CN109997268A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的燃料电池系统具备：第1燃料电池，其使用燃料气体进行发电；分离膜，其从由第1燃料电池排出的阳极尾气中，分离二氧化碳及水蒸气中的至少一方；第2燃料电池，其配置在分离膜的下游，使用已将二氧化碳及水蒸气中的至少一方分离掉的阳极尾气进行发电；及流通路径，其配置在分离膜的透过侧，使以下流通：重整而成为用于第1燃料电池发电的燃料气体的原料气体、用于第1燃料电池发电的包含氧的阴极气体、从第2燃料电池排出的阳极尾气、从第1燃料电池排出且向第2燃料电池供给的阴极尾气或从第2燃料电池排出的阴极尾气；且分离膜的透过系数比α1及分离膜的透过系数比α2中的至少一方为30以上。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统。
背景技术
在通常在600℃以上的温度下工作的固体氧化物型燃料电池、熔融碳酸盐型燃料电池等高温工作型燃料电池的系统中，为了实现高效率化，研究对从高温工作型燃料电池的阳极排出的阳极排气进行再利用。例如，提出了一些如下技术：通过去除阳极排气中的二氧化碳或水蒸气后再利用该气，从而提高系统整体的燃料利用率。另外，也提出了一些使用分离膜将二氧化碳或水蒸气从阳极排气中去除的方法。
例如，提出了一种燃料电池发电系统，其具备：第1燃料电池堆、第1二氧化碳去除装置、及第2燃料电池堆，且使用亚纳米陶瓷膜过滤器作为将向第2燃料电池堆供给的排出气体中的二氧化碳去除的第1二氧化碳去除装置(例如参照专利文献1)。
另外，提出了一种多段式燃料电池系统，其具备：第1燃料电池、水蒸气分离膜、及第2燃料电池，利用水蒸气分离膜，从由第1燃料电池排出的包含未反应的燃料气体的尾气中，将水蒸气以气体的状态去除，且使用从尾气中去除了水蒸气的再生燃料气体，在第2燃料电池中进行发电(例如参照专利文献2)。
另外，提出了一种循环式燃料电池系统，其具备：燃料电池、水蒸气分离膜、及再生燃料气体路径，利用水蒸气分离膜，从由燃料电池排出的包含未反应的燃料气体的尾气中，将水蒸气以气体的状态去除，且将从尾气中去除了水蒸气的再生燃料气体经过再生燃料气体路径供给到燃料电池进行发电(例如参照专利文献3)。
此外，也提出了如下循环型燃料电池系统，其使用分离膜来去除阳极排气中的二氧化碳或水蒸气。例如，提出了一种循环型燃料电池系统，其采用如下方式：向分离膜的透过侧供给空气来去除阳极排气中的二氧化碳或水蒸气；或者，通过真空泵使分离膜的透过侧减压来去除阳极排气中的二氧化碳或水蒸气(例如参照专利文献4)。
(现有技术文献)
(专利文献)
专利文献1：JP特开2015-201266号公报
专利文献2：JP特开2016-115495号公报
专利文献3：JP特开2016-115496号公报
专利文献4：美国专利申请公开第2013/0108936号说明书
发明内容
(发明要解决的课题)
专利文献1～4中，记载了通过利用分离膜来去除阳极排气中的二氧化碳及水蒸气中的至少一方，从而提升作为燃料的氢或一氧化碳的浓度，提升系统的发电效率。然而，一般的分离膜难以使氢100％不透过，阳极排气中所含的氢会透过一部分。因此，有由于氢的透过而减少能够再利用的燃料，降低系统的发电效率的担忧，但专利文献1～4中对该方面未作任何考虑。鉴于氢透过分离膜所导致的系统的发电效率降低的影响，优选通过将分离膜的二氧化碳及水蒸气中的至少一方的透过性和氢的透过性的比率(透过系数比)设为合适的范围，从而提升系统整体的发电效率。
本发明的目的在于提供一种燃料电池系统，其通过将分离膜的二氧化碳及水蒸气中的至少一方的透过性和氢的透过性的比率设为合适的范围，从而系统整体的发电效率优异。
(用于解决课题的手段)
上述课题例如通过以下手段解决。
<1>一种燃料电池系统，其具备：第1燃料电池，其使用燃料气体进行发电；分离膜，其从由所述第1燃料电池排出的包含未反应的所述燃料气体的阳极尾气中，分离二氧化碳及水蒸气中的至少一方；第2燃料电池，其配置在所述分离膜的下游，使用已将二氧化碳及水蒸气中的至少一方分离掉的所述阳极尾气进行发电；及流通路径，其配置在所述分离膜的透过侧，使以下流通：成为用于所述第1燃料电池发电的所述燃料气体的原料气体、用于所述第1燃料电池发电的包含氧的阴极气体、从所述第2燃料电池排出的阳极尾气、从所述第1燃料电池排出且向所述第2燃料电池供给的阴极尾气或从所述第2燃料电池排出的阴极尾气；且所述分离膜的透过系数比α1(PCO2/PH2)及所述分离膜的透过系数比α2(PH2O/PH2)中的至少一方为30以上。
本方式所涉及的燃料电池系统由于是具备第1燃料电池和第2燃料电池的多段式燃料电池系统，所以和循环式燃料电池系统相比，燃料利用率提升，能够获得高发电效率。
另外，由于经分离膜分离出的二氧化碳及水蒸气中的至少一方在配置于分离膜的透过侧的流通上述任一气体的流通路径内流通，所以分离出的二氧化碳及水蒸气中的至少一方和在流通路径内流通的上述任一气体一起在流通路径内流通。因此，能够不另外设置用来向分离膜的透过侧供给空气等吹扫气的路径、及空气鼓风机或减压泵而促进二氧化碳及水蒸气中的至少一方的分离。因此，能够削减制造成本，并且提高系统整体的发电效率，且通过简化系统，系统的可靠性提升。
这里，认为通过从由第1燃料电池排出的包含未反应的燃料气体的阳极尾气中，利用分离膜来分离二氧化碳及水蒸气中的至少一方，能够提高氢、一氧化碳等燃料气体的浓度，提升系统的发电效率。然而，通常的分离膜会将阳极尾气中所含的氢和二氧化碳及水蒸气中的至少一方一起分离，因此也有因作为燃料气体的氢减少而降低系统的发电效率的担忧。
另一方面，本方式所涉及的燃料电池系统中，透过系数比α1(PCO2/PH2)及透过系数比α2(PH2O/PH2)中的至少一方为30以上。因此，二氧化碳及水蒸气中的至少一方透过分离膜所产生的系统的发电效率提升效果的影响大于氢透过分离膜所导致的系统的发电效率降低的影响，系统整体的发电效率优异。
<2>一种燃料电池系统，其具备：燃料电池，其使用燃料气体进行发电；分离膜，其从由所述燃料电池排出的包含未反应的所述燃料气体的阳极尾气中，分离二氧化碳及水蒸气中的至少一方；尾气循环路径，其配置在所述分离膜的下游，向所述燃料电池供给已将二氧化碳及水蒸气中的至少一方分离掉的所述阳极尾气；及流通路径，其配置在所述分离膜的透过侧，使以下流通：成为用于所述燃料电池发电的所述燃料气体的原料气体、用于所述燃料电池发电的包含氧的阴极气体、或从所述燃料电池排出的阴极尾气；且所述分离膜的透过系数比α1(PCO2/PH2)及所述分离膜的透过系数比α2(PH2O/PH2)中的至少一方为30以上。
本方式所涉及的燃料电池系统是向燃料电池供给已将二氧化碳及水蒸气中的至少一方分离掉的阳极尾气的循环式燃料电池系统，即便是这样的系统，也能够提升燃料利用率，获得高发电效率。另外，本方式所涉及的燃料电池系统和前述燃料电池系统同样地，能够不另外设置用来向分离膜的透过侧供给空气等吹扫气的路径、及空气鼓风机或减压泵而促进二氧化碳及水蒸气中的至少一方的分离。因此，能够削减制造成本，并且提高系统整体的发电效率，且通过简化系统，系统的可靠性提升。
进而，本方式所涉及的燃料电池系统中，透过系数比α1(PCO2/PH2)及透过系数比α2(PH2O/PH2)中的至少一方为30以上。因此，二氧化碳及水蒸气中的至少一方透过分离膜所产生的系统的发电效率提升效果的影响大于氢透过分离膜所导致的系统的发电效率降低的影响，系统整体的发电效率优异。
<3>根据<1>或<2>所述的燃料电池系统，其还具备重整器，所述重整器具有：重整部，其对所述原料气体进行重整而生成所述燃料气体；及燃烧部，其利用燃烧反应来加热所述重整部。
本方式所涉及的燃料电池系统还具备对原料气体进行重整而生成燃料气体的重整器，第2燃料电池或燃料电池使用由重整器生成的燃料气体来进行发电。
<4>根据<3>所述的燃料电池系统，其还具备排气路径，所述排气路径流通从所述燃烧部排出的排气；且所述排气路径代替所述流通路径配置在所述分离膜的透过侧。
本方式所涉及的燃料电池系统中，排气路径代替流通路径配置在分离膜的透过侧，经分离膜分离出的二氧化碳及水蒸气中的至少一方和在排气路径内流通的排气一起在排气路径内流通。因此，能够不另外设置用来向分离膜的透过侧供给空气等吹扫气的路径、及空气鼓风机或减压泵而促进二氧化碳及水蒸气中的至少一方的分离。因此，能够削减制造成本，并且提高系统整体的发电效率，且通过简化系统，系统的可靠性提升。
<5>根据<3>或<4>所述的燃料电池系统，其还具备：水蒸气回收机构，其回收从所述燃烧部排出的排气中的水蒸气；及水蒸气供给路径，其向所述重整部供给经所述水蒸气回收机构回收的水蒸气。
本方式所涉及的燃料电池系统具备回收排气中所含的水蒸气的水蒸气回收机构、例如使水蒸气冷凝并回收的冷凝器，经水蒸气回收机构回收的水蒸气被供给到重整部而用于原料气体的水蒸气重整。因此，能够无需从外部供给水蒸气或重整水而实现水独立、或者削减来自外部的水蒸气或重整水的供给量。
<6>根据<1>至<3>中任一项所述的燃料电池系统，其还具备如下路径，所述路径流通对所述原料气体进行重整而生成所述燃料气体时所使用的水蒸气及二氧化碳中的至少一方；且所述路径代替所述流通路径配置在所述分离膜的透过侧。
本方式所涉及的燃料电池系统中，流通水蒸气及二氧化碳中的至少一方的路径代替流通路径配置在分离膜的透过侧，经分离膜分离出的二氧化碳及水蒸气中的至少一方和在路径内流通的气体一起用于原料气体的重整。因此，能够不另外设置用来向分离膜的透过侧供给空气等吹扫气的路径、及空气鼓风机或减压泵而促进二氧化碳及水蒸气中的至少一方的分离。因此，能够削减制造成本，并且提高系统整体的发电效率，且通过简化系统，系统的可靠性提升。
<7>根据<1>至<6>中任一项所述的燃料电池系统，其中，进而，所述分离膜的透过系数比β1(PCO2/PCO)及所述分离膜的透过系数比β2(PH2O/PCO)中的至少一方为6以上。
在本方式所涉及的燃料电池系统中，透过系数比β1(PCO2/PCO)及透过系数比β2(PH2O/PCO)中的至少一方为6以上。因此，二氧化碳及水蒸气中的至少一方透过分离膜所产生的系统的发电效率提升效果的影响大于一氧化碳透过分离膜所导致的系统的发电效率降低的影响，系统整体的发电效率优异。
<8>根据<1>至<7>中任一项所述的燃料电池系统，其中，所述分离膜的透过系数比α1(PCO2/PH2)及所述分离膜的透过系数比α2(PH2O/PH2)中的至少一方为60以上。
在本方式所涉及的燃料电池系统中，二氧化碳及水蒸气中的至少一方透过分离膜所产生的系统的发电效率提升效果的影响大于氢透过分离膜所导致的系统的发电效率降低的影响，系统整体的发电效率更优异。
(发明效果)
根据本发明，能够提供一种燃料电池系统，其通过将分离膜的二氧化碳及水蒸气中的至少一方的透过性和氢的透过性的比率设为合适的范围，从而系统整体的发电效率优异。
附图说明
图1是表示第1实施方式所涉及的燃料电池系统的概略构成图。
图2是表示第2实施方式所涉及的燃料电池系统的概略构成图。
图3是表示第3实施方式所涉及的燃料电池系统的概略构成图。
图4是表示第4实施方式所涉及的燃料电池系统的概略构成图。
图5是表示第5实施方式所涉及的燃料电池系统的概略构成图。
图6是表示第6实施方式所涉及的燃料电池系统的概略构成图。
图7是表示第7实施方式所涉及的燃料电池系统的概略构成图。
图8是表示第8实施方式所涉及的燃料电池系统的概略构成图。
图9是表示第9实施方式所涉及的燃料电池系统的概略构成图。
图10是表示第10实施方式所涉及的燃料电池系统的概略构成图。
图11是表示透过系数比α1和系统效率的关系的曲线图。
图12是表示透过系数比α2和系统效率的关系的曲线图。
具体实施方式
在本说明书中，使用“～”表示的数值范围意指包含“～”的前后所记载的数值作为下限值及上限值的范围。
[第1实施方式]
以下，使用图1对本发明的燃料电池系统的一个实施方式进行说明。图1是表示第1实施方式所涉及的燃料电池系统的概略构成图。第1实施方式所涉及的燃料电池系统10是如下系统，其具备：第1燃料电池11，其使用燃料气体进行发电；分离膜16，其从由第1燃料电池11排出的包含未反应的燃料气体的阳极尾气中，分离二氧化碳及水蒸气中的至少一方；第2燃料电池12，其配置在分离膜16的下游，使用已将二氧化碳及水蒸气中的至少一方分离掉的阳极尾气进行发电；及空气供给路径44(流通路径)，其配置在分离膜16的透过侧16B，流通从第2燃料电池12排出的阴极尾气。进而，本实施方式所涉及的燃料电池系统10中，分离膜16的透过系数比α1(PCO2/PH2)及分离膜16的透过系数比α2(PH2O/PH2)中的至少一方为30以上。
本实施方式所涉及的燃料电池系统10还可以具备重整器14，所述重整器14具有：重整部19，其对原料气体进行重整而生成燃料气体；及燃烧部18，其利用燃烧反应来加热重整部19。
本实施方式所涉及的燃料电池系统10是具备第1燃料电池11和第2燃料电池12的多段式燃料电池系统。在循环式燃料电池系统中，为了抑制循环体系内的二氧化碳浓度增加，必须将从阳极排出的阳极尾气向循环体系外排出一部分，但这时也会将未反应的燃料气体向循环系外排出一部分，所以提高燃料利用率是有界限的。另一方面，在多段式燃料电池系统中，从前段的燃料电池的阳极排出的阳极尾气中所含的燃料气体(透过分离膜16的燃料气体除外)全部被供给到后段的燃料电池的阳极。因此，多段式燃料电池系统和循环式燃料电池系统相比，燃料利用率提升，能够获得高发电效率。
另外，由于经分离膜16分离出的二氧化碳及水蒸气中的至少一方在配置于分离膜16的透过侧16B的供阴极尾气流通的空气供给路径44内流通，所以分离出的二氧化碳及水蒸气中的至少一方和在空气供给路径44内流通的阴极尾气一起在空气供给路径44内流通。因此，能够不另外设置用来向分离膜16的透过侧16B供给空气等吹扫气的路径、及空气鼓风机或减压泵而促进二氧化碳及水蒸气中的至少一方的分离。因此，在燃料电池系统10中，能够削减制造成本，并且提高系统整体的发电效率，且通过简化系统，系统的可靠性提升。
这里，认为通过从由第1燃料电池11排出的包含未反应的燃料气体的阳极尾气中，利用分离膜16来分离二氧化碳及水蒸气中的至少一方，能够提高氢、一氧化碳等燃料气体的浓度，提升系统的发电效率。然而，通常的分离膜会将阳极尾气中所含的氢和二氧化碳及水蒸气中的至少一方一起分离，因此也有因作为燃料气体的氢减少而降低系统的发电效率的担忧。
另一方面，本实施方式所涉及的燃料电池系统10中，透过系数比α1(PCO2/PH2)及透过系数比α2(PH2O/PH2)中的至少一方为30以上。因此，二氧化碳及水蒸气中的至少一方透过分离膜16所产生的系统的发电效率提升效果的影响大于氢透过分离膜16所导致的系统的发电效率降低的影响，系统整体的发电效率优异。
以下，说明在本实施方式所涉及的燃料电池系统10中，通过在分离膜16的透过侧16B设置流通阴极尾气的空气供给路径44，和在分离膜16的透过侧16B设置流通朝第1燃料电池11的阴极供给的空气(阴极气体)的空气供给路径44相比，发电效率优异，且良好地维持分离膜的耐久性。
将流通朝第1燃料电池11的阴极供给的空气的空气供给路径44设置在分离膜16的透过侧16B的构成中，有如下担忧，即，向第1燃料电池11的阴极供给的气体中会包含二氧化碳及水蒸气中的至少一方，阴极侧的氧分压降低，其结果，第1燃料电池11的电动势会降低。
另外，在利用分离膜16从由第1燃料电池11的阳极排出的尾气中，分离二氧化碳及水蒸气中的至少一方的情况下，阳极尾气中所含的氢及一氧化碳也可能微量地分离。氢及一氧化碳和氧的反应性高，所以由于分离到分离膜16的透过侧16B的氢及一氧化碳和在透过侧16B流通的氧反应，而容易产生分离膜16的局部温度上升，有分离膜16的耐久性降低的担忧。因此，为了良好地维持分离膜16的耐久性，优选向分离膜16的透过侧16B供给氧比率更低的气体。
在本实施方式所涉及的燃料电池系统10中，由于将氧比率小于空气的阴极尾气供给到分离膜16的透过侧16B，所以不易产生氧和可透过分离膜16的氢或一氧化碳的反应，抑制了分离膜16的局部温度上升，能够良好地维持分离膜16的耐久性。
进而，从燃料电池系统10的第2燃料电池12排出的阴极尾气中所含的二氧化碳及水蒸气的浓度例如比从燃烧部18排出的排气小。因此，燃料电池系统10与将排气(包含二氧化碳及水蒸气的气体)供给到分离膜16的透过侧16B的后述第4实施方式所涉及的燃料电池系统40相比，分离膜16的供给侧16A和透过侧16B的水蒸气分压差及二氧化碳分压差变大，促进了水蒸气及二氧化碳的分离。因此，燃料电池系统10的发电效率更优异。
以下，对本实施方式所涉及的燃料电池系统10的各构成进行说明。
(原料气体供给路径)
本实施方式所涉及的燃料电池系统10具备向重整器14供给原料气体的原料气体供给路径24，原料气体供给路径24设置有用来使原料气体流通的鼓风机25。
作为在原料气体供给路径24内流通的原料气体没有特别限定，只要是能够重整的气体即可，可列举烃燃料。作为烃燃料，可例示天然气、LP气体(液化石油气)、煤重整气体、低级烃气等。作为低级烃气，可列举甲烷、乙烷、乙烯、丙烯、丁烷等碳数4以下的低级烃，特别优选甲烷。此外，作为烃燃料，可以是将上述低级烃气混合所得的气体，也可以是将上述低级烃气和天然气、城市燃气、LP气体等气体混合所得的气体。
原料气体供给路径24和后述水蒸气供给路径37相连，在水蒸气供给路径37内流通的水蒸气被供给到原料气体供给路径24。接着，从水蒸气供给路径37供给的蒸气和原料气体一起被供给到重整器14。此外，从防止路径内的水蒸气冷凝的观点来说，也可以构成为原料气体供给路径24不和水蒸气供给路径37相连，水蒸气经过水蒸气供给路径37直接供给到重整器14。
(重整器)
本实施方式所涉及的燃料电池系统10具备对原料气体进行水蒸气重整而生成燃料气体的重整器14。重整器14例如由配置有燃烧器或燃烧催化剂的燃烧部18和具备重整用催化剂的重整部19构成。
重整部19在上游侧和原料气体供给路径24相连，在下游侧和燃料气体供给路径42相连。因此，在经过原料气体供给路径24将甲烷等原料气体供给到重整部19，并通过重整部19对原料气体进行水蒸气重整后，生成的燃料气体经过燃料气体供给路径42被供给到第1燃料电池11。
燃烧部18在上游侧和空气供给路径44及尾气路径46相连，在下游侧和排气路径48相连。燃烧部18使从第2燃料电池12的阴极侧排出且经过空气供给路径44供给的包含未反应的氧的气体(阴极尾气)和经过尾气路径46供给的阳极尾气的混合气体燃烧，对重整部19内的重整用催化剂进行加热。来自燃烧部18的排气在排气路径48内流通。
由于在重整部19中进行的水蒸气重整伴随大幅吸热，所以为了进行反应，必须从外部供给热，因此，优选通过由燃烧部18产生的燃烧热来加热重整部19。或者，也可以不设置燃烧部18，而是使用从各燃料电池释放的热来加热重整部19。
在使作为原料气体的CnHm(n、m均为正实数)所表示的烃气进行水蒸气重整的情况下，在重整部19中，通过以下式(a)的反应而生成一氧化碳及氢。
CnHm+nH2O→nCO+[(m/2)+n]H2 (a)
另外，在使原料气体的一例的甲烷进行水蒸气重整的情况下，在重整部19中，通过以下式(b)的反应而生成一氧化碳及氢。
CH4+H2O→CO+3H2 (b)
作为设置在重整部19内的重整用催化剂没有特别限定，只要成为水蒸气重整反应的催化剂即可，优选包含Ni、Rh、Ru、Ir、Pd、Pt、Re、Co、Fe及Mo中的至少一种作为催化剂金属的水蒸气重整用催化剂。
向重整器14的重整部19供给的每单位时间的水蒸气的分子数S和向重整器14的重整部19供给的每单位时间的原料气体的碳原子数C的比即水蒸气/碳比S/C优选1.5～3.5，更优选2.0～3.0，进一步优选2.0～2.5。通过使水蒸气/碳比S/C为该范围内，从而有效率地对原料气体进行水蒸气重整，生成包含氢及一氧化碳的燃料气体。进而，能够抑制燃料电池系统10内的碳析出，能够提高燃料电池系统10的可靠性。
另外，燃烧部18从有效率地进行水蒸气重整的观点来说，优选将重整部19加热到600℃～800℃，更优选加热到600℃～700℃。
在本发明所涉及的燃料电池系统(特别是具备高温型燃料电池的燃料电池系统)中，无需在第1燃料电池的外部安装重整器，也可以构成为向第1燃料电池直接供给原料气体及水蒸气，在第1燃料电池的内部进行水蒸气重整(内部重整)，将生成的燃料气体用于在第1燃料电池中发电。特别是在第1燃料电池为高温型燃料电池的情况下，内部的反应温度为600℃～800℃这样的高温，所以能够在第1燃料电池内进行水蒸气重整。
在排气路径48内流通的排气在具有气化器的作用的热交换器31中，和在重整水供给路径33内流通的重整水进行热交换。由此，在排气路径48内流通的排气在冷却后被供给到水槽32(水蒸气回收机构，例如冷凝器)，在重整水供给路径33内流通的重整水在气化后经过水蒸气供给路径37被供给到原料气体供给路径24。
水槽32是贮存排气路径48内流通的排气中所含的水蒸气冷凝所得的水的容器。在水槽32中，水蒸气以外的排气被排出到外部，当贮存给定量以上的水时，例如通过溢流而被排水管排水。
水槽32和重整水供给路径33相连，在重整水供给路径33中设置有重整水泵34。通过重整水泵34，贮存在水槽32中的水作为重整水，经过重整水供给路径33被供给到热交换器31。
此外，作为从排气路径48内流通的排气中分离水蒸气的构成，不限于水槽32，例如也可以通过分离膜分离水蒸气和水蒸气以外的气体，还可以使水蒸气以外的气体吸附到吸附剂，从而分离水蒸气重整用的水蒸气。
另外，也可以设置利用从重整部19、第1燃料电池11、第2燃料电池12中的至少一个中释放的热使重整水气化的气化器，来代替在排气路径48内流通的排气和重整水供给路径33内流通的重整水之间进行热交换的热交换器31。
空气供给路径44是流通空气等包含氧的气体(阴极气体)及包含未反应的氧的气体(阴极尾气)的路径，在空气供给路径44中设置有热交换器22，在第1燃料电池11的上游侧的空气供给路径44内流通的阴极气体和第2燃料电池12的下游侧的空气供给路径44内流通的阴极尾气之间进行热交换。由此，在第2燃料电池12的下游侧的空气供给路径44内流通的阴极尾气被冷却到利用分离膜16分离二氧化碳及水蒸气中的至少一方时优选的温度，在第1燃料电池11的上游侧的空气供给路径44内流通的空气在被加热到第1燃料电池11的工作温度所适合的温度后供给到第1燃料电池11的阴极。
(第1燃料电池)
本实施方式所涉及的燃料电池系统10具备第1燃料电池11，该第1燃料电池11使用经过燃料气体供给路径42从重整器14供给的燃料气体进行发电。作为第1燃料电池11，例如可以是具备空气极(阴极)、电解质及燃料极(阳极)的燃料电池单元，也可以是层叠多个燃料电池单元所得的燃料电池堆。另外，作为第1燃料电池，可以列举在600℃～800℃左右下工作的高温型燃料电池、例如在700℃～800℃左右下工作的固体氧化物型燃料电池、在600℃～700℃左右下工作的熔融碳酸盐型燃料电池。
在第1燃料电池11为固体氧化物型燃料电池的情况下，向第1燃料电池11的阴极(未图示)经过空气供给路径44供给空气。通过向阴极供给空气，从而产生以下式(c)所示的反应，这时，氧离子在固体氧化物电解质(未图示)的内部移动。
O2+4e-→2O2- (c)
在第1燃料电池11为固体氧化物型燃料电池的情况下，向第1燃料电池11的阳极(未图示)经过燃料气体供给路径42供给包含氢及一氧化碳的燃料气体。通过氢及一氧化碳在阳极和固体氧化物电解质的界面从在固体氧化物电解质的内部移动的氧离子接收电子，从而产生以下式(d)、式(e)所示的反应。
H2+O2-→H2O+2e- (d)
2CO+2O2-→2CO2+4e- (e)
在第1燃料电池11为熔融碳酸盐型燃料电池的情况下，向第1燃料电池11的阴极(未图示)经过空气供给路径44供给包含氧及二氧化碳的气体。通过向阴极供给包含氧及二氧化碳的气体，从而产生以下式(f)所示的反应，这时，碳酸根离子在电解质(未图示)的内部移动。
O2+2CO2+4e-→2CO3 2- (f)
在第1燃料电池11为熔融碳酸盐型燃料电池的情况下，向第1燃料电池11的阳极(未图示)经过燃料气体供给路径42供给包含氢的燃料气体。通过氢在阳极和电解质的界面从在电解质的内部移动的碳酸根离子接收电子，从而产生以下式(g)所示的反应。
H2+CO3 2-→H2O+CO2+2e- (g)
在第1燃料电池11为熔融碳酸盐型燃料电池的情况下，产生的水蒸气和经过燃料气体供给路径42供给的一氧化碳反应而产生以下式(h)所示的反应，产生氢及二氧化碳。并且，产生的氢被前述式(g)的反应消耗。
CO+H2O→H2+CO2 (h)
像上述式(d)、式(e)、式(g)及式(h)所示那样，通过第1燃料电池11中的燃料气体的电化学反应，在固体氧化物型燃料电池及熔融碳酸盐型燃料电池中，主要生成水蒸气及二氧化碳。另外，阳极中生成的电子经过外部电路移动到阴极。通过像这样，电子从阳极移动到阴极，从而在第1燃料电池11中进行发电。
从阴极排出的阴极尾气经过下游侧的空气供给路径44被供给到第2燃料电池12的阴极(未图示)。
另一方面，从阳极排出的包含未反应的燃料气体的阳极尾气经过尾气路径52被供给向分离膜16的供给侧16A。这里，包含未反应的燃料气体的阳极尾气是包含氢、一氧化碳、二氧化碳、水蒸气等的混合气体。
在尾气路径52及尾气路径54中设置有热交换器21，通过热交换器21，在尾气路径52内流通的阳极尾气和尾气路径54内流通的已将二氧化碳及水蒸气中的至少一方分离掉的阳极尾气之间进行热交换。由此，在尾气路径52内流通的阳极尾气被冷却到利用分离膜16分离二氧化碳及水蒸气中的至少一方时优选的温度，在尾气路径54内流通的已将二氧化碳及水蒸气中的至少一方分离掉的阳极尾气被加热到第2燃料电池12的工作温度所适合的温度。因此，系统整体的发电效率及热效率更为提高。
(分离膜)
本实施方式所涉及的燃料电池系统10具备分离膜16，该分离膜16从由第1燃料电池11排出的包含未反应的燃料气体的阳极尾气中，分离二氧化碳及水蒸气中的至少一方。分离膜16是透过系数比α1(PCO2/PH2)及透过系数比α2(PH2O/PH2)中的至少一方满足30以上的膜。
在尾气路径52内流通的阳极尾气被供给到分离膜16的供给侧16A，阳极尾气中的二氧化碳及水蒸气中的至少一方从供给侧16A向透过侧16B沿箭头A方向穿过分离膜16。分离出二氧化碳及水蒸气中的至少一方后的阳极尾气从供给侧16A在尾气路径54内流通，被供给向第2燃料电池12。另一方面，分离出的二氧化碳及水蒸气中的至少一方和流过透过侧16B的从第2燃料电池12排出的阴极尾气混合，从透过侧16B在空气供给路径44内流通，并被供给向重整器14的燃烧部18。因此，从第2燃料电池12排出的阴极尾气被用于燃烧部18中的燃烧反应，从而无需另外向燃烧部18供给氧。
进而，将用来使阴极尾气流通的空气供给路径44设置在分离膜16的透过侧，使二氧化碳及水蒸气中的至少一方透过至分离膜16的透过侧。因此，无需另外设置用来将氧供给到分离膜16的透过侧的路径及空气鼓风机或减压泵，系统得到简化。
进而，由于透过分离膜16的二氧化碳及水蒸气中的至少一方和阴极尾气一起在空气供给路径44内流通，所以分离膜16的透过侧16B的水蒸气分压及二氧化碳分压变低，能够增大供给侧16A和透过侧16B的水蒸气分压差及二氧化碳分压差。因此，能够使更多的水蒸气及二氧化碳向透过侧16B移动，从而促进水蒸气及二氧化碳的分离。
因此，在燃料电池系统10中，系统简化，并且促进了二氧化碳及水蒸气中的至少一方的分离。其结果，能够更为减少向第2燃料电池12供给的阳极尾气中的水蒸气浓度及二氧化碳浓度中的至少一方，能够更为提高燃料电池系统10的发电效率。
进而，由于分离膜16的透过系数比α1(PCO2/PH2)及透过系数比α2(PH2O/PH2)中的至少一方为30以上，所以二氧化碳及水蒸气中的至少一方透过分离膜16所产生的系统的发电效率提升效果的影响大于氢透过分离膜16所导致的系统的发电效率降低的影响，系统整体的发电效率优异。
分离膜16从系统整体的发电效率更优异的方面来说，透过系数比α1(PCO2/PH2)及透过系数比α2(PH2O/PH2)中的至少一方优选60以上，透过系数比α1(PCO2/PH2)及透过系数比α2(PH2O/PH2)中的至少一方更优选120以上。此外，分离膜16的透过系数比α1(PCO2/PH2)及透过系数比α2(PH2O/PH2)的上限值没有特别限定，例如可以是100000以下，也可以是10000以下。
进而，分离膜16的透过系数比β1(PCO2/PCO)及透过系数比β2(PH2O/PCO)中的至少一方可以是6以上，优选可以是12以上，更优选可以是24以上。由此，二氧化碳及水蒸气中的至少一方透过分离膜所产生的系统的发电效率提升效果的影响大于一氧化碳透过分离膜所导致的系统的发电效率降低的影响，系统整体的发电效率优异。此外，分离膜16的透过系数比β1(PCO2/PCO)及透过系数比β2(PH2O/PCO)的上限值没有特别限定，例如可以是100000以下，也可以是10000以下。
此外，透过系数的单位是barrer(巴雷)，1barrer＝1×10-10cm3(标准状态)·cm·cm-2·s-1·cmHg-1。另外，透过系数是依据JIS K7126-1：2006“塑料膜及片的气体透过度试验方法”的第1部所记载的差压法所测得的值。
分离膜没有特别限定，只要是使二氧化碳及水蒸气中的至少一方透过且透过系数比α1(PCO2/PH2)及透过系数比α2(PH2O/PH2)中的至少一方为30以上的膜即可，例如可列举有机高分子膜、无机材料膜、有机高分子-无机材料复合膜、液体膜等。另外，分离膜更优选玻璃状高分子膜、橡胶状高分子膜、离子交换树脂膜、氧化铝膜、二氧化硅膜、碳膜、沸石膜、陶瓷膜、胺水溶液膜或离子液体膜。
作为分离膜，例如可列举玻璃状高分子膜、橡胶状高分子膜、离子交换树脂膜等有机高分子膜。作为有机高分子膜的材质，可列举聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚甲基戊烯等聚烯烃系树脂、聚四氟乙烯、聚氟乙烯、聚偏二氟乙烯等氟树脂、聚苯乙烯、乙酸纤维素、聚氨基甲酸酯、聚丙烯腈、聚砜、聚醚砜、聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚酰胺、聚醚酰亚胺、聚吡咯、聚苯醚、聚苯胺、聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚乙二醇等各种有机材料。另外，有机高分子膜可以是由1种有机材料构成的膜，也可以是由2种以上的有机材料构成的膜。
另外，作为分离膜，例如可以是如下有机高分子膜，其包含聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚乙烯醇-聚丙烯酸盐共聚物、聚乙二醇等具有吸水性的有机高分子、及和二氧化碳具有亲和性且显示水溶性的二氧化碳载体。
作为二氧化碳载体，可以使用无机材料及有机材料，例如，作为无机材料，可列举碱金属盐(优选碱金属碳酸盐)、氨、铵盐等，作为有机材料，例如可列举胺、胺盐、聚胺、氨基酸等。此外，二氧化碳载体也可以包含在无机材料膜、有机高分子-无机材料复合膜、液体膜等中。
作为分离膜，例如可列举氧化铝膜、二氧化硅膜、碳膜、沸石膜、陶瓷膜等无机材料膜，作为无机材料膜，尤其是优选沸石膜。作为沸石，例如可列举A型、Y型、T型、ZSM-5型、ZSM-35型、丝光沸石系等。另外，无机材料膜可以是由1种无机材料构成的膜，也可以是由2种以上的无机材料构成的膜。
分离膜可以是有机高分子-无机材料复合膜。作为有机高分子-无机材料复合膜没有特别限定，只要是由有机材料及无机材料构成的膜即可，例如优选由从上述有机材料选择的至少1种有机材料及从上述无机材料选择的至少1种无机材料构成的复合膜。
作为分离膜，例如可列举胺水溶液、离子液体等的液体膜。这些液体膜可以是使胺水溶液或离子液体含浸于前述有机高分子膜、无机材料膜、有机高分子-无机材料复合膜中而成的。
在使用胺水溶液膜作为分离膜的情况下，在使阳极尾气中的二氧化碳化学性地吸附到胺水溶液膜中后，通过进行加热而分离二氧化碳，二氧化碳移动到胺水溶液膜的透过侧。作为胺水溶液，可列举单乙醇胺等氨基醇等。
在使用离子液体膜作为分离膜的情况下，阳极尾气中的二氧化碳吸附到离子液体膜，通过将吸附的二氧化碳从离子液体膜分离，从而使二氧化碳移动到离子液体膜的透过侧。这里，离子液体是具有150℃以下的相对低温的熔点的盐，例如由咪唑鎓离子、吡啶鎓离子等阳离子和三氟甲磺酸根离子、四氟硼酸根离子、六氟磷酸根离子等阴离子构成。
分离膜的厚度没有特别限定，就机械强度的观点来说，通常优选10μm～3000μm的范围，更优选10μm～500μm的范围，进一步优选15μm～150μm的范围。
此外，分离膜也可以被多孔质性支撑体支撑。作为支撑体的材质，可列举纸、纤维素、聚酯、聚烯烃、聚酰胺、聚酰亚胺、聚砜、聚碳酸酯、金属、玻璃、陶瓷等。在设置支撑体的情况下，分离膜的厚度从良好地确保二氧化碳透过性及水蒸气透过性的方面来说，优选100nm～100μm的范围，更优选100nm～50μm的范围。
作为分离二氧化碳及水蒸气中的至少一方的分离膜，例如可以使用“Journal ofMembrane Science Vol.320(2008)390-400,The upper bound revisited”等所记载的膜。另外，作为分离二氧化碳及水蒸气中的至少一方的分离膜、特别是分离二氧化碳的分离膜，可以使用JP专利第5329207号公报所记载的高分子膜、JP专利第4965928号公报所记载的CO2促进传递膜、JP专利第5743639号公报所记载的分离膜、JP专利第5738704号公报所记载的透过膜等。
分离出二氧化碳及水蒸气中的至少一方后的阳极尾气从供给侧16A在尾气路径54内流通，被供给向第2燃料电池12。这时，如上文所述，通过设置在尾气路径52及尾气路径54中的热交换器21，在尾气路径54内流通的已将二氧化碳及水蒸气中的至少一方分离掉的阳极尾气被加热到第2燃料电池12的工作温度所适合的温度。
(第2燃料电池)
本实施方式所涉及的燃料电池系统10具备第2燃料电池12，该第2燃料电池12配置在分离膜16的下游，使用已将二氧化碳及水蒸气中的至少一方分离掉的阳极尾气进行发电。作为第2燃料电池12，例如可以是具备空气极(阴极)、电解质及燃料极(阳极)的燃料电池单元，也可以是层叠多个燃料电池单元所得的燃料电池堆。此外，第2燃料电池12和上述第1燃料电池11为相同构成，因此省略关于共通事项的说明。
在燃料电池系统10中，第2燃料电池12使用已将二氧化碳及水蒸气中的至少一方分离掉的阳极尾气进行发电。因此，在第2燃料电池12中，基于电极间的氧分压差的理论电压提升，并且基于阳极尾气中的二氧化碳及水蒸气中的至少一方的浓度过电压降低，特别是在高电流密度时能够发挥高性能。因此，燃料电池系统10和在后段的燃料电池中使用水蒸气未分离的阳极尾气进行发电的多段式燃料电池系统相比，能够获得高发电效率。
从第2燃料电池12的阴极排出的阴极尾气经过下游侧的空气供给路径44，和经分离膜16分离出的水蒸气及二氧化碳一起被供给向重整器14的燃烧部18。另一方面，从第2燃料电池12的阳极排出的阳极尾气经过尾气路径46，被供给向重整器14的燃烧部18。
(改变例)
在本实施方式中，由于空气供给路径44串联，所以在向第1燃料电池11供给空气后，向第2燃料电池12供给从第1燃料电池11排出的阴极尾气，但空气供给路径44也可以并联。即，也可以构成为流通空气的空气供给路径44分支，分别向第1燃料电池11及第2燃料电池12的阴极供给空气。这时，也可以构成为将从第1燃料电池11的阴极排出的阴极尾气及从第2燃料电池12的阴极排出的阴极尾气中的至少一方供给到分离膜16的透过侧16B。
在本实施方式中，对具备2个燃料电池(第1燃料电池11及第2燃料电池12)的燃料电池系统进行了说明，但本发明不限于此，也可以是具备3个以上燃料电池的燃料电池系统，例如也可以是在第2燃料电池12的下游具备第3燃料电池的构成。这时，也可以构成为从第3燃料电池的阴极排出的阴极尾气经过下游侧的空气供给路径，和经分离膜分离出的水蒸气及二氧化碳一起被供给向重整器的燃烧部，从第3燃料电池的阳极排出的阳极尾气经过尾气路径被供给向重整器的燃烧部。
在本实施方式中，对设置一个分离二氧化碳及水蒸气中的至少一方的分离膜的构成进行了说明，但本发明不限于此，也可以是配置多个分离膜的构成。例如，也可以分别单独地配置分离二氧化碳的二氧化碳分离膜及分离水蒸气的水蒸气分离膜作为分离膜。这时，二氧化碳分离膜只要透过系数比α1(PCO2/PH2)满足上述范围即可，水蒸气分离膜只要透过系数比α2(PH2O/PH2)满足上述范围即可。此外，无需严格地区分二氧化碳分离膜及水蒸气分离膜，二氧化碳分离膜也可以是使水蒸气和二氧化碳一起透过的分离膜，水蒸气分离膜也可以是使二氧化碳和水蒸气一起分离的分离膜。另外，作为水蒸气分离膜及二氧化碳分离膜的材质，可以和前述分离膜的材质相同。另外，作为二氧化碳分离膜，也可以使用CO2促进传递膜。
在本实施方式中，在配置分离水蒸气的水蒸气分离膜作为分离膜16的情况下，燃料电池系统10也可以在第1燃料电池11的下游且第2燃料电池12的上游还具备从阳极尾气中去除二氧化碳的二氧化碳去除部。由此，在本实施方式中，第2燃料电池12使用水蒸气及二氧化碳经分离的阳极尾气进行发电，因此能够更为提高发电效率。
二氧化碳去除部用来从阳极尾气中去除二氧化碳，例如可列举包含吸附、吸收二氧化碳的过滤器、吸收二氧化碳的二氧化碳吸收剂、去除二氧化碳的二氧化碳去除材料的二氧化碳去除部，此外，也可以通过电化学反应从阳极尾气中去除二氧化碳。在二氧化碳去除部通过电化学反应从阳极尾气中去除二氧化碳的情况下，在阳极的反应中，必需水(水蒸气)，所以优选在分离膜16的上游侧配置二氧化碳去除部。由此，能够充分地供给进行电化学反应时所需的水，能够良好地去除二氧化碳。
在本实施方式中，在配置分离二氧化碳的二氧化碳分离膜作为分离膜16的情况下，燃料电池系统10也可以在第1燃料电池11的下游且第2燃料电池12的上游还具备从阳极尾气中去除水蒸气的水蒸气去除部。由此，在本实施方式中，第2燃料电池12使用水蒸气及二氧化碳经分离的阳极尾气进行发电，因此能够更为提高发电效率。
水蒸气去除部用来从阳极尾气中去除水蒸气，只要是分离水蒸气的分离膜、吸附水蒸气的吸附剂、使水蒸气冷凝的冷凝器等即可。在配置使水蒸气冷凝的冷凝器作为水蒸气去除部的情况下，也可以通过将使水蒸气冷凝所得的冷凝水供给到水槽32而用于原料气体的水蒸气重整。
[第2实施方式]
以下，使用图2对本发明的燃料电池系统的第2实施方式进行说明。图2是表示第2实施方式所涉及的燃料电池系统的概略构成图。第2实施方式所涉及的燃料电池系统20在如下方面和第1实施方式所涉及的燃料电池系统10不同：在分离膜16的透过侧16B配置供用于第1燃料电池11发电的空气(阴极气体)流通的空气供给路径(流通路径)44；配置向重整器14的重整部19供给水蒸气的水蒸气供给路径26代替水槽32、水蒸气供给路径37等；及配置热交换器41代替热交换器22，该热交换器41在排气路径48内流通的排气、和空气供给路径44内流通且用于第1燃料电池11发电的空气与经分离膜16分离出的二氧化碳及水蒸气中的至少一方的混合气体之间进行热交换。此外，在本实施方式及以下的第3实施方式～第10实施方式中，对和第1实施方式相同的构成标注相同的符号，并省略其说明。
在本实施方式所涉及的燃料电池系统20中，也由于经分离膜16分离出的二氧化碳及水蒸气中的至少一方在配置在分离膜16的透过侧16B的供用于第1燃料电池11发电的空气流通的空气供给路径44内流通，所以分离出的二氧化碳及水蒸气中的至少一方和在空气供给路径44内流通的空气一起在空气供给路径44内流通。因此，能够不另外设置用来向分离膜16的透过侧16B供给空气等吹扫气的路径、及空气鼓风机或减压泵而促进二氧化碳及水蒸气中的至少一方的分离。因此，在燃料电池系统20中，能够削减制造成本，并且提高系统整体的发电效率，且通过简化系统，系统的可靠性提升。
燃料电池系统20和第1实施方式不同，在比分离膜16的透过侧16B更下游侧的空气供给路径44、及排气路径48中设置有热交换器41，通过热交换器41，在排气路径48内流通的排气、和空气供给路径44内流通的空气与经分离膜16分离出的二氧化碳及水蒸气中的至少一方的混合气体(以下，也称为“混合气体”)之间进行热交换。由此，在排气路径48内流通的排气在经冷却后被排出至系统外，另一方面，在空气供给路径44内流通的混合气体被加热到第1燃料电池11的工作温度所适合的温度。
向第1燃料电池11的阴极经过空气供给路径44供给混合气体而进行发电，接着，从第1燃料电池11的阴极排出的阴极尾气经过下游侧的空气供给路径44被供给向第2燃料电池12的阴极而进行发电。
从第2燃料电池12的阴极排出的阴极尾气经过下游侧的空气供给路径44被供给向重整器14的燃烧部18。另一方面，从第2燃料电池12的阳极排出的阳极尾气经过尾气路径46被供给向重整器14的燃烧部18。
经过空气供给路径44而供给的阴极尾气和经过尾气路径46而供给的阳极尾气的混合气体在燃烧部18中燃烧而产生的排气被排出到排气路径48。如上文所述，在排气路径48内流通的排气在热交换器41中，和在空气供给路径44流通的混合气体进行热交换。
在本实施方式中，虽然配置有向重整器14的重整部19供给水蒸气的水蒸气供给路径26，但从无需从外部供给重整水或水蒸气而实现水独立、或削减来自外部的重整水或水蒸气的供给量的观点来说，也可以和第1实施方式同样地，使在排气路径48内流通的排气中所含的水蒸气冷凝并回收而用作重整水。
另外，在本实施方式中，也可以配置向重整器14的重整部19供给二氧化碳的二氧化碳供给路径来代替水蒸气供给路径26，在重整部19中进行二氧化碳重整。
[第3实施方式]
以下，使用图3对本发明的燃料电池系统的第3实施方式进行说明。图3是表示第3实施方式所涉及的燃料电池系统的概略构成图。第3实施方式所涉及的燃料电池系统30在如下方面和第2实施方式不同：在分离膜16的透过侧16B配置流通原料气体的原料气体供给路径24，所述原料气体成为用于第1燃料电池11发电的燃料气体；及不配置水蒸气供给路径26而将透过分离膜16的二氧化碳及水蒸气中的至少一方经过原料气体供给路径24供给到重整部19。
在本实施方式所涉及的燃料电池系统30中，经分离膜16分离出的二氧化碳及水蒸气中的至少一方也被供给到配置在分离膜16的透过侧16B的原料气体供给路径24。由于原料气体在原料气体供给路径24内流通，所以分离出的水蒸气及二氧化碳中的至少一方和原料气体一起被供给到重整部19。因此，能够不另外设置用来向分离膜16的透过侧16B供给空气等吹扫气的路径、及空气鼓风机或减压泵而促进水蒸气及二氧化碳中的至少一方的分离。进而，无需为了向重整部19供给分离出的水蒸气及二氧化碳中的至少一方而另外设置供给路径及鼓风机，系统得到简化，由此系统的可靠性提升。
在本实施方式中，经分离膜16分离出的水蒸气及二氧化碳中的至少一方被供给到重整器14的重整部19，用于原料气体的重整。因此，在本实施方式中，不限于对原料气体进行水蒸气重整的构成，也可以是对原料气体进行二氧化碳重整的构成，还可以是对原料气体进行水蒸气重整及二氧化碳重整的构成。
[第4实施方式]
以下，使用图4对本发明的燃料电池系统的第4实施方式进行说明。图4是表示第4实施方式所涉及的燃料电池系统的概略构成图。第4实施方式所涉及的燃料电池系统40在如下方面和第1实施方式不同：在分离膜16的透过侧16B配置供从燃烧部排出的排气流通的排气路径48；以及配置热交换器43代替热交换器22，该热交换器43使得在排气路径48内流通且与透过分离膜16的二氧化碳及水蒸气中的至少一方混合的排气、和在空气供给路径44内流通且用于第1燃料电池11发电的空气之间进行热交换。
在燃料电池系统40中，经分离膜16分离出的水蒸气及二氧化碳中的至少一方被供给到配置在分离膜16的透过侧的排气路径48。由于从燃烧部18排出的排气在排气路径48内流通，所以分离出的水蒸气及二氧化碳中的至少一方和该排气一起在排气路径48内流通。因此，通过将排气路径48设置在分离膜16的透过侧16B，从而无需另外设置用来向分离膜16的透过侧16B供给空气等吹扫气的路径、及空气鼓风机或减压泵，能够削减制造成本，提高系统整体的发电效率。进而，通过简化系统，系统的可靠性提升。
另外，由于透过分离膜16的水蒸气及二氧化碳中的至少一方和排气一起在排气路径48内流通，所以分离膜16的透过侧16B的水蒸气分压及二氧化碳分压变低，促进水蒸气及二氧化碳中的至少一方的分离。因此，在燃料电池系统40中，系统简化，并且促进了水蒸气及二氧化碳的分离。
进而，本实施方式所涉及的燃料电池系统40和第1实施方式所涉及的燃料电池系统10同样地，发电效率优于将供用于第1燃料电池11发电的空气(阴极气体)流通的空气供给路径44设置在分离膜16的透过侧16B时。
另外，在本实施方式所涉及的燃料电池系统40中，由于向分离膜16的透过侧16B供给氧比率小于空气的从燃烧部18排出的排气，所以不易产生氧和可透过分离膜16的氢或一氧化碳的反应，从而抑制了分离膜16的局部温度上升，能够良好地维持分离膜16的耐久性。
燃料电池系统40和第1实施方式不同，在排气路径48及空气供给路径44中设置有热交换器43，通过热交换器43，在排气路径48内流通的排气和空气供给路径44内流通的空气之间进行热交换。由此，在排气路径48内流通的排气在经冷却后被供给到水槽32(冷凝器)，在空气供给路径44内流通的空气在被加热到第1燃料电池11的工作温度所适合的温度后，供给到第1燃料电池11的阴极。
向第1燃料电池11的阴极经过空气供给路径44供给空气，从而在第1燃料电池11中进行发电。接着，从第1燃料电池11的阴极排出的阴极尾气经过下游侧的空气供给路径44被供给到第2燃料电池12的阴极，从而在第2燃料电池12中进行发电。
从第2燃料电池12的阴极排出的阴极尾气经过下游侧的空气供给路径44而被供给向重整器14的燃烧部18。另一方面，从第2燃料电池12的阳极排出的阳极尾气经过尾气路径46而被供给向重整器14的燃烧部18。由供给到燃烧部18的阳极尾气和阴极尾气的混合气体燃烧而产生的排气被排出到排气路径48。
在排气路径48内流通的排气在使重整水供给路径33内流通的重整水气化的热交换器31中，和重整水进行热交换。由此，在热交换器31的下游侧的排气路径48内流通的排气在被冷却到利用分离膜16而分离水蒸气及二氧化碳中的至少一方时优选的温度后，被供给到分离膜16的透过侧16B，在重整水供给路径33内流通的重整水在被气化后，经过水蒸气供给路径37被供给到原料气体供给路径24。
[第5实施方式]
前述第1实施方式～第4实施方式是多段式燃料电池系统，但本发明不限于此，也可以是循环式燃料电池系统。以下，使用图5对本发明的一个实施方式所涉及的循环式燃料电池系统100进行说明。图5是表示第5实施方式所涉及的燃料电池系统的概略构成图。
如图5所示，第5实施方式所涉及的燃料电池系统100是循环式燃料电池系统，具备将水蒸气及二氧化碳中的至少一方经分离的阳极尾气再次供给到燃料电池61的尾气循环路径56、57。此外，燃料电池61和前述的第1燃料电池11为相同构成，因此省略其说明，对和第1实施方式相同的构成省略其说明。
在燃料电池系统100中，关于从燃料电池61排出的包含未反应的燃料气体的阳极尾气，其一部分在尾气路径46内流通而供给到燃烧部18，其余在尾气循环路径56内流通而供给到分离膜16的供给侧16A。分离膜16从供给的阳极尾气中分离水蒸气及二氧化碳中的至少一方，已将水蒸气及二氧化碳中的至少一方分离掉的阳极尾气在尾气循环路径57内流通。在尾气循环路径57内流通的阳极尾气被供给到燃料气体供给路径42内，且和在燃料气体供给路径42内流通的燃料气体混合后，混合气体被供给到燃料电池61的阳极进行发电。在燃料电池系统100中，能够获得与不分离水蒸气及二氧化碳中的至少一方而对阳极尾气进行再利用的循环式燃料电池系统相比更高的发电效率。此外，替代于将在尾气循环路径57内流通的阳极尾气供给到燃料气体供给路径42内的构成，也可以是供给到重整部19的构成(以下第6、第7、第8、第10实施方式中也同样如此)。
在尾气循环路径57中配置有用来使阳极尾气流通的循环鼓风机28。此外，循环鼓风机的配置没有特别限定，可以是分离膜16的上游，也可以是分离膜16的下游，在设置于分离膜16的上游的情况下，优选配置在热交换器21和分离膜16之间，在设置于分离膜16的下游的情况下，优选配置在分离膜16和热交换器21之间。
另外，经分离膜16分离出的水蒸气及二氧化碳中的至少一方被供给到配置在分离膜16的透过侧16B的空气供给路径44。由于从燃料电池61排出的阴极尾气在空气供给路径44内流通，所以分离出的水蒸气及二氧化碳中的至少一方和阴极尾气一起在空气供给路径44内流通。因此，通过将空气供给路径44设置在分离膜16的透过侧16B，从而无需另外设置用来向分离膜16的透过侧16B供给氧等吹扫气的路径、及空气鼓风机或减压泵，能够削减制造成本，提高系统整体的发电效率。进而，通过简化系统，系统的可靠性提升。
[第6实施方式]
以下，使用图6对本发明的燃料电池系统的第6实施方式进行说明。图6是表示第6实施方式所涉及的燃料电池系统的概略构成图。第6实施方式所涉及的燃料电池系统200是具备燃料电池61的循环式燃料电池系统，在这一方面和第2实施方式所涉及的燃料电池系统20不同。
在本实施方式所涉及的燃料电池系统200中，也和第2实施方式同样地，经分离膜16分离出的二氧化碳及水蒸气中的至少一方和在空气供给路径44内流通的空气一起在空气供给路径44内流通。因此，能够不另外设置用来向分离膜16的透过侧16B供给空气等吹扫气的路径、及空气鼓风机或减压泵而促进二氧化碳及水蒸气中的至少一方的分离。因此，在燃料电池系统200中，能够削减制造成本，并且提高系统整体的发电效率，且通过简化系统，系统的可靠性提升。
[第7实施方式]
以下，使用图7对本发明的燃料电池系统的第7实施方式进行说明。图7是表示第7实施方式所涉及的燃料电池系统的概略构成图。第7实施方式所涉及的燃料电池系统300是具备燃料电池61的循环式燃料电池系统，在这一方面和第3实施方式所涉及的燃料电池系统30不同。
在本实施方式所涉及的燃料电池系统300中，也和第3实施方式同样地，经分离膜16分离出的二氧化碳及水蒸气中的至少一方和原料气体一起被供给到重整部19。因此，能够不另外设置用来向分离膜16的透过侧16B供给空气等吹扫气的路径、及空气鼓风机或减压泵而促进水蒸气及二氧化碳中的至少一方的分离。进而，无需为了将分离出的水蒸气及二氧化碳中的至少一方供给到重整部19而另外设置供给路径及鼓风机，系统得到简化，由此系统的可靠性提升。
[第8实施方式]
以下，使用图8对本发明的燃料电池系统的第8实施方式进行说明。图8是表示第8实施方式所涉及的燃料电池系统的概略构成图。第8实施方式所涉及的燃料电池系统400是具备燃料电池61的循环式燃料电池系统，在这一方面和第4实施方式所涉及的燃料电池系统40不同。
在燃料电池系统400中，经分离膜16分离出的水蒸气及二氧化碳中的至少一方和排气一起在排气路径48内流通。因此，通过将排气路径48设置在分离膜16的透过侧16B，从而无需另外设置用来向分离膜16的透过侧16B供给空气等吹扫气的路径、及空气鼓风机或减压泵，能够削减制造成本，提高系统整体的发电效率。进而，通过简化系统，系统的可靠性提升。
[第9、第10实施方式]
以下，使用图9、10对本发明的燃料电池系统的第9、第10实施方式进行说明。图9是表示第9实施方式所涉及的燃料电池系统的概略构成图，图10是表示第10实施方式所涉及的燃料电池系统的概略构成图。第9实施方式所涉及的燃料电池系统50及第10实施方式所涉及的燃料电池系统500在分离膜16的透过侧16B配置将水蒸气供给到重整部19的水蒸气供给路径26，在这一方面分别和第2实施方式所涉及的燃料电池系统20及第6实施方式所涉及的燃料电池系统200不同。
在燃料电池系统50及燃料电池系统200中，供水蒸气流通的水蒸气供给路径26配置在分离膜16的透过侧16B，经分离膜16分离出的二氧化碳及水蒸气中的至少一方和在水蒸气供给路径26内流通的水蒸气一起被供给到重整部19而用于原料气体的重整。因此，能够不另外设置用来向分离膜的透过侧供给空气等吹扫气的路径、及空气鼓风机或减压泵而促进二氧化碳及水蒸气中的至少一方的分离。因此，能够削减制造成本，并且提高系统整体的发电效率，且通过简化系统，系统的可靠性提升。
此外，在这些实施方式中，也可以将向重整部19供给二氧化碳的二氧化碳供给路径代替水蒸气供给路径26配置在分离膜16的透过侧16B。
另外，从无需从外部供给重整水或水蒸气而实现水独立、或削减来自外部的重整水或水蒸气的供给量的观点来说，也可以配置使排气路径48内流通的排气所含的水蒸气冷凝并回收的水槽32、将水槽32中贮存的冷凝水所形成的水蒸气供给到重整部19的水蒸气供给路径37等来代替水蒸气供给路径26。这时，可以在分离膜16的透过侧16B配置将水槽32中贮存的冷凝水所形成的水蒸气供给到重整部19的水蒸气供给路径37来代替水蒸气供给路径26。
本发明不限于前述第1实施方式～第10实施方式，在本发明的技术思想内，可由本领域技术人员将前述各实施方式组合实施。另外，热交换器的设置部位、组合等也不限于这些实施方式。
[本发明的一例]
以下，和通常的燃料电池系统的系统效率进行对比来对本发明的一例的燃料电池系统的系统效率进行说明。
[通常的燃料电池系统的系统效率]
在像JP特开2016-115479号公报的图3及4所示的那样为固体氧化物型且多段式的燃料电池系统(设置2个固体氧化物型燃料电池堆的构成)中，从由前段的第1燃料电池堆的燃料极排出的排气中，利用电化学氢泵提取氢、即利用电化学氢泵将排气中的氢(H2)和水(H2O)及二氧化碳(CO2)分离，估算由此燃料电池堆的开路电压(OCV：Open CircuitVoltage)提高多少程度。
在该估算中，作为前提条件，将固体氧化物型第1燃料电池堆中的反应设为750℃下的平衡反应，作为一例，设定为S/C＝2.5。将上述估算结果表示于以下表1中。
[表1]由于H2O与CO2分离而导致的OCV(开路电压)的提高效果
此外，表1中的“平均OCV”意指燃料电池堆的入口部及出口部的平均OCV。由表1也可知，通过利用电化学氢泵将排气中的氢(H2)和水(H2O)及二氧化碳(CO2)分离，供给到第2燃料电池堆的气体中的氢(H2)+一氧化碳(CO)的浓度从22.5％大幅提高到92.1％，另一方面，二氧化碳(CO2)的浓度从14.6％大幅降低到0.6％，水(H2O)的浓度从62.8％大幅降低到3.3％。并且，可知通过将上述组成的气体供给到第2燃料电池堆，第2燃料电池堆的平均OCV从874mV提高到1020mV，燃料电池系统整体的OCV也从935mV提高到969mV。
如上所述，如果从由第1燃料电池堆排出的阳极尾气中去除水及二氧化碳，那么能够提升燃料电池系统整体的OCV。这里，当将燃料电池系统整体的OCV为935mV时的系统效率设为60％时，将单元的工作电压视作和OCV成比例，从而假设燃料电池系统整体的OCV为969mV时的系统效率(通常的燃料电池系统的系统效率)为62.18％(60％×969/935)。另外，关于该效率提高量的2.18点中的H2O及CO2去除效果的明细，根据浓度的比率，估算出由H2O所得的为1.77点(2.18×62.8÷(62.8+14.6))，由CO2所得的为0.411点(2.18×14.6÷(62.8+14.6))。
此外，燃料电池系统的效率(系统效率)η一般由以下式(1)所表示。
η＝-(nF/ΔH)×V×Uf×ηaux×ηinv (1)
这里，n表示反应电子数，F表示法拉第常数，ΔH表示放热量，V表示固体氧化物型燃料电池单元的工作温度，Uf表示系统整体的燃料利用率，ηaux表示辅机效率，ηinv表示逆变器效率。式(1)中，-(nF/ΔH)是视燃料而定的值，在Uf、ηaux、ηinv为相同值的情况下，系统效率和工作电压V成比例地提高。
[本发明的一例的燃料电池系统的系统效率]
其次，对本发明的一例的燃料电池系统的系统效率进行研究。
这里，氢从由第1燃料电池堆排出的阳极尾气按透过系数比α1的值或透过系数比α2透过到分离膜的透过侧时，系统效率像图11或图12那样变化。这里，将第1燃料电池堆的燃料利用率设为70％。
如图11所示，在α1＝29的情况下，系统效率和前述通常的燃料电池系统的系统效率同样地成为60.0％。因此，α1＜29时的系统效率小于60.0％，推测氢透过到分离膜的透过侧的H2泄漏所导致的系统效率降低的影响大于通过从由第1燃料电池堆排出的阳极尾气中去除二氧化碳所得的系统效率提升的影响。因此，在本发明的一例的燃料电池系统中，从提高系统效率的观点来说，优选设为α1＞29。
另外，例如在α1＝57的情况下，系统效率成为60.209％。这时，可以说通过从由第1燃料电池堆排出的阳极尾气中去除二氧化碳所得的系统效率提升的影响(0.411点)比H2泄漏所导致的系统效率降低的影响0.202点(60.411－60.209)大了约1倍。
如图12所示，在α2＝29的情况下，系统效率和前述通常的燃料电池系统的系统效率同样地成为60.0％。因此，α2＜29时，系统效率小于60.0％，推测氢透过到分离膜的透过侧的H2泄漏所导致的系统效率降低的影响大于通过从由第1燃料电池堆排出的阳极尾气中去除水蒸气所得的系统效率提升的影响。因此，在本发明的一例的燃料电池系统中，从提高系统效率的观点来说，优选设为α2＞29。
另外，例如，在α2＝57的情况下，系统效率成为60.877％。这时，可以说通过从由第1燃料电池堆排出的阳极尾气中去除水蒸气所得的系统效率提升的影响(1.77点)比H2泄漏所导致的系统效率降低的影响0.893点(61.77－60.877)大了约1倍。
2016年11月24日申请的日本专利申请2016-227852的公开内容整体通过参照而并入本说明书中。
本说明书所记载的所有文献、专利申请、及技术标准是和具体且分别地记载将各个文献、专利申请、及技术标准通过参照而并入时相同程度地，通过参照而并入本说明书中。
(标号说明)
10、20、30、40、50、100、200、300、400、500 燃料电池系统
11 第1燃料电池
12 第2燃料电池
14 重整器
16 分离膜
16A 供给侧
16B 透过侧
18 燃烧部
19 重整部
21、22、31、41、43 热交换器
24 原料气体供给路径
25 鼓风机
26、37 水蒸气供给路径
28 循环鼓风机
32 水槽
33 重整水供给路径
34 重整水泵
42 燃料气体供给路径
44 空气供给路径
46、52、54 尾气路径
48 排气路径
56、57 尾气循环路径
61 燃料电池

Claims (8)

1.一种燃料电池系统，其具备：
第1燃料电池，其使用燃料气体进行发电；
分离膜，其从由所述第1燃料电池排出的包含未反应的所述燃料气体的阳极尾气中，分离二氧化碳及水蒸气中的至少一方；
第2燃料电池，其配置在所述分离膜的下游，使用已将二氧化碳及水蒸气中的至少一方分离掉的所述阳极尾气进行发电；及
流通路径，其配置在所述分离膜的透过侧，使以下流通：成为用于所述第1燃料电池发电的所述燃料气体的原料气体、用于所述第1燃料电池发电的包含氧的阴极气体、从所述第2燃料电池排出的阳极尾气、从所述第1燃料电池排出且向所述第2燃料电池供给的阴极尾气或从所述第2燃料电池排出的阴极尾气；且
所述分离膜的透过系数比α1(PCO2/PH2)及所述分离膜的透过系数比α2(PH2O/PH2)中的至少一方为30以上。
2.一种燃料电池系统，其具备：
燃料电池，其使用燃料气体进行发电；
分离膜，其从由所述燃料电池排出的包含未反应的所述燃料气体的阳极尾气中，分离二氧化碳及水蒸气中的至少一方；
尾气循环路径，其配置在所述分离膜的下游，向所述燃料电池供给已将二氧化碳及水蒸气中的至少一方分离掉的所述阳极尾气；及
流通路径，其配置在所述分离膜的透过侧，使以下流通：成为用于所述燃料电池发电的所述燃料气体的原料气体、用于所述燃料电池发电的包含氧的阴极气体、或从所述燃料电池排出的阴极尾气；且
所述分离膜的透过系数比α1(PCO2/PH2)及所述分离膜的透过系数比α2(PH2O/PH2)中的至少一方为30以上。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其还具备：
重整器，所述重整器具有：重整部，其对所述原料气体进行重整而生成所述燃料气体；及燃烧部，其利用燃烧反应来加热所述重整部。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其还具备：
排气路径，所述排气路径流通从所述燃烧部排出的排气；且
所述排气路径代替所述流通路径配置在所述分离膜的透过侧。
5.根据权利要求3或4所述的燃料电池系统，其还具备：
水蒸气回收机构，其回收从所述燃烧部排出的排气中的水蒸气；及
水蒸气供给路径，其向所述重整部供给经所述水蒸气回收机构回收的水蒸气。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的燃料电池系统，其还具备如下路径，
所述路径流通对所述原料气体进行重整而生成所述燃料气体时所使用的水蒸气及二氧化碳中的至少一方；且
所述路径代替所述流通路径配置在所述分离膜的透过侧。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的燃料电池系统，其中，
进而，所述分离膜的透过系数比β1(PCO2/PCO)及所述分离膜的透过系数比β2(PH2O/PCO)中的至少一方为6以上。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的燃料电池系统，其中，
所述分离膜的透过系数比α1(PCO2/PH2)及所述分离膜的透过系数比α2(PH2O/PH2)中的至少一方为60以上。
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