JP2017091630A - 発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】ＳＯＦＣ及び改質器を備えた発電システムにおいて、アノードオフガスをＳＯＦＣの燃料として再利用する際に生じる濃度分極及びこれに起因するセル電圧の低下を抑制すること。【解決手段】発電システム１０ａは、ＳＯＦＣ１２ａと、改質ガスをＳＯＦＣ１２ａのアノード流路に供給する熱交換型改質器１４ａと、アノード流路から排出されたアノードオフガスを循環ガスとして改質流路に戻す循環路１６とを備えている。循環路１６には、循環ガスからＣＯ2ガスを分離するＣＯ2分離器１８、循環ガスからＨ2Ｏガスを分離するＨ2Ｏ分離器２０、循環ガスを分配するバイパス路２２、及び、ガス分離後の循環ガスと改質流路に新たに供給するための改質燃料とを混合するエゼクタ２６が接続されている。Ｈ2Ｏ分離器２０は、循環Ｓ／Ｃ比が所定の範囲となるように、循環ガスからＨ2Ｏガスを分離する。【選択図】図１

Description

本発明は、発電システムに関し、さらに詳しくは、熱交換型改質器で生成させた改質ガスを固体酸化物型燃料電池に供給し、かつ、固体酸化物型燃料電池から排出されたアノードオフガスを改質器に戻すことによって、アノードオフガスに残存する燃料を発電に再利用する発電システムに関する。

固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、電解質として酸化物イオン伝導体が用いられているため、水素や一酸化炭素を燃料ガスとして用いることができる。そのため、ＳＯＦＣの燃料ガスとして、改質ガスが用いられることが多い。改質ガスは、炭化水素やアルコールなどの改質燃料を水蒸気改質することにより得られるガスであり、水素と一酸化炭素を主成分として含む。

しかし、水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、反応を継続させるには外部から熱を供給し続ける必要がある。また、改質ガスをＳＯＦＣのアノード流路に供給した場合、改質ガスに含まれる水素や一酸化炭素のすべてが電極反応に消費されず、一部が未利用のままアノード流路から排出される。そのため、ＳＯＦＣと改質器との単なる組み合わせからなる発電システムでは、到達可能な発電効率に限界がある。

そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献１には、
（ａ）ＳＯＦＣに新たに供給される燃料ガスと、ＳＯＦＣのアノードから排出されるガス（アノードオフガス）の一部とを混合し、
（ｂ）混合ガスを燃料改質器に供給し、アノードオフガスの顕熱及びアノードオフガスに含まれる水蒸気を用いて混合ガスに含まれる燃料ガスの水蒸気改質反応を行わせ、
（ｃ）得られた改質ガス（再循環ガス）を再生熱交換器→凝縮器→循環ブロア→再生熱交換器の順に通過させることにより、凝縮器で水蒸気を除去する前の再循環ガスと水蒸気を除去した後の再循環ガスとの間で熱交換を行わせる
固体酸化物型燃料電池発電システムが開示されている。

同文献には、
（ａ）アノードオフガスを再循環させる場合において、凝縮器を用いて再循環ガス中の水蒸気分圧を下げることにより、燃料電池起電力の低下を防ぐことができる点、
（ｂ）循環ブロアは常温作動であるため、循環流量の調整が広範囲にわたって可能であり、燃料の利用率を向上させることができる点、及び、
（ｃ）再生熱交換器を用いて再循環ガスの冷却及び再加熱を行うため、余分なエネルギー消費を必要としない点、
が記載されている。

アノードオフガスには、電極反応で生成したＨ₂ＯとＣＯ₂が含まれる。そのため、アノードオフガスの再利用を継続すると、再循環ガス中のＨ₂Ｏ濃度及びＣＯ₂濃度が過剰となり、濃度分極によるセル電圧の低下を引き起こす。特許文献１に記載の発電システムは、凝縮器を備えているため、Ｈ₂Ｏ濃度の増加に起因するセル電圧の低下をある程度抑制できる。しかし、ＣＯ₂濃度の増加を抑制する機能を備えていないため、ＣＯ₂濃度の増加に起因するセル電圧の低下を抑制できない。

また、特許文献１に記載の発電システムは、アノードオフガスの一部をＳＯＦＣの燃料ガスとして再利用するため、発電に直接利用されない燃料をある程度減らすことができる。しかし、アノードオフガスの残りは燃焼器で燃焼され、カソード空気加熱用熱源として利用されている。そのため、このような方法では、未利用燃料の低減に限界がある。

さらに、特許文献１に記載の発電システムでは、再生熱交換器に送られた再循環ガスの全体を凝縮器で冷却している。そのため、再生熱交換器を用いて熱交換を行ったとしても、凝縮器→循環ブロア→再生熱交換器を経た再循環ガスの温度は相対的に低い。特許文献１では、再循環ガスをＳＯＦＣに供給可能な温度にするために、燃料加熱用燃焼器で再循環ガスの一部を燃焼させ、これによって凝縮器で奪われた熱を補っている。しかし、このような方法では、燃費の向上に限界がある。

特開平１１−２３３１２９号公報

本発明が解決しようとする課題は、ＳＯＦＣ及び改質器を備えた発電システムにおいて、アノードオフガスをＳＯＦＣの燃料として再利用する際に生じる濃度分極及びこれに起因するセル電圧の低下を抑制することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、ＳＯＦＣ及び改質器を備えた発電システムにおいて、システムから系外に廃棄されるエネルギーを低減し、発電効率を向上させることにある。

上記課題を解決するために本発明に係る発電システムは、以下の構成を備えていることを要旨とする。
（１）前記発電システムは、
アノード流路／電解質・電極接合体／カソード流路の積層体からなる単セルを備えた固体酸化物型燃料電池と、
炭素及び水素を含む改質燃料を改質流路内で改質し、得られた改質ガスを前記アノード流路に供給する熱交換型改質器と、
前記アノード流路から排出されたアノードオフガスを循環ガスとして前記改質流路に戻す循環路と
を備えている。
（２）前記循環路には、
前記循環ガスからＣＯ₂ガスを分離するＣＯ₂分離器と、
前記循環ガスからＨ₂Ｏガスを分離するＨ₂Ｏ分離器と、
前記ＣＯ₂ガス及び前記Ｈ₂Ｏガスが分離された後の前記循環ガスと、前記改質流路に新たに供給するための前記改質燃料とを混合する混合装置と
が接続されている。
（３）前記Ｈ₂Ｏ分離器は、前記改質流路内における水蒸気／カーボン比（循環Ｓ／Ｃ比）が、前記改質流路内におけるカーボンの析出が抑制され、かつ、濃度分極によるセル電圧の低下率が理論起電力の１２％以下となるように、前記循環ガスからＨ₂Ｏガスを分離することが可能なものからなる。

前記発電システムにおいて、前記循環ガスの流れの上流側に前記ＣＯ₂分離器が接続され、下流側に前記Ｈ₂Ｏ分離器が接続されているのが好ましい。
また、前記発電システムは、
前記Ｈ₂Ｏ分離器の上流側にある前記循環路と下流側にある前記循環路とを直接繋ぐバイパス路と、
前記循環ガスを前記バイパス路と前記Ｈ₂Ｏ分離器に分配する分配装置と
をさらに備え、
前記Ｈ₂Ｏ分離器は、前記Ｈ₂Ｏ分離器に分配された前記循環ガスからＨ₂Ｏガスの全部を分離するものが好ましい。

さらに、前記発電システムは、
（ａ）水蒸気改質反応に必要な熱をＳＯＦＣから得る手段（改質器用熱交換手段）、
（ｂ）循環ガスからＨ₂Ｏガスを凝縮分離させる際に、カソード用空気を用いて循環ガスを冷却し、これによってカソード用空気を加熱する手段（Ｈ₂Ｏ分離器用熱交換手段）
（ｃ）ＣＯ₂分離器がＣＯ₂ガスを吸収する際に放出される吸収熱を用いて、カソード用空気を加熱する手段（ＣＯ₂分離器用熱交換手段（Ａ））、
（ｄ）ＣＯ₂分離器からＣＯ₂ガスを放出する際に必要な熱を、カソードオフガスから得る手段（ＣＯ₂分離器用熱交換手段（Ｂ））、及び／又は、
（ｅ）ＣＯ₂分離器用熱交換手段（Ｂ）から排出されるカソードオフガスを用いてカソード用空気をさらに加熱する手段（空気用熱交換手段）
をさらに備えているものが好ましい。

循環路にＣＯ₂分離器及びＨ₂Ｏ分離器を接続すると、循環ガスから、実質的にすべてのＣＯ₂ガス、及び、改質反応に再利用されない余分なＨ₂Ｏガスを分離することができる。そのため、アノードオフガスの再利用を継続した場合であっても、循環ガス中のＣＯ₂濃度やＨ₂Ｏ濃度が過剰になることによる濃度分極及びこれに起因するセル電圧の低下を抑制することができる。

また、化学的にＣＯ₂ガスを吸収可能なＣＯ₂吸収材を用いて循環ガスからＣＯ₂ガスを分離する場合、通常、ＣＯ₂の吸収時に発熱を伴う。一方、循環ガスからＨ₂Ｏを凝縮分離する場合、循環ガスを冷却する必要がある。そのため、循環ガスの流れの上流側に前記ＣＯ₂分離器を接続し、下流側にＨ₂Ｏ分離器を接続すると、循環ガスからＣＯ₂ガス及びＨ₂Ｏガスを分離する際のエネルギーロスを最小限に抑制することができる。また、循環ガスの温度をＳＯＦＣに供給可能な温度にするために、必ずしも循環ガスの一部を燃焼させる必要がないので、発電効率が向上する。

また、Ｈ₂Ｏ分離器の上流側にある循環路と下流側にある循環路とをバイパス路で繋ぎ、循環ガスをバイパス路とＨ₂Ｏ分離器に分配すると、バイパス路を通過する循環ガスは冷却されない。そのため、ＣＯ₂ガス及びＨ₂Ｏガスを分離した後の循環ガスの温度低下を最小限に抑制することができる。
さらに、ＣＯ₂ガスの吸収に伴う吸収熱、Ｈ₂Ｏガスの凝縮熱、及び／又は、カソードオフガスの顕熱をカソード用空気を加熱するための熱源として再利用すると、エネルギーロスが抑制され、かつ、発電効率も向上する。

本発明の第１の実施の形態に係る発電システムの模式図である。 本発明の第２の実施の形態に係る発電システムの模式図である。 間接内部改質型燃料電池の模式図である。 本発明の第３の実施の形態に係る発電システムの模式図である。

アノードオフガスからＣＯ₂及びＨ₂Ｏを分離することなく循環ガスとして再利用したときの、（ａ）発電効率及び循環Ｓ／Ｃ比に及ぼす循環率の影響、及び（ｂ）アノードオフガスエネルギー／投入燃料比に及ぼす循環率の影響、を示す図である。 アノードオフガスからＣＯ₂及びＨ₂Ｏを分離することなく循環ガスとして再利用したときの、（ａ）循環ガス流量に及ぼす循環率の影響、及び（ｂ）起電力に及ぼす循環率の影響、を示す図である。

アノードオフガスからＣＯ₂及びＨ₂Ｏを分離したものを循環ガスとして再利用したときの、（ａ）発電効率及びＣＯ₂循環ガス量に及ぼすＣＯ₂分離率の影響、及び（ｂ）起電力に及ぼすＣＯ₂分離率の影響、を示す図である。 アノードオフガスからＣＯ₂及びＨ₂Ｏを分離したものを循環ガスとして再利用したときの、（ａ）発電効率及びＨ₂Ｏ循環ガス量に及ぼす循環Ｓ／Ｃ比の影響、及び（ｂ）起電力に及ぼす循環Ｓ／Ｃ比の影響、を示す図である。

アノードオフガスからＣＯ₂及びＨ₂Ｏを分離したものを循環ガスとして再利用したときの、（ａ）発電効率及び投入燃料量に及ぼす燃料利用率の影響、及び（ｂ）起電力に及ぼす燃料利用率の影響、を示す図である。

以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
［１． 発電システム］
本発明に係る発電システムは、
アノード流路／電解質・電極接合体／カソード流路の積層体からなる単セルを備えた固体酸化物型燃料電池と、
炭素及び水素を含む改質燃料を改質流路内において改質し、得られた改質ガスを前記アノード流路に供給する熱交換型改質器と、
前記アノード流路から排出されたアノードオフガスを循環ガスとして前記改質流路に戻す循環路と
を備えている。

［１．１． 固体酸化物型燃料電池］
固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、アノード流路／電解質・電極接合体／カソード流路の積層体からなる単セルを備えている。ＳＯＦＣは、通常、このような単セルが複数個積層された構造を備えている。
本発明において、電解質・電極接合体の構造及び各部を構成する材料は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適なものを選択することができる。

アノード流路及びカソード流路は、反応ガスを電極に供給するための流路である。また、後述する間接内部改質型燃料電池では、これらの流路は、改質流路に熱を伝達するための熱伝達部材としても機能する。そのため、これらの流路には、高熱伝導材料（例えば、Ｃｕ合金、Ａｌ合金など）を用いるのが好ましい。また、熱伝達を促進するために、流路内には伝熱隔壁、伝熱フィン、伝熱リブなどを設けるのが好ましい。

［１．２． 熱交換型改質器］
熱交換型改質器は、炭素及び水素を含む改質燃料を改質流路内において改質し、得られた改質ガスをアノード流路に供給するためものもである。
ここで、「熱交換型改質器」とは、改質触媒が担持された改質流路内で改質燃料の水蒸気改質を行うと同時に、改質流路と外部熱源との間の熱交換により、水蒸気改質反応に必要な熱量を改質流路に供給する改質器をいう。

本発明において、改質流路と外部熱源との間で熱交換を行う方法は、特に限定されない。このような熱交換を行うための手段としては、例えば、
（ａ）改質流路に隣接して燃焼流路を設置し、燃焼流路内において改質燃料の一部又はアノード流路から排出されるガス（アノードオフガス）の一部を燃焼させ、その燃焼熱を改質流路に伝達する第１の手段、
（ｂ）改質流路に隣接してオフガス流路を設置し、オフガス流路内にカソード流路から排出される高温のガス（カソードオフガス）を流すことによって、カソードオフガスの顕熱を改質流路に伝達する第２の手段、
（ｃ）ＳＯＦＣと改質流路との間で直接、熱交換を行うことによって、ＳＯＦＣの発電に伴う内部発熱を改質流路に伝達する第３の手段（改質器用熱交換手段）
などがある。

これらの中でも、第２及び第３の手段は、発電システムからの排熱を有効利用でき、高い発電効率が得られるので、熱交換手段として好適である。さらに、第３の手段は、ＳＯＦＣの内部発熱が直接、改質流路に伝達され、熱交換に伴うエネルギーロスが少ないので、熱交換手段として特に好適である。改質器用熱交換手段の詳細については、後述する。

改質燃料の種類は、炭素及び水素を含む材料であって、気化させることが可能なものである限りにおいて、特に限定されない。改質燃料としては、具体的には、以下のようなものがある。
（ａ）メタン、エタン、ガソリンなどの炭化水素。
（ｂ）メタノール、エタノールのなどのアルコール。

［１．３． 循環路］
本発明に係る発電システムは、アノード流路から排出されたアノードオフガスを循環ガスとして改質流路に戻す循環路を備えている。
また、循環路には、
（ａ）循環ガスからＣＯ₂ガスを分離するＣＯ₂分離器、
（ｂ）循環ガスからＨ₂Ｏガスを分離するＨ₂Ｏ分離器、並びに、
（ｃ）ＣＯ₂ガス及びＨ₂Ｏガスが分離された後の循環ガスと、改質流路に新たに供給するための改質燃料とを混合する混合装置
が接続されている。

［１．３．１． 循環率］
「循環ガス」とは、アノード流路から排出されるアノードオフガスの内、改質流路に戻されるガス（すなわち、ＳＯＦＣの燃料として再利用されるガス）をいう。
「循環率」とは、アノードオフガスの量に対する循環ガスの量の割合をいう。

本発明において、アノードオフガスの循環率は、特に限定されない。一般に、循環率が大きくなるほど、廃棄される未利用燃料が少なくなり、かつ、改質流路内におけるカーボン析出は抑制されるが、濃度分極に起因するセル電圧の低下が大きくなる。そのため、従来の発電システムでは、循環率をあまり大きくすることができない。
これに対し、本発明においては、ＣＯ₂分離器及びＨ₂Ｏ分離器を用いて、循環ガスから不要なＣＯ₂ガス及び余分なＨ₂Ｏガスが除去されるので、セル電圧を著しく低下させることなく、循環率を大きくすることができる。具体的には、循環率を８５％以上、９０％以上、あるいは、９５％以上にすることができる。また、アノードオフガスの全部を循環ガスとして再利用することもできる。

［１．３．２． ＣＯ₂分離器］
［Ａ． ＣＯ₂分離器の構造］
ＣＯ₂分離器は、循環ガスからＣＯ₂ガスを分離するためのものである。ＣＯ₂分離器は、後述するＨ₂Ｏ分離器と共に、循環路に接続される。
ＣＯ₂分離器は、循環ガスからＣＯ₂ガスの全部を分離するものでも良く、あるいは、一部を分離するものでも良い。濃度分極によるセル電圧の低下を抑制するためには、ＣＯ₂分離器は、循環ガスからＣＯ₂ガスの全部を分離することが可能なものが好ましい。
ここで、「ＣＯ₂ガスの全部を分離する」とは、循環ガス中のＣＯ₂ガスの分圧が、ある分離条件下での平衡分圧となるまでＣＯ₂ガスを分離することをいう。

ＣＯ₂分離器の構造は、目的とする量のＣＯ₂ガスを分離することが可能なものである限りにおいて特に限定されないが、ＣＯ₂を化学的に吸収／放出可能なＣＯ₂吸収材を用いて、ＣＯ₂の吸収／放出を行うものが好ましい。このようなＣＯ₂吸収材は、ＣＯ₂ガスを吸収する際に発熱を伴い、ガス全体の温度を下げることがないため、エネルギーロスを小さくすることができる。

特に、ＣＯ₂分離器は、ＳＯＦＣの作動温度レベルでＣＯ₂ガスを吸収／放出可能なＣＯ₂吸収材を備えているものが好ましい。さらに、ＣＯ₂分離器は、ＳＯＦＣから排出されるカソードオフガス温度でＣＯ₂を放出することが可能なＣＯ₂吸収材を備えているものが好ましい。このようなＣＯ₂吸収材を用いてＣＯ₂ガスの吸収／放出を行うと、ＣＯ₂ガスの吸収／放出に伴う循環ガスの温度変動、並びに、これに伴うエネルギーロスを最小限に抑制することができる。
ここで、「ＳＯＦＣの作動温度レベル」とは、ＳＯＦＣの作動温度から作動温度−２００℃までの温度範囲をいう。

［Ｂ． ＣＯ₂吸収材］
ＳＯＦＣの作動温度レベルでＣＯ₂を吸収／放出可能なＣＯ₂吸収材としては、例えば、高温溶融塩がある。１族元素（Ｍ＝Ｌｉ⁺、Ｎａ⁺、Ｋ⁺、Ｒｂ⁺など）、又は２族元素（２Ｍ＝Ｍｇ²⁺、Ｃａ²⁺、Ｓｒ²⁺、Ｂａ²⁺など）によるＣＯ₂の吸収／放出が可能な反応系としては、例えば、以下のようなものがある。但し、Ａは、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｚｒなどを表す。
（ａ）Ｍ₄ＡＯ₄＋ＣＯ₂ ⇔ Ｍ₂ＡＯ₃＋ＭＣＯ₃
（ｂ）Ｍ₂ＡＯ₃＋ＣＯ₂ ⇔ Ｍ₂ＡＯ₂＋ＭＣＯ₃

これらの中でも、Ｌｉ₂ＺｒＯ₃、及びＬｉ₄ＳｉＯ₄は、ＳＯＦＣと同じ温度レベル（６００〜７５０℃）でＣＯ₂を吸収／放出可能であるので、ＣＯ₂吸収材として好適である。特に、Ｌｉ₄ＺｒＯ₄は、ＣＯ₂分離器の小型化や軽量化が可能であるので、ＣＯ₂吸収材として好適である。
Ｌｉ₄ＳｉＯ₄のＣＯ₂吸収／放出反応は、次式で表される。この場合、ＣＯ₂放出は７００〜８５０℃、ＣＯ₂吸収は４００〜６００℃で行われる。
Ｌｉ₄ＳｉＯ₄＋ＣＯ₂ ⇔ Ｌｉ₂ＳｉＯ₃＋Ｌｉ₂ＣＯ₃＋７５ｋＪ／ｍｏｌ＿ＣＯ₂

［Ｃ． ＣＯ₂分離器の数］
循環路に接続されるＣＯ₂分離器の数は、特に限定されない。例えば、循環路に、１個のＣＯ₂分離器を接続しても良く、あるいは、２個以上のＣＯ₂分離器を並列又は直列に接続しても良い。

［Ｄ． 切替作動手段］
循環路に、２個以上のＣＯ₂分離器を並列に接続する場合、少なくとも１つのＣＯ₂分離器（Ａ）を循環路に接続し、循環ガスに含まれるＣＯ₂ガスを吸収させている間に、少なくとも１つの他のＣＯ₂分離器（Ｂ）を循環路から切り離し、吸収したＣＯ₂ガスを放出させる切替作動手段をさらに備えているのが好ましい（図４参照）。
ＣＯ₂分離器により吸収可能なＣＯ₂ガスの吸収量には、限界がある。そのため、１個のＣＯ₂分離器のみが循環路に接続されている場合、ＣＯ₂吸収能が限界に達した時に発電システムを停止させ、ＣＯ₂分離器を再生させる必要がある。
これに対し、２個以上のＣＯ₂分離器と切替作動手段とを備えている場合には、発電システムを停止させることなく、ＣＯ₂の吸収とＣＯ₂分離器の再生とを同時に行うことができる。

切替作動手段を備えた発電システムにおいて、各ＣＯ₂分離器は、２００〜３００℃の温度スウィング幅で吸収／放出を繰り返す（図４の左下図、及び中央下図参照）。そのため、反応容器、ＣＯ₂吸収材料の熱容量による温度応答遅れに起因するＣＯ₂吸収／放出反応の遅れが発生する（図４の右下図参照）。これにより、一時的に循環路内のＣＯ₂濃度が上昇する。しかし、ＣＯ₂吸収時間内に発生するＣＯ₂を完全に吸収することができるので、系内の循環ガス量の増大を抑制しつつ、連続的な運転が可能となる。

［１．３．３． Ｈ₂Ｏ分離器］
［Ａ． Ｈ₂Ｏ分離器の構造］
Ｈ₂Ｏ分離器は、循環ガスからＨ₂Ｏガスを分離するためのものである。Ｈ₂Ｏ分離器は、上述したＣＯ₂分離器と共に、循環路に接続される。
Ｈ₂Ｏ分離器は、循環ガスからＨ₂Ｏガスの全部を分離するものでも良く、あるいは、一部を分離するものでも良い。循環ガスは、熱交換型改質器内において行われる水蒸気改質反応の水蒸気源でもある。そのため、例えば、後述するバイパス路を設けることなく、循環ガスの全部をＨ₂Ｏ分離器に供給する場合には、水蒸気改質反応に必要な量のＨ₂Ｏガスが残るように、循環ガスから一部のＨ₂Ｏガスを分離するのが好ましい。

一方、Ｈ₂Ｏ分離器とバイパス路とを循環路に並列に接続し、循環ガスを両者に分配する場合には、Ｈ₂Ｏ分離器を通過する循環ガスから、全部のＨ₂Ｏガスを分離してもよく、あるいは、一部を分離しても良い。
ここで、「Ｈ₂Ｏガスの全部を分離する」とは、循環ガス中のＨ₂Ｏガスの分圧が、ある分離条件下での平衡分圧となるまでＨ₂Ｏガスを分離することをいう。

Ｈ₂Ｏ分離器の構造は、目的とする量のＨ₂Ｏガスを分離することが可能なものである限りにおいて特に限定されない。Ｈ₂Ｏ分離器は、通常、循環ガスと冷媒との間で熱交換を行うことにより、水蒸気を凝縮させる。
Ｈ₂Ｏ凝縮器において熱交換を行うための冷媒としては、例えば、
（ａ）外部から独立に供給される大気、
（ｂ）ＳＯＦＣに供給するためのカソード用空気（Ｈ₂Ｏ凝縮器用熱交換手段）、
などがある。
特に、ＳＯＦＣに供給するためのカソード用空気を用いてＨ₂Ｏガスの凝縮を行う方法は、発電システムからの排熱を有効利用でき、高い発電効率が得られるので、熱交換方法として好適である

［Ｂ． Ｈ₂Ｏ分離器の数］
循環路に接続されるＨ₂Ｏ分離器の数は、特に限定されない。例えば、循環路に、１個のＨ₂Ｏ分離器を接続しても良く、あるいは、２個以上の₂Ｏ分離器を並列又は直列に接続しても良い。

［Ｃ． 接続順序］
Ｈ₂Ｏ分離器とＣＯ₂分離器の接続順序は、特に限定されないが、循環ガスの流れの上流側にＣＯ₂分離器を接続し、下流側にＨ₂Ｏ分離器を接続するのが好ましい。水蒸気を分離する場合、ガス全体の温度を下げて、水蒸気を凝縮させる必要がある。その際、不要なＣＯ₂ガスを多量に含んだ状態でガスの温度を下げると、エネルギーロスが大きくなる。そのため、先にＣＯ₂ガスを分離し、次いでＨ₂Ｏガスの分離を行うのが好ましい。

［Ｄ． 循環Ｓ／Ｃ比］
上述したように、循環ガスは、改質流路内において行われる水蒸気改質反応の水蒸気源でもある。そのため、Ｈ₂Ｏ分離器は、改質流路内における水蒸気／カーボン比（循環Ｓ／Ｃ比）が所定の範囲となるように、循環ガスからＨ₂Ｏガスを分離することが可能なものであれば良い。
ここで、「循環Ｓ／Ｃ比」とは、ＳＯＦＣに新たに供給される改質燃料に含まれる炭素のモル数に対する、ＣＯ₂ガス及びＨ₂Ｏガスの分離が終了した後の循環ガスに含まれる水蒸気のモル数の比をいう。循環Ｓ／Ｃ比を算出するに際しては、循環ガス中に含まれる炭素量は考慮されない。

一般に、循環Ｓ／Ｃ比が小さくなるほど、改質流路内においてカーボンが析出しやすくなる。従って、循環Ｓ／Ｃ比は、カーボン析出を抑制することが可能な下限値（Ｌ）以上が好ましい。このような下限値（Ｌ）は、改質燃料の種類により異なる。例えば、改質燃料がガソリンである場合、下限値（Ｌ）は、２である。一方、改質燃料がアルコールである場合、下限値（Ｌ）は、４〜５である。

一方、循環Ｓ／Ｃ比が大きくなりすぎると、水蒸気改質反応に消費されなかったＨ₂ＯガスがそのままＳＯＦＣに供給され、濃度分極によるセル電圧の低下を招く。従って、循環Ｓ／Ｃ比は、濃度分極によるセル電圧の低下率が理論起電力の１２％以下となるような値以下が好ましい。循環Ｓ／Ｃ比は、カーボン析出が抑制される限りにおいて、低いほど良い。
このような上限値は、改質燃料の種類、ＳＯＦＣの運転条件、発電システムに要求される特性などにより異なる。通常、循環Ｓ／Ｃ比が５以下であれば、著しいセル電圧の低下を抑制することができる。

［Ｅ． バイパス路及び分配装置］
循環路には、
Ｈ₂Ｏ分離器の上流側にある循環路と下流側にある循環路とを直接繋ぐバイパス路と、
循環ガスをバイパス路とＨ₂Ｏ分離器に分配する分配装置と
をさらに備えていても良い。
分配装置としては、例えば、開度により循環ガスの分配率を任意に制御可能な流量制御バルブなどがある。

Ｈ₂Ｏ分離器に分配された循環ガスは、水蒸気の凝縮に伴い、温度が低下する。一方、バイパス路に分配された循環ガスは、そのまま通過するため、温度低下がほとんどない。そのため、予め定められた分配率で循環ガスをバイパス路とＨ₂Ｏ分離器に分配し、Ｈ₂Ｏ分離器に分配された循環ガスからＨ₂Ｏガスの全部を分離し、その後に分配された循環ガスを合流させると、エネルギーロスを最小限に抑制しながら、循環Ｓ／Ｃ比を容易に一定の値に保つことができる。

［１．３．４． 混合装置］
混合装置は、ＣＯ₂ガス及びＨ₂Ｏガスが分離された後の循環ガスと、改質流路に新たに供給するための改質燃料とを混合するためのものである。このような機能を備えている限りにおいて、混合装置の構造は、特に限定されない。
混合装置としては、例えば、エゼクタ、高温循環ポンプ、高温ブロア、ターボコンプレッサなどがある。特に、エゼクタは、
（ａ）小型で、可動部分がない、
（ｂ）ＳＯＦＣの作動温度レベルで循環ガスを改質流路に戻すことができるので、ガスエンタルピの損失が抑えられ、システム効率の低下を抑制することができる、
などの利点がある。そのため、エゼクタは、混合装置として好適である。

［１．４． 熱交換手段］
上述した構成を備えた発電システムにおいて、発電時に様々な部分で熱の吸収又は放出が起こる。放出された熱は、そのまま外気に廃棄し、吸収される熱は、外部熱源から供給しても良い。しかし、発電効率を向上させるためには、放出される熱を熱交換手段を用いて回収し、吸熱を伴う部位で再利用するのが好ましい。このような熱交換手段としては、以下のようなものがある。以下の熱交換手段は、物理的に可能な限りにおいて、２種以上を組み合わせて用いることができる。

［１．４．１． 改質器用熱交換手段］
「改質器用熱交換手段」とは、固体酸化物型燃料電池と改質流路との間の熱交換によって、固体酸化物型燃料電池の発電に伴う内部発熱を改質流路に供給し、改質流路内での水蒸気改質反応を行わせるための手段をいう。
ＳＯＦＣの作動温度は、通常、改質器の作動温度と同等以上である。そのため、改質器用熱交換手段を用いてＳＯＦＣの内部発熱を改質流路に伝達すれば、外部熱源から熱の供給を受けることなく、水蒸気改質反応を継続することができる。

ＳＯＦＣ−改質流路間の熱交換を効率よく行うためには、
（ａ）単セルと改質流路とを交互に積層し、
（ｂ）改質流路とアノード流路及び／又はカソード流路とを熱的に接続する
のが好ましい。
このような構造を備えたＳＯＦＣは、ＳＯＦＣの内部発熱を利用して改質（内部改質型）を行い、かつ、改質触媒が担持された改質流路とＳＯＦＣのアノードが分離（間接改質型）している燃料電池、すなわち「間接内部改質型燃料電池」である。

間接内部改質型燃料電池の場合、具体的には、
（ａ）改質流路、アノード流路及びカソード流路の材料として、それぞれ、高熱伝導率材料（例えば、Ｃｕ合金、Ａｌ合金など）を用い、
（ｂ）各流路内に、それぞれ、高熱伝導率材料からなる多数の伝熱隔壁、伝熱フィン、伝熱リブなどを設け、
（ｃ）改質流路とアノード流路との間、及び改質流路とカソード流路との間を、熱伝達が可能な手段（例えば、溶接、ロウ付けなど）を用いて接合・一体化する
のが好ましい。

［１．４．２． ＣＯ₂分離器用熱交換手段］
「ＣＯ₂分離器用熱交換手段」とは、ＣＯ₂吸収材がＣＯ₂ガスを吸収する際に発生する吸収熱を回収し、又は、ＣＯ₂吸収材がＣＯ₂ガスを放出する際に必要な吸収熱を発電システムの他の部分から供給するための手段をいう。

例えば、循環路に２個以上のＣＯ₂分離器が並列に接続されており、かつ、上述した切替作動手段を備えた発電システムの場合、
（ａ）循環路に接続されたＣＯ₂分離器（Ａ）とカソード流路に供給するためのカソード用空気との間で熱交換を行うことによって、ＣＯ₂分離器（Ａ）がＣＯ₂ガスを吸収する際に放出される吸収熱を用いて、カソード用空気を加熱するＣＯ₂分離器用熱交換手段（Ａ）と、
（ｂ）循環路から切り離されたＣＯ₂分離器（Ｂ）とカソード流路から排出されたカソードオフガスとの間で熱交換を行うことによって、カソードオフガスの顕熱を用いて、ＣＯ₂分離器（Ｂ）からＣＯ₂ガスを放出させるＣＯ₂分離器用熱交換手段（Ｂ）と
をさらに備えているのが好ましい。

従来、カソード用空気をＳＯＦＣに供給する場合、改質燃料又はアノードオフガスの一部を燃焼器で燃焼させ、その際の燃焼熱を用いてカソード用空気を加熱していた。しかし、この方法では、エネルギーロスが大きく、高い発電効率は得られない。
これに対し、ＣＯ₂分離器（Ａ）から放出される吸収熱を用いてカソード用空気の加熱を行うと、カソード用空気の加熱のために消費される燃料を減らすことができる。
また、カソードオフガスは、高温であり、ＣＯ₂吸収材を再生させるのに十分な熱量を持つ。そのため、カソードオフガスの顕熱を用いてＣＯ₂吸収材を再生させると、再生に伴うエネルギーロスを軽減することができる。

［１．４．３． Ｈ₂Ｏ分離器用熱交換手段］
「Ｈ₂Ｏ分離器用熱交換器」とは、循環ガスからＨ₂Ｏガスを凝縮させる際に放出される凝縮熱を回収し、発電システムの加熱に再利用するための手段をいう。
Ｈ₂Ｏ分離器用熱交換手段は、具体的には、Ｈ₂Ｏ分離器とカソード流路に供給するためのカソード用空気との間で熱交換を行うことによって、循環ガスからＨ₂Ｏガスを凝縮分離させるものが好ましい。
循環ガスとカソード用空気との間で熱交換を行うと、循環ガスからＨ₂Ｏガスが凝縮分離されると同時に、カソード用空気が加熱される。そのため、カソード用空気の加熱のために消費される改質燃料を減らすことができる。

［１．４．４． 空気用熱交換手段］
「空気用熱交換手段」とは、
ＣＯ₂分離器用熱交換手段（Ａ）から排出されたカソード用空気と、Ｈ₂Ｏ分離器用熱交換手段から排出されたカソード用空気とを合流させ、
合流させたカソード用空気と、ＣＯ₂分離器用熱交換手段（Ｂ）から排出されたカソードオフガスとの間で熱交換を行うことによって、カソード用空気をさらに加熱するための手段をいう。
ＳＯＦＣから排出されたカソードオフガスは多量の熱を持つため、ＣＯ₂分離器用熱交換手段（Ｂ）により熱の一部が奪われた後であっても、カソードオフガスには、かなりの熱が残存している。この残存熱を用いてカソード用空気をさらに加熱することができる。

［２． 具体例］
［２．１． 第１の実施の形態］
［２．１．１． 構成］
図１に、本発明の第１の実施の形態に係る発電システムの模式図を示す。図１において、発電システム１０ａは、ＳＯＦＣ１２ａと、熱交換型改質器１４ａと、循環路１６とを備えている。

ＳＯＦＣ１２ａは、アノード流路／電解質・電極接合体／カソード流路の積層体からなる単セル（図示せず）を備えている。ＳＯＦＣ１２ａのアノード流路の入口は、熱交換型改質器１４ａの改質流路（図示せず）の出口に接続され、アノード流路の出口は、循環路１６に接続されている。また、ＳＯＦＣ１２ａのカソード流路の入口は、カソード用空気の供給源（図示せず）に接続され、カソード流路の出口は、熱交換型改質器１４ａの熱交換器（図示せず）の入口に接続されている。さらに、熱交換型改質器１４ａの改質流路の入口は、改質燃料供給源（図示せず）から改質燃料を供給するための燃料流路３２に接続されている。

循環路１６の一端は、ＳＯＦＣ１２ａのアノード流路の出口に接続され、他端は、燃料流路３２に接続されている。
循環路１６には、ＣＯ₂分離器１８及びＨ₂Ｏ分離器２０が接続されている。図１に示す例の場合、循環ガスの流れの上流側にＣＯ₂分離器１８が接続され、下流側にＨ₂Ｏ分離器２０が接続されている。Ｈ₂Ｏ分離器２０の上流側にある循環路１６と下流側にある循環路１６とは、バイパス路２２により直接繋がれている。Ｈ₂Ｏ分離器２０の上流側にある循環路１６とバイパス路２２との分岐点には、流量制御バルブ２４が接続されている。流量制御バルブ２４は、循環ガスをバイパス路２２とＨ₂Ｏ分離器２０に分配するための分配装置である。
さらに、循環路１６と、燃料流路３２との結合点には、エゼクタ２６が接続されている。エゼクタ２６は、ＣＯ₂ガス及びＨ₂Ｏガスが分離された後の循環ガスと、熱交換型改質器１４ａの改質流路に新たに供給するための改質燃料とを混合するための混合装置である。

［２．１．２． 発電方法］
図１に示す発電システム１０ａを用いた発電は、以下のようにして行われる。
すなわち、所定の温度に加熱された熱交換型改質器１４ａの改質流路に改質燃料（及び、循環ガスに含まれる水蒸気）が供給されると、熱交換型改質器１４ａ内において水蒸気改質反応が起こり、Ｈ₂及びＣＯを主成分とする改質ガスが生成する。
生成した改質ガスをＳＯＦＣ１２ａのアノード流路に供給すると同時に、空気をカソード流路に供給すると、ＳＯＦＣ１２ａ内で電極反応が進行する。その結果、アノード流路から、未利用燃料、並びに、反応生成物であるＨ₂Ｏガス及びＣＯ₂ガスを含むアノードオフガスが排出される。

アノード流路から排出されたアノードオフガスは、循環ガスとして循環路１６に供給される。ＣＯ₂分離器１８では、循環ガスに含まれるＣＯ₂ガスの全部又は一部が除去される。ＣＯ₂ガスは循環させる必要がないので、ＣＯ₂ガスの全部を除去するのが好ましい。次いで、ＣＯ₂ガスが除去された後の循環ガスは、流量制御バルブ２４により、所定の分配率でＨ₂Ｏ分離器２０及びバイパス路２２にそれぞれ分配される。
Ｈ₂Ｏ分離器２０では、分配された循環ガスに含まれるＨ₂Ｏガスの全部又は一部が除去される。循環Ｓ／Ｃ比は、Ｈ₂Ｏ分離器２０におけるＨ₂Ｏガスの除去率で制御することもできるが、流量制御バルブ２４による分配率で制御することもできる。制御を容易化するには、Ｈ₂Ｏ分離器２０でＨ₂Ｏガスの全部を除去し、循環Ｓ／Ｃ比を流量制御バルブ２４による分配率で制御するのが好ましい。

Ｈ₂Ｏ分離器２０及びバイパス路２２を通過した循環ガスは、Ｈ₂Ｏ分離器２０の下流側で合流し、エゼクタ２６に供給される。エゼクタ２６に供給された循環ガスは、圧力差によって吸引され、改質燃料供給源から新たに供給される改質燃料と混合される。エゼクタ２６で混合された燃料は、再び熱交換型改質器１４ａの改質流路に供給される。混合燃料には、所定量のＨ₂Ｏガスが含まれているので、外部からＨ₂Ｏを供給することなく、水蒸気改質反応を継続することができる。

［２．１．３． 効果］
［Ａ． Ｈ₂ＯとＣＯ₂のＦＣ作動温度レベルでの分離］
熱交換型改質器１４ａにより改質燃料から変換された改質ガスは、Ｈ₂及びＣＯを多く含む。ＳＯＦＣ１２ａのカソードに供給された改質ガスは、アノードにおいて、カソードから伝導した酸化物イオンと反応し、Ｈ₂Ｏ及びＣＯ₂を生成する。アノードから排出されるアノードオフガスは、生成ガス（Ｈ₂Ｏ、ＣＯ₂）と発電に利用されない燃料ガス（Ｈ₂、ＣＯ、ＣＨ₄など）との合成ガスであり、その組成は燃料利用率で決まる。

アノードオフガスがエゼクタ２６に供給されると、エゼクタ２６により、改質燃料ガスの運動エネルギーが、改質燃料ガスと循環ガス（アノードオフガス）との圧力差（圧力エネルギー）に変換される。その結果、循環ガスは、改質燃料ガスに吸引され、熱交換型改質器１４ａに供給される。これにより、高温循環ポンプが不要となり、未利用燃料の再利用が可能となる。また、発電により生成したＨ₂Ｏを改質原料として利用可能となるため、改質原料用水タンクが不要となる。

さらに、ＳＯＦＣ１２ａの作動温度レベルでガスを循環させることができるので、ガスエンタルピの損失が抑えられ、システム効率の低下を抑制することができる。
ＳＯＦＣ１２ａは、燃料ガス（Ｈ₂、ＣＯ）の化学エネルギーから熱エネルギー（ＴΔＳ：Ｔは温度（Ｋ）、ΔＳはエントロピー変化）を差し引いた自由エネルギー分を理想的な電気エネルギーとして取り出すことが可能である。一方、ＦＣ作動条件（ガス濃度、圧力、温度、電流密度、電極・電解質材料）に依存する濃度分極による損失、活性化分極による損失、電気抵抗による損失が生じるため、外部回路に取り出せる電気エネルギーは、自由エネルギー分より減少する。

これに対し、循環ガスからＣＯ₂及びＨ₂Ｏを分離することにより循環ガス中のＣＯ₂分圧及びＨ₂Ｏ分圧を低下させると、循環ガス中の化学エネルギーを系外に放出することなく、循環ガス量の増加及び濃度分極によるセル電圧の低下を抑えることができる。
さらに、
（ａ）循環ガス中のＣＯ₂ガス及びＨ₂ＯガスをＦＣ作動温度レベルで分離すると同時に、
（ｂ）循環Ｓ／Ｃ比がカーボン析出条件以上（ガソリンの場合は、Ｓ／Ｃ≧２）となるようにＨ₂Ｏ分離器２０を制御することで、
循環ガスのエンタルピ損失を抑制し、かつ、改質流路内でのカーボン析出を抑制することが可能となる。

同時に、ガス分離＋アノードオフガス循環システムでは、系外に放出されるエネルギーを最小にすることができるため、ＦＣ燃料利用率を任意に設定することが可能となる。本発明では、低燃料利用率運転により、発電に伴い生成されるＨ₂Ｏガス及びＣＯ₂ガスの濃度分極による発電損失をさらに抑制することができる。そのため、熱・化学エネルギーの有効利用だけでなく、発電損失を軽減することで、システムの高効率化が可能となる。

［Ｂ． バイパス路を用いた循環ガスの分配］
Ｈ₂Ｏ凝縮器２０の両端をバイパス路２２で直接繋ぎ、分岐側に流量制御バルブ２４を接続すると、流量制御バルブ２４により、バイパス路２２を流れる循環ガス（主流ガス）の量とＨ₂Ｏ凝縮器２０を流れる循環ガス（分岐ガス）の量の比を任意に制御することができる。分岐ガスは、Ｈ₂Ｏ凝縮器２０において、凝縮分離によりＨ₂Ｏが液体として除去された後、主流ガスと合流する。

そのため、流量制御バルブ２４で分岐ガスの量を制御することによって、合流後の循環ガスの循環Ｓ／Ｃ比をカーボン析出条件以上となるように制御することができる。すなわち、水蒸気改質反応に対して必要最小限の水蒸気量を循環させることができる。これにより、Ｈ₂Ｏ凝縮器２０を流れる不凝縮性ガス（Ｈ₂、ＣＯなど）の再合流時における顕熱ロスが最小となり、改質流路内のカーボン析出が抑制され、かつ、ＦＣの濃度分極によるセル電圧の低下を抑制することができる。

［２．２． 第２の実施の形態： 間接内部改質型燃料電池］
［２．２．１． 構成］
図２に、本発明の第２の実施の形態に係る発電システムの断面模式図を示す。図２において、発電システム１０ｂは、ＳＯＦＣ１２ｂと、改質流路（熱交換型改質器）１４ｂと、循環路１６とを備えている。循環路１６には、ＣＯ₂分離器１８、Ｈ₂Ｏ分離器２０、バイパス路２２、及び流量制御バルブ２４が接続されている。また、循環路１６と燃料流路３２の結合点には、エゼクタ２６が接続されている。
これらの内、ＳＯＦＣ１２ｂ及び改質流路（熱交換型改質器）１４ｂ以外の構成要素については、第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。

図３に、本実施の形態に係るＳＯＦＣ及び改質流路の模式図を示す。本実施の形態において、ＳＯＦＣ１２ｂ及び熱交換型改質器は、アノード流路／電解質・電極接合体／カソード流路の積層体からなる単セル３０と、改質流路１４ｂとが交互に積層された構造を備えている。
改質流路１４ｂ、アノード流路、及びカソード流路は、それぞれ、平板フィン（伝熱隔壁、伝熱フィン）付きプレートで構成されている。また、改質流路１４ｂとアノード流路との間、及び改質流路１４ｂとカソード流路との間は、それぞれ、互いに熱伝達が可能となるように、一体的に接合されている。すなわち、図２及び図３において、ＳＯＦＣ１２は、間接内部改質型燃料電池である。

［２．２．２． 発電方法］
図２及び図３に示す発電システム１０ｂを用いた発電は、以下のようにして行われる。
すなわち、ＳＯＦＣ１２ｂの内部発熱により加熱された改質流路１４ｂに改質燃料（及び、循環ガスに含まれる水蒸気）が供給されると、改質流路１４ｂ内において水蒸気改質反応が起こり、Ｈ₂及びＣＯを主成分とする改質ガスが生成する。
生成した改質ガスをＳＯＦＣ１２ｂのアノード流路に供給すると同時に、空気をカソード流路に供給すると、ＳＯＦＣ１２ｂ内で電極反応が進行する。その結果、アノード流路から、未利用燃料、並びに、反応生成物であるＨ₂Ｏガス及びＣＯ₂ガスを含むアノードオフガスが排出される。
以下、第１の実施の形態と同様にして、循環ガスの処理（すなわち、ＣＯ₂ガスの分離、Ｈ₂Ｏガスの分離、及び循環Ｓ／Ｃ比の制御）が行われる。

［２．２．３． 効果］
燃料電池では、電気エネルギーとして取り出すことが不可能な熱エネルギー（ＴΔＳ）の他、発電に伴い電池内部で発生する各損失に起因する熱を生じる。直接型ＦＣでは、改質触媒を担持させたアノードにおいて、改質燃料が改質され、改質ガスに変換される。同時に、アノードでは、生成した改質ガスとカソードから伝導する酸化物イオンとが反応し、発熱する。直接型ＦＣでは、この発熱を水蒸気改質反応（吸熱反応）に利用することができる。しかし、改質反応により生成されるカーボンは、アノードを被毒し、電極活性を著しく低下させるおそれがある。

これに対し、改質流路１４ｂ、アノード流路、及びカソード流路を高熱伝導率材料で構成すると同時に、改質流路１４ｂをアノード流路とカソード流路で挟むことで、アノードでの電極反応と水蒸気改質反応とを独立に制御することができる。また、これによって、アノードへのカーボン析出が回避される。
さらに、電解質・電極接合体で発生した熱がカソード流路及びアノード流路の伝熱隔壁を経由して改質流路１４ｂ内の改質触媒に供給される。これにより、電極反応と改質反応とが同じ温度レベルで進行し、熱交換によるエネルギーロスが軽減されるので、高効率システムを実現することができる。

［２．３． 第３の実施の形態： 切替作動手段］
［２．３．１． 構成］
図４に、本発明の第３の実施の形態に係る発電システムの断面模式図を示す。図４において、発電システム１０ｃは、ＳＯＦＣ１２ｃと、熱交換型改質器１４ｃと、循環路１６とを備えている。

ＳＯＦＣ１２ｃのアノード流路の入口は、熱交換型改質器１４ｃの改質流路（図示せず）の出口に接続され、アノード流路の出口は、循環路１６に接続されている。循環路１６には、２個の切替バルブ２８、３０が設けられ、切替バルブ２８−切替バルブ３０間には、ＣＯ₂分離器（Ａ）１８ａ及びＣＯ₂分離器（Ｂ）１８ｂが並列に接続されている。切替バルブ２８、３０は、ＣＯ₂分離器（Ａ）１８ａ又はＣＯ₂分離器（Ｂ）１８ｂの一方を循環路１６に接続している間に、他方を循環路１６から切り離すためのものである（切替作動手段）。図４においては、切り離された状態が破線で表示されている。

切替バルブ３０の下流側には、流量制御バルブ２４及びＨ₂Ｏ分離器２０がこの順で接続されている。Ｈ₂Ｏ分離器２０の両端（図４に示す例では、流量制御バルブ２４の入口側とＨ₂Ｏ分離器２０の出口側）は、バイパス路２２で繋がれている。さらに、循環路１６の末端には、エゼクタ２６が接続されている。エゼクタ２６は、改質燃料を供給するための燃料流路３２に接続され、燃料流路３２の末端は、熱交換型改質器１４ｃの改質流路の入口側に接続されている。

ＳＯＦＣ１２ｃのカソード流路の出口は、切替バルブ３６に接続されている。切替バルブ３６は、ＳＯＦＣ１２ｃのカソードから排出されるカソードオフガスを、ＣＯ₂分離器（Ａ）１８ａ又はＣＯ₂分離器（Ｂ）１８ｂのいずれか一方の熱交換器（図示せず）に供給するためのものである。切替バルブ３６を介してＣＯ₂分離器（Ｂ）１８ｂ（又は、ＣＯ₂分離器（Ａ）１８ａ）に供給されたカソードオフガスは、ＣＯ₂分離器（Ｂ）１８ｂからＣＯ₂ガスを放出させるため、すなわち、ＣＯ₂吸収材を再生させるために用いられる（ＣＯ₂分離器用熱交換手段（Ｂ））。

熱交換器３４（空気用熱交換手段）は、ＣＯ₂分離器（Ｂ）１８ｂに対してＣＯ₂ガスを放出する際に必要な放出熱を供給した後のカソードオフガス顕熱を用いて、カソード用空気をさらに加熱するためのものである。具体的には、熱交換器３４は、
（ａ）ＣＯ₂分離器（Ａ）１８ａがＣＯ₂ガスを吸収する際に発生する吸収熱を回収したカソード用空気（ＣＯ₂分離器用熱交換手段（Ａ））と、Ｈ₂Ｏ分離器２０がＨ₂Ｏガスを凝縮させる際に発生する凝縮熱を回収したカソード用空気（Ｈ₂Ｏ分離器用熱交換手段）とを合流させたガス（低温熱交換媒体）と、
（ｂ）ＣＯ₂分離器（Ｂ）１８ｂに対してＣＯ₂ガスを放出する際に必要な放出熱を供給した後のカソードオフガス（高温熱交換媒体）と
の間で熱交換を行うことが可能な構造を備えている。熱交換器３４のカソード用空気の出口は、ＳＯＦＣ１２ｃのカソード流路の入口に接続されている。
なお、切替バルブ２８、３０により、ＣＯ₂分離器（Ｂ）１８ｂが循環路１６に接続された場合には、同時に、熱交換器３４はＣＯ₂分離器（Ａ）１８ａに接続され、ＣＯ₂分離器（Ａ）１８ａから排出されるカソードオフガスの顕熱を用いて、カソード用空気のさらなる加熱が行われる。

また、Ｈ₂Ｏ分離器２０を用いて循環ガスを冷却する場合、冷媒には、外気を用いても良く、あるいは、カソード用空気を用いても良い。すなわち、図４に示すように、Ｈ₂Ｏ分離器２０は、Ｈ₂Ｏ分離器２０とカソード用空気との間で熱交換を行うことによって、循環ガスからＨ₂Ｏガスを凝縮分離させる手段（Ｈ₂Ｏ分離器用熱交換手段）を備えていても良いが、これを省略することもできる。

さらに、ＣＯ₂分離器（Ｂ）１８ｂ（又は、ＣＯ₂分離器（Ａ）１８ａ）の再生に使用された後のカソードオフガスは、図４に示すように、カソード用空気のさらなる加熱に再利用しても良く、あるいは、そのまま廃棄してもよい。すなわち、空気用熱交換手段は、省略することもできる。

［２．３．２． 発電方法］
図４に示す発電システム１０ｃを用いた発電は、以下のようにして行われる。
すなわち、所定の温度に加熱された熱交換型改質器１４ｃの改質流路に改質燃料（及び、循環ガスに含まれる水蒸気）が供給されると、熱交換型改質器１４ｃの改質流路内において改質ガスが生成する。生成した改質ガスをＳＯＦＣ１２ｃのアノード流路に供給すると同時に、空気をカソード流路に供給すると、ＳＯＦＣ１２ｃ内で電極反応が進行し、アノード流路からアノードオフガスが排出される。

次に、アノード流路から排出されたアノードオフガスは、切替バルブ２８を介してＣＯ₂分離器（Ａ）１８ａに供給される。ＣＯ₂分離器（Ａ）１８ａでは、循環ガスに含まれるＣＯ₂ガスの全部又は一部が除去される。この時、ＣＯ₂分離器（Ａ）１８ａでは、吸収熱が放出される。この吸収熱は、カソード用空気の加熱に用いられる。ＣＯ₂分離器（Ａ）１８ａで加熱されたカソード用空気は、熱交換器３４に供給される。
ＣＯ₂分離器（Ａ）から排出されたアノードオフガスは、一部がＨ₂Ｏ分離器２０に分配され、そこでＨ₂Ｏガスの全部が除去される。この時、Ｈ₂Ｏ分離器２０では、凝縮熱が放出される。この凝縮熱は、別のカソード用空気の加熱に用いられる。Ｈ₂Ｏ分離器（Ａ）で加熱されたカソード用空気は、熱交換器３４に供給され、ＣＯ₂分離器（Ａ）１８ａで加熱されたカソード用空気と合流する。

一方、循環路１６から切り離されているＣＯ₂分離器（Ｂ）１８ｂには、切替バルブ３６を介してカソードオフガスが供給される。ＣＯ₂分離器（Ｂ）１８ｂでは、カソードオフガスの顕熱を用いて、ＣＯ₂吸収材の再生が行われる。さらに、ＣＯ₂分離器（Ｂ）１８ｂから排出されたカソードオフガスは、熱交換器３４に供給され、カソード用空気のさらなる加熱に利用される。熱交換器３４から排出されたカソード用空気は、ＳＯＦＣ１２ｃのカソード流路に供給される。

この状態で発電を継続した結果、ＣＯ₂分離器（Ａ）１８ａのＣＯ₂吸収能が低下した時には、ＣＯ₂分離器（Ａ）１８ａを循環路１６から切り離すと同時に、ＣＯ₂分離器（Ｂ）１８ｂを循環路１６に接続する。以下、同様にして、ＣＯ₂分離器（Ａ）１８ａとＣＯ₂分離器（Ｂ）１８ｂを交互に切替作動させると、発電システム１０ｃを停止させることなく、ＣＯ₂ガスの吸収及び放出を行うことができる。

［２．３．３． 効果］
［Ａ． 切替作動手段］
高温でＣＯ₂を吸収／放出可能な材料を充填した熱交換型のＣＯ₂分離器において、吸収時には、ＣＯ₂吸収により発生する熱を媒体（低温ガス）と熱交換し、ＣＯ₂吸収材を冷却する。これにより、ＣＯ₂吸収材の温度を吸収反応速度が比較的速い温度領域にすることができる。一方、放出時には、媒体（高温ガス）との熱交換により、ＣＯ₂放出に必要な熱をＣＯ₂吸収材に吸収させ、ＣＯ₂吸収材を加熱する。これにより、ＣＯ₂吸収材の温度を放出反応速度が比較的速い温度域にすることができる。

本実施の形態では、アノード流路の出口において、切替バルブ２８、３０を介してＣＯ₂分離器（Ａ）１８ａ及びＣＯ₂分離器（Ｂ）１８ｂが並列に接続されている。そのため、一方を循環路１６に接続し、ＣＯ₂の吸収及び媒体によるＣＯ₂吸収材の冷却を行うと同時に、他方を循環路１６から切り離し、ＣＯ₂の放出及び媒体によるＣＯ₂吸収材の加熱を行うことができる。また、このような吸収／放出を交互に行うことで、連続的なＣＯ₂の吸収／放出が可能となる。

［Ｂ． ＣＯ₂分離器用熱交換手段］
循環ガス中のＣＯ₂を高温で吸収すると同時に、ＣＯ₂吸収材とカソード用空気との間で熱交換すると、ＣＯ₂吸収反応の温度を反応速度の速い温度域（４００〜６５０℃）にすることができる。また、これと同時に、常温で流入するカソード用空気を加熱することができる。そのため、吸収反応熱がガス顕熱上昇分として有効利用され、システム効率が向上する。
一方、ＣＯ₂を吸収したＣＯ₂吸収材は、カソード流路から排出される高温のカソードオフガスと熱交換することにより、吸収したＣＯ₂を高温で放出することができる。これにより、カソードオフガスとの熱交換を利用した熱回収・利用型の連続バッチ作動式のＣＯ₂分離が可能となり、システム効率が向上する。

［Ｃ． Ｈ₂Ｏ分離器用熱交換手段］
Ｈ₂Ｏ分離器２０では、Ｈ₂Ｏガスが凝縮分離されると同時に、蒸発潜熱（温熱）が発生する。そこで、熱交換型のＨ₂Ｏ分離器２０にカソード用空気を流し、これと循環ガスとを熱交換させると、循環ガス中のＨ₂Ｏガスを凝縮分離することができる。また、これと同時に、蒸発潜熱をカソード用空気により回収することができる。これにより、連続的なＨ₂Ｏ分離と、システム効率の向上が可能となる。

［Ｄ． 空気用熱交換手段］
ＣＯ₂分離器（Ａ）１８ａでＣＯ₂吸収熱と熱交換されたカソード用空気と、Ｈ₂Ｏ分離器２０で凝縮熱と熱交換されたカソード用空気とを合流させる。次いで、この合流ガスとＣＯ₂分離器（Ｂ）１８ｂでＣＯ₂放出熱と熱交換されたカソードオフガスとを熱交換させると、カソード用空気の加熱に要するエネルギーが顕熱上昇分だけ軽減される。その結果、系外に放出されるロス分（カソードオフガス顕熱）が抑制され、システム効率が向上する。

［１． 試験方法］
本発明に係る発電システム及び従来型の発電システムについて、システム効率をシミュレーションにより求めた。ＳＯＦＣのアノード、カソード、及び電解質膜の材料には、それぞれ、Ｎｉ−ＹＳＺ、ＬａＳｒＭｎＯ₃、及びＹＳＺを選択した。また、各材料の厚み及び抵抗率については、表１に記載の値を用いた。

ＳＯＦＣの起電力Ｖ及び発電出力Ｗは、それぞれ、以下の（１）式及び（２）式から求めた。
起電力Ｖ＝Ｖ_th−Ｖ_act−Ｖ_ohn ・・・（１）
発電出力Ｗ＝Ｖ・Ｊ_e ・・・（２）
（１）式中、Ｖ_thは理論起電力から濃度分極による起電力低下を差し引いた値（Nerunst式）、Ｖ_actは活性化分極による起電力低下（Tafel式）、Ｖ_ohmは抵抗分極による起電力低下（参考文献１）である。Ｖ_th、Ｖ_act、及びＶ_ohmは、それぞれ、以下の（３）〜（５）式で表される。また、（２）式中、Ｊ_eは、電流密度である。
［参考文献１］ Jack Winnick et al., J.Electochem.Soc, Vol.142(11)1995

［２． 結果］
［２．１． ＣＯ₂及びＨ₂Ｏの分離の有無の影響］
［２．１．１． ＣＯ₂及びＨ₂Ｏの分離なし］
図５に、アノードオフガスからＣＯ₂及びＨ₂Ｏを分離することなく循環ガスとして再利用したときの、（ａ）発電効率及び水蒸気／カーボン比に及ぼす循環率の影響、及び（ｂ）アノードオフガスエネルギー／投入燃料比に及ぼす循環率の影響を示す。燃料利用率Ｕ_fは、０．７５とした。図４中、「循環Ｈ_2LHV（循環ＣＯ_LHV）」は、循環Ｈ₂ガス（循環ＣＯガス）の低位発熱量である。

循環無しの場合、発電効率は、４２．４％であった。一方、ＣＯ₂及びＨ₂Ｏの分離なし、かつ、循環有りの場合、循環率を０．５〜０．８とすると、発電効率は５６．３〜６１．２％に向上した。循環率が小さくなるほど、循環Ｓ／Ｃ比が低下し、循環率が０．６以下になると、循環Ｓ／Ｃ比は、２未満となった。一方、循環率が大きくなるほど、循環Ｓ／Ｃ比は大きくなるが、アノードオフガスエネルギ−／投入燃料比（すなわち、エネルギーロス）が増大した。その結果、循環率が０．７の時に、最大発電効率６１．２％が得られた。

図６に、アノードオフガスからＣＯ₂及びＨ₂Ｏを分離することなく循環ガスとして再利用したときの、（ａ）循環ガス流量に及ぼす循環率の影響、及び（ｂ）起電力に及ぼす循環率の影響を示す。燃料利用率Ｕ_fは、０．７５とした。
低循環率（≦０．６）では、循環ガス中のＨ₂Ｏ量が少ないため、Ｈ₂＋ＣＯ流量が減少した。そのため、循環Ｓ／Ｃ比が２未満となり、カーボンが析出するおそれがある。さらに、Ｈ₂Ｏ不足により、メタネーション反応が促進されるおそれがある。一方、循環率を増加させると、循環ガス中のＨ₂Ｏ及びＣＯ₂量が増大し、濃度分極による損失が拡大した。
以上の結果から、アノードオフガス循環だけでは、高効率（≧７０％）を実現できないことがわかった。

［２．１．２． ＣＯ₂及びＨ₂Ｏの分離あり］
図７に、アノードオフガスからＣＯ₂及びＨ₂Ｏを分離したものを循環ガスとして再利用したときの、（ａ）発電効率及びＣＯ₂循環ガス量に及ぼすＣＯ₂分離率の影響、及び（ｂ）起電力に及ぼすＣＯ₂分離率の影響を示す。循環率は１００％、Ｈ₂Ｏ分離率は循環Ｓ／Ｃ比が２となる値、燃料利用率Ｕ_fは０．９５とした。
ＣＯ₂分離率が大きくなるほど、発電効率が向上した。これは、ＣＯ₂分離率が大きくなるほど、ＣＯ₂の濃度分極による発電ロスが軽減されるためである。

［２．２． 循環Ｓ／Ｃ比の影響］
図８に、アノードオフガスからＣＯ₂及びＨ₂Ｏを分離したものを循環ガスとして再利用したときの、（ａ）発電効率及びＨ₂Ｏ循環ガス量に及ぼす循環Ｓ／Ｃ比の影響、及び（ｂ）起電力に及ぼす循環Ｓ／Ｃ比の影響を示す。循環率は１００％、ＣＯ₂分離率は１００％、燃料利用率Ｕ_fは０．９５とした。
循環Ｓ／Ｃ比が大きくなるほど、発電効率が低下した。これは、循環Ｓ／Ｃ比が大きくなるほど、Ｈ₂Ｏの濃度分極による発電ロスが拡大するためである。従って、循環Ｓ／Ｃ比は、カーボンが析出しない条件（ガソリンの場合は、Ｓ／Ｃ≧２）である限りにおいて、小さい程良いことがわかった。

［２．３． 燃料利用率の影響］
図９に、アノードオフガスからＣＯ₂及びＨ₂Ｏを分離したものを循環ガスとして再利用したときの、（ａ）発電効率及び投入燃料量に及ぼす燃料利用率の影響、及び（ｂ）起電力に及ぼす燃料利用率の影響を示す。循環率は１００％、ＣＯ₂分離率は１００％、循環Ｓ／Ｃ比は２とした。
ガス循環を行わない場合、一般に、燃料利用率が小さくなるほど、発電効率が低下する。一方、ガス循環を行う場合、燃料利用率が小さくなるほど、発電効率は向上した。これは、ガス循環により未利用燃料が少なくなると同時に、電極反応に伴うＨ₂Ｏ及びＣＯ₂の生成反応が抑制され、濃度分極が軽減されるためである。燃料利用率を０．５５とした場合、発電効率は７４．９％まで向上すると予想される。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。

本発明に係る発電システムは、車載動力源、定置型小型発電器などに用いることができる。

１０ａ 発電システム
１２ａ 固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）
１４ａ 熱交換型改質器
１６ 循環路
１８ ＣＯ₂分離器
２０ Ｈ₂Ｏ分離器
２２ バイパス路
２４ 流量制御バルブ（分配装置）
２６ エゼクタ（混合装置）
３２ 燃料流路

Claims (12)

1. 以下の構成を備えた発電システム。
   （１）前記発電システムは、
   アノード流路／電解質・電極接合体／カソード流路の積層体からなる単セルを備えた固体酸化物型燃料電池と、
   炭素及び水素を含む改質燃料を改質流路内で改質し、得られた改質ガスを前記アノード流路に供給する熱交換型改質器と、
   前記アノード流路から排出されたアノードオフガスを循環ガスとして前記改質流路に戻す循環路と
   を備えている。
   （２）前記循環路には、
   前記循環ガスからＣＯ₂ガスを分離するＣＯ₂分離器と、
   前記循環ガスからＨ₂Ｏガスを分離するＨ₂Ｏ分離器と、
   前記ＣＯ₂ガス及び前記Ｈ₂Ｏガスが分離された後の前記循環ガスと、前記改質流路に新たに供給するための前記改質燃料とを混合する混合装置と
   が接続されている。
   （３）前記Ｈ₂Ｏ分離器は、前記改質流路内における水蒸気／カーボン比（循環Ｓ／Ｃ比）が、前記改質流路内におけるカーボンの析出が抑制され、かつ、濃度分極によるセル電圧の低下率が理論起電力の１２％以下となるように、前記循環ガスからＨ₂Ｏガスを分離することが可能なものからなる。
2. 循環率（＝前記アノードオフガスの量に対する前記循環ガスの量の割合）が８５％以上である請求項１に記載の発電システム。
3. 前記循環ガスの流れの上流側に前記ＣＯ₂分離器が接続され、下流側に前記Ｈ₂Ｏ分離器が接続されている請求項１又は２に記載の発電システム。
4. 前記Ｈ₂Ｏ分離器の上流側にある前記循環路と下流側にある前記循環路とを直接繋ぐバイパス路と、
   前記循環ガスを前記バイパス路と前記Ｈ₂Ｏ分離器に分配する分配装置と
   をさらに備え、
   前記Ｈ₂Ｏ分離器は、前記Ｈ₂Ｏ分離器に分配された前記循環ガスからＨ₂Ｏガスの全部を分離するものからなる請求項１から３までのいずれか１項に記載の発電システム。
5. 前記固体酸化物型燃料電池と前記改質流路との間の熱交換によって、前記固体酸化物型燃料電池の発電に伴う内部発熱を前記改質流路に伝達し、前記改質流路内での水蒸気改質反応を行わせる改質器用熱交換手段をさらに備えた請求項１から４までのいずれか１項に記載の発電システム。
6. 前記改質器用熱交換手段は、
   前記単セルと前記改質流路とを交互に積層し、
   前記改質流路と前記アノード流路及び／又は前記カソード流路とを熱的に接続したものからなる
   請求項５に記載の発電システム。
7. 前記Ｈ₂Ｏ分離器と前記カソード流路に供給するためのカソード用空気との間で熱交換を行うことによって、前記循環ガスからＨ₂Ｏガスを凝縮分離させるＨ₂Ｏ分離器用熱交換手段をさらに備えた請求項１から６までのいずれか１項に記載の発電システム。
8. 前記ＣＯ₂分離器は、前記固体酸化物型燃料電池から排出されるカソードオフガス温度でＣＯ₂ガスを放出することが可能なＣＯ₂吸収材を備えている請求項１から７までのいずれか１項に記載の発電システム。
9. 前記循環路には、２個以上の前記ＣＯ₂分離器が並列に接続されており、
   少なくとも１つのＣＯ₂分離器（Ａ）を前記循環路に接続し、前記循環ガスに含まれるＣＯ₂ガスを吸収させている間に、少なくとも１つの他のＣＯ₂分離器（Ｂ）を前記循環路から切り離し、吸収したＣＯ₂ガスを放出させる切替作動手段をさらに備えている請求項１から８までのいずれか１項に記載の発電システム。
10. 前記ＣＯ₂分離器（Ａ）と前記カソード流路に供給するためのカソード用空気との間で熱交換を行うことによって、前記ＣＯ₂分離器（Ａ）がＣＯ₂ガスを吸収する際に放出される吸収熱を用いて、前記カソード用空気を加熱するＣＯ₂分離器用熱交換手段（Ａ）と、
    前記ＣＯ₂分離器（Ｂ）と前記カソード流路から排出されたカソードオフガスとの間で熱交換を行うことによって、前記カソードオフガスの顕熱を用いて、前記ＣＯ₂分離器（Ｂ）からＣＯ₂ガスを放出させるＣＯ₂分離器用熱交換手段（Ｂ）と
    をさらに備えた請求項９に記載の発電システム。
11. 前記ＣＯ₂分離器用熱交換手段（Ａ）から排出された前記カソード用空気と、前記Ｈ₂Ｏ分離器用熱交換手段から排出された前記カソード用空気とを合流させ、
    合流させた前記カソード用空気と、前記ＣＯ₂分離器用熱交換手段（Ｂ）から排出された前記カソードオフガスとの間で熱交換を行うことによって、前記カソード用空気をさらに加熱する空気用熱交換手段をさらに備えた請求項１０に記載の発電システム。
12. 前記混合装置は、エゼクタである請求項１から１１までのいずれか１項に記載の発電システム。

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