JP2016184504A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】システム全体の発電効率に優れ、かつシステムの簡略化により信頼性が向上した燃料電池システムを提供する。【解決手段】原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質部及び燃焼反応により前記改質部を加熱する燃焼部を有する改質器と、前記改質部から供給された前記改質ガスを用いて発電を行なう第１燃料電池と、第１燃料電池から排出された未反応の前記改質ガスを含むオフガスから、水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方を分離する分離膜と、前記分離膜の下流に配置され、水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方が分離された前記オフガスを用いて発電を行なう第２燃料電池と、前記分離膜の透過側に配置され、第１燃料電池及び第２燃料電池の少なくとも一方から排出された未反応の酸素を含むガスが流通する酸素供給経路、又は前記分離膜の透過側に配置され、前記燃焼部から排出された排ガスが流通する排気経路と、を備える燃料電池システム。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

通常６００℃以上の温度で作動する固体酸化物形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池などの高温作動形燃料電池のシステムでは、高効率化を図るため、高温作動形燃料電池のアノードから排出されるアノード排ガスを再利用することが検討されている。例えば、アノード排ガス中の二酸化炭素又は水蒸気を除去し、そのガスを再利用することで、システム全体の燃料利用率を向上させる技術がいくつか提案されている。

例えば、固体酸化物形燃料電池のアノードオフガスから水蒸気を除去してアノードオフガスを再生し、再生オフガスを固体酸化物形燃料電池の燃料として再利用することにより固体酸化物形燃料電池それ自体での燃料利用率を改善する固体酸化物形燃料電池による発電方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
また、燃料電池から排出された排出燃料ガスを、燃料再循環ラインを介して前記燃料電池へと再循環することにより、前記燃料電池の燃料ガスとして再利用する構成を有し、前記再循環ラインに再循環中の前記排出燃料ガスから水蒸気の除去と二酸化炭素の除去とを同時に行うガス調整器を備えた燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
また、燃料吸入流が供給された燃料電池スタックを運転して電気と２００℃を超える温度の燃料排気流とを生成し、前記燃料排気流の温度を２００℃以下に下げ、前記燃料排気流を第一の燃料排気分流と第二の燃料排気分流とに分割した後、前記第一の燃料排気分流を前記燃料吸入流へとリサイクルする燃料電池システムの運転方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

他にも、分離膜を用いてアノード排ガス中の二酸化炭素又は水蒸気を除去する循環型燃料電池システムが提案されている。例えば、分離膜の透過側に空気を供給して、アノード排ガス中の二酸化炭素又は水蒸気を除去する方式、あるいは、真空ポンプにより分離膜の透過側を減圧して、アノード排ガス中の二酸化炭素又は水蒸気を除去する方式を採用した循環型燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献４参照）。

特開２００６−３１９８９号公報 特開２００６−１３９９８４号公報 特許第５５４２３３２号公報 米国特許出願公開第２０１３／０１０８９３６号明細書

特許文献４に記載の循環型燃料電池システムのように、特許文献１〜３に記載の燃料電池システムにアノード排ガス中の二酸化炭素又は水蒸気を除去する分離膜を設けた場合、二酸化炭素又は水蒸気を効率よく分離するために、分離膜の透過側に空気を供給する、あるいは、分離膜の透過側を減圧する必要がある。
ここで、分離膜の透過側に空気を供給するため、あるいは、分離膜の透過側を減圧するためには、空気を供給するための経路及び空気ブロア又は減圧ポンプが別途必要となることから、製造コストが増加し、空気ブロア又は減圧ポンプによる消費電力量の増加によりシステム全体の発電効率が低下するという問題がある。さらに、システムが複雑化してしまい、システムの信頼性が低下するという問題もある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、システム全体の発電効率に優れ、かつシステムの簡略化により信頼性が向上した燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記課題は、例えば以下の手段により解決される。
＜１＞ 原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質部及び燃焼反応により前記改質部を加熱する燃焼部を有する改質器と、前記改質部から供給された前記改質ガスを用いて発電を行なう第１燃料電池と、前記第１燃料電池から排出された未反応の前記改質ガスを含むオフガスから、水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方を分離する分離膜と、前記分離膜の下流に配置され、水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方が分離された前記オフガスを用いて発電を行なう第２燃料電池と、前記分離膜の透過側に配置され、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池の少なくとも一方から排出された未反応の酸素を含むガスが流通する酸素供給経路、又は前記分離膜の透過側に配置され、前記燃焼部から排出された排ガスが流通する排気経路と、を備える燃料電池システム。

本形態に係る燃料電池システムは、第１燃料電池と第２燃料電池とを備える多段式の燃料電池システムである。そのため、本形態のような多段式の燃料電池システムは、循環式の燃料電池システムと比較して燃料利用率が向上しており、高い発電効率を得ることができる。

さらに、本形態に係る燃料電池システムでは、分離膜は、第１燃料電池から排出された未反応の改質ガスを含むオフガスから水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方を分離し、第２燃料電池は、水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方が分離されたオフガスを用いて発電を行なう。そのため、第２燃料電池では、電極間の酸素分圧差に起因する理論電圧が向上するとともに、オフガス中の水蒸気や二酸化炭素に起因する濃度過電圧が低減される。よって、本形態に係る燃料電池システムは、通常の多段式の燃料電池システムよりも高い発電効率を得ることができる。

また、分離膜により分離された水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方は、分離膜の透過側に配置された酸素供給経路及び分離膜の透過側に配置された排気経路のいずれかに供給される。第１燃料電池及び第２燃料電池の少なくとも一方から排出された未反応の酸素を含むガスが酸素供給経路内を流通し、燃焼部から排出された排ガスが排気経路内を流通するため、分離された水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方は、未反応の酸素を含むガス又は排ガスとともに、酸素供給経路内又は排気経路内を流通する。したがって、酸素供給経路又は排気経路を分離膜の透過側に設けることにより、酸素を分離膜の透過側に供給するための経路及び空気ブロア又は減圧ポンプを別途設ける必要は無く、製造コストを削減し、システム全体の発電効率を高めることができる。さらに、システムが簡略化されていることにより、システムの信頼性が向上する。

＜２＞ 原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質部及び燃焼反応により前記改質部を加熱する燃焼部を有する改質器と、前記改質部から供給された前記改質ガスを用いて発電を行なう燃料電池と、前記燃料電池から排出された未反応の前記改質ガスを含むオフガスから、水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方を分離する分離膜と、前記分離膜の下流に配置され、水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方が分離された前記オフガスを前記燃料電池に供給するオフガス循環経路と、前記分離膜の透過側に配置され、前記燃料電池から排出された未反応の酸素を含むガスが流通する酸素供給経路、又は前記分離膜の透過側に配置され、前記燃焼部から排出された排ガスが流通する排気経路と、を備える燃料電池システム。

本形態に係る燃料電池システムは、水蒸気が分離された前記オフガスを燃料電池に供給する循環式の燃料電池システムであり、このようなシステムであっても、燃料利用率が向上し、高い発電効率を得ることができる。

さらに、本形態に係る燃料電池システムでは、分離膜は、燃料電池から排出された未反応の改質ガスを含むオフガスから水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方を分離し、オフガス循環経路を通じて、水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方が分離されたオフガスを燃料電池に供給している。そのため、燃料電池では、電極間の酸素分圧差に起因する理論電圧が向上するとともに、オフガス中の水蒸気や二酸化炭素に起因する濃度過電圧が低減される。よって、本形態に係る燃料電池システムは、通常の循環式の燃料電池システムよりも高い発電効率を得ることができる。

また、分離膜により分離された水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方は、分離膜の透過側に配置された酸素供給経路及び分離膜の透過側に配置された排気経路のいずれかに供給される。燃料電池から排出された未反応の酸素を含むガスが酸素供給経路内を流通し、燃焼部から排出された排ガスが排気経路内を流通するため、分離された水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方は、未反応の酸素を含むガス又は排ガスとともに、酸素供給経路内又は排気経路内を流通する。したがって、酸素供給経路又は排気経路を分離膜の透過側に設けることにより、酸素を分離膜の透過側に供給するための経路及び空気ブロア又は減圧ポンプを別途設ける必要は無く、製造コストを削減し、システム全体の発電効率を高めることができる。さらに、システムが簡略化されていることにより、システムの信頼性が向上する。

＜３＞ 前記分離膜の透過側に前記酸素供給経路が配置されており、前記酸素供給経路は、前記分離膜により分離された水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方、並びに未反応の酸素を含むガスを前記燃焼部に供給する＜１＞又は＜２＞に記載の燃料電池システム。

本形態に係る燃料電池システムは、燃料電池（第１燃料電池、第２燃料電池であってもよい。）から排出された未反応の酸素を含むガスを燃焼部での燃焼反応に利用している。そのため、燃焼部に酸素を別途供給する必要が無い。さらに、未反応の酸素を含むガスを流通させるための酸素供給経路を分離膜の透過側に設けて、水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方を分離膜の透過側に透過させている。そのため、酸素を分離膜の透過側に供給するための経路及び空気ブロア又は減圧ポンプを別途設ける必要は無く、システムが簡略化されている。

＜４＞ 前記燃焼部から排出された排ガスから水蒸気を分離し、分離した水蒸気を前記改質部に供給する＜３＞に記載の燃料電池システム。

本形態に係る燃料電池システムでは、酸素供給経路から水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方、並びに未反応の酸素を含むガスが燃焼部に供給される。そして、燃焼反応後に燃焼部から排出された排ガスから水蒸気を分離し、分離した水蒸気を改質部での原料ガスの水蒸気改質に利用している。そのため、排ガス中の水蒸気が有効活用されており、原料の水蒸気改質用の水蒸気供給手段を別途設けた場合よりもシステムが簡略化されている。

＜５＞ 前記分離膜の透過側に前記排気経路が配置されており、前記排気経路内を流通する排ガスと、前記分離膜により分離された水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方との混合ガスから水蒸気を分離し、分離した水蒸気を前記改質部に供給する＜１＞又は＜２＞に記載の燃料電池システム。

本形態に係る燃料電池システムは、排ガスを流通させるための排気経路を分離膜の透過側に設けて、水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方を分離膜の透過側に透過させている。そのため、酸素を分離膜の透過側に供給するための経路及び空気ブロア又は減圧ポンプを別途設ける必要は無く、システムが簡略化されている。

さらに、排ガスと、分離膜により分離された水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方との混合ガスから水蒸気を分離し、分離した水蒸気を改質部での原料ガスの水蒸気改質に利用している。そのため、排ガス中の水蒸気が有効活用されており、原料の水蒸気改質用の水蒸気供給手段を別途設けた場合よりもシステムが簡略化されている。

＜６＞ 前記分離膜として、未反応の前記改質ガスを含むオフガスから水蒸気を分離する水蒸気分離膜、及び未反応の前記改質ガスを含むオフガスから二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離膜をそれぞれ備える＜１＞〜＜５＞のいずれか１つに記載の燃料電池システム。

本形態に係る燃料電池システムでは、分離膜として、水蒸気分離膜及び二酸化炭素分離膜を備えている。したがって、それぞれの分離膜での水蒸気又は二酸化炭素の分離条件を調整でき、水蒸気及び二酸化炭素を効率よく分離できる。

＜７＞ 前記分離膜の上流又は下流に配置され、前記オフガスから水蒸気を除去する水蒸気除去部、及び、前記分離膜の上流又は下流に配置され、前記オフガスから二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去部の少なくとも一方をさらに備える＜１＞〜＜６＞のいずれか１つに記載の燃料電池システム。

本形態に係る燃料電池システムでは、水蒸気除去部及び二酸化炭素除去部の少なくとも一方が分離膜の上流又は下流に配置されており、燃料電池（第２燃料電池）に供給されるオフガス中の水蒸気濃度や二酸化炭素濃度がより低減されている。そのため、本形態に係る燃料電池システムは、さらに高い発電効率を得ることができる。

＜８＞ 前記分離膜の上流又は下流に配置され、前記オフガスから水蒸気を除去する水蒸気除去部をさらに備え、前記水蒸気除去部により除去された水蒸気を前記改質部に供給する＜１＞〜＜７＞のいずれか１つに記載の燃料電池システム。

本形態に係る燃料電池システムでは、水蒸気除去部が分離膜の上流又は下流に配置されており、燃料電池（第２燃料電池）に供給されるオフガス中の水蒸気濃度がより低減されている。そのため、本形態に係る燃料電池システムは、さらに高い発電効率を得ることができる。さらに、水蒸気除去部により除去された水蒸気が原料ガスの水蒸気改質に利用されており、オフガス中の水蒸気が有効活用されている。

＜９＞ 前記分離膜の上流を流通する前記オフガスと、前記分離膜の下流を流通する水蒸気が分離された前記オフガスと、の間で熱交換を行なう熱交換器をさらに備える＜１＞〜＜８＞のいずれか１つに記載の燃料電池システム。

本形態に係る燃料電池システムでは、分離膜の上流を流通するオフガスと、分離膜の下流を流通するオフガスと、の間で熱交換が行なわれる。そのため、分離膜に供給されるオフガスが水蒸気や二酸化炭素の分離に適した温度まで冷却されるとともに、水蒸気分離後のオフガスが燃料電池（第２燃料電池）での発電に適した温度に加熱される。よって、システム全体の発電効率及び熱効率がより向上する。

本発明によれば、発電効率に優れ、かつシステムの簡略化により信頼性が向上した燃料電池システムを提供することができる。

第１実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。 第２実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。 第３実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。 第４実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。 第５実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。 第６実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。 第７実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。 第８実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。 第９実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。 第１０実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。 第１１実施形態に係る循環式の燃料電池システムを示す概略構成図である。 第１２実施形態に係る循環式の燃料電池システムを示す概略構成図である。

本明細書において、「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。

［第１実施形態］
以下、本発明の燃料電池システムの一実施形態について図１を用いて説明する。図１は、第１実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。第１実施形態に係る燃料電池システム１０は、原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質部１９及び燃焼反応により改質部１９を加熱する燃焼部１８を有する改質器１４と、改質部１９から供給された改質ガスを用いて発電を行なう第１燃料電池１１と、第１燃料電池１１から排出された未反応の改質ガスを含むオフガスから、水蒸気及び二酸化炭素を分離する分離膜１６と、分離膜１６の下流に配置され、水蒸気及び二酸化炭素が分離されたオフガスを用いて発電を行なう第２燃料電池１２と、分離膜１６の透過側１６Ｂに配置され、第２燃料電池１２から排出された未反応の酸素を含むガスが流通する酸素供給経路４４と、を備えるシステムである。

本実施形態に係る燃料電池システム１０は、第１燃料電池１１と第２燃料電池１２とを備える多段式の燃料電池システムである。循環式の燃料電池システムでは、循環系内での二酸化炭素濃度の増加を抑制するため、アノードから排出されるオフガスを循環系外に一部排出する必要があるが、そのときに未反応の改質ガスも循環系外に一部排出されてしまうため、燃料利用率を高めることに限界がある。一方、多段式の燃料電池システムでは、前段の燃料電池のアノードから排出されるオフガスに含まれる改質ガスが、後段の燃料電池のアノードに全て供給される。そのため、多段式の燃料電池システムは、循環式の燃料電池システムと比較して燃料利用率が向上しており、高い発電効率を得ることができる。

さらに、本実施形態に係る燃料電池システム１０では、分離膜１６は、第１燃料電池１１から排出された未反応の改質ガスを含むオフガスから水蒸気及び二酸化炭素を分離し、第２燃料電池１２は、水蒸気及び二酸化炭素が分離されたオフガスを用いて発電を行なう。そのため、第２燃料電池１２では、電極間の酸素分圧差に起因する理論電圧が向上するとともに、オフガス中の水蒸気及び二酸化炭素に起因する濃度過電圧が低減される。よって、燃料電池システム１０は、通常の多段式の燃料電池システムよりも高い発電効率を得ることができる。

また、分離膜１６により分離された水蒸気及び二酸化炭素は、分離膜１６の透過側に配置された酸素供給経路４４に供給される。第２燃料電池１２から排出された未反応の酸素を含むガスであるカソードオフガスが酸素供給経路４４内を流通するため、分離された水蒸気及び二酸化炭素は、カソードオフガスとともに、酸素供給経路４４内を流通する。したがって、酸素供給経路４４を分離膜１６の透過側１６Ｂに設けることにより、酸素を分離膜１６の透過側１６Ｂに供給するための経路及び空気ブロア又は減圧ポンプを別途設ける必要は無く、製造コストを削減し、システム全体の発電効率を高めることができる。さらに、システムが簡略化されていることにより、システムの信頼性が向上する。

また、分離膜１６を透過した水蒸気及び二酸化炭素はカソードオフガスとともに酸素供給経路４４内を流通するため、分離膜１６の透過側１６Ｂの水蒸気分圧及び二酸化炭素分圧は低くなり、水蒸気及び二酸化炭素の分離が促進される。したがって、燃料電池システム１０では、システムの簡略化とともに水蒸気及び二酸化炭素の分離が促進されている。その結果、第２燃料電池１２に供給されるオフガス中の水蒸気濃度及び二酸化炭素濃度をより小さくすることができ、燃料電池システム１０の発電効率をより高めることができる。

次に、本実施形態に係る燃料電池システム１０が、燃料電池のカソードに酸素を含むガスとして空気を供給する経路を分離膜１６の透過側１６Ｂに設けた場合よりも、発電効率に優れ、かつ分離膜の耐久性が好適に維持されていることについて説明する。

燃料電池のカソードに空気を供給する経路を分離膜の透過側に設けることで、燃料電池のカソードに酸素を供給するための空気ブロアを分離膜による水蒸気及び二酸化炭素の分離の高効率化に利用することができ、酸素を分離膜の透過側に供給するための経路及び空気ブロア又は減圧ポンプを別途設ける必要はない。しかしながら、このような構成では、燃料電池のカソードに供給されるガスに、二酸化炭素及び水蒸気が含まれてしまい、カソード側の酸素分圧が低下し、その結果、燃料電池の起電力が低下してしまう。

また、分離膜により燃料電池のアノードから排出されるオフガスから二酸化炭素及び水蒸気を分離する場合、オフガス中に含まれる水素や一酸化炭素も微量に分離されうる。水素及び一酸化炭素は、酸素との反応性が高いため、分離膜の透過側に分離された水素や一酸化炭素が、透過側を流通する酸素と反応することで、局所的な分離膜の温度上昇が発生しやすく、分離膜の耐久性が低下するおそれがある。そのため、分離膜の耐久性を好適に維持するため、酸素比率がより低いガスを分離膜の透過側に供給することが好ましい。

本実施形態に係る燃料電池システム１０では、空気よりも酸素比率が小さいカソードオフガスを分離膜１６の透過側１６Ｂに供給しているため、酸素と水素又は一酸化炭素との反応が生じにくく、局所的な分離膜１６の温度上昇が抑制されており、分離膜１６の耐久性を好適に維持することができる。

さらに、燃料電池システム１０の第２燃料電池１２から排出されたカソードオフガス中には実質的に二酸化炭素及び水蒸気が含まれていない。そのため、燃料電池システム１０は、排ガス（二酸化炭素及び水蒸気を含むガス）を分離膜１６の透過側１６Ｂに供給する後述の第６実施形態に係る燃料電池システム６０よりも、分離膜１６における供給側１６Ａと透過側１６Ｂとの水蒸気分圧差及び二酸化炭素分圧差が大きくなっており、水蒸気及び二酸化炭素の分離が促進されている。よって、燃料電池システム１０は、発電効率により優れる。

以下、本実施形態に係る燃料電池システム１０の各構成について説明する。

（原料ガス供給経路）
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、原料ガスを改質器１４に供給する原料ガス供給経路２４を備えており、原料ガス供給経路２４は、原料ガスを流通させるためのブロワ２５が設置されている。

原料ガス供給経路２４内を流通する原料ガスとしては、水蒸気改質が可能なガスであれば特に限定されず、炭化水素燃料が挙げられる。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、特にメタンが好ましい。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を天然ガス、都市ガス、ＬＰガス等のガスであってもよい。

原料ガス供給経路２４は、後述する水蒸気供給経路３７と接続しており、水蒸気供給経路３７内を流通する水蒸気が原料ガス供給経路２４に供給される。そして、水蒸気供給経路３７より供給された水蒸気は、原料ガスとともに改質器１４に供給される。なお、原料ガス供給経路２４は、経路内での水蒸気の凝縮を防ぐ観点から、水蒸気供給経路３７と接続されずに水蒸気が水蒸気供給経路３７を通じて改質器１４に直接供給される構成であってもよい。

（改質器）
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質器１４を備えている。改質器１４は、例えば、バーナ又は燃焼触媒を配置した燃焼部１８と、改質用触媒を備える改質部１９とにより構成される。

改質部１９は、上流側にて原料ガス供給経路２４と接続しており、下流側にて改質ガス供給経路４２と接続している。そのため、原料ガス供給経路２４を通じてメタンなどの原料ガスが改質部１９に供給され、改質部１９にて原料ガスを水蒸気改質した後に、生成された改質ガスが改質ガス供給経路４２を通じて第１燃料電池１１に供給される。

燃焼部１８は、上流側にて酸素供給経路４４及びオフガス経路４６と接続しており、下流側にて排気経路４８と接続している。燃焼部１８は、第２燃料電池１２のカソード側から排出され、酸素供給経路４４を通じて供給された未反応の酸素を含むガスと、オフガス経路４６を通じて供給されたオフガスとの混合ガスを燃焼させ、改質部１９内の改質用触媒を加熱する。燃焼部１８からの排ガスは、排気経路４８内を流通する。

改質部１９で起こる水蒸気改質は大きな吸熱を伴うので、反応の進行のためには外部から熱の供給が必要であり、そのため、燃焼部１８で発生する燃焼熱により改質部１９を加熱することが好ましい。

原料ガスの一例であるメタンを水蒸気改質させた場合、改質部１９にて、以下の式（ａ）の反応により一酸化炭素および水素が生成される。
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ_２・・・・（ａ）

改質部１９内に設置される改質用触媒としては、水蒸気改質反応の触媒となるものであれば特に限定されないが、Ｎｉ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｒｅ，Ｃｏ，Ｆｅ及びＭｏの少なくとも一つを触媒金属として含む水蒸気改質用触媒が好ましい。

改質器１４の改質部１９に供給される単位時間当たりの水蒸気の分子数Ｓと、改質器１４の改質部１９に供給される単位時間当たりの原料ガスの炭素原子数Ｃとの比であるスチームカーボン比Ｓ／Ｃは、１．５〜３．５であることが好ましく、２．０〜３．０であることがより好ましく、２．０〜２．５であることがさらに好ましい。スチームカーボン比Ｓ／Ｃがこの範囲にあることにより、原料ガスが効率よく水蒸気改質され、水素および一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。さらに、燃料電池システム１０内での炭素析出を抑制することができ、燃料電池システム１０の信頼性を高めることができる。

また、燃焼部１８は、水蒸気改質を効率よく行なう観点から、改質部１９を、６００℃〜８００℃に加熱することが好ましく、６００℃〜７００℃に加熱することがより好ましい。

排気経路４８内を流通する排ガスは、気化器の役割を有する熱交換器３１にて、改質水供給経路３３内を流通する改質水と熱交換を行なう。これにより、排気経路４８内を流通する排ガスは冷却された後に水タンク３２（凝縮器）に供給され、改質水供給経路３３内を流通する改質水は気化された後に水蒸気供給経路３７を通じて原料ガス供給経路２４に供給される。

水タンク３２は、排気経路４８内を流通する排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮して得られた水を貯留する容器である。水タンク３２では、水蒸気以外の排ガスは外部に排出され、所定量以上の水が貯留された際には、例えばオーバーフローによりドレン排水される。

水タンク３２は、改質水供給経路３３と接続しており、改質水供給経路３３には、改質水ポンプ３４が設けられている。改質水ポンプ３４により、水タンク３２に貯留された水は改質水として、改質水供給経路３３を通じて熱交換器３１に供給される。

なお、排気経路４８内を流通する排ガスから水蒸気を分離する構成としては、水タンク３２に限定されず、例えば、分離膜により水蒸気と、水蒸気以外のガスとを分離してもよく、吸着剤に水蒸気以外のガスを吸着させて、水蒸気改質用の水蒸気を分離してもよい。

また、排気経路４８内を流通する排ガスと、改質水供給経路３３内を流通する改質水との間で熱交換を行なう熱交換器３１の代わりに、改質部１９、第１燃料電池１１、第２燃料電池１２の内少なくとも一つより放出される熱を利用して、改質水を気化する気化器を設けてもよい。

酸素供給経路４４は、空気などの酸素を含むガスが流通する経路であり、酸素供給経路４４には熱交換器２２が設置されており、第１燃料電池１１の上流側の酸素供給経路４４と、第２燃料電池１２の下流側の酸素供給経路４４と、の間で熱交換を行なう。これにより、第２燃料電池１２の下流側の酸素供給経路４４内を流通するカソードオフガスは分離膜１６により水蒸気及び二酸化炭素を分離する際に好ましい温度まで冷却され、第１燃料電池１１の上流側の酸素供給経路４４内を流通する酸素を含むガスは、第１燃料電池１１の作動温度に適した温度に加熱された後に第１燃料電池１１のカソードに供給される。

（第１燃料電池）
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、改質ガス供給経路４２を通じて改質器１４から供給された改質ガスを用いて発電を行なう第１燃料電池１１を備えている。第１燃料電池１１としては、例えば、空気極（カソード）、電解質及び燃料極（アノード）を備える燃料電池セルであってもよく、燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックであってもよい。また、第１燃料電池としては、６００℃〜８００℃程度で作動する高温型の燃料電池、例えば、７００℃〜８００℃程度で作動する固体酸化物形燃料電池、６００℃〜７００℃程度で作動する溶融炭酸塩形燃料電池が挙げられる。

第１燃料電池１１が固体酸化物形燃料電池の場合、第１燃料電池１１のカソード（図示せず）には、酸素供給経路４４を通じて酸素を含むガスが供給される。酸素を含むガスがカソードに供給されることにより、以下の式（ｂ）に示す反応が起こり、その際、酸素イオンが固体酸化物電解質（図示せず）の内部を移動する。
Ｏ_２＋４ｅ⁻→２Ｏ^２−・・・・（ｂ）

第１燃料電池１１が固体酸化物形燃料電池の場合、第１燃料電池１１のアノード（図示せず）には、改質ガス供給経路４２を通じて水素を含む改質ガスが供給される。固体酸化物電解質の内部を移動する酸素イオンからアノードと固体酸化物電解質との界面にて水素が電子を受け取ることにより、以下の式（ｃ）に示す反応が起こる。
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻・・・・（ｃ）

第１燃料電池１１が溶融炭酸塩形燃料電池の場合、第１燃料電池１１のカソード（図示せず）には、酸素供給経路４４を通じて酸素及び二酸化炭素を含むガスが供給される。酸素及び二酸化炭素を含むガスがカソードに供給されることにより、以下の式（ｄ）に示す反応が起こり、その際、炭酸イオンが電解質（図示せず）の内部を移動する。
Ｏ_２＋２ＣＯ_２＋４ｅ⁻→２ＣＯ_３ ^２−・・・・（ｄ）

第１燃料電池１１が溶融炭酸塩形燃料電池の場合、第１燃料電池１１のアノード（図示せず）には、改質ガス供給経路４２を通じて水素を含む改質ガスが供給される。電解質の内部を移動する炭酸イオンからアノードと電解質との界面にて水素が電子を受け取ることにより、以下の式（ｅ）に示す反応が起こる。
Ｈ_２＋ＣＯ_３ ^２−→Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ_２＋２ｅ⁻・・・・（ｅ）

上記式（ｃ）及び式（ｅ）に示すように、第１燃料電池１１での改質ガスの電気化学的な反応により、固体酸化物形燃料電池では主に水蒸気が生成され、溶融炭酸塩形燃料電池では主に水蒸気及び二酸化炭素が生成される。また、アノードで生成された電子は、外部回路を通じてカソードに移動する。このようにして電子がアノードからカソードに移動することにより、第１燃料電池１１にて発電が行なわれる。なお、固体酸化物形燃料電池であっても、一部の一酸化炭素が発電に用いられることで、二酸化炭素が生成される。

カソードから排出された未反応の酸素を含むガスは、下流側の酸素供給経路４４を通じて、第２燃料電池１２のカソード（図示せず）に供給される。

一方、アノードから排出された未反応の改質ガスを含むオフガスは、オフガス経路５２を通じて分離膜１６の供給側１６Ａへ供給される。ここで、未反応の改質ガスを含むオフガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気などを含む混合ガスである。

オフガス経路５２及びオフガス経路５４には熱交換器２１が設置されており、熱交換器２１により、オフガス経路５２内を流通するオフガスと、オフガス経路５４内を流通する水蒸気及び二酸化炭素が分離されたオフガスと、の間で熱交換を行なう。これにより、オフガス経路５２内を流通するオフガスは、分離膜１６により水蒸気及び二酸化炭素を分離する際に好ましい温度まで冷却され、オフガス経路５４内を流通する水蒸気及び二酸化炭素が分離されたオフガスは、第２燃料電池１２の作動温度に適した温度に加熱される。そのため、システム全体の発電効率及び熱効率がより向上する。

（分離膜）
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、第１燃料電池１１から排出された未反応の改質ガスを含むオフガスから、水蒸気及び二酸化炭素を分離する分離膜１６を備えている。オフガス経路５２内を流通するオフガスは、分離膜１６の供給側１６Ａに供給され、オフガス中の水蒸気及び二酸化炭素は、供給側１６Ａから透過側１６Ｂへ矢印Ａ方向に分離膜１６を通過する。水蒸気及び二酸化炭素を分離した後のオフガスは、供給側１６Ａからオフガス経路５４内を流通し、第２燃料電池１２へ供給される。一方、分離された水蒸気及び二酸化炭素は、透過側１６Ｂを流れる第２燃料電池１２から排出されたカソードオフガス（未反応の酸素を含むガス）と混合され、透過側１６Ｂから酸素供給経路４４内を流通し、改質器１４の燃焼部１８へ供給される。そのため、第２燃料電池１２から排出されたカソードオフガスを燃焼部１８での燃焼反応に利用され、燃焼部１８に酸素を別途供給する必要が無い。

さらに、カソードオフガスを流通させるための酸素供給経路４４を分離膜１６の透過側に設けて、水蒸気及び二酸化炭素を分離膜１６の透過側に透過させている。そのため、酸素を分離膜１６の透過側に供給するための経路及び空気ブロア又は減圧ポンプを別途設ける必要は無く、システムが簡略化されている。

さらに、分離膜１６を透過した水蒸気及び二酸化炭素はカソードオフガスとともに酸素供給経路４４内を流通するため、分離膜１６の透過側１６Ｂの水蒸気分圧及び二酸化炭素分圧は低くなり、供給側１６Ａと透過側１６Ｂとの水蒸気分圧差及び二酸化炭素分圧差を大きくすることができる。そのため、より多くの水蒸気及び二酸化炭素を透過側１６Ｂへ移動させることができ、水蒸気及び二酸化炭素の分離が促進される。

したがって、燃料電池システム１０では、システムの簡略化とともに水蒸気及び二酸化炭素の分離が促進されている。その結果、第２燃料電池１２に供給されるオフガス中の水蒸気濃度及び二酸化炭素濃度をより小さくすることができ、燃料電池システム１０の発電効率をより高めることができる。

分離膜は、水蒸気及び二酸化炭素を透過する膜であれば特に限定されないが、例えば、有機高分子膜、無機材料膜、有機高分子−無機材料複合膜、液体膜などが挙げられる。また、分離膜は、ガラス状高分子膜、ゴム状高分子膜、イオン交換樹脂膜、アルミナ膜、シリカ膜、炭素膜、ゼオライト膜、セラミック膜、アミン水溶液膜又はイオン液体膜であることがより好ましい。

分離膜としては、例えば、ガラス状高分子膜、ゴム状高分子膜、イオン交換樹脂膜などの有機高分子膜が挙げられる。有機高分子膜の材質としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン、ポリメチルペンテン等のポリオレフィン系樹脂、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン等のフッ素樹脂、ポリスチレン、酢酸セルロース、ポリウレタン、ポリアクリロニトリル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリイミド、ポリアミド、ポリエーテルイミド、ポリピロール、ポリフェニレンオキシド、ポリアニリン、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、ポリエチレングリコール等の各種有機材料が挙げられる。また、有機高分子膜は、１種の有機材料から構成される膜であってもよく、２種以上の有機材料から構成される膜であってもよい。

また分離膜としては、例えば、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、ポリビニルアルコール−ポリアクリル酸塩共重合体、ポリエチレングリコールなどの吸水性を有する有機高分子と、二酸化炭素と親和性を有し、かつ水溶性を示す二酸化炭素キャリアとを含む有機高分子膜であってもよい。

二酸化炭素キャリアとしては、無機材料及び有機材料が用いられ、例えば、無機材料としては、アルカリ金属塩（好ましくはアルカリ金属炭酸塩）、アンモニア、アンモニウム塩などが挙げられ、有機材料としては、例えば、アミン、アミン塩、ポリアミンなどが挙げられる。なお、二酸化炭素キャリアは、無機材料膜、有機高分子−無機材料複合膜、液体膜等に含まれていてもよい。

分離膜としては、例えば、アルミナ膜、シリカ膜、炭素膜、ゼオライト膜、セラミック膜などの無機材料膜が挙げられ、無機材料膜としては、中でもゼオライト膜が好ましい。ゼオライトとしては、例えば、Ａ型、Ｙ型、Ｔ型、ＺＳＭ−５型、ＺＳＭ−３５型、モルデナイト系などが挙げられる。また、無機材料膜は、１種の無機材料から構成される膜であってもよく、２種以上の無機材料から構成される膜であってもよい。

分離膜は、有機高分子−無機材料複合膜であってもよい。有機高分子−無機材料複合膜としては、有機材料及び無機材料から構成される膜であれば特に限定されないが、例えば、上述した有機材料から選択される少なくとも１種の有機材料及び上述した無機材料から選択される少なくとも１種の無機材料から構成される複合膜であることが好ましい。

分離膜としては、例えば、アミン水溶液、イオン液体などの液体膜が挙げられる。これら液体膜は、前述の有機高分子膜、無機材料膜、有機高分子−無機材料複合膜に、アミン水溶液又はイオン液体を含浸させたものであってもよい。

分離膜として、アミン水溶液膜を用いた場合、オフガス中の二酸化炭素をアミン水溶液膜に化学的に吸着させた後、加熱することで二酸化炭素が分離され、アミン水溶液膜の透過側に二酸化炭素が移動する。アミン水溶液としては、モノエタノールアミンなどのアミノアルコールなどが挙げられる。

分離膜として、イオン液体膜を用いた場合、オフガス中の二酸化炭素がイオン液体膜に吸着し、吸着された二酸化炭素をイオン液体膜から分離することで、イオン液体膜の透過側に二酸化炭素が移動する。ここで、イオン液体は、１５０℃以下の比較的低温の融点を有する塩であり、例えば、イミダゾリウムイオン、ピリジニウムイオンなどの陽イオンと、トリフルオロメタンスルホン酸イオン、テトラフルオロホウ酸イオン、ヘキサフルオロリン酸イオンなどの陰イオンと、から構成される。

分離膜の厚さは、特に限定されないが、機械的強度の観点からは、通常、１０μｍ〜３０００μｍの範囲が好ましく、より好ましくは１０μｍ〜５００μｍの範囲であり、さらに好ましくは１５μｍ〜１５０μｍの範囲である。

なお、分離膜は、多孔質性の支持体に支持されていてもよい。支持体の材質としては、紙、セルロース、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリイミド、ポリスルホン、ポリカーボネート、金属、ガラス、セラミックなどが挙げられる。

二酸化炭素及び水蒸気を分離する分離膜としては、例えば、「Zi Tong et al., "Water vapor and CO₂ transport through amine-containing facilitated transport membranes", Reactive & Functional Polymers (2014)に記載の膜を用いてもよい。

水蒸気及び二酸化炭素を分離した後のオフガスは、供給側１６Ａからオフガス経路５４内を流通し、第２燃料電池１２へ供給される。このとき、前述のように、オフガス経路５２及びオフガス経路５４に設置された熱交換器２１により、オフガス経路５４内を流通する水蒸気分離後のオフガスは、第２燃料電池１２の作動温度に適した温度に加熱される。

（第２燃料電池）
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、分離膜１６の下流に配置され、水蒸気及び二酸化炭素が分離されたオフガスを用いて発電を行なう第２燃料電池１２を備えている。第２燃料電池１２としては、例えば、空気極（カソード）、電解質及び燃料極（アノード）を備える燃料電池セルであってもよく、燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックであってもよい。なお、第２燃料電池１２は、上述の第１燃料電池１１と同様の構成であるため、共通する事項に関する説明は省略する。

燃料電池システム１０では、第２燃料電池１２は、水蒸気及び二酸化炭素が分離されたオフガスを用いて発電を行なう。そのため、第２燃料電池１２では、電極間の酸素分圧差に起因する理論電圧が向上するとともに、オフガス中の水蒸気及び二酸化炭素に起因する濃度過電圧が低減され、特に高電流密度時に高い性能を発揮することができる。よって、燃料電池システム１０は、後段の燃料電池にて水蒸気が分離されていないオフガスを用いて発電を行なう多段式の燃料電池システムと比較して、高い発電効率を得ることができる。

第２燃料電池１２のカソードから排出されたカソードオフガスは、下流側の酸素供給経路４４を通じて、分離膜１６により分離された水蒸気及び二酸化炭素とともに改質器１４の燃焼部１８へ供給される。一方、第２燃料電池１２のアノードから排出されたオフガスは、オフガス経路４６を通じて改質器１４の燃焼部１８へ供給される。

本実施形態では、酸素供給経路４４が直列となっているため、第１燃料電池１１に酸素を供給した後、第２燃料電池１２に酸素が供給されるが、酸素供給経路４４は並列であってもよい。つまり、酸素が流通する酸素供給経路４４が分岐し、第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２のカソードに酸素をそれぞれ供給する構成であってもよい。このとき、第１燃料電池１１のカソードから排出されたカソードオフガス及び第２燃料電池１２のカソードから排出されたカソードオフガスの少なくとも一方が分離膜１６の透過側１６Ｂに供給される構成であればよい。

本実施形態では、２つの燃料電池（第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２）を備える燃料電池システムについて説明したが、本発明はこれに限定されず、３つ以上の燃料電池を備える燃料電池システムであってもよく、例えば、第２燃料電池１２の下流に第３燃料電池を備える構成であってもよい。このとき、第３燃料電池のカソードから排出されたカソードオフガスが、下流側の酸素供給経路を通じて、分離膜により分離された水蒸気及び二酸化炭素とともに改質器の燃焼部へ供給され、第３燃料電池のアノードから排出されたオフガス（アノードオフガス）が、オフガス経路を通じて改質器の燃焼部へ供給される構成であってもよい。

［第２実施形態］
図２に示すような第２実施形態に係る燃料電池システム２０は、分離膜１６として水蒸気及び二酸化炭素を分離する分離膜の代わりに水蒸気を分離する水蒸気分離膜を用いたこと以外は第１実施形態に係る燃料電池システム１０と同じである。なお、第２実施形態〜第１２実施形態において、上述の第１実施形態に係る燃料電池システム１０と共通する構成については、その説明を省略する。

燃料電池システム２０においても、第２燃料電池１２は、水蒸気が分離されたオフガスを用いて発電を行なうため、第２燃料電池１２では、電極間の酸素分圧差に起因する理論電圧が向上するとともに、オフガス中の水蒸気に起因する濃度過電圧が低減される。よって、燃料電池システム２０は、通常の多段式の燃料電池システムよりも高い発電効率を得ることができる。

水蒸気分離膜としては、水蒸気を透過する膜であれば特に限定されないが、例えば、有機高分子膜、無機材料膜、有機高分子−無機材料複合膜、液体膜などが挙げられる。また、分離膜は、ガラス状高分子膜、ゴム状高分子膜、イオン交換樹脂膜、アルミナ膜、シリカ膜、炭素膜、ゼオライト膜、セラミック膜、アミン水溶液膜又はイオン液体膜であることがより好ましい。また、水蒸気分離膜の材質としては、前述の分離膜の材質と同様である。

燃料電池システム２０は、第１燃料電池１１の下流かつ第２燃料電池１２の上流に配置され、オフガスから二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去部をさらに備えることが好ましい。これにより、第１実施形態同様に、第２燃料電池１２は水蒸気及び二酸化炭素が分離されたオフガスを用いて発電を行なうため、発電効率をより高めることができる。

二酸化炭素除去部は、オフガスから二酸化炭素を除去するためのものであり、例えば、二酸化炭素を吸着、吸収するフィルター、二酸化炭素を吸収する二酸化炭素吸収剤、二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去材を含むものが挙げられ、他にも、電気化学的な反応によりオフガスから二酸化炭素を除去するものであってもよい。

二酸化炭素を吸着、吸収するフィルター、二酸化炭素吸収剤、二酸化炭素除去材としては、例えば、化学吸着剤、物理吸着剤、多孔質セラミックフィルターが挙げられる。より具体的には、活性炭、ゼオライト、チタン酸二バリウム、珪酸リチウム、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニアなどの金属酸化物、リチウム化ジルコニア、リチウムシリケートなどが挙げられ、これらの材料を組み合わせたり、混合したりして用いてもよい。また、多孔質セラミックフィルターに対してより緻密な細孔を有する材料をコーティングしてもよい。コーティングの具体例としては、多孔質セラミックフィルターの細孔表面に対して、アミノ基系シランカップリング剤で修飾されたメソポーラスシリカやゼオライトなどをコーティングする方法が挙げられる。これにより、二酸化炭素の高い選択性を実現でき、好適に二酸化炭素を除去することができる。多孔質セラミックフィルターとしては、市販のものを用いてもよく、例えば、日本碍子社製のサブナノセラミック膜フィルターを用いることができる。

二酸化炭素除去部は、電気化学的な反応によりオフガスから二酸化炭素を除去するものであってもよい。例えば、二酸化炭素除去部は、アノードと、電解質と、カソードとを備え、アノード及びカソードには電源が接続されていてもよい。電源としては、第１燃料電池１１又は第２燃料電池１２を用いてもよい。このとき、アノードに二酸化炭素を含むオフガスが供給され、かつ、アノード及びカソードに電圧が印加されると、アノード及びカソードでそれぞれ次のような反応が生じる。この結果、カソードより二酸化炭素が除去される。
アノード：２Ｈ_２Ｏ→２Ｈ_２＋Ｏ_２ Ｏ_２＋２ＣＯ_２＋４ｅ⁻→２ＣＯ_３ ^２−
カソード：２ＣＯ_３ ^２−→Ｏ_２＋２ＣＯ_２＋４ｅ⁻

二酸化炭素除去部が電気化学的な反応によりオフガスから二酸化炭素を除去するものである場合、前述のアノードの反応では、水（水蒸気）が必要となるため、分離膜１６の上流側に二酸化炭素除去部を配置することが好ましい。これにより、電気化学的な反応を行なう際に必要となる水を十分に供給することができ、二酸化炭素を好適に除去することができる。

なお、二酸化炭素除去部は、第１燃料電池１１の下流かつ第２燃料電池１２の上流に配置されていれば、配置場所は特に限定されない。

例えば、二酸化炭素除去部は、分離膜１６の供給側１６Ａの上流かつ熱交換器２１の下流、又は分離膜１６の供給側１６Ａの下流かつ熱交換器２１の上流に配置される。熱交換器２１を通過したオフガスは、熱交換により温度が比較的低温（例えば、２００℃程度）となっているため、二酸化炭素除去部は、低温度域で二酸化炭素を除去できる構成であることが好ましい。

また、例えば、二酸化炭素除去部は、第１燃料電池１１の下流かつ熱交換器２１の上流、又は熱交換器２１の下流かつ第２燃料電池１２の上流に配置されていてもよい。このとき、オフガス経路５２にて熱交換器２１を通過する前のオフガス、又はオフガス経路５４にて熱交換器２１を通過した後のオフガスは、比較的高温（例えば、７５０℃）であるため、二酸化炭素除去部は、高温領域で二酸化炭素を除去できる構成であることが好ましい。

なお、第１実施形態に係る燃料電池システム１０にて、第１燃料電池１１の下流かつ第２燃料電池１２の上流に前述の二酸化炭素除去部をさらに設けてもよい。

［第３実施形態］
図３に示すような第３実施形態に係る燃料電池システム３０は、分離膜１６として水蒸気及び二酸化炭素を分離する分離膜の代わりに二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離膜を用いたこと以外は第１実施形態に係る燃料電池システム１０と同じである。

燃料電池システム３０においても、第２燃料電池１２は、二酸化炭素が分離されたオフガスを用いて発電を行なうため、第２燃料電池１２では、電極間の酸素分圧差に起因する理論電圧が向上するとともに、オフガス中の二酸化炭素に起因する濃度過電圧が低減される。よって、燃料電池システム３０は、通常の多段式の燃料電池システムよりも高い発電効率を得ることができる。

二酸化炭素分離膜は、二酸化炭素を透過する膜であれば特に限定されないが、例えば、有機高分子膜、無機材料膜、有機高分子−無機材料複合膜、液体膜などが挙げられる。また、二酸化炭素分離膜は、ガラス状高分子膜、ゴム状高分子膜、イオン交換樹脂膜、アルミナ膜、シリカ膜、炭素膜、ゼオライト膜、セラミック膜、アミン水溶液膜又はイオン液体膜であることがより好ましい。また、二酸化炭素分離膜の材質としては、前述の分離膜の材質と同様である。

燃料電池システム３０は、第１燃料電池１１の下流かつ第２燃料電池１２の上流に配置され、オフガスから水蒸気を除去する水蒸気除去部をさらに備えることが好ましい。これにより、第１実施形態同様に、第２燃料電池１２は水蒸気及び二酸化炭素が分離されたオフガスを用いて発電を行なうため、発電効率をより高めることができる。

水蒸気除去部は、オフガスから水蒸気を除去するためのものであり、水蒸気を分離する分離膜、水蒸気を吸着する吸着剤、水蒸気を凝縮する凝縮器などであればよい。

水蒸気除去部が凝縮器である場合、オフガスから二酸化炭素を分離する際の分離膜１６の加熱温度に応じて、配置場所を変更することが好ましい。例えば、分離膜１６を高温に加熱して二酸化炭素を分離する場合、水蒸気除去部を分離膜１６の供給側１６Ａの下流に配置することが好ましい。このとき、水蒸気除去部を分離膜１６の供給側１６Ａの上流に配置すると、例えば、水蒸気を凝縮するために冷却したオフガスを、二酸化炭素を分離するために再度加熱する必要があり、熱効率的に不利である。

例えば、分離膜１６を４０℃以上に加熱して二酸化炭素を分離する場合、凝縮器である水蒸気除去部を分離膜１６の供給側１６Ａの下流に配置することが好ましい。

一方、分離膜１６を高温に加熱せずに常温付近で二酸化炭素を分離する場合、凝縮器である水蒸気除去部を分離膜１６の供給側１６Ａの上流に配置することが好ましい。このとき、水蒸気除去部を分離膜１６の供給側１６Ａの上流に配置することで、分離膜１６で、二酸化炭素の分離を阻害する液水の発生を抑制することができる。

例えば、分離膜１６を４０℃未満の常温にて二酸化炭素を分離する場合、凝縮器である水蒸気除去部を分離膜１６の供給側１６Ａの上流に配置することが好ましい。

なお、第１実施形態に係る燃料電池システム１０にて、第１燃料電池１１の下流かつ第２燃料電池１２の上流に前述の水蒸気除去部をさらに設けてもよい。

［第４実施形態］
図４に示すような第４実施形態に係る燃料電池システム４０は、主に、分離膜１６として水蒸気及び二酸化炭素を分離する分離膜の代わりに二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離膜を用いた点、並びに、分離膜１６の供給側１６Ａの下流かつ熱交換器２１の上流に水タンク３５（凝縮器）をさらに設けた点で第１実施形態に係る燃料電池システム１０と相違する。

燃料電池システム４０において、分離膜１６にて二酸化炭素が分離され、かつ凝縮器である水タンク３５にて水蒸気が分離される。そのため、第２燃料電池１２は、水蒸気及び二酸化炭素が分離されたオフガスを用いて発電を行なうため、第２燃料電池１２では、電極間の酸素分圧差に起因する理論電圧が向上するとともに、オフガス中の水蒸気及び二酸化炭素に起因する濃度過電圧が低減される。よって、燃料電池システム４０は、通常の多段式の燃料電池システムよりも高い発電効率を得ることができる。

水タンク３５の上流側のオフガス経路５４、及び酸素供給経路４４には熱交換器４１が設置されており、熱交換器４１により、オフガス経路５４内を流通する二酸化炭素が分離されたオフガスと、酸素供給経路４４内を流通する酸素を含むガスと、の間で熱交換を行なう。これにより、オフガス経路５４内を流通するオフガスは、冷却された後に水タンク３５に供給され、水蒸気が凝縮されるため、オフガスの有する熱を有効に利用することができる。

水タンク３５は、オフガス経路５４内を流通するオフガス中に含まれる水蒸気を凝縮して得られた水を貯留する容器である。水タンク３５に貯留された水は、給水経路３６を通じて水タンク３２に供給され、原料ガスの水蒸気改質に用いられる。

［第５実施形態］
図５に示すような第５実施形態に係る燃料電池システム５０は、分離膜１６として水蒸気及び二酸化炭素を分離する分離膜の代わりに、二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離膜１６’及び水蒸気を分離する水蒸気分離膜１６’’をそれぞれ用いたこと以外は第１実施形態に係る燃料電池システム１０と同じである。

燃料電池システム５０では、分離膜として、二酸化炭素分離膜１６’及び水蒸気分離膜１６’’をそれぞれ備えている。したがって、オフガス経路５２内を流通するオフガスは、二酸化炭素分離膜１６’の供給側１６Ａ’に供給され、オフガス中の二酸化炭素は、供給側１６Ａ’から透過側１６Ｂ’へ矢印Ａ’方向に二酸化炭素分離膜１６’’を通過する。また、オフガス経路５２内を流通するオフガスは、水蒸気分離膜１６’’の供給側１６Ａ’’に供給され、オフガス中の水蒸気は、供給側１６Ａ’’から透過側１６Ｂ’’へ矢印Ａ’’方向に水蒸気分離膜１６’’を通過する。

このとき、二酸化炭素分離膜１６’での分離条件及び水蒸気分離膜１６’’での分離条件をそれぞれ調整できるため、燃料電池システム１０よりも水蒸気及び二酸化炭素を効率よく分離できる。

なお、二酸化炭素分離膜１６’及び水蒸気分離膜１６’’を厳密に区別する必要は無く、二酸化炭素分離膜１６’が二酸化炭素とともに水蒸気を透過する分離膜であってもよく、水蒸気分離膜１６’’が水蒸気とともに二酸化炭素を分離する分離膜であってもよい。また、二酸化炭素分離膜１６’及び水蒸気分離膜１６’’を設ける順番は特に限定されず、二酸化炭素分離膜１６’及び水蒸気分離膜１６’’の加熱温度に応じて順番を定めてもよい。例えば、加熱温度が高い分離膜を上流に配置してもよい。二酸化炭素分離膜１６’及び水蒸気分離膜１６’’の間に熱交換器を設けてもよい。

二酸化炭素分離膜１６’としては、第３実施形態に記載の二酸化炭素分離膜を用いればよく、水蒸気分離膜１６’’としては、第２実施形態に記載の水蒸気分離膜を用いればよい。

［第６実施形態］
以下、本発明の燃料電池システムの第６実施形態について図６を用いて説明する。図６は、第６実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。第６実施形態に係る燃料電池システム６０は、原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質部１９及び燃焼反応により改質部１９を加熱する燃焼部１８を有する改質器１４と、改質部１９から供給された改質ガスを用いて発電を行なう第１燃料電池１１と、第１燃料電池１１から排出された未反応の改質ガスを含むオフガスから、水蒸気及び二酸化炭素を分離する分離膜１６と、分離膜１６の下流に配置され、水蒸気及び二酸化炭素が分離されたオフガスを用いて発電を行なう第２燃料電池１２と、分離膜１６の透過側１６Ｂに配置され、燃焼部１８から排出された排ガスが流通する排気経路４８と、を備えるシステムである。このシステムは、主に、酸素供給経路４４を分離膜１６の透過側１６Ｂに配置せずに、排気経路４８を分離膜１６の透過側１６Ｂに配置した点で、燃料電池システム１０と相違する。

燃料電池システム６０では、分離膜１６により分離された水蒸気及び二酸化炭素は、分離膜１６の透過側に配置された排気経路４８に供給される。燃焼部１８から排出された排ガスが排気経路４８内を流通するため、分離された水蒸気及び二酸化炭素は、この排ガスとともに排気経路４８内を流通する。したがって、排気経路４８を分離膜１６の透過側１６Ｂに設けることにより、酸素を分離膜の透過側に供給するための経路及び空気ブロア又は減圧ポンプを別途設ける必要は無く、製造コストを削減し、システム全体の発電効率を高めることができる。さらに、システムが簡略化されていることにより、システムの信頼性が向上する。

また、分離膜１６を透過した水蒸気及び二酸化炭素は排ガスとともに排気経路４８内を流通するため、分離膜１６の透過側１６Ｂの水蒸気分圧及び二酸化炭素分圧は低くなり、水蒸気及び二酸化炭素の分離が促進される。したがって、燃料電池システム６０では、システムの簡略化とともに水蒸気及び二酸化炭素の分離が促進されている。その結果、第２燃料電池１２に供給されるオフガス中の水蒸気濃度及び二酸化炭素濃度をより小さくすることができ、燃料電池システム６０の発電効率をより高めることができる。

さらに、本実施形態に係る燃料電池システム６０は、第１実施形態に係る燃料電池システム１０と同様に、燃料電池のカソードに酸素を含むガスとして空気を供給する経路を分離膜の透過側に設けた場合よりも発電効率に優れる。

また、本実施形態に係る燃料電池システム６０では、空気よりも酸素比率が小さい燃焼部１８から排出された排ガスを分離膜１６の透過側１６Ｂに供給しているため、酸素と、分離膜１６を透過する水素又は一酸化炭素との反応が生じにくく、局所的な分離膜１６の温度上昇が抑制されており、分離膜１６の耐久性を好適に維持することができる。

燃料電池システム６０は、第１実施形態とは異なり、排気経路４８及び酸素供給経路４４に熱交換器２２が設置されており、熱交換器２２により、排気経路４８内を流通する排ガスと、酸素供給経路４４内を流通する酸素を含むガスと、の間で熱交換を行なう。これにより、排気経路４８内を流通する排ガスは冷却された後に水タンク３２（凝縮器）に供給され、改質水供給経路３３内を流通する改質水は気化された後に水蒸気供給経路３７を通じて原料ガス供給経路２４に供給される。

熱交換器２２にて熱交換が行なわれた後、第１燃料電池１１のカソードには、酸素供給経路４４を通じて酸素を含むガスが供給されて発電が行なわれ、次いで、第１燃料電池１１のカソードから排出された未反応の酸素を含むガスは、下流側の酸素供給経路４４を通じて第２燃料電池１２のカソードに供給されて発電が行なわれる。

第２燃料電池１２のカソードから排出された未反応の酸素を含むガスは、下流側の酸素供給経路４４を通じて改質器１４の燃焼部１８へ供給される。一方、第２燃料電池１２のアノードから排出されたオフガスは、オフガス経路４６を通じて改質器１４の燃焼部１８へ供給される。

酸素供給経路４４を通じて供給された未反応の酸素を含むガスと、オフガス経路４６を通じて供給されたオフガスとの混合ガスを燃焼部１８にて燃焼させて発生する排ガスは、排気経路４８に排出される。

排気経路４８内を流通する排ガスは、改質水供給経路３３内を流通する改質水を気化する熱交換器３１にて、改質水と熱交換を行なう。これにより、熱交換器３１の下流側の排気経路４８内を流通する排ガスは分離膜１６により水蒸気及び二酸化炭素を分離する際に好ましい温度まで冷却され、改質水供給経路３３内を流通する改質水は気化された後に水蒸気供給経路３７を通じて原料ガス供給経路２４に供給される。

本実施形態に係る燃料電池システム６０は、第１燃料電池１１から排出された未反応の改質ガスを含むオフガスから、水蒸気及び二酸化炭素を分離する分離膜１６を備えている。そのため、分離された水蒸気及び二酸化炭素は、透過側１６Ｂを流れる燃焼部１８から排出された排ガスと混合され、透過側１６Ｂから排気経路４８内を流通する。熱交換器２２は、排気経路４８内を流通する排ガスと、酸素供給経路４４内を流通する酸素を含むガスと、の間で熱交換を行なう。

［第７実施形態］
図７に示すような第７実施形態に係る燃料電池システム７０は、分離膜１６として水蒸気及び二酸化炭素を分離する分離膜の代わりに水蒸気を分離する水蒸気分離膜を用いたこと以外は第６実施形態に係る燃料電池システム６０と同じである。

なお、燃料電池システム７０で用いられる水蒸気分離膜は、第２実施形態に係る燃料電池システム２０で用いられる水蒸気分離膜と同様である。

燃料電池システム７０は、第１燃料電池１１の下流かつ第２燃料電池１２の上流に配置され、オフガスから二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去部をさらに備えることが好ましい。これにより、第２実施形態同様に、第２燃料電池１２は水蒸気及び二酸化炭素が分離されたオフガスを用いて発電を行なうため、発電効率をより高めることができる。なお、二酸化炭素除去部の構成、設置場所などは、第２実施形態と同様である。

［第８実施形態］
図８に示すような第８実施形態に係る燃料電池システム８０は、分離膜１６として水蒸気及び二酸化炭素を分離する分離膜の代わりに二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離膜を用いたこと以外は第６実施形態に係る燃料電池システム６０と同じである。

なお、燃料電池システム８０で用いられる二酸化炭素分離膜は、第３実施形態に係る燃料電池システム３０で用いられる水蒸気分離膜と同様である。

燃料電池システム８０は、第１燃料電池１１の下流かつ第２燃料電池１２の上流に配置され、オフガスから水蒸気を除去する水蒸気除去部をさらに備えることが好ましい。これにより、第３実施形態同様に、第２燃料電池１２は水蒸気及び二酸化炭素が分離されたオフガスを用いて発電を行なうため、発電効率をより高めることができる。なお、水蒸気除去部の構成、設置場所などは、第３実施形態と同様である。

［第９実施形態］
図９に示すような第９実施形態に係る燃料電池システム９０は、主に、分離膜１６として水蒸気及び二酸化炭素を分離する分離膜の代わりに二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離膜を用いた点、並びに、分離膜１６の供給側１６Ａの下流かつ熱交換器２１の上流に水タンク３５（凝縮器）をさらに設けた点で第６実施形態に係る燃料電池システム６０と相違する。

［第１０実施形態］
図１０に示すような第１０実施形態に係る燃料電池システム１００は、分離膜１６として水蒸気及び二酸化炭素を分離する分離膜の代わりに、二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離膜１６’及び水蒸気を分離する水蒸気分離膜１６’’をそれぞれ用いたこと以外は第６実施形態に係る燃料電池システム６０と同じである。

なお、燃料電池システム１００で用いられる二酸化炭素分離膜１６’及び水蒸気分離膜１６’’は、第５実施形態に係る燃料電池システム５０で用いられる二酸化炭素分離膜１６’及び水蒸気分離膜１６’’と同様である。

［第１１実施形態］
前述した第１実施形態〜第１０実施形態は、多段式の燃料電池システムであるが、本発明はこれに限定されず、循環式の燃料電池システムであってもよい。以下、本発明の一実施形態に係る循環式の燃料電池システム２００について、図１１を用いて説明する。図１１は、第１１実施形態に係る循環式の燃料電池システムを示す概略構成図である。

図１１に示すように、第１１実施形態に係る燃料電池システム２００は、水蒸気及び二酸化炭素が分離されたオフガスを燃料電池６１に再度供給するオフガス循環経路５６、５７を備える循環式の燃料電池システムである。なお、第１実施形態に係る燃料電池システム１０と共通する構成については、その説明を省略する。また、燃料電池６１は前述の第１燃料電池１１と同様の構成であるため、その説明を省略する。

燃料電池システム２００では、分離膜１６は、燃料電池６１から排出された未反応の改質ガスを含むオフガスから水蒸気及び二酸化炭素を分離し、水蒸気及び二酸化炭素が分離されたオフガスを用いて燃料電池６１で発電を行なう。そのため、燃料電池６１では、電極間の酸素分圧差に起因する理論電圧が向上するとともに、オフガス中の水蒸気及び二酸化炭素に起因する濃度過電圧が低減される。よって、燃料電池システム２００は、水蒸気及び二酸化炭素を分離せずにオフガスを再利用する循環式の燃料電池システムよりも高い発電効率を得ることができる。

オフガス循環経路５７には、改質ガスを流通させるためのリサイクルブロワ２８が配置されている。なお、リサイクルブロワの配置は、特に限定されず、分離膜１６の上流であってもよく、分離膜１６の下流であってもよいが、分離膜１６の上流に設ける場合には、熱交換器２１と分離膜１６との間に配置することが好ましく、分離膜１６の下流に設ける場合には、分離膜１６と熱交換器２１との間に配置することが好ましい。

また、分離膜１６により分離された水蒸気及び二酸化炭素は、分離膜１６の透過側１６Ｂに配置された酸素供給経路４４に供給される。燃料電池６１から排出された未反応の酸素を含むガスが酸素供給経路４４内を流通するため、分離された水蒸気及び二酸化炭素は、未反応の酸素を含むガスとともに、酸素供給経路４４内を流通する。したがって、酸素供給経路４４を分離膜１６の透過側１６Ｂに設けることにより、酸素を分離膜１６の透過側１６Ｂに供給するための経路及び空気ブロア又は減圧ポンプを別途設ける必要は無く、製造コストを削減し、システム全体の発電効率を高めることができる。さらに、システムが簡略化されていることにより、システムの信頼性が向上する。

［第１２実施形態］
以下、本発明の燃料電池システムの第１２実施形態について図１２を用いて説明する。図１２は、第１２実施形態に係る循環式の燃料電池システムを示す概略構成図である。第１２実施形態に係る燃料電池システム３００は、主に、分離膜１６により分離された水蒸気及び二酸化炭素は、分離膜１６の透過側に配置された排気経路４８に供給される点で第１１実施形態に係る燃料電池システム２００と相違する。

燃料電池システム３００では、分離膜１６により分離された水蒸気及び二酸化炭素は、分離膜１６の透過側１６Ｂに配置された排気経路４８に供給される。燃焼部１８から排出された排ガスが排気経路４８内を流通するため、分離された水蒸気及び二酸化炭素は、排ガスとともに、排気経路４８内を流通する。したがって、排気経路４８を分離膜１６の透過側１６Ｂに設けることにより、酸素を分離膜１６の透過側１６Ｂに供給するための経路及び空気ブロア又は減圧ポンプを別途設ける必要は無く、製造コストを削減し、システム全体の発電効率を高めることができる。さらに、システムが簡略化されていることにより、システムの信頼性が向上する。

本発明は、前述の第１実施形態〜第１２実施形態に限定されず、本発明の技術的思想内で、当業者によって、前述の各実施形態を組み合わせて実施される。例えば、第１１実施形態に係る燃料電池システム２００及び第１２実施形態に係る燃料電池システム３００について、第２実施形態〜第１０実施形態に係る燃料電池システムの各構成を適宜組み合わせてもよい。さらに、熱交換器の設置場所、組み合わせなどについてもこれら実施形態に限定されない。

［ガス組成の対比］
以下では、水蒸気及び二酸化炭素を分離膜１６にて完全に分離した場合に、第２燃料電池１２から排出されるカソードオフガス及び燃焼部１８から排出される排ガスと、空気とについて、ガス組成を比較した。カソードオフガスのガス組成としては、前述の第１実施形態に係る燃料電池システム１０を前提とし、排ガスのガス組成としては、前述の第６実施形態に係る燃料電池システム６０を前提としてシミュレーションした。シミュレーションの条件としては、いずれも第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２での酸素利用率は５０％、第１燃料電池１１での燃料利用率は６０％、第２燃料電池１２での燃料利用率は７５％とした。結果を表１に示す。

表１に示すように、カソードオフガス及び排ガス中の酸素濃度が空気と比較して半分程度である。そのため、燃料電池システム１０及び燃料電池システム６０では、耐久性低下の原因となる、分離膜１６を微量に透過する水素や一酸化炭素と、分離膜１６の透過側を流通する酸素との反応による局所的な分離膜１６の温度上昇が発生しにくく、分離膜１６の耐久性を好適に維持できることが推測される。

１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、２００、３００…燃料電池システム、１１…第１燃料電池、１２…第２燃料電池、１４…改質器、１６…分離膜、１６’…二酸化炭素分離膜、１６’’…水蒸気分離膜、１６Ａ、１６’Ａ，１６’’Ａ…供給側、１６Ｂ、１６Ｂ’、１６Ｂ’’…透過側、１８…燃焼部、１９…改質部、２１、２２、３１、４１…熱交換器、２４…原料ガス供給経路、２５…ブロワ、２８…リサイクルブロワ、３２、３５…水タンク、３３…改質水供給経路、３４…改質水ポンプ、３６…給水経路、３７…水蒸気供給経路、４２…改質ガス供給経路、４４…酸素供給経路、４６、５２、５４…オフガス経路、４８…排気経路、５６、５７…オフガス循環経路、６１…燃料電池

Claims (9)

1. 原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質部及び燃焼反応により前記改質部を加熱する燃焼部を有する改質器と、
   前記改質部から供給された前記改質ガスを用いて発電を行なう第１燃料電池と、
   前記第１燃料電池から排出された未反応の前記改質ガスを含むオフガスから、水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方を分離する分離膜と、
   前記分離膜の下流に配置され、水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方が分離された前記オフガスを用いて発電を行なう第２燃料電池と、
   前記分離膜の透過側に配置され、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池の少なくとも一方から排出された未反応の酸素を含むガスが流通する酸素供給経路、又は前記分離膜の透過側に配置され、前記燃焼部から排出された排ガスが流通する排気経路と、を備える燃料電池システム。
2. 原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質部及び燃焼反応により前記改質部を加熱する燃焼部を有する改質器と、
   前記改質部から供給された前記改質ガスを用いて発電を行なう燃料電池と、
   前記燃料電池から排出された未反応の前記改質ガスを含むオフガスから、水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方を分離する分離膜と、
   前記分離膜の下流に配置され、水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方が分離された前記オフガスを前記燃料電池に供給するオフガス循環経路と、
   前記分離膜の透過側に配置され、前記燃料電池から排出された未反応の酸素を含むガスが流通する酸素供給経路、又は前記分離膜の透過側に配置され、前記燃焼部から排出された排ガスが流通する排気経路と、を備える燃料電池システム。
3. 前記分離膜の透過側に前記酸素供給経路が配置されており、
   前記酸素供給経路は、前記分離膜により分離された水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方、並びに未反応の酸素を含むガスを前記燃焼部に供給する請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃焼部から排出された排ガスから水蒸気を分離し、分離した水蒸気を前記改質部に供給する請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記分離膜の透過側に前記排気経路が配置されており、
   前記排気経路内を流通する排ガスと、前記分離膜により分離された水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方との混合ガスから水蒸気を分離し、分離した水蒸気を前記改質部に供給する請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
6. 前記分離膜として、未反応の前記改質ガスを含むオフガスから水蒸気を分離する水蒸気分離膜、及び未反応の前記改質ガスを含むオフガスから二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離膜をそれぞれ備える請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記分離膜の上流又は下流に配置され、前記オフガスから水蒸気を除去する水蒸気除去部、及び、前記分離膜の上流又は下流に配置され、前記オフガスから二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去部の少なくとも一方をさらに備える請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
8. 前記分離膜の上流又は下流に配置され、前記オフガスから水蒸気を除去する水蒸気除去部をさらに備え、前記水蒸気除去部により除去された水蒸気を前記改質部に供給する請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
9. 前記分離膜の上流を流通する前記オフガスと、前記分離膜の下流を流通する水蒸気が分離された前記オフガスと、の間で熱交換を行なう熱交換器をさらに備える請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。