JP2018073468A

JP2018073468A - 燃料電池システム

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Publication number: JP2018073468A
Application number: JP2016207748A
Authority: JP
Inventors: 一希一色; Kazuki Isshiki; 中村　和郎; Kazuo Nakamura; 和郎中村; 俊平多久; Shunpei Taku
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2016-10-24
Filing date: 2016-10-24
Publication date: 2018-05-10
Anticipated expiration: 2036-10-24
Also published as: JP6707434B2

Abstract

【課題】アノードオフガスを再利用する際の燃料電池スタックの性能を向上させることができる燃料電池システムを得る。【解決手段】燃料電池システム１０Ａは、アノードオフガスＧ３から二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離する分離部２０を有している。第１熱交換器３０、二重管５０では、分離部２０に流入されるアノードオフガスＧ３と空気Ａとで熱交換を行い、熱交換後のアノードオフガスＧ３及び空気Ａが分離部２０へ流入される。アノードオフガスＧ３と空気Ａとの熱交換は、分離部２０における分離膜２８の機能が発揮される適温Ｔ０となるように制御されている。【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システムに関する。

燃料電池システムにおいて、エネルギー利用効率を向上させるための構成として、単一の燃料電池スタックを用い、当該燃料電池スタックから排出された未反応の燃料ガスを循環させて再利用する循環式や、燃料電池スタックを複数設け、前段の燃料電池スタックから排出された使用済みの燃料ガス中の未反応の燃料ガスを後段の燃料電池スタックで再利用する多段式が知られている。何れの構成においても、使用済みの燃料ガスに含まれる水蒸気や二酸化炭素(ＣＯ₂)を除去できれば、反応に寄与する水素及び一酸化炭素の濃度が増加することで、再利用する燃料ガスが供給される燃料電池スタックの性能向上が見込める。

上記に関連して特許文献１には、固体酸化物形燃料電池(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)の燃料処理プロセスにおいて、燃料電池スタックから排出された使用済みの燃料ガスから水蒸気を分離膜で分離して除去し、これを再生燃料ガスとして再利用する技術が開示されている。特許文献１では、透過側に空気を導入して透過側における水蒸気の分圧が下げられる例が示されており、これにより、分離膜での水蒸気の透過が促進されている。

米国特許公開２０１３／０１０８９３６

燃料電池において燃料極での使用済み燃料（アノードオフガス）から二酸化炭素や水蒸気などの特定物質を除去するために分離膜を用いる際には、さらに工夫が求められる。

本発明は上記事実を考慮して成されたもので、アノードオフガスから再生燃料ガスを生成する際に使用する分離膜の機能を有効に発揮させて、燃料電池スタックの性能を向上させることができる燃料電池システムを得ることが目的である。

請求項１記載の発明に係る燃料電池システムは、燃料極へ供給される燃料ガスと空気極へ供給される空気により発電し、前記燃料極からアノードオフガスが排出される燃料電池と、前記アノードオフガスが流入される流入部と、前記アノードオフガスから二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離する分離膜により前記流入部と区画された透過部と、を有し、前記アノードオフガスから二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の濃度が低減された再生燃料ガスを送出する分離部と、前記流入部の上流側に設けられ、内側流路と外側流路とを有し、前記アノードオフガスまたは前記透過部へ供給されるスイープ用ガスの一方が前記内側流路を流通すると共に他方が前記外側流路を流通し、前記アノードオフガスと前記スイープ用ガスとで熱交換が行われる二重管と、を備えている。

請求項１に係る燃料電池システムは、分離部を有している。分離部は、アノードオフガスから二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離する分離膜を備え、分離膜によって互いに区画された流入部と透過部を有している。スイープ用ガスは透過部へ供給される。アノードオフガスは流入部に流入される。流入部へ流入したアノードオフガスに含まれる二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方は、分離膜を透過して透過部へ流入する。これにより、アノードオフガス中の二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の濃度が低減され、再生燃料ガスとして流入部から送出される。

ところで、分離部において、分離膜が適切に分離機能を発揮するためには、分離部が適切な温度であることが求められる。本発明の燃料電池システムでは、流入部の上流側に設けられた二重管において、分離部に流入されるアノードオフガスとスイープ用ガスとで熱交換が行なわれる。そして、熱交換後のアノードオフガスが分離部の流入部へ流入される。したがって、例えば、スイープ用ガスの流量調整や温度調整により、流入部へ流入されるアノードオフガスについて、簡易に適温に設定することができる。このように、分離部を適温に維持して分離膜の性能を発揮させることにより、アノードオフガスから二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を多く分離することができる。

請求項２記載の発明に係る燃料電池システムは、前記二重管内において、前記アノードオフガスと前記スイープ用ガスとが並行流で流通されること、を特徴とする。

請求項２に係る燃料電池システムでは、二重管内において、アノードオフガスとスイープ用ガスとが並流式（並行流式）で流通されるので、分離部へ送出するアノードオフガスとスイープ用ガスの温度を比較的容易に同温度にすることができる。

請求項３記載の発明に係る燃料電池システムは、前記二重管よりも上流側に設けられ、前記アノードオフガスと前記スイープ用ガスとで熱交換を行う第１熱交換器、をさらに備えている。

請求項３に係る燃料電池システムによれば、第１熱交換器で熱交換を行った後で、アノードオフガスとスイープ用ガスを二重管へ送るので、二重管においてアノードオフガスとスイープ用ガスの温度差が小さくなり、二重管出口におけるアノードオフガスとスイープ用ガスを比較的容易に同温度にすることができる。

請求項４記載の発明に係る燃料電池システムは、前記内側流路に前記アノードオフガスが流通され、前記外側流路に前記スイープ用ガスが流通されること、を特徴とする。

アノードオフガスを内側流路に流通させることにより、アノードオフガスについて、二重管の外部の温度の影響を受け難くすることができる。

請求項５記載の発明に係る燃料電池システムは、可燃性気体を燃焼させる燃焼器と、前記燃料電池及び前記燃焼器を有する高温部を覆い、前記高温部の外側に配置された前記分離部と前記高温部とを断熱する筐体と、を備え、前記二重管は、前記筐体の内側と外側とを貫通して配置されている。

請求項５に係る燃料電池システムでは、アノードオフガスが筐体に覆われた高温部から二重管の内側流路を経て高温部の外の分離部へ送られる。したがって、高温部の外部の温度下におけるアノードオフガスの温度低下を小さくすることができる。

請求項６記載の発明に係る燃料電池システムは、前記分離部の下流側に、第２内側流路と第２外側流路とを有し前記流入部から送出された前記再生燃料ガスと前記透過部から送出された透過ガスの内の露点が高い方が前記第２内側流路を流通すると共に露点が低い方が前記第２外側流路を流通する第２二重管、をさらに備えている。

請求項６に係る燃料電池システムによれば、分離部の下流側の再生燃料ガスと透過ガスの内、露点が高い方を第２内側流路に流すので、露点が高い方のガスが第２二重管の外部温度の影響を受け難く、凝縮を抑制することができる。

請求項７記載の発明に係る燃料電池システムは、前記透過部の上流側に設けられ、前記スイープ用ガスの温度を上昇させるスイープ用ガス昇温部と、前記分離部の温度に応じて、前記スイープ用ガス昇温部から流出されるスイープ用ガスの温度を制御する制御部と、をさらに備えている。

請求項７に係る燃料電池システムでは、透過部へ流入されるスイープ用ガスは、前記分離部の温度に応じてスイープ用ガス昇温部で昇温される。したがって、二重管へ流入されるスイープ用ガスの流量の調整幅を少なくして、分離部を適温に維持することができる。これにより、透過部へ流入させるスイープ用ガスを確保して、透過部の二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の分圧を下げることができる。

請求項８記載の発明に係る燃料電池システムは、前記燃料電池は、前記分離部の前記流入部へアノードオフガスを送出する第１燃料電池と、前記再生燃料ガスが前記燃料ガスとして燃料極へ供給される第２燃料電池と、を含んでいる。

請求項８に係る燃料電池システムによれば、アノードオフガスについて、分離部で二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の濃度が低減された再生燃料ガスが、第２燃料電池の燃料極へ供給されて用いられる。これにより、多段式の燃料電池システムを実現することができる。

請求項９記載の発明に係る燃料電池システムは、前記分離部から前記再生燃料ガスを燃料ガスとして前記燃料極へ供給する循環ガス管をさらに備えている。

請求項９に係る燃料電池システムによれば、循環ガス管を経て再生燃料ガスが燃料ガスとして燃料極へ供給されて用いられる。れにより、循環式の燃料電池システムを実現することができる。

本発明に係る燃料電池システムによれば、アノードオフガスから再生燃料ガスを生成する際に使用する分離膜の機能を有効に発揮させて、燃料電池スタックの性能を向上させることができる。

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。第１実施形態に係る燃料電池システムの二重管及び第２二重管の一部斜視図である。第１実施形態の変形例に係る燃料電池システムの概略構成図である。第２実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。第３実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。第４実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。第５実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。第６実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態の一例を詳細に説明する。

〔第１実施形態〕
図１には、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１０Ａが示されている。燃料電池システム１０Ａは、主要な構成として、気化器１２、改質器１４、第１燃料電池スタック１６、第２燃料電池スタック１８、空気供給部４６、分離部２０、二重管５０、第２二重管５６、第１熱交換器３０、第２熱交換器３２、第３熱交換器３４、第４熱交換器３６、燃焼器４０、タンク４２、及び制御部４４を備えている。

気化器１２には、原料ガス管Ｐ１の一端が接続されており、原料ガス管Ｐ１の他端は図示しないガス源に接続されている。ガス源からは、ブロアＢによりメタンが気化器１２へ送出される。原料ガス管Ｐ１の中間部には、水を貯留するタンク４２からの水供給管Ｐ２が接続されている。タンク４２からは、ポンプＰにより、水（液相）が気化器１２へ送出される。気化器１２では、水が気化される。気化には、後述する燃焼器４０の熱が用いられる。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。

メタン及び水蒸気は、気化器１２から配管Ｐ３を介して改質器１４へ送出される。改質器１４は、燃焼器４０、第１燃料電池スタック１６、及び第２燃料電池スタック１８と隣接されており、これらとの間で熱交換を行うことで加熱される。

改質器１４では、メタンを改質し、水素を含む６００℃程度の温度の燃料ガスＧ１を生成する。改質器１４は、第１燃料電池スタック１６のアノード（燃料極）１６Ａと接続されている。改質器１４で生成された燃料ガスＧ１は、燃料ガス管Ｐ４を介して第１燃料電池スタック１６のアノード１６Ａに供給される。

第１燃料電池スタック１６は固体酸化物形の燃料電池スタックであり、積層された複数の燃料電池セルを有している。第１燃料電池スタック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アノード１６Ａ、及びカソード（空気極）１６Ｂと、を有している。

なお、第２燃料電池スタック１８についての基本構成は、第１燃料電池スタック１６と同様であり、アノード１６Ａに対応するアノード１８Ａ、及びカソード１６Ｂに対応するカソード１８Ｂを有している。

第１燃料電池スタック１６のカソード１６Ｂには、後述する酸化ガス管Ｐ５を介して酸化ガスＧ５（空気）が供給される。カソード１６Ｂでは、下記（１）式に示すように、酸化ガス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燃料電池スタック１６のアノード１６Ａに到達する。

（空気極反応）
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻ →Ｏ^２− …（１）

また、カソード１６Ｂには、カソード１６Ｂから排出されるカソードオフガスＧ２を第２燃料電池スタック１８のカソード１８Ｂへ案内するカソードオフガス管Ｐ６が接続されている。

一方、第１燃料電池スタック１６のアノード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。アノード１６Ａで生成された電子がアノード１６Ａから外部回路を通ってカソード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。

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

第１燃料電池スタック１６のアノード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、アノード１６ＡからアノードオフガスＧ３が排出される。アノードオフガスＧ３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。

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、アノードオフガスに二酸化炭素及び水素の少なくとも一方が含まれる他の燃料電池、例えば溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)であってもよい。

アノードオフガス管Ｐ７の他端は、後述する第２熱交換器３２、第１熱交換器３０及び二重管５０を経て分離部２０の後述する流入部２４と接続されている。分離部２０は、アノードオフガスＧ３から二酸化炭素及び水蒸気を後述する分離膜２８で分離するものである。分離部２０は、流入部２４及び透過部２６を有している。流入部２４と透過部２６は、分離膜２８で区画されている。

分離部２０の透過部２６には、空気供給管Ｐ８の他端が接続されている。スイープ用ガス供給部としての空気供給部４６は、ブロアを含んで構成されており、空気供給部４６に空気供給管Ｐ８の一端が接続されている。空気供給部４６からは、空気Ａが送出されており、空気供給部４６から空気供給管Ｐ８を通って、透過部２６へスイープガスとしての空気Ａが供給されている。空気供給部４６は、後述する制御部４４と接続されている。

ここで、分離膜２８について説明する。本実施形態では、分離膜２８は二酸化炭素及び水蒸気の両方を透過させる機能を有するものを用いる。なお、本実施形態では、二酸化炭素及び水蒸気の両方を透過させる機能を有するものを用いるが、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を透過させる機能を有するものであってもよい。二酸化炭素及び水蒸気の両方を透過させる機能を有するものであれば、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。

また、分離膜としては、二酸化炭素及び水蒸気の分離機能を発揮すると共に、耐久性を維持する観点から、使用の際の適温Ｔ０が、燃料電池システム１０Ａ内の露点よりも高く、第１燃料電池スタック１６のアノード１６Ａから排出された直後のアノードオフガスＧ３の温度よりも低いものが好適に用いられる。例えば、露点が８０℃、分離膜の耐久性を考慮した最高使用温度が１３０℃であるとすると、８０℃〜１３０℃の間で、後述する適温Ｔ０を設定する。

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。

アノードオフガスＧ３は、分離部２０で二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離されることにより二酸化炭素及び水蒸気の濃度が低減されて、再生燃料ガスＧ４となって、流入部２４から第２二重管５６へ送出される。第２二重管５６の下流側には、再生燃料ガス管Ｐ９が接続されており、再生燃料ガス管Ｐ９は、第２燃料電池スタック１８のアノード１８Ａと接続されている。再生燃料ガスＧ４は、第２二重管５６、再生燃料ガス管Ｐ９を経て、第２燃料電池スタック１８のアノード１８Ａに供給される。

一方、分離部２０の透過部２６では、空気供給管Ｐ８から第１熱交換器３０及び二重管５０を経て供給された空気Ａが、スイープガスとして透過部２６へ流入する。これにより、透過部２６における二酸化炭素及び水蒸気の分圧が下がり、流入部２４から分離膜２８を透過して二酸化炭素及び水蒸気が透過部２６へ移動し易くなる。空気Ａは、二酸化炭素、水蒸気、及び、その他分離膜２８を透過したアノードオフガスＧ３中の気体と共に、透過部排出ガスとして透過部２６から送出される。送出された透過ガスは、第２二重管５６を通って第３熱交換器３４へ送出される。第２二重管５６は、第３熱交換器３４の上流側（透過ガスについて）に設けられている。

第２燃料電池スタック１８のアノード１８Ａ及びカソード１８Ｂでは、第１燃料電池スタック１６と同様の反応により発電が行われる。アノード１８Ａ及びカソード１８Ｂから排出された使用済のガスは、配管Ｐ１１、カソードオフ燃焼導入管Ｐ１２により燃焼器４０へ送出され、燃焼器４０で焼却に供される。本実施形態の燃料電池システム１０Ａは、第１燃料電池スタック１６で使用された燃料であるアノードオフガスＧ３が再生されて、燃料ガスとして第２燃料電池スタック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。

燃焼器４０からは、燃焼排ガスＧ６が送出される。燃焼排ガスＧ６は、燃焼排ガス管Ｐ１０内を流通し、第３熱交換器３４、第４熱交換器３６、及び、気化器１２を経て、タンク４２へ流入される。

本実施形態において、気化器１２、改質器１４、燃焼器４０、第１燃料電池スタック１６、第２燃料電池スタック１８、第１熱交換器３０、第２熱交換器３２、第３熱交換器３４、及び第４熱交換器３６は、筐体１１内に収納されている。筐体１１は、断熱部材もしくは遮熱部材、例えば金属で形成されている。筐体１１の内部は、外部よりも高温が維持される高温部１３とされている。分離部２０、空気供給部４６、及び制御部４４は、筐体１１の外側に配置されている。二重管５０及び第２二重管５６は、筐体１１の内部と外部とを貫通するように配置されている。

次に、燃料電池システム１０Ａにおける熱交換について説明する。燃料電池システム１０Ａは、第１熱交換器３０、二重管５０、第２二重管５６、第２熱交換器３２、第３熱交換器３４、及び第４熱交換器３６を備えている。

第１熱交換器３０は、第１燃料電池スタック１６のアノード１６Ａの下流側で分離部２０（流入部２４）の上流側（アノードオフガス管Ｐ７について）、且つ、空気供給部４６の下流側で分離部２０（透過部２６）の上流側（空気供給管Ｐ８について）に設けられている。第１熱交換器３０では、アノードオフガス管Ｐ７を流れるアノードオフガスＧ３と空気供給管Ｐ８を流れる空気Ａとの間で熱交換が行われる。当該熱交換は、並行流で行われることが好ましい。

二重管５０は、第１熱交換器３０の下流側に設けられている。図２（Ａ）に示されるように、二重管５０は、内側流路５２と外側流路５４を有している。内側流路５２は、二重管５０の径方向内側に形成されており、外側流路５４は、内側流路５２の外周を囲むように形成されている。内側流路５２と外側流路５４とは、中間壁５３により区画されている。中間壁５３は、金属などの熱伝導率の比較的高い材料で形成されており、内側流路５２と外側流路５４との間で熱交換が可能とされている。

内側流路５２には、第１熱交換器３０の下流側（出口側）のアノードオフガスＧ３側が接続されており、アノードオフガスＧ３が流入される。外側流路５４には、第１熱交換器３０の下流側（出口側）の空気Ａ側が接続されており、空気Ａが流入される。二重管５０へは、アノードオフガスＧ３と空気Ａは並行（同方向）に流れるように流入される。二重管５０内で、アノードオフガスＧ３と空気Ａの熱交換が行われる。二重管５０の下流側の出口において、内側流路５２側は流入部２４と接続され、外側流路５４側は透過部２６側と接続されている。

上記の第１熱交換器３０、二重管５０において、熱交換を並行流で行うことにより、分離部２０へ送出されるアノードオフガスＧ３と空気Ａの温度を比較的容易に同温度にすることができる。なお、アノードオフガスＧ３は、アノード１６Ａから送出された後、後述する第２熱交換器３２での熱交換により、アノード１６からの送出時よりも温度が低くなっている。

ここで、分離膜２８でアノードオフガスＧから二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離するために適した温度で、且つ分離膜２８の耐久性を維持可能な温度で、且つ露点よりも高い適温Ｔ０とすると、第１熱交換器３０から二重管５０を経て分離部２０へ流入される空気Ａ及びアノードオフガスＧ３は、適温Ｔ０に近い温度であることが好ましい。そこで、制御部４４では、第１熱交換器３０から二重管５０を経て分離部２０へ流入される空気Ａ及びアノードオフガスＧ３が適温Ｔ０に近づくように、空気供給部４６から送出される空気Ａの流量を制御する。なお、適温Ｔ０は、分離膜２８の材質等により適宜設定される。前述のように、例えば、露点が８０℃、分離膜２８の耐久性を考慮した最高使用温度が１３０℃であるとすると、適温Ｔ０は、８０℃〜１３０℃の間で設定される。

分離部２０には、分離部２０の温度Ｔを測定する温度センサＳＳが設けられている。制御部４４は、温度センサＳＳで測定された分離部２０の温度に基づいて、空気供給部４６から送出される空気Ａの流量を制御する。具体的には、温度Ｔが適温Ｔ０よりも低い場合には、空気供給部４６から送出する空気Ａの流量を減少させ、温度Ｔが適温Ｔ０よりも高い場合には、空気供給部４６から送出する空気Ａの流量を増加させる。燃料電池システム１０Ａの運転時に、制御部４４で常時又は間欠的に、温度Ｔに基づいて空気供給部４６から送出される空気Ａの流量をフィードバック制御することにより、分離部２０の温度を適温Ｔ０又は適温Ｔ０に近い温度に維持することができる。なお、分離部２０の温度Ｔは、分離部２０の内部の温度であってもよいし、分離膜２８が影響を受ける分離部２０の他の部分の温度であってもよい。

第２二重管５６は、分離部２０の下流側に配置されており、図２（Ｂ）に示されるように、第２内側流路５７と第２外側流路５８を有している。第２内側流路５７は、第２二重管５６の径方向内側に形成されており、第２外側流路５８は、第２内側流路５７の外周を囲むように形成されている。第２内側流路５７と第２外側流路５８とは、中間壁５５により区画されている。中間壁５５は、金属などの熱伝導率の比較的高い材料で形成されており、第２内側流路５７と第２外側流路５８との間で熱交換が可能とされている。

第２内側流路５７には、分離部２０の下流側（出口側）の流入部２４側が接続されており、再生燃料ガスＧ４が流入される。第２外側流路５８には、分離部２０の下流側（出口側）の透過部２６側が接続されており、透過ガスが流入される。第２二重管５６へは、再生燃料ガスＧ４と透過ガスは並行（同方向）に流れるように流入される。第２二重管５６内で、再生燃料ガスＧ４と透過ガスの熱交換が行われる。第２二重管５６の下流側の出口の第２内側流路５７側には、再生燃料ガス管Ｐ９が接続されている。再生燃料ガス管Ｐ９は、上流側から順に、第４熱交換器３６、第２熱交換器３２を経て、第２燃料電池スタック１８のアノード１８Ａと接続され、アノード１８Ａへ再生燃料ガスＧ４が供給されている。第２二重管５６の下流側の出口において、第２外側流路５８側は酸化ガス管Ｐ５と接続され、酸素を含む酸化ガスＧ５が第３熱交換器３４を経てカソード１６Ｂへ供給されている。

第２熱交換器３２は、第１燃料電池スタック１６のアノード１６Ａの下流側で第１熱交換器３０の上流側（アノードオフガス管Ｐ７について）、且つ、分離部２０（流入部２４）の下流側で第２燃料電池スタック１８のアノード１８Ａの上流側（再生燃料ガス管Ｐ９について）に設けられている。第２熱交換器３２では、アノードオフガス管Ｐ７を流れるアノードオフガスＧ３と再生燃料ガス管Ｐ９を流れる再生燃料ガスＧ４との間で熱交換が行われる。アノードオフガスＧ３は、通常６５０℃程度の高温であり、再生燃料ガス管Ｐ９を流れる再生燃料ガスＧ４は、分離部２０の適温Ｔ０に近い温度である。第２熱交換器３２において、アノードオフガスＧ３は温度が低下し、再生燃料ガスＧ４は温度が上昇する。

第３熱交換器３４は、分離部２０（透過部２６）の下流側で第１燃料電池スタック１６のカソード１６Ｂの上流側（酸化ガス管Ｐ５について）、且つ、燃焼器４０の下流側で気化器１２の上流側（燃焼排ガス管Ｐ１０について）に設けられている。第３熱交換器３４では、酸化ガス管Ｐ５を流れる酸化ガスＧ５と燃焼排ガス管Ｐ１０を流れる燃焼排ガスＧ６との間で熱交換が行われる。酸化ガス管Ｐ５を流れる酸化ガスＧ５は、分離部２０の適温Ｔ０に近い温度である。第３熱交換器３４において、カソード１６Ｂへ供給される酸化ガスＧ５は、燃焼排ガスＧ６によって昇温される。

第４熱交換器３６は、分離部２０（流入部２４）の下流側で第２熱交換器３２の上流側（再生燃料ガス管Ｐ９について）、且つ、第３熱交換器３４の下流側で気化器１２の上流側（燃焼排ガス管Ｐ１０について）に設けられ、再生燃料ガス管Ｐ９を流れる再生燃料ガスＧ４と燃焼排ガス管Ｐ１０を流れる燃焼排ガスＧ６との間で熱交換が行われる。再生燃料ガス管Ｐ９を流れる再生燃料ガスＧ４は、分離部２０の適温Ｔ０に近い温度であり、第４熱交換器３６において、燃焼排ガスＧ６によって昇温される。

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。
燃料電池システム１０Ａにおいては、ガス源からの燃料であるメタン及びタンク４２からの水が、気化器１２へ供給される。気化器１２では、供給されたメタン及び水が混合されると共に、燃焼排ガス管Ｐ１０を流通する燃焼排ガスＧ６から熱を得て加熱され、水が気化され水蒸気となる。

メタン及び水蒸気は、気化器１２から配管Ｐ３を介して改質器１４へ送出される。改質器１４では、改質反応により、水素を含む６００℃程度の燃料ガスＧ１が生成される。燃料ガスＧ１は、燃料ガス管Ｐ４を介して第１燃料電池スタック１６のアノード１６Ａに供給される。

第１燃料電池スタック１６のカソード１６Ｂには、分離部２０の透過部２６から排出された透過部排出ガス（空気Ａと二酸化炭素及び水蒸気の混合気体）が、酸化ガスＧ５として酸化ガス管Ｐ５を経て供給される。これにより、第１燃料電池スタック１６では、前述の反応により発電が行われる。上記反応により第１燃料電池スタック１６は発熱し、６５０℃程度の温度で発電が行われる。この発電に伴い燃料電池スタック１６のアノード１６Ａからは、アノードオフガスＧ３が排出される。また、カソード１６Ｂからは、カソードオフガスＧ２が排出され、カソードオフガスＧ２は、カソードオフガス管Ｐ６を通って第２燃料電池スタック１８のカソード１８Ｂへ供給される。

アノード１６Ａから排出されたアノードオフガスＧ３は、アノードオフガス管Ｐ７に導かれ、第２熱交換器３２、第１熱交換器３０、二重管５０を経て、分離部２０の流入部２４へ流入される。第２熱交換器３２では、アノードオフガスＧ３の温度は、約６５０℃からある程度温度が低下し（例えば、８０℃〜１４０℃程度の低下）、第１熱交換器３０では、アノードオフガスＧ３の温度は、適温Ｔ０に近い温度まで下げられる。

一方、空気供給部４６からは、制御部４４による分離部２０の温度Ｔのフィードバック制御により流量が制御された空気Ａが第１熱交換器３０、二重管５０を介して分離部２０の透過部２６へ送出される。二重管５０では、空気Ａの温度は、適温Ｔ０に近い温度と略同じ温度となる。

アノードオフガスＧ３は、第２熱交換器３２、第１熱交換器３０、二重管５０での熱交換を経て分離部２０の流入部２４へ流入され、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が、分離膜２８を透過して透過部２６側へ移動することにより分離される。流入部２４からは再生燃料ガスＧ４が送出され、第２二重管５６、第４熱交換器３６、第２熱交換器３２を経て、６００℃程度に昇温され、再生燃料ガス管Ｐ９により第２燃料電池スタック１８のアノード１８Ａへ供給される。

第２燃料電池スタック１８では、前述の反応により発電が行われる。上記反応により第２燃料電池スタック１８は発熱し、６５０℃程度の温度で発電が行われる。アノード１８Ａ、カソード１８Ｂでの使用済ガスは、配管Ｐ１１、Ｐ１２により各々燃焼器４０へ送出され、燃焼器４０で焼却に供される。

燃焼器４０からの燃焼排ガスＧ６は、第３熱交換器３４、第４熱交換器３６、及び気化器１２を経て、燃焼排ガス管Ｐ１０によりタンク４２へ送出される。燃焼排ガスＧ６に含まれる水蒸気は、気化器１２からタンク４２までの経路やタンク４２内で冷却され、凝縮されてタンク４２に貯留される。その他の燃焼排ガスは、タンク４２から放出される。

一方、透過部２６へ流入したスイープガスとしての空気Ａは、分離膜２８を透過して流入した二酸化炭素、水蒸気、及び、その他分離膜２８を透過したアノードオフガスＧ３中の気体と共に、透過部２６から送出される。送出された透過ガスは、第２二重管５６、第３熱交換器３４を経て、酸化ガスＧ５として酸化ガス管Ｐ５によりカソード１６Ｂへ供給される。

本実施形態の燃料電池システム１０Ａは、分離膜２８の透過側（透過部２６）へスイープガスとしての空気Ａが供給されるので、透過部２６における二酸化炭素及び水蒸気の分圧は低減される。これにより、流入部２４へ流入したアノードオフガスＧ３に含まれる二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方をより多く分離膜２８を透過させて分離することができる。

また、分離部２０へは、適温Ｔ０に近づくように第１熱交換器３０及び二重管５０において熱交換されたアノードオフガスＧ３及び空気Ａが流入されているので、分離部２０を適温Ｔ０に維持して分離膜２８の性能を発揮させることができる。これにより、アノードオフガスＧ３から二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を多く分離することができると共に、分離膜２８の耐久性を維持することができる。そして、アノードオフガスＧ３を再利用する第２燃料電池スタック１８へ、二酸化炭素、水蒸気が低減された再生燃料ガスＧ４が供給されるので、効率よく発電を行うことができ、燃料電池システム１０Ａの性能を向上させることができる。

また、第１熱交換器３０、二重管５０における熱交換は、いずれも分離部２０へ供給される気体である空気ＡとアノードオフガスＧ３との間で行われ、適温Ｔ０への調整は、空気Ａの流量を制御することで行われているので、簡易に分離部２０の温度を調整することができる。

なお、本実施形態では、分離部２０の温度をフィードバックして空気供給部４６から送出される空気Ａの流量を調整したが、第１熱交換器３０、二重管５０から送出される空気ＡやアノードオフガスＧ３の温度を測定し、この温度をフィードバックして空気供給部４６から送出される空気Ａの流量を調整してもよい。

また、本実施形態では、第１熱交換器３０の上流側の第２熱交換器３２でアノードオフガスＧ３の温度を低下させるので、第１熱交換器３０での温度調整幅を小さくすることができる。また、分離部２０を経た後の再生燃料ガスＧ４を第２熱交換器３２で昇温させるので、発電に適した温度に近くなり、燃料電池システム１０Ａ全体の発電効率及び熱効率を向上させることができる

また、本実施形態では、分離部２０の透過部２６から排出された透過ガスは、第１燃料電池スタック１６のカソード１６Ｂへ導入されているので、カソード１６Ｂへの空気の導入と第１熱交換器３０への空気の導入を同一のブロアを用いて行うことができ、燃料電池システム１０Ａを簡易な構成にすることができる。

さらに、本実施形態では、分離部２０の透過部２６から排出された透過ガスを、カソード１６Ｂへ導入して発電に供した後、第２燃料電池スタック１８のカソード１８Ｂへ導入して発電に供した後、燃焼器４０へ送出して燃焼に供する。透過ガスには、分離膜２８におけるアノードオフガスＧ３からのリーク等により、水素、一酸化炭素、その他の可燃性物質が含まれることが考えられる。本実施形態の燃料電池システム１０Ａによれば、透過ガスの中に含まれる水素、一酸化炭素、その他の可燃性物質を燃焼させた後、燃料電池システム１０Ａの外へ放出することができ、燃料電池システム１０Ａの安全性を向上させることができる。

また、本実施形態では、二重管５０の内側流路５２にアノードオフガスＧ３を流通させているので、アノードオフガスＧ３について、二重管５０の外部の温度の影響を受け難くすることができる。また、第２二重管５６についても、第２内側流路５７に再生燃料ガスＧ４を流通させているので、再生燃料ガスＧ４について、第２二重管５６の外部の温度の影響を受け難くすることができる。

なお、本実施形態では、第２内側流路５７には、再生燃料ガスＧ４を流通させたが、分離膜２８として、水蒸気を透過させてアノードオフガスＧ３から水蒸気を除去する性能が高いものを使用する場合には、透過ガス側を第２内側流路５７に流す方が好ましい。水蒸気を含んだ透過ガスの露点が再生燃料ガスＧ４の露点よりも高く、外部温度の影響で凝縮しやすいため、外部温度の影響を緩和して当該凝縮を抑制するためである。このように、凝縮を抑制する観点から、再生燃料ガスＧ４と透過ガスの内、露点の高い方を第２内側流路５７へ流し、露点の低い方を第２外側流路５８へ流すことが好ましい。

なお、本実施形態では、分離部２０、空気供給部４６、及び制御部４４を、筐体１１の外側に配置したが、これらを筐体１１の内部に配置してもよい。本実施形態では、分離部２０、空気供給部４６、及び制御部４４は、比較的温度の低い筐体１１の外側に配置されているので、高温下における劣化を抑制することができる。

また、本実施形態では、透過部２６から排出された透過部排出ガスを、カソード１６Ｂへ導入したが、透過部排出ガスを直接燃焼器４０へ導入してもよい。この場合には、第１燃料電池スタック１６のカソード１６Ｂへ空気を導入するためのブロアを別途用意すればよい。

また、本実施形態では、第１熱交換器３０を設けて空気ＡとアノードオフガスＧ３との熱交換を行ったが、図３に示すように、第１熱交換器３０を用いることなく、二重管５０のみで空気ＡとアノードオフガスＧ３との熱交換を行ってもよい。

また、本実施形態では、空気Ａをスイープ用ガスとして用いたが、カソード１６Ｂやカソード１８Ｂから排出されるカソードオフガスをスイープガスとして用いてもよい。また、燃料電池システム１０Ａ内のその他のガス、例えば、燃焼排ガスなどをスイープ用ガスとしてもよい。

〔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。なお、第１実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。

図４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、空気供給部４６から送出される空気が、第１熱交換器３０へ至るまでに昇温される点が異なっている。また、空気供給部４６から送出される空気Ａの流量が一定であり、バルブ４８を通過する空気Ａ−１の流量で分離部２０へ供給される空気及びアノードオフガスＧ３の温度を調整する点が異なっている。

空気供給部４６に接続される空気供給管Ｐ８は、分岐部Ｂ１で空気調整管Ｐ８−１と空気昇温管Ｐ８−２に分岐され、合流部Ｂ２で合流されている。合流部Ｂ２は、第１熱交換器３０よりも上流側に設けられている。

空気調整管Ｐ８−１には、バルブ４８が設けられている。バルブ４８は、制御部４４に接続されている。空気昇温管Ｐ８−２は、第５熱交換器３８へ導入されている。第５熱交換器３８には、第４熱交換器３６の下流側の燃焼排ガス管Ｐ１０が導入されており、空気昇温管Ｐ８−２を通過する空気Ａ−２は、燃焼排ガス管Ｐ１０を流れる燃焼排ガスＧ６との間で熱交換を行って昇温される。空気調整管Ｐ８−１、バルブ４８、第５熱交換器３８、及び空気昇温管Ｐ８−２により、空気昇温部が形成されている。

制御部４４では、第１熱交換器３０から二重管５０を経て分離部２０へ流入される空気Ａ及びアノードオフガスＧ３が適温Ｔ０に近づくように、バルブ４８を通過する空気Ａ−１の流量を制御する。当該制御は、温度センサＳＳで測定された分離部２０の温度に基づいて、バルブ４８を通過する空気Ａ−１の流量を調整することにより行われる。具体的には、分離部２０の温度Ｔが適温Ｔ０よりも低い場合には、バルブ４８の開度を小さくしてバルブ４８を通過する空気Ａ−１の流量を減少させ、温度Ｔが適温Ｔ０よりも高い場合には、バルブ４８の開度を大きくしてバルブ４８を通過する空気Ａ−１の流量を増加させる。燃料電池システム１０Ｂの運転時に、制御部４４で常時又は間欠的に、温度Ｔに基づいてバルブ４８を通過する空気Ａ−１の流量をフィードバック制御することにより、分離部２０の温度を適温Ｔ０又は適温Ｔ０に近い温度に維持することができる。

本実施形態によれば、空気供給部４６から送出する空気Ａの流量を一定に維持しつつ、分離部２０が適温Ｔ０になるように、第１熱交換器３０及び二重管５０での熱交換を行うことができる。空気供給部４６から送出する空気Ａの流量を一定に維持することにより、透過部２６へ供給する空気Ａの流量を確保することができる。

なお、本実施形態では、空気Ａの流量を一定にし、空気Ａ−１の流量を調整したが、空気Ａの流量及び気Ａ−１の流量の両方を調整して、分離部２０が適温Ｔ０になるように第１熱交換器３０及び二重管５０での熱交換を行ってもよい。

また、燃料電池システム１０Ｂは、その他の第１実施形態と同様の効果を奏することもできる。

〔第３実施形態〕
次に本発明の第３実施形態について説明する。なお、第１、２実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。

図５には、本発明の第３実施形態に係る燃料電池システム１０Ｃが示されている。燃料電池システム１０Ｃ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燃料電池スタック１８を有していない点が異なっている。

分離部２０に接続された再生燃料ガス管Ｐ９は、第４熱交換器３６の下流側に設けられた分岐部Ｂ３で分岐されている。分岐された一方の循環ガス管Ｐ９−１は、第２熱交換器３２を経て配管Ｐ３へ接続されている。分岐された他方の再生燃料ガス管Ｐ９−２は、燃焼器４０へ接続されている。分岐部Ｂ３では、循環ガス管Ｐ９−１と再生燃料ガス管Ｐ９−２へ再生燃料ガスＧ４が分流されている。循環ガス管Ｐ９−１の第２熱交換器３２よりも上流側には、ブロア５１が設けられている。ブロア５１は、循環ガス管Ｐ９−１内の再生燃料ガスＧ４を配管Ｐ３側へ向かって流通させる。

循環ガス管Ｐ９−１を経て改質器１４へ導入された再生燃料ガスＧ４は、気化器１２から供給された燃料ガスＧ１と混合され、アノード１６Ａへ供給される。再生燃料ガス管Ｐ９−２を経て燃焼器４０へ導入された再生燃料ガスＧ４は、燃焼器４０で燃焼される。なお、カソード１６Ｂから排出されたカソードオフガスＧ２は、カソードオフガス管Ｐ６を介して燃焼器４０へ導入する。

本実施形態の燃料電池システム１０Ｃは、第１燃料電池スタック１６で使用済みの燃料であるアノードオフガスＧ３が再生されて、再度、第１燃料電池スタック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。本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

なお、本実施形態においても、第１熱交換器３０を省略した構成の燃料電池システムとすることもできる。

〔第４実施形態〕
次に、本発明の第４実施形態について説明する。なお、第１−３実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。

図６には、本発明の第４実施形態に係る燃料電池システム１０Ｄが示されている。燃料電池システム１０Ｄは、第３実施形態で説明した燃料電池システム１０Ｃと比較して、第２実施形態と同様に、空気供給部４６から送出される空気が昇温される点が異なっている。すなわち、空気供給部４６から送出される空気Ａの流量が一定であり、バルブ４８を通過する空気Ａ−１の流量で分離部２０へ供給される空気及びアノードオフガスＧ３の温度を調整する点が異なっている。

空気調整管Ｐ８−１には、バルブ４８が設けられている。バルブ４８は、制御部４４に接続されている。空気昇温管Ｐ８−２は、第５熱交換器３８へ導入されている。第５熱交換器３８には、第４熱交換器３６の下流側の燃焼排ガス管Ｐ１０が導入されており、空気昇温管Ｐ８−２を通過する空気Ａ−２は、燃焼排ガス管Ｐ１０を流れる燃焼排ガスＧ６との間で熱交換を行って昇温される。

制御部４４では、第２実施形態と同様に、第１熱交換器３０から二重管５０を経て分離部２０へ流入される空気Ａ及びアノードオフガスＧ３が適温Ｔ０に近づくように、バルブ４８を通過する空気Ａ−１の流量を制御する。

また、燃料電池システム１０Ｄは、その他の第１実施形態と同様の効果を奏することもできる。

〔第５実施形態〕
次に、本発明の第５実施形態について説明する。なお、第１−４実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。

図７には、本発明の第７実施形態に係る燃料電池システム１０Ｅが示されている。燃料電池システム１０Ｅ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３燃料電池スタック１７を有している点が異なっている。

第３燃料電池スタック１７の基本構成は第１燃料電池スタック１６と同様であり、アノード１６Ａに対応するアノード１７Ａ、及びカソード１６Ｂに対応するカソード１７Ｂを有している。第３燃料電池スタック１７は、燃料電池システム１０Ｅにおいて、第１燃料電池スタック１６と並列に配置されている。なお、図７では、第２燃料電池スタック１８及び第３燃料電池スタック１７が改質器１４と離間して図示されているが、実際には、第２燃料電池スタック１８及び第３燃料電池スタック１７は、第１燃料電池スタック１６と同様に改質器１４と隣接配置され、熱交換が行われている。

改質器１４に接続された燃料ガス管Ｐ４は、分岐部Ｂ４で燃料ガス管Ｐ４−２と分岐されている。燃料ガス管Ｐ４はアノード１６Ａと接続され、改質器１４からアノード１６Ａへ燃料ガスＧ１を供給する。燃料ガス管Ｐ４−２はアノード１７Ａと接続され、改質器１４からアノード１７Ａへ燃料ガスＧ１を供給する。アノード１７Ａには、アノードオフガス管Ｐ７が接続され、アノードオフガス管Ｐ７−２は、アノードオフガス管Ｐ７と第２熱交換器３２の上流側の合流部Ｂ５で合流されている。アノード１７Ａからは、使用済のアノードオフガスＧ３が送出され、アノードオフガス管Ｐ７−２、Ｐ７、二重管５０を経て、分離部２０の流入部２４へ流入される。

カソード１７Ｂには、第３熱交換器３４の下流側で酸化ガス管Ｐ５から分岐部Ｂ６で分岐された酸化ガス管Ｐ５−２が接続されている。カソード１７Ｂへは、酸化ガス管Ｐ５−２を介して酸化ガスＧ５が供給される。カソード１７Ｂから排出された使用済みガスは、合流部Ｂ７でカソードオフガス管Ｐ６と合流されてカソード１８Ｂへ導入される。

上記のように、第１燃料電池スタック１６と並列に配置された第３燃料電池スタック１７を有することにより、燃料電池システム１０Ｅの第１段目における発電は、第１燃料電池スタック１６及び第３燃料電池スタック１７で行われる。そして、第１燃料電池スタック１６及び第３燃料電池スタック１７で使用された後のアノードオフガスＧ３を、分離部２０で再生燃料ガスＧ４に再生し、二段目の第２燃料電池スタック１８での発電に供することができる。

本実施形態の燃料電池システム１０Ｅによれば、一段目と二段目の燃料電池スタックの稼働率の差が小さくなり、燃料電池システム１０Ｅでの発電効率を高めることができる。

〔第６実施形態〕
次に本発明の第６実施形態について説明する。なお、第１−５実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。

図８には、本発明の第６実施形態に係る燃料電池システム１０Ｆが示されている。燃料電池システム１０Ｆは、第５実施形態で説明した燃料電池システム１０Ｅと比較して、第２、４実施形態と同様に、空気供給部４６から送出される空気が昇温される点が異なっている。すなわち、空気供給部４６から送出される空気Ａの流量が一定であり、バルブ４８を通過する空気Ａ−１の流量で分離部２０へ供給される空気及びアノードオフガスＧ３の温度を調整する点が異なっている。

空気調整管Ｐ８−１には、バルブ４８が設けられている。バルブ４８は、制御部４４に接続されている。空気昇温管Ｐ８−２は、第５熱交換器３８へ導入されている。第５熱交換器３８には、第４熱交換器３６の下流側の燃焼排ガス管Ｐ１０が導入されており、空気昇温管Ｐ８−２を通過する空気Ａ−２は、燃焼排ガス管Ｐ１０との間で熱交換を行って昇温される。

制御部４４では、第２、４実施形態と同様に、第１熱交換器３０、二重管５０から分離部２０へ流入される空気Ａ及びアノードオフガスＧ３が適温Ｔ０に近づくように、バルブ４８を通過する空気Ａ−１の流量を制御する。

本実施形態によれば、空気供給部４６から送出する空気Ａの流量を一定に維持しつつ、分離部２０が適温Ｔ０になるように、第１熱交換器３０、二重管５０での熱交換を行うことができる。空気供給部４６から送出する空気Ａの流量を一定に維持することにより、透過部２６へ供給する空気Ａの流量を確保することができる。

また、燃料電池システム１０Ｆは、その他の第１実施形態と同様の効果を奏することもできる。

なお、上記の第１〜第６実施形態における第２熱交換器３２〜第５熱交換器３８の配置は、上記の配置に限定されず、適宜変更しても良い。また、アノードオフガスＧ３から二酸化炭素や水蒸気を分離する手段として、例えば、水凝縮器、水蒸気吸着材、二酸化炭素吸収材、二酸化炭素吸着材などの他の手段を分離部と組み合わせて用いてもよい。

また、上記の第１〜第６実施形態では、二重管５０内において、アノードオフガスＧ３と空気Ａとを並行流で流通させたが、対向流で流通させてもよい。この場合には、流入部２４の上流側、透過部２６の下流側に二重管５０が配置され、透過部２６を透過したガスは、二重管５０を経てカソード１６Ｂへ供給することができる。

また、上記の第１〜第６実施形態では、制御部４４で分離部２０が適温Ｔ０に近づくように空気供給部４６から流出させる空気Ａの流量や、第１熱交換器３０へ流入させる空気Ａの温度を制御したが、必ずしも制御部４４は必要ではない。例えば、予め分離部２０が適温Ｔ０に近づくための空気供給部４６から流出させる空気Ａの流量や、第１熱交換器３０へ流入させる空気Ａの温度を実験等により得て、当該得られた空気Ａの流量や第１熱交換器３０へ流入させる空気Ａの温度となるように、各部（空気供給部４６やバルブ４８）の設定をしてもよい。

さらに、本発明は、前述の第１〜第６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。また、本発明において、例えば、熱交換器の設置位置、組み合わせなどはこれらの実施形態に限定されない。また、ガス、水などの各種流体の加熱及び冷却には熱交換器以外の手段を用いてもよい。

１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆ燃料電池システム、
１１筐体、１３高温部
１６第１燃料電池スタック（燃料電池）
１６Ａ、１７Ａ、１８Ａ、アノード（燃料極）
１６Ｂ、１７Ｂ、１７Ｂカソード（空気極）
１７第３燃料電池スタック（燃料電池）、１８第２燃料電池スタック（燃料電池）
２０分離部、２４流入部、２６透過部、２８分離膜
３０第１熱交換器、４０燃焼器、４４制御部
５０二重管、５２内側流路、５４外側流路
５６第２二重管、５７第２内側流路、５８第２外側流路
Ａ空気（スイープ用ガス）、Ｇ１燃料ガス、Ｇ２カソードオフガス
Ｇ３アノードオフガス、Ｇ４再生燃料ガス
Ｐ８−２空気昇温管（スイープ用ガス昇温部）
Ｐ９循環ガス管

Claims

燃料極へ供給される燃料ガスと空気極へ供給される空気により発電し、前記燃料極からアノードオフガスが排出される燃料電池と、
前記アノードオフガスが流入される流入部と、前記アノードオフガスから二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離する分離膜により前記流入部と区画された透過部と、を有し、前記アノードオフガスから二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の濃度が低減された再生燃料ガスを送出する分離部と、
前記流入部の上流側に設けられ、内側流路と外側流路とを有し、前記アノードオフガスまたは前記透過部へ供給されるスイープ用ガスの一方が前記内側流路を流通すると共に他方が前記外側流路を流通し、前記アノードオフガスと前記スイープ用ガスとで熱交換が行われる二重管と、
を備えた燃料電池システム。
前記二重管内において、前記アノードオフガスと前記スイープ用ガスとが並行流で流通されること、を特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記二重管よりも上流側に設けられ、前記アノードオフガスと前記スイープ用ガスとで熱交換を行う第１熱交換部、をさらに備えた、請求項２に記載の燃料電池システム。
前記内側流路に前記アノードオフガスが流通され、前記外側流路に前記スイープ用ガスが流通されること、を特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
可燃性気体を燃焼させる燃焼器と、
前記燃料電池及び前記燃焼器を有する高温部を覆い、前記高温部の外側に配置された前記分離部と前記高温部とを断熱する筐体と、
を備え、
前記二重管は、前記筐体の内側と外側とを貫通して配置されている、請求項４に記載の燃料電池システム。
前記分離部の下流側に前記筐体を貫通して配置され、第２内側流路と第２外側流路とを有し、前記流入部から送出された前記再生燃料ガスと前記透過部から送出された透過ガスの内の露点が高い方が前記第２内側流路を流通すると共に露点が低い方が前記第２外側流路を流通する第２二重管、をさらに備えた、請求項５に記載の燃料電池システム。
前記透過部の上流側に設けられ、前記スイープ用ガスの温度を上昇させるスイープ用ガス昇温部と、前記分離部の温度に応じて、前記スイープ用ガス昇温部から流出されるスイープ用ガスの温度を制御する制御部と、をさらに備えた、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。
前記燃料電池は、前記分離部の前記流入部へアノードオフガスを送出する第１燃料電池と、前記再生燃料ガスが前記燃料ガスとして燃料極へ供給される第２燃料電池と、を含む、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。
前記分離部から前記再生燃料ガスを燃料ガスとして前記燃料極へ供給する循環ガス管をさらに備えた、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。