
原料ガスと前記燃料再生部で再生された再生燃料ガスを前記アノードオフガスで昇温させる原料熱交換部と、
を備え、
前記アノードオフガス再利用路は、前記燃料電池から送出されるアノードオフガスを前記原料熱交換部よりも上流側へ戻して前記燃料電池へ循環させる循環路を含む、
燃料電池システム。

【請求項2】

燃料極の燃料ガスと空気極の酸化剤ガスにより発電し、前記燃料極からアノードオフガスが排出され、前記空気極からカソードオフガスが排出される燃料電池と、
前記アノードオフガスの少なくとも一部を前記燃料電池での発電に供するアノードオフガス再利用路と、
前記アノードオフガス再利用路を流れる前記アノードオフガスと水との熱交換により水を加熱するアノードオフ熱交換部と、前記カソードオフガスと水との熱交換により水を加熱するカソードオフ熱交換部を有し、水を気化させて水蒸気を前記燃料極へ向かう燃料ガスへ供給する、水蒸気供給部と、
を備え、
前記燃料電池は、前記燃料ガスが供給されて発電する第１燃料電池と、前記第１燃料電池からのアノードオフガスが前記アノードオフガス再利用路経由で供給されて発電する第２燃料電池を含み、
前記アノードオフ熱交換部での熱交換が、前記第１燃料電池のアノードオフガスと改質水との熱交換で行われている、
燃料電池システム。

【請求項3】

前記水蒸気供給部において、前記水は、前記アノードオフ熱交換部で加熱された後に前記カソードオフ熱交換部で加熱される、
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

前記アノードオフガス再利用路の前記アノードオフ熱交換部よりも上流側に設けられ、前記アノードオフガスと前記燃料極へ向かう燃料ガスとで熱交換を行う燃料熱交換部、
を備えた、請求項１または請求項２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】

本発明は燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

高温で作動する燃料電池システムにおいて、熱を有効利用することが行われている。例えば、特許文献１の燃料電池システムでは、アノードオフガスと燃料ガスとの間で熱交換を行うと共に、カソードオフガスと空気との間で熱交換を行っている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特許５５４２３３２号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

近年、アノードオフガスを再利用して発電を行う高効率の燃料電池システムが開発されているが、当該燃料電池システムにおいては、発電効率を高めるために、発電時に発生する熱のさらなる有効利用が求められている。

【0005】

本発明は上記事実を考慮して成されたものであり、燃料電池システムにおいて、システム内で発生した熱を有効利用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に係る燃料電池システムは、燃料極の燃料ガスと空気極の酸化剤ガスにより発電し、前記燃料極からアノードオフガスが排出され、前記空気極からカソードオフガスが排出される燃料電池と、前記アノードオフガスの少なくとも一部を前記燃料電池での発電に供するアノードオフガス再利用路と、前記アノードオフガス再利用路を流れる前記アノードオフガスと水との熱交換により水を加熱するアノードオフ熱交換部と、前記カソードオフガスと水との熱交換により水を加熱するカソードオフ熱交換部を有し、水を気化させて水蒸気を前記燃料極へ向かう燃料ガスへ供給する、水蒸気供給部と、を備えている。

【0007】

請求項１に係る燃料電池システムは、気化した水蒸気を燃料極へ向かう燃料ガスへ供給する水蒸気供給部を有している。水蒸気供給部は、アノードオフ熱交換部とカソードオフ熱交換部を有している。アノードオフ熱交換部は、アノードオフ再利用路を流れるアノードオフガスと水とで熱交換を行う。カソードオフ熱交換部は、カソードオフガスと水とで熱交換を行う。

【0008】

このように、アノードオフガス、カソードオフガスの各々が、燃料極へ向かう水と熱交換し、水を気化することにより、アノードオフガス、カソードオフガスの熱を有効利用することができる。

【0009】

また、水蒸気供給部では、燃料ガスと混合される前の水がアノードオフガス、カソードオフガスと熱交換されるので、燃料ガスと混合された後と比較して、少ない熱量で効率的に水を気化させることができる。

【0010】

なお、ここでの燃料ガスは、燃料極へ向かうガスであり、改質後の燃料ガスだけでなく、改質前の原料ガスを含んでいる。

【0011】

請求項３に係る燃料電池システムは、前記水蒸気供給部において、前記水は、前記アノードオフ熱交換部で加熱された後に前記カソードオフ熱交換部で加熱される。

【0012】

請求項３に係る燃料電池システムでは、アノードオフガスと水とで熱交換を行った後にカソードオフガスと熱交換を行う。カソードオフガスは、アノードオフガスと比較して、流量の調整を行いやすい。したがって、アノードオフガスとの熱交換後の水の温度や気化状態等に応じて、カソードオフ熱交換部へ供給するカソードオフガスの流量を調整することができる。

【0013】

請求項４に係る燃料電池システムは、前記アノードオフガス再利用路の前記アノードオフ熱交換部よりも上流側に設けられ、前記アノードオフガスと前記燃料極へ向かう燃料ガスとで熱交換を行う燃料熱交換部、を備えている。

【0014】

請求項４に係る燃料電池システムによれば、アノードオフ熱交換部よりも上流側に設けられた燃料熱交換部で、アノードオフガスと燃料極へ向かう燃料ガスとで熱交換が行われるので、アノードオフガスの熱を有効利用することができる。

【0015】

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再利用路は、前記燃料電池から送出されるアノードオフガスを前記燃料電池へ循環させる循環路を含んでいる。

【0016】

請求項１に係る燃料電池システムによれば、アノードオフガスを循環させて発電に再利用することにより、発電効率を高めることができる。

【0017】

請求項２に係る燃料電池システムは、前記燃料電池は、前記燃料ガスが供給されて発電する第１燃料電池と、前記第１燃料電池からのアノードオフガスが前記アノードオフガス再利用路経由で供給されて発電する第２燃料電池を含んでいる。

【0018】

請求項２に係る燃料電池システムによれば、第１燃料電池からのアノードオフガスを第２燃料電池で発電に再利用することにより、発電効率を高めることができる。

【発明の効果】

【0019】

本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池システムにおいて、システム内で発電時に発生する熱を、有効利用することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。

【図2】第２実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

［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、原料熱交換部１２、改質部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、原料ガス供給ブロワ２４、ポンプ２６、空気供給ブロワ２８、アノードオフ熱交換部３２、空気熱交換部３４、カソードオフ熱交換部３６、及び、再生燃料熱交換部３７を備えている。本発明の水蒸気供給部は、アノードオフ熱交換部３２及びカソードオフ熱交換部３６を含んで構成されている。

【0022】

原料熱交換部１２には、原料ガス供給管Ｐ１の一端が接続されており、原料ガス供給管Ｐ１から原料熱交換部１２へ、原料ガスが供給される。原料熱交換部１２では、後述する第１アノード１６Ａからのアノードオフガスにより原料ガスが加熱される。原料熱交換部１２で加熱された原料ガスは、配管Ｐ３を経て改質部１４へ供給される。

【0023】

ポンプ２６は、水源（不図示）から改質用の水（液相）を水供給管Ｐ２Ａへ送出する。ポンプ２６により送出された水は、アノードオフ熱交換部３２、カソードオフ熱交換部３６を経て気化される。原料ガス供給管Ｐ１の下流端は、原料熱交換部１２よりも上流側に合流されている。

【0024】

アノードオフ熱交換部３２では、原料熱交換部１２を経たアノードオフガスと水供給管Ｐ２から流入した水との間で熱交換が行われる。水は加熱され、アノードオフガスは冷却される。アノードオフ熱交換部３２で加熱された水は、水供給管Ｐ２Ｂを経てカソードオフ熱交換部３６へ流入する。カソードオフ熱交換部３６では、後述する第１カソード１６Ｂから排出されたカソードオフガス、及び第２カソード１８Ｂから排出されたカソードオフガスの一部と、水供給管Ｐ２Ｂから流入した水との間で熱交換が行われる。水は加熱され、カソードオフガスは冷却される。アノードオフ熱交換部３２及びカソードオフ熱交換部３６で加熱された水は、気化されて水蒸気となり、水蒸気供給管Ｐ８を介して原料ガス供給管Ｐ１へ送られる。

【0025】

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。また、バイオガスを用いてもよい。

【0026】

改質部１４では、原料ガスを改質し、水素及び一酸化炭素を含む燃料ガスを生成する。改質部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。改質部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。

【0027】

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、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。

【0028】

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。

【0029】

空気供給管Ｐ５には空気供給ブロワ２８が接続されており、空気供給ブロワ２８から空気供給管Ｐ５へ空気が送出される。空気供給管Ｐ５には空気熱交換部３４が設けられており、空気供給管Ｐ５は、空気熱交換部３４よりも下流側で配管Ｐ５ＡとＰ５Ｂに分岐されている。配管Ｐ５Ａは、第１燃料電池セルスタック１６の第１カソード１６Ｂに接続され、配管Ｐ５Ｂは、第２燃料電池セルスタック１８の第２カソード１８Ｂに接続されている。

【0030】

第１燃料電池セルスタック１６の第１カソード１６Ｂには、空気熱交換部３４を経た空気が供給される。第１カソード１６Ｂでは、下記（１）式に示すように、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。

【0031】

（空気極反応）
１／２Ｏ_２＋２ｅ^－ →Ｏ^２－ …（１）

【0032】

また、第１カソード１６Ｂには、第１カソード１６Ｂからカソードオフガスを送出するカソードオフガス管Ｐ１１Ａが接続されている。

【0033】

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。

【0034】

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

【0035】

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。

【0036】

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)であってもよい。

【0037】

アノードオフガス管Ｐ７の他端は、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、水の少なくとも一方を除去する。燃料再生部２２としては、例えば、凝縮器、水蒸気分離膜、二酸化炭素分離膜、二酸化炭素吸収剤等を用いることができる。

【0038】

アノードオフガスは、アノードオフガス管Ｐ７に送出され、再生燃料熱交換部３７、原料熱交換部１２、アノードオフ熱交換部３２を経て燃料再生部２２へ供給される。図１では、アノードオフガス管Ｐ７として、第１アノード１６Ａから再生燃料熱交換部３７までの配管にＰ７Ａを付し、再生燃料熱交換部３７から原料熱交換部１２までの配管にＰ７Ｂを付し、原料熱交換部１２からアノードオフ熱交換部３２までの配管にＰ７Ｃを付し、アノードオフ熱交換部３２から燃料再生部２２までの配管にＰ７Ｄを付している。再生燃料熱交換部３７については後述する。原料熱交換部１２では、原料ガス供給管Ｐ１から流入した原料ガス及び水蒸気と、第１アノード１８Ａからアノードオフガス管Ｐ７に送出されたアノードオフガスとで熱交換が行われる。熱交換により、原料ガス及び水蒸気が加熱され、アノードオフガスが冷却される。

【0039】

アノードオフ熱交換部３２では、水供給管Ｐ２Ａから流入した水と、原料熱交換部１２を経たアノードオフガスとで熱交換が行われる。熱交換により、水が加熱され、アノードオフガスが冷却される。

【0040】

燃料再生部２２では、アノードオフガスについて、二酸化炭素及び水の少なくとも一方の濃度が低減される。二酸化炭素及び水の少なくとも一方の濃度が低減されたアノードオフガスは、再生燃料ガスとして、再生燃料ガス管Ｐ９へ送出される。再生燃料ガス管Ｐ９は、第２燃料電池セルスタック１８の第２アノード１８Ａと接続されており、再生燃料ガスは、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に供給される。

【0041】

再生燃料ガス管Ｐ９は、再生燃料熱交換部３７を経由して第２アノード１８Ａと接続されている。再生燃料熱交換部３７では、第１アノード１６Ａから送出されて原料熱交換部１２へ至る前の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。再生燃料熱交換部３７において、再生燃料ガスは加熱され、アノードオフガスは冷却される。

【0042】

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。

【0043】

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。

【0044】

第２アノード１８Ａには、アノードオフガス管Ｐ１０の一端が接続され、アノードオフガス管Ｐ１０の他端は燃焼部２０に接続されている。第２アノード１８Ａ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Ｐ１０を経て燃焼部２０へ供給される。

【0045】

燃焼部２０では、アノードオフガス管Ｐ１０からのアノードオフガスが後述する燃焼用オフガス管Ｐ１１Ｄからの空気と混合されて燃焼する。燃焼部２０は、改質部１４と隣接されており、改質部１４へ供給される。

【0046】

第２カソード１８Ｂには、カソードオフガス管Ｐ１１Ａの一端が接続され、第２カソード１８Ｂからのカソードオフガスが送出される。カソードオフガス管Ｐ１１Ａとカソードオフガス管Ｐ１１Ｂは合流し、分岐部Ｂ１で熱交換用オフガス管Ｐ１１Ｃと燃焼用オフガス管Ｐ１１Ｄに分岐されている。熱交換用オフガス管Ｐ１１Ｃは、カソードオフ熱交換部３６と接続され、燃焼用オフガス管Ｐ１１Ｄは、燃焼部２０と接続されている。

【0047】

第１カソード１６Ｂ、第２カソード１８Ｂから排出されたカソードオフガスは、分岐部Ｂ１で分岐され、分岐された一方は、熱交換用オフガス管Ｐ１１Ｃを経てカソードオフ熱交換部３６へ供給される。分岐された他方は、燃焼用オフガス管Ｐ１１Ｄを経て燃焼部２０へ供給される。

【0048】

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Ｐ１２内を流通し、空気熱交換部３４での熱交換を経て排出される。空気熱交換部３４では、空気供給ブロワ２８で送出された空気が空気供給管Ｐ５を経て空気熱交換部３４へ流入し加熱される。燃焼排ガス管Ｐ１２を経て流入した燃焼排ガスは冷却される。空気熱交換部３４で加熱された空気は、第１カソード１６Ｂ、第２カソード１８Ｂへ供給される。

【0049】

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。

【0050】

燃料電池システム１０Ａにおいては、ポンプ２６によって改質用の水（液相）が水供給管Ｐ２Ａへ送出され、原料ガス供給ブロワ２４によって原料ガスが原料ガス供給管Ｐ１へ送出され、空気供給ブロワ２８によって、空気が空気供給管Ｐ５へ送出される。

【0051】

水供給管Ｐ２Ａへ送出された水は、アノードオフ熱交換部３２で加熱され、続いてカソードオフ熱交換部３６で加熱され、気化される。気化された水蒸気は、水蒸気供給管Ｐ８を介して原料ガス供給管Ｐ１へ送られる。

【0052】

原料ガス供給管Ｐ１へ送出された原料ガスは、水蒸気と混合されて混合原料ガスとなり、原料熱交換部１２へ供給される。混合原料ガスは、原料熱交換部１２において第１アノード１６Ａから送出されたアノードオフガスとの熱交換により加熱され、配管Ｐ３を経て改質部１４へ供給される。改質部１４では、混合原料ガスが改質反応により改質され、水素および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。

【0053】

空気供給管Ｐ５へ送出された空気は、空気熱交換部３４で加熱され、第１燃料電池セルスタック１６の第１カソード１６Ｂ、及び、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。

【0054】

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。この発電に伴い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。カソードオフガスは、カソードオフガス管Ｐ１１Ａへ送出される。

【0055】

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、再生燃料熱交換部３７へ流入して冷却された後、原料熱交換部１２へ流入して冷却され、更に、アノードオフ熱交換部３２へ流入して冷却される。そして、燃料再生部２２へ供給され、アノードオフガスから、二酸化炭素、水の少なくとも一方が除去され、再生燃料ガスが生成される。再生燃料ガスは、再生燃料ガス管Ｐ９へ送出され、再生燃料熱交換部３７で加熱された後、第２燃料電池セルスタック１８の第２アノード１８Ａへ供給される。

【0056】

第２燃料電池セルスタック１８では、前述の反応により発電が行われる。第２アノード１８Ａからアノードオフガスが排出され、第２カソード１８Ｂからカソードオフガスが排出される。第２アノード１８Ａ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Ｐ１０を経て燃焼部２０へ供給される。

【0057】

第２カソード１８Ｂから排出されたカソードオフガスは、カソードオフガス管Ｐ１１Ｂへ送出され、第１カソード１６Ｂからカソードオフガス管Ｐ１１Ａへ送出されたカソードオフガスと合流した後、分岐部Ｂ１で分岐される。

【0058】

分岐部Ｂ１で分岐されたカソードオフガスの一方は、熱交換用オフガス管Ｐ１１Ｃを経てカソードオフ熱交換部３６へ供給される。カソードオフ熱交換部３６では、熱交換により、水が加熱されて気化され、カソードオフガスが冷却される。

【0059】

分岐部Ｂ１で分岐されたカソードオフガスの他方は、燃焼用オフガス管Ｐ１１Ｄを経て燃焼部２０へ供給され、アノードオフガスの燃焼に供される。

【0060】

燃焼部２０から排出された燃焼排ガスは、空気熱交換部３４へ送出され、空気供給管Ｐ５からの空気との熱交換が行われる。空気熱交換部３４では、空気が加熱され、燃焼排ガスが冷却される。空気熱交換部３４で加熱された空気は、第１カソード１６Ｂ、第２カソード１８Ｂへ供給される。

【0061】

本実施形態の燃料電池システム１０Ａでは、アノードオフガス、カソードオフガスの各々が、第１アノード１６Ａへ向かう水と熱交換し、水を加熱して気化させるので、気化器を別に用意する必要がない。このように、アノードオフガス、カソードオフガスの熱を有効利用することができる。

【0062】

また、原料ガスと混合される前の水がアノードオフガス、カソードオフガスと熱交換されるので、燃料ガスと混合された後に熱交換する場合と比較して、少ない熱量で効率的に水を気化させることができる。

【0063】

また、本実施形態の燃料電池システム１０Ａでは、アノードオフガスで、再生燃料ガス、混合原料ガスを加熱するので、アノードオフガスの熱を有効利用することができる。

【0064】

また、本実施形態では、燃料再生部２２で、アノードオフガス中の水及び二酸化炭素の少なくとも一方が除去されて再生燃料ガスが第２燃料電池セルスタック１８での発電に供されるので、第２燃料電池セルスタック１８での発電効率を高くすることができる。

【0065】

また、本実施形態では、燃焼部２０においてアノードオフガス中の可燃成分を燃焼させることにより、改質部１４における改質反応に必要な熱を得たり、空気の加熱に必要な熱を得たり、することができる。

【0066】

なお、本実施形態では、水はアノードオフガスとの熱交換の後にカソードオフガスと熱交換したが、カソードオフガスとの熱交換の後にアノードオフガスと熱交換してもよい。カソードオフガスは、アノードオフガスと比較して、流量の調整を行いやすい。したがって、本実施形態の順番とすることにより、アノードオフガスとの熱交換後の水の温度や気化状態等に応じて、カソードオフガスの流量を調整することにより、カソードオフ熱交換部３６へ必要とされる熱量のカソードオフガスを供給することができる。

【0067】

また、本実施形態では、原料熱交換部１２、空気熱交換部３４を設けたが、これらのいずれか、または両方を備えない構成にすることもできる。

【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て、詳細な説明を省略する。

【0069】

図２には、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム１０Ｂが示されている。燃料電池システム１０Ｂは、第１実施形態で説明した燃料電池システム１０Ａと比較して、第２燃料電池セルスタック１８を有していない点が異なっている。

【0070】

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Ｐ１０の一端が接続されており、アノードオフガス管Ｐ１０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。アノードオフガス管Ｐ１０は、分岐部Ｂ２で循環用オフガス管Ｐ１０Ａと燃焼用オフガス管Ｐ１０Ｂに分岐されている。循環用オフガス管Ｐ１０Ａは、原料熱交換部１２、アノードオフ熱交換部３２を経て燃料再生部２２と接続されている。燃焼用オフガス管Ｐ１０Ｂは、燃焼部２０と接続されている。

【0071】

燃料再生部２２の下流側（出口側）には、再生燃料ガス管Ｐ９の一端が接続されており、再生燃料ガス管Ｐ９の他端は、原料熱交換部１２よりも上流側で、原料ガス供給管Ｐ１に接続されている。燃料再生部２２から再生燃料ガス管Ｐ９へ再生燃料ガスが送出される。再生燃料ガス管Ｐ９には、ガス供給ブロワ２５が設けられており、再生燃料ガスを原料ガス供給管Ｐ１と合流させる。

【0072】

本実施形態の燃料電池システム１０Ｂ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、再度燃料ガスとして第１燃料電池セルスタック１６で再利用される循環式の燃料電池システムとなっている。

【0073】

第１カソード１６Ｂには、カソードオフガス管Ｐ１１Ａの一端が接続されており、カソードオフガス管Ｐ１１Ａには、第１カソード１６Ｂからカソードオフガスが排出される。カソードオフガス管Ｐ１１は、分岐部Ｂ１で熱交換用オフガス管Ｐ１１Ｃと燃焼用オフガス管Ｐ１１Ｄに分岐されている。熱交換用オフガス管Ｐ１１Ｃは、原料熱交換部１２と接続され、燃焼用オフガス管Ｐ１１Ｄは、燃焼部２０と接続されている。

【0074】

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。

【0075】

第１燃料電池セルスタック１６の第１アノード１６Ａから排出されたアノードオフガスは、分岐部Ｂ２で分流される。分流された一方は、循環用オフガス管Ｐ１０Ａへ送出され、原料熱交換部１２、アノードオフ熱交換部３２で冷却されて燃料再生部２２へ供給される。分流された他方は、燃焼用オフガス管Ｐ１０Ｂへ送出され、燃焼部２０へ供給される。

【0076】

本実施形態の燃料電池システム１０Ｂでも、アノードオフガス、カソードオフガスの各々が、第１アノード１６Ａへ向かう水と熱交換し、水を加熱して気化させるので、気化器を別に用意する必要がない。このように、アノードオフガス、カソードオフガスの熱を有効利用することができる。

【0077】

また、原料ガスと混合される前の水がアノードオフガス、カソードオフガスと熱交換されるので、燃料ガスと混合された後に熱交換する場合と比較して、少ない熱量で効率的に水を気化させることができる。

【0078】

また、本実施形態では、燃料再生部２２で、アノードオフガス中の水及び二酸化炭素の少なくとも一方が除去されて再生燃料ガスが、再度、第１燃料電池セルスタック１６での発電に供されるので、第１燃料電池セルスタック１６での発電効率を高くすることができる。

【0079】

なお、第１、第２実施形態では、改質部１４で原料ガスの改質が行われ、改質後の燃料ガスが第１燃料電池セルスタック１６の第１アノード１６Ａへ供給される例について説明したが、原料ガスの改質は、第１アノード１６Ａで行われてもよい。すなわち、改質部１４を備えず、原料ガス供給管Ｐ１を直接第１アノード１６Ａへ接続して、原料ガスを第１アノード１６Ａへ供給し、改質部を兼ねた第１アノード１６Ａで改質を行ってもよい。
また、改質水としては、燃料再生部２２でアノードオフガスから除去した水を用いてもよい。

【符号の説明】

【0080】

１０Ａ、１０Ｂ 燃料電池システム
１２ 原料熱交換部（燃料熱交換部）
１６ 第１燃料電池セルスタック（燃料電池）
１６Ａ 第１アノード（燃料極）
１６Ｂ 第１カソード（空気極）
１８ 第２燃料電池セルスタック（燃料電池）
１８Ａ 第２アノード（燃料極）
１８Ｂ 第２カソード（空気極）
２０ 燃焼部
２２ 燃料再生部
３２ アノードオフ熱交換部（水蒸気供給部）
３４ 空気熱交換部
３６ カソードオフ熱交換部（水蒸気供給部）
Ｐ８ 水蒸気供給管（水蒸気供給部）
Ｐ７ アノードオフガス管（アノードオフ再利用路）
Ｐ９ 再生燃料ガス管（アノードオフ再利用路）
Ｐ１０Ａ 循環用オフガス管（アノードオフ再利用路）

【図1】

【図2】