JP2018137080A - Fuel cell system and power generation method - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system which is superior in the endurance of a fuel cell stack.SOLUTION: A fuel cell system comprises: a first fuel cell stack operable to perform power generation by a fuel gas; separation means for separating at least one of carbon dioxide and water vapor from an anode off-gas containing the un-reacted fuel gas exhausted from the first fuel cell stack; and a second fuel cell stack disposed downstream of the separation means and using the anode off-gas with the at least one of carbon dioxide and water vapor separated therefrom to perform power generation. If the fuel concentration of the anode off-gas when exhausted from the first fuel cell stack is defined as a first fuel concentration, and the fuel concentration of the anode off-gas when exhausted from the second fuel cell stack is defined as a second fuel concentration, the first and second fuel concentrations are each 0.9C or more, where C is a fuel concentration when the first fuel concentration is equal to the second fuel concentration.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、燃料電池システム及び発電方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell system and a power generation method.

燃料電池システムにおいて、発電効率を向上させるため、燃料電池セルスタックを複数設けて多段式とする手法が知られている。例えば、燃料電池セルスタックを複数設け、前段の燃料電池セル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セルスタックで再利用する多段式の燃料電池システムが知られている(例えば、特許文献1参照)。   In a fuel cell system, in order to improve power generation efficiency, a technique of providing a plurality of fuel cell stacks and making it a multistage type is known. For example, there is a multistage fuel cell system in which a plurality of fuel cell stacks are provided, and unreacted fuel gas in used fuel gas discharged from the previous fuel cell stack is reused in the subsequent fuel cell stack. It is known (see, for example, Patent Document 1).

特開2006−31989号公報JP 2006-31989

ここで、特許文献1に記載の多段式の燃料電池システムでは、前段及び後段の燃料電池セルスタックから排出されるアノードオフガス中の燃料濃度については何ら検討されていない。多段式の燃料電池システムにおいて、前段及び後段の燃料電池セルスタックから排出されるアノードオフガス中の燃料濃度、すなわち、前段及び後段の燃料電池セルスタックの出口における燃料濃度が低い場合、燃料電池セルスタックの酸化等により燃料電池セルスタックの耐久性が低下するおそれがある。   Here, in the multi-stage fuel cell system described in Patent Document 1, no consideration has been given to the fuel concentration in the anode off-gas discharged from the front and rear fuel cell stacks. In a multistage fuel cell system, when the fuel concentration in the anode off-gas discharged from the front and rear fuel cell stacks, that is, the fuel concentration at the outlet of the front and rear fuel cell stacks is low, the fuel cell stack There is a risk that the durability of the fuel cell stack may be reduced by oxidation of the fuel.

本発明は、燃料電池セルスタックの耐久性に優れた燃料電池システム、及びこの燃料電池システムを用いた発電方法を提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the fuel cell system excellent in durability of the fuel cell stack, and the electric power generation method using this fuel cell system.

上記課題は、例えば以下の手段により解決される。
<1> 燃料ガスを用いて発電を行う第1燃料電池セルスタックと、前記第1燃料電池セルスタックから排出された未反応の前記燃料ガスを含む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手段と、前記分離手段の下流に配置され、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離された前記アノードオフガスを用いて発電を行う第2燃料電池セルスタックと、を備え、前記第1燃料電池セルスタックの出口における前記アノードオフガスの燃料濃度を第1燃料濃度、前記第2燃料電池セルスタックの出口における前記アノードオフガスの燃料濃度を第2燃料濃度としたとき、前記第1燃料濃度及び前記第2燃料濃度の値が等しくなるときの値をCとすると、前記第1燃料濃度及び前記第2燃料濃度がそれぞれ0.9C以上を満たす燃料電池システム。
The above problem is solved by, for example, the following means.
<1> At least one of carbon dioxide and water vapor from a first fuel cell stack that generates power using fuel gas, and an anode off-gas containing the unreacted fuel gas discharged from the first fuel cell stack Separating means for separating, and a second fuel cell stack disposed downstream of the separating means and generating power using the anode off-gas from which at least one of carbon dioxide and water vapor is separated, the first fuel When the fuel concentration of the anode off gas at the outlet of the battery cell stack is the first fuel concentration, and the fuel concentration of the anode off gas at the outlet of the second fuel cell stack is the second fuel concentration, the first fuel concentration and the When the value at which the second fuel concentration values are equal is C, the first fuel concentration and the second fuel concentration are respectively Fuel cell system that satisfies 0.9C or higher.

本形態の燃料電池システムでは、分離手段により第1燃料電池セルスタックから排出された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が分離され、アノードオフガスが再生されてその燃料濃度が上昇する。そして、燃料濃度が上昇したアノードオフガスが第2燃料電池セルスタックに供給されるため、本形態の燃料電池システムでは高い燃料利用率での運転が可能となり、高い発電効率を得ることができる。   In the fuel cell system of the present embodiment, at least one of carbon dioxide and water vapor is separated from the anode off-gas discharged from the first fuel cell stack by the separation means, and the anode off-gas is regenerated to increase its fuel concentration. Then, since the anode off-gas whose fuel concentration has been increased is supplied to the second fuel cell stack, the fuel cell system of this embodiment can be operated at a high fuel utilization rate, and high power generation efficiency can be obtained.

一般的に、多段式の燃料電池システムでは、第1燃料電池セルスタック中でのアノードガスの燃料濃度は、第1燃料電池セルスタックの入口にて最も高く、第1燃料電池セルスタックの出口にて最も低くなる。第2燃料電池セルスタック中でのアノードガスの燃料濃度についても同様である。ここで、第1燃料電池セルスタック及び第2燃料電池セルスタックにおいて、燃料電池セルスタック中におけるアノードガスの燃料濃度が低下すると、燃料電池セルスタックの酸化等により燃料電池セルスタックの耐久性が低下するおそれがある。そのため、燃料濃度が最も低くなる、第1燃料電池セルスタックの出口及び第2燃料電池セルスタックの出口における燃料濃度を高めて燃料電池セルスタックの酸化(例えば、燃料極の酸化)等を抑制することが好ましい。   In general, in a multistage fuel cell system, the fuel concentration of the anode gas in the first fuel cell stack is highest at the inlet of the first fuel cell stack, and at the outlet of the first fuel cell stack. The lowest. The same applies to the fuel concentration of the anode gas in the second fuel cell stack. Here, in the first fuel cell stack and the second fuel cell stack, when the fuel concentration of the anode gas in the fuel cell stack decreases, the durability of the fuel cell stack decreases due to oxidation of the fuel cell stack or the like. There is a risk. Therefore, the fuel concentration becomes the lowest and the fuel concentration at the outlet of the first fuel cell stack and the outlet of the second fuel cell stack is increased to suppress oxidation of the fuel cell stack (for example, oxidation of the fuel electrode). It is preferable.

そこで、本形態の燃料電池システムでは、分離手段によりアノードオフガスを再生させて燃料濃度を高めるとともに、第1燃料電池セルスタックにおける最低燃料濃度(第1燃料濃度)及び第2燃料電池セルスタックにおける最低燃料濃度(第2燃料濃度)を高めることで、燃料電池セルスタックの酸化等を抑制している。より具体的には、第1燃料濃度及び第2燃料濃度を等しくすることで、第1燃料濃度及び第2燃料濃度の値をともに高い値とすることができ、燃料電池セルスタックの酸化等を好適に抑制することができ、燃料電池セルスタックの耐久性により優れた燃料電池システムを提供することができる。また、第1燃料濃度及び第2燃料濃度が等しいときの値をCとしたとき、第1燃料濃度及び第2燃料濃度が、0.9C以上、すなわち、それぞれの濃度が等しいときの90%以上であれば、第1燃料濃度と第2燃料濃度との差を抑制することができ、また、燃料電池セルスタックの酸化等のリスクを抑制し、燃料電池セルスタックの耐久性に優れた燃料電池システムを提供することができる。   Therefore, in the fuel cell system of the present embodiment, the anode off gas is regenerated by the separation means to increase the fuel concentration, and the lowest fuel concentration (first fuel concentration) in the first fuel cell stack and the lowest in the second fuel cell stack. By increasing the fuel concentration (second fuel concentration), oxidation or the like of the fuel cell stack is suppressed. More specifically, by making the first fuel concentration and the second fuel concentration equal, both the first fuel concentration and the second fuel concentration can be made high, and oxidation of the fuel cell stack can be reduced. It is possible to provide a fuel cell system that can be suitably suppressed and that is more excellent in durability of the fuel cell stack. Further, when the value when the first fuel concentration and the second fuel concentration are equal is C, the first fuel concentration and the second fuel concentration are 0.9C or more, that is, 90% or more when the respective concentrations are equal. If so, the difference between the first fuel concentration and the second fuel concentration can be suppressed, the risk of oxidation of the fuel cell stack is suppressed, and the fuel cell excellent in durability of the fuel cell stack A system can be provided.

<2> 前記分離手段において、二酸化炭素分離率及び水蒸気分離率の一方は、50%以上99%以下である<1>に記載の燃料電池システム。 <2> The fuel cell system according to <1>, wherein in the separation unit, one of the carbon dioxide separation rate and the water vapor separation rate is 50% or more and 99% or less.

本形態の燃料電池システムでは、二酸化炭素分離率及び水蒸気分離率の一方は、上記数値範囲を満たすことにより、アノードオフガスが再生されてその燃料濃度が好適に上昇する。そのため、本形態の燃料電池システムではより高い燃料利用率での運転が可能となり、より高い発電効率を得ることができる。   In the fuel cell system of the present embodiment, when one of the carbon dioxide separation rate and the water vapor separation rate satisfies the above numerical range, the anode off-gas is regenerated and the fuel concentration suitably increases. Therefore, the fuel cell system of this embodiment can be operated at a higher fuel utilization rate, and higher power generation efficiency can be obtained.

<3> 前記分離手段は、前記アノードオフガスから二酸化炭素及び水蒸気を分離し、
前記分離手段において、二酸化炭素分離率及び水蒸気分離率は、ともに50%以上99%以下である<1>に記載の燃料電池システム。
<3> The separation means separates carbon dioxide and water vapor from the anode off gas,
In the separation means, the carbon dioxide separation rate and the water vapor separation rate are both 50% or more and 99% or less, <1>.

本形態の燃料電池システムでは、二酸化炭素分離率及び水蒸気分離率は、上記数値範囲を満たすことにより、アノードオフガスが再生されてその燃料濃度がより好適に上昇する。そのため、本形態の燃料電池システムでは更に高い燃料利用率での運転が可能となり、更に高い発電効率を得ることができる。   In the fuel cell system of the present embodiment, the carbon dioxide separation rate and the water vapor separation rate satisfy the above numerical ranges, whereby the anode off-gas is regenerated and the fuel concentration is more preferably increased. Therefore, the fuel cell system of this embodiment can be operated at a higher fuel utilization rate, and higher power generation efficiency can be obtained.

<4> 前記第1燃料電池セルスタックが備える燃料電池セルの有効表面積の合計をα、前記第2燃料電池セルスタックが備える燃料電池セルの有効表面積の合計をαとしたとき、α/αが2.0超である<1>〜<3>のいずれか1つに記載の燃料電池システム。
<5> 前記第1燃料電池セルスタックが備える燃料電池スタックと前記第2燃料電池セルスタックが備える燃料電池スタックとが同一である場合、第1燃料電池セルスタックにおける燃料電池スタックの数β、第2燃料電池セルスタックにおける燃料電池スタックの数βとしたとき、β/βとしたとき、β/βが2.0超である<1>〜<4>のいずれか1つに記載の燃料電池システム。
<4> When the total effective surface area of the fuel cells provided in the first fuel cell stack is α 1 , and the total effective surface area of the fuel cells provided in the second fuel cell stack is α 2 , α 1 / alpha 2 is exceeding 2.0 <1> to <3> fuel cell system according to any one of.
<5> When the fuel cell stack included in the first fuel cell stack and the fuel cell stack included in the second fuel cell stack are the same, the number β 1 of fuel cell stacks in the first fuel cell stack, when the number beta 2 of the fuel cell stack in the second fuel cell stack, when the β 1 / β 2, β 1 / β 2 of 2.0 than <1> - or <4> 1 The fuel cell system described in 1.

本形態の燃料電池システムでは、α/α又はβ/βが2.0超であることにより、α/α又はβ/βが2.0以下である場合と比較して、第1燃料濃度及び第2燃料濃度の値をともに高い値とすることができる。そのため、燃料電池セルスタックの酸化等を好適に抑制することができ、燃料電池セルスタックの耐久性により優れた燃料電池システムを提供することができる。 In the fuel cell system of the present embodiment, α 1 / α 2 or β 1 / β 2 is greater than 2.0, so that α 1 / α 2 or β 1 / β 2 is less than or equal to 2.0. Thus, both the first fuel concentration and the second fuel concentration can be set to high values. Therefore, oxidation of the fuel cell stack can be suitably suppressed, and a fuel cell system that is more excellent in durability of the fuel cell stack can be provided.

<6> 前記分離手段において、二酸化炭素及び水蒸気の一方を分離する場合、前記第1燃料濃度及び前記第2燃料濃度がそれぞれ10%以上である<1>〜<5>のいずれか1つに記載の燃料電池システム。
<7> 前記分離手段において、二酸化炭素及び水蒸気を分離する場合、前記第1燃料濃度及び前記第2燃料濃度がそれぞれ11.5%以上である<1>〜<6>のいずれか1つに記載の燃料電池システム。
<6> In the separation means, when one of carbon dioxide and water vapor is separated, the first fuel concentration and the second fuel concentration are each 10% or more, and any one of <1> to <5> The fuel cell system described.
<7> In the separation means, when carbon dioxide and water vapor are separated, the first fuel concentration and the second fuel concentration are each 11.5% or more, and any one of <1> to <6> The fuel cell system described.

本形態の燃料電池システムでは、第1燃料濃度及び第2燃料濃度の値を上記数値範囲内とすることにより、燃料電池セルスタックの酸化等を好適に抑制することができ、燃料電池セルスタックの耐久性により優れた燃料電池システムを提供することができる。   In the fuel cell system of the present embodiment, by setting the values of the first fuel concentration and the second fuel concentration within the above numerical range, it is possible to suitably suppress the oxidation of the fuel cell stack and the like. A fuel cell system having superior durability can be provided.

<8> 原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質器を更に備え、前記分離手段にて分離した二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を原料ガスの改質に用いる<1>〜<7>のいずれか1つに記載の燃料電池システム。 <8> A reformer that reforms the raw material gas to generate a fuel gas is further provided, and at least one of carbon dioxide and water vapor separated by the separation unit is used for the reforming of the raw material gas <1> to <7 > The fuel cell system according to any one of

本形態の燃料電池システムでは、原料ガスの改質に用いる二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を外部から改質器に供給する必要がなくなる、あるいは、外部から改質器に供給される二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の量を低減することができる。   In the fuel cell system of this embodiment, it is not necessary to supply at least one of carbon dioxide and steam used for reforming the raw material gas from the outside to the reformer, or carbon dioxide and steam supplied from the outside to the reformer. The amount of at least one of the above can be reduced.

<9> <1>〜<8>のいずれか1つに記載の燃料電池システムを用いた発電方法。
<10> 前記第1燃料電池セルスタック及び前記第2燃料電池セルスタックを等しい電流密度で作動させて発電を行う<9>に記載の発電方法。
<9> A power generation method using the fuel cell system according to any one of <1> to <8>.
<10> The power generation method according to <9>, wherein power generation is performed by operating the first fuel cell stack and the second fuel cell stack at an equal current density.

本形態の発電方法では、前述の燃料電池システムを用いて発電を行うため、燃料電池セルスタックの耐久性に優れ、長期的に安定した発電が可能となる。   In the power generation method of this embodiment, since power generation is performed using the above-described fuel cell system, the fuel cell stack is excellent in durability and stable power generation is possible over the long term.

<11> 前記第1燃料電池セルスタックが備える燃料電池セルの有効表面積と前記第1燃料電池セルスタックを作動させたときの当該燃料電池セルの電流密度との積の合計をγ、前記第2燃料電池セルスタックが備える燃料電池セルの有効表面積と前記第2燃料電池セルスタックを作動させたときの当該燃料電池セルの電流密度との積の合計をγとしたとき、γ/γを2.0超に調整して発電を行う<9>又は<10>に記載の発電方法。 <11> The sum of the product of the effective surface area of the fuel cell provided in the first fuel cell stack and the current density of the fuel cell when the first fuel cell stack is operated is γ 1 , when the sum of the product of the current density of the fuel cell when operated the effective surface area of the fuel cell provided in the second fuel cell stack a second fuel cell stack was γ 2, γ 1 / γ The power generation method according to <9> or <10>, wherein power generation is performed by adjusting 2 to greater than 2.0.

本形態の発電方法では、γ/γが2.0超であることにより、γ/γが2.0以下である場合と比較して、第1燃料濃度及び第2燃料濃度の値をともに高い値とすることができる。そのため、燃料電池セルスタックの酸化等を好適に抑制することができ、燃料電池セルスタックの耐久性により優れ、より長期的に安定した発電が可能となる。 In the power generation method of the present embodiment, since γ 1 / γ 2 is greater than 2.0, the first fuel concentration and the second fuel concentration are compared with the case where γ 1 / γ 2 is 2.0 or less. Both values can be high. Therefore, the oxidation of the fuel cell stack can be suitably suppressed, the fuel cell stack is more excellent in durability, and more stable power generation is possible over a long period.

本発明によれば、燃料電池セルスタックの耐久性に優れた燃料電池システム、及びこの燃料電池システムを用いた発電方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell system excellent in durability of the fuel cell stack and the electric power generation method using this fuel cell system can be provided.

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。1 is a schematic configuration diagram showing a fuel cell system according to a first embodiment. 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。It is a schematic block diagram which shows the fuel cell system which concerns on 2nd Embodiment. O及びCOの除去率がともに95%である場合における、第1燃料電池セルスタックの燃料利用率と、第1燃料濃度及び第2燃料濃度との関係を示すグラフである。When the removal rate of H 2 O and CO 2 are both 95%, and the fuel utilization rate of the first fuel cell stack is a graph showing the relationship between the first fuel concentration and a second fuel concentration. O除去率が95%である場合における、第1燃料電池セルスタックの燃料利用率と、第1燃料濃度及び第2燃料濃度との関係を示すグラフである。When H 2 O removal rate is 95%, and the fuel utilization rate of the first fuel cell stack is a graph showing the relationship between the first fuel concentration and a second fuel concentration. アノードオフガス中のHO及びCOの除去率とスタック比との関係を示すグラフである。It is a graph showing the relationship between removal rate and the stack ratio of H 2 O and CO 2 in the anode off-gas. アノードオフガス中のHO除去率とスタック比との関係を示すグラフである。It is a graph showing the relationship between the H 2 O removal ratio in the anode off gas and the stack ratios.

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。
本明細書中に段階的に記載されている数値範囲において、一つの数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。また、本明細書中に記載されている数値範囲において、その数値範囲の上限値又は下限値は、実施例の一例に示されている値に置き換えてもよい。
In this specification, a numerical range expressed using “to” means a range including numerical values described before and after “to” as a lower limit value and an upper limit value.
In the numerical ranges described stepwise in this specification, the upper limit value or the lower limit value described in one numerical range may be replaced with the upper limit value or the lower limit value of another numerical range. Good. Further, in the numerical ranges described in the present specification, the upper limit value or the lower limit value of the numerical range may be replaced with a value shown in an example of the embodiment.

[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、燃料ガスを用いて発電を行う第1燃料電池セルスタック11と、第1燃料電池セルスタック11から排出された未反応の前記燃料ガスを含む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16と、分離膜16の下流に配置され、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離されたアノードオフガスを用いて発電を行う第2燃料電池セルスタック12と、を備え、第1燃料電池セルスタック11の出口におけるアノードオフガスの燃料濃度を第1燃料濃度、第2燃料電池セルスタック12の出口におけるアノードオフガスの燃料濃度を第2燃料濃度としたとき、第1燃料濃度及び第2燃料濃度の値が等しくなるときの値をCとすると、第1燃料濃度及び第2燃料濃度がそれぞれ0.9C以上を満たす。
さらに、本実施形態に係る燃料電池システム10は、原料ガスを改質して燃料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を備えている。
[First Embodiment]
Hereinafter, an embodiment of a fuel cell system of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a fuel cell system according to the first embodiment. A fuel cell system 10 according to the first embodiment includes a first fuel cell stack 11 that generates power using fuel gas, and an anode off-gas containing the unreacted fuel gas discharged from the first fuel cell stack 11. From the separation membrane 16 that separates at least one of carbon dioxide and water vapor, and the second fuel battery cell that is arranged downstream of the separation membrane 16 and that generates power using the anode off-gas from which at least one of carbon dioxide and water vapor is separated A fuel concentration of the anode off-gas at the outlet of the first fuel cell stack 11, and a fuel concentration of the anode off-gas at the outlet of the second fuel cell stack 12 as the second fuel concentration. When the value when the first fuel concentration and the second fuel concentration are equal is C, the first fuel concentration and the second fuel concentration Concentration satisfies the above 0.9C, respectively.
Furthermore, the fuel cell system 10 according to the present embodiment includes a reformer 14 having a reforming unit 19 that reforms a raw material gas to generate a fuel gas and a combustion unit 18 that heats the reforming unit 19 by a combustion reaction. I have.

本実施形態の燃料電池システム10では、分離膜16により第1燃料電池セルスタック11から排出された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が分離され、アノードオフガスが再生されてその燃料濃度が上昇する。そして、燃料濃度が上昇したアノードオフガスが第2燃料電池セルスタック12に供給されるため、燃料電池システム10では高い燃料利用率での運転が可能となり、高い発電効率を得ることができる。   In the fuel cell system 10 of the present embodiment, at least one of carbon dioxide and water vapor is separated from the anode off gas discharged from the first fuel cell stack 11 by the separation membrane 16, and the anode off gas is regenerated and its fuel concentration is reduced. To rise. Then, since the anode off-gas having an increased fuel concentration is supplied to the second fuel cell stack 12, the fuel cell system 10 can be operated at a high fuel utilization rate, and high power generation efficiency can be obtained.

一般的に、多段式の燃料電池システムでは、第1燃料電池セルスタック中でのアノードガスの燃料濃度は、第1燃料電池セルスタックの入口にて最も高く、第1燃料電池セルスタックの出口にて最も低くなる。第2燃料電池セルスタック中でのアノードガスの燃料濃度についても同様である。ここで、第1燃料電池セルスタック及び第2燃料電池セルスタックにおいて、燃料電池セルスタック中のアノードガスの燃料濃度が低下すると、燃料電池セルスタックの酸化等により燃料電池セルスタックの耐久性が低下するおそれがある。そのため、燃料濃度が最も低くなる、第1燃料電池セルスタックの出口及び第2燃料電池セルスタックの出口における燃料濃度を高めて燃料電池セルスタックの酸化等を抑制することが好ましい。   In general, in a multistage fuel cell system, the fuel concentration of the anode gas in the first fuel cell stack is highest at the inlet of the first fuel cell stack, and at the outlet of the first fuel cell stack. The lowest. The same applies to the fuel concentration of the anode gas in the second fuel cell stack. Here, in the first fuel cell stack and the second fuel cell stack, when the fuel concentration of the anode gas in the fuel cell stack decreases, the durability of the fuel cell stack decreases due to oxidation of the fuel cell stack or the like. There is a risk. Therefore, it is preferable to suppress the oxidation of the fuel cell stack by increasing the fuel concentration at the outlet of the first fuel cell stack and the outlet of the second fuel cell stack where the fuel concentration is the lowest.

そこで、燃料電池システム10では、分離手段の一種である分離膜16によりアノードオフガスを再生させて燃料濃度を高めるとともに、第1燃料電池セルスタック11における最低燃料濃度(第1燃料濃度)及び第2燃料電池セルスタック12における最低燃料濃度(第2燃料濃度)を高めることで、燃料電池セルスタックの酸化等を抑制している。より具体的には、第1燃料濃度及び第2燃料濃度を等しくすることで、第1燃料濃度及び第2燃料濃度の値をともに高い値とすることができ、燃料電池セルスタックの酸化等を好適に抑制することができ、燃料電池セルスタックの耐久性により優れたシステムを提供することができる。また、第1燃料濃度及び第2燃料濃度が等しいときの値をCとしたとき、第1燃料濃度及び第2燃料濃度が、0.9C以上、すなわち、それぞれの濃度が等しいときの90%以上であれば、第1燃料濃度と第2燃料濃度との差を抑制することができ、また、燃料電池セルスタックの酸化等のリスクを抑制し、燃料電池セルスタックの耐久性に優れたシステムを提供することができる。   Therefore, in the fuel cell system 10, the anode offgas is regenerated by the separation membrane 16 which is a kind of separation means to increase the fuel concentration, and the minimum fuel concentration (first fuel concentration) and the second fuel concentration in the first fuel cell stack 11. By increasing the minimum fuel concentration (second fuel concentration) in the fuel cell stack 12, oxidation or the like of the fuel cell stack is suppressed. More specifically, by making the first fuel concentration and the second fuel concentration equal, both the first fuel concentration and the second fuel concentration can be made high, and oxidation of the fuel cell stack can be reduced. It can suppress suitably, and can provide a system superior in durability of the fuel cell stack. Further, when the value when the first fuel concentration and the second fuel concentration are equal is C, the first fuel concentration and the second fuel concentration are 0.9C or more, that is, 90% or more when the respective concentrations are equal. If this is the case, the difference between the first fuel concentration and the second fuel concentration can be suppressed, the risk of oxidation of the fuel cell stack can be suppressed, and a system with excellent durability of the fuel cell stack can be achieved. Can be provided.

本実施形態に係る燃料電池システム10は、例えば、第1燃料電池セルスタック11が備える燃料電池セルの有効表面積の合計(α)に対する第2燃料電池セルスタックが備える燃料電池セルの有効表面積の合計(α)の比率(α/α)を調整したり、第1燃料電池セルスタック11が備える燃料電池スタックの数(β)に対する第2燃料電池セルスタックが備える燃料電池スタックの数(β)の比率(β/β)を調整したり、分離手段における二酸化炭素及び水蒸気の分離の度合いを調整したりする等により、第1燃料濃度及び第2燃料濃度を0.9C以上に調整することができる。 The fuel cell system 10 according to the present embodiment has, for example, the effective surface area of the fuel cell included in the second fuel cell stack with respect to the total effective surface area (α 1 ) of the fuel cell included in the first fuel cell stack 11. The ratio (α 1 / α 2 ) of the total (α 2 ) is adjusted, or the fuel cell stack included in the second fuel cell stack with respect to the number (β 1 ) of fuel cell stacks included in the first fuel cell stack 11 By adjusting the ratio (β 1 / β 2 ) of the number (β 2 ) or adjusting the degree of separation of carbon dioxide and water vapor in the separation means, the first fuel concentration and the second fuel concentration are set to 0. It can be adjusted to 9C or more.

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。   Hereinafter, each configuration of the fuel cell system 10 according to the present embodiment will be described.

(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、分離膜16の透過側16Bに配置され、分離膜16により分離された二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方、及び原料ガスを改質器14に供給する原料ガス供給経路24を備えている。また、原料ガス供給経路24には、分離膜16により分離された二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方、及び原料ガスを改質器14へ送るためのブロワ25が設置されている。
(Raw gas supply route)
The fuel cell system 10 according to the present embodiment is disposed on the permeation side 16B of the separation membrane 16 and feeds at least one of carbon dioxide and water vapor separated by the separation membrane 16 and the feed gas to the reformer 14. A supply path 24 is provided. In addition, a blower 25 for sending at least one of carbon dioxide and water vapor separated by the separation membrane 16 and the raw material gas to the reformer 14 is installed in the raw material gas supply path 24.

原料ガス供給経路24内を流通する原料ガスとしては、改質可能なガスであれば特に限定されず、炭化水素ガスが挙げられる。炭化水素ガスとしては、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、炭化水素ガスとしては、上述した低級炭化水素ガスを2種以上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ガス等のガスと混合したガスであってもよい。   The source gas flowing through the source gas supply path 24 is not particularly limited as long as it is a reformable gas, and includes hydrocarbon gas. Examples of the hydrocarbon gas include natural gas, LP gas (liquefied petroleum gas), coal reformed gas, and lower hydrocarbon gas. Examples of the lower hydrocarbon gas include lower hydrocarbons having 4 or less carbon atoms such as methane, ethane, ethylene, propane, butane, and methane is particularly preferable. The hydrocarbon gas may be a mixture of two or more of the above-described lower hydrocarbon gases, and may be a gas obtained by mixing the above-described lower hydrocarbon gas with a gas such as natural gas, city gas, or LP gas. There may be.

(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、あるいはこれら両方を配置した燃焼部18と、改質用触媒を備える改質部19とにより構成される。
(Reformer)
The fuel cell system 10 according to the present embodiment includes a reformer 14 that reforms a raw material gas to generate a reformed gas. The reformer 14 includes, for example, a combustion unit 18 in which a burner and / or a combustion catalyst is disposed, and a reforming unit 19 including a reforming catalyst.

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、下流側にて燃料ガス供給経路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にて原料ガスを改質した後に、生成された改質ガスが燃料ガス供給経路42を通じて第1燃料電池セルスタック11に供給される。   The reformer 19 is connected to the raw material gas supply path 24 on the upstream side, and is connected to the fuel gas supply path 42 on the downstream side. Therefore, a raw material gas such as methane is supplied to the reforming unit 19 through the raw material gas supply path 24, and the reformed gas generated after the reforming unit 19 reforms the raw material gas through the fuel gas supply path 42. One fuel cell stack 11 is supplied.

燃焼部18は、上流側にて空気供給経路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、空気供給経路44を通じて供給された酸素を含むガスと、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からの排気は、排気経路48を通じて排出される。   The combustion unit 18 is connected to the air supply path 44 and the off-gas path 46 on the upstream side, and is connected to the exhaust path 48 on the downstream side. The combustion unit 18 burns a mixed gas of oxygen-containing gas supplied through the air supply path 44 and off-gas supplied through the off-gas path 46, and heats the reforming catalyst in the reforming unit 19. Exhaust gas from the combustion unit 18 is discharged through an exhaust path 48.

排気経路48及び空気供給経路44には熱交換器41が設置されており、熱交換器41により、排気経路48内を流通する排気と、空気供給経路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内を流通する排気は冷却された後に排出され、空気供給経路44内を流通する酸素を含むガスは、第1燃料電池セルスタック11の作動温度に適した温度に加熱された後に第1燃料電池セルスタック11のカソードに供給される。   A heat exchanger 41 is installed in the exhaust path 48 and the air supply path 44, and the heat exchanger 41 causes the exhaust gas flowing in the exhaust path 48, the gas containing oxygen flowing in the air supply path 44, and Heat exchange between the two. As a result, the exhaust gas flowing through the exhaust passage 48 is cooled and discharged, and the gas containing oxygen flowing through the air supply passage 44 is heated to a temperature suitable for the operating temperature of the first fuel cell stack 11. After that, it is supplied to the cathode of the first fuel cell stack 11.

改質部19での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。あるいは、燃焼部18を設置せずに各燃料電池から放出される熱を用いて改質部19を加熱するか、燃焼熱及び各燃料電池から放出される熱の両方により加熱してもよい。   Since the reforming in the reforming unit 19 involves a large endotherm, it is necessary to supply heat from the outside for the progress of the reaction. For this reason, the reforming unit 19 is heated by the combustion heat generated in the combustion unit 18. It is preferable. Alternatively, the reforming unit 19 may be heated using heat released from each fuel cell without installing the combustion unit 18, or may be heated by both combustion heat and heat released from each fuel cell.

原料ガスの改質としては、水蒸気改質、二酸化炭素改質、部分酸化改質、シフト反応改質などが挙げられ、改質部19は、原料ガスの二酸化炭素改質及び水蒸気改質の少なくとも一方を行う構成であってもよく、また、部分酸化改質により燃料ガスを生成する構成であってもよく、改質時にシフト反応を伴うものであってもよい。本実施形態では、原料ガスとして炭化水素ガスC(n、mはともに正の整数)を用い、改質部19にてメタンを水蒸気改質し、燃料ガスを生成する構成について以下に説明する。 Examples of the reforming of the raw material gas include steam reforming, carbon dioxide reforming, partial oxidation reforming, shift reaction reforming and the like, and the reforming unit 19 includes at least carbon dioxide reforming and steam reforming of the raw material gas. The structure which performs one side may be sufficient, the structure which produces | generates fuel gas by partial oxidation reforming may be sufficient, and a shift reaction may be accompanied at the time of reforming. In the present embodiment, a configuration in which a hydrocarbon gas C n H m (n and m are both positive integers) is used as a raw material gas, and methane is steam reformed in the reforming unit 19 to generate a fuel gas is described below. explain.

原料ガスとしてC(n、mはともに正の整数)で表される炭化水素ガス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及び水素が生成される。
+nHO→nCO+[(m/2)+n]H・・・・(a)
When a hydrocarbon gas represented by C n H m (n and m are both positive integers) is steam reformed as a raw material gas, the reforming unit 19 performs monoxide oxidation by the reaction of the following formula (a). Carbon and hydrogen are produced.
C n H m + nH 2 O → nCO + [(m / 2) + n] H 2 ... (A)

また、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(b)の反応により一酸化炭素及び水素が生成される。
CH+HO→CO+3H・・・・(b)
When methane, which is an example of the raw material gas, is steam reformed, carbon monoxide and hydrogen are generated in the reforming unit 19 by the reaction of the following formula (b).
CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 ... (B)

改質部19内に設置される改質用触媒としては、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改質用触媒が好ましい。   The reforming catalyst installed in the reforming unit 19 is not particularly limited as long as it becomes a catalyst for the reforming reaction, but Ni, Rh, Ru, Ir, Pd, Pt, Re, Co, Fe and A reforming catalyst containing at least one of Mo as a catalyst metal is preferable.

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、水素及び一酸化炭素を含む燃料ガスが生成される。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。   The number S of steam molecules per unit time supplied to the reforming unit 19 of the reformer 14 and the number of carbon atoms C of the raw material gas per unit time supplied to the reforming unit 19 of the reformer 14 The steam carbon ratio S / C, which is the ratio, is preferably 1.5 to 3.5, more preferably 2.0 to 3.0, and further preferably 2.0 to 2.5. preferable. When the steam carbon ratio S / C is in this range, the raw material gas is efficiently steam reformed, and a fuel gas containing hydrogen and carbon monoxide is generated. Furthermore, carbon deposition in the fuel cell system 10 can be suppressed, and the reliability of the fuel cell system 10 can be improved.

また、燃焼部18は、水蒸気改質を効率よく行う観点から、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。   Moreover, it is preferable that the combustion part 18 heats the modification part 19 to 600 to 800 degreeC from a viewpoint which performs steam reforming efficiently, and it is more preferable to heat to 600 to 700 degreeC.

本実施形態に係る燃料電池システム(特に、高温型の燃料電池を備える燃料電池システム)では、改質器が第1燃料電池セルスタックの外部に取り付けられている必要はなく、第1燃料電池セルスタックに原料ガス及び水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方を直接供給し、第1燃料電池セルスタックの内部で改質(内部改質)を行い、生成された燃料ガスを第1燃料電池セルスタックでの発電に用いる構成であってもよい。特に第1燃料電池セルスタックが高温型の燃料電池である場合、内部での反応温度は600℃〜800℃と高温であるため、第1燃料電池セルスタック内で改質を行うことが可能である。   In the fuel cell system according to this embodiment (particularly, a fuel cell system including a high-temperature fuel cell), the reformer does not need to be attached to the outside of the first fuel cell stack, and the first fuel cell. At least one of raw material gas, water vapor, and carbon dioxide is directly supplied to the stack, reforming (internal reforming) is performed inside the first fuel cell stack, and the generated fuel gas is supplied to the first fuel cell stack. The structure used for electric power generation may be sufficient. Particularly when the first fuel cell stack is a high-temperature fuel cell, the internal reaction temperature is as high as 600 ° C. to 800 ° C., so that reforming can be performed in the first fuel cell stack. is there.

なお、二酸化炭素改質を行う場合、改質部に供給される原料ガス(好ましくはメタン)の炭素原子数(A)と二酸化炭素の分子数(B)との比(A:B)は、二酸化炭素改質を効率よく行なう観点から、例えば700℃なら、1:2.7〜5.0が好ましく、1:2.7〜4.0がより好ましい。さらに、炭素析出を抑制する観点から、水蒸気を一部添加してもよい。   When performing carbon dioxide reforming, the ratio (A: B) of the number of carbon atoms (A) of the source gas (preferably methane) supplied to the reforming section and the number of molecules of carbon dioxide (B) is: From the viewpoint of efficiently performing carbon dioxide reforming, for example, 700 ° C. is preferably 1: 2.7 to 5.0, and more preferably 1: 2.7 to 4.0. Furthermore, from the viewpoint of suppressing carbon deposition, a part of water vapor may be added.

(第1燃料電池セルスタック)
本実施形態に係る燃料電池システム10は、燃料ガス供給経路42を通じて改質器14の改質部19から供給された燃料ガスを用いて発電を行う第1燃料電池セルスタック11を備えている。第1燃料電池セルスタック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を複数積層あるいは複数接続した燃料電池スタックを少なくとも一つ備えた燃料電池セルスタックである。また、第1燃料電池セルスタックとしては、600℃〜800℃程度で作動する高温型の燃料電池、例えば、600℃〜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。
(First fuel cell stack)
The fuel cell system 10 according to the present embodiment includes a first fuel cell stack 11 that generates power using the fuel gas supplied from the reforming unit 19 of the reformer 14 through the fuel gas supply path 42. As the first fuel cell stack 11, for example, a fuel cell stack including at least one fuel cell stack in which a plurality of fuel cells each including an air electrode (cathode), an electrolyte, and a fuel electrode (anode) are stacked or connected is used. It is. As the first fuel cell stack, a high-temperature fuel cell that operates at about 600 ° C. to 800 ° C., for example, a solid oxide fuel cell that operates at about 600 ° C. to 800 ° C., about 600 ° C. to 700 ° C. A molten carbonate fuel cell operating at

第1燃料電池セルスタック11が固体酸化物形燃料電池の場合、第1燃料電池セルスタック11のカソード(図示せず)には、空気供給経路44を通じて空気が供給される。空気がカソードに供給されることにより、以下の式(c)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。
+4e→2O2−・・・・(c)
When the first fuel cell stack 11 is a solid oxide fuel cell, air is supplied to the cathode (not shown) of the first fuel cell stack 11 through the air supply path 44. By supplying air to the cathode, the reaction shown in the following formula (c) occurs, and oxygen ions move inside the solid oxide electrolyte (not shown).
O 2 + 4e → 2O 2− (c)

第1燃料電池セルスタック11が固体酸化物形燃料電池の場合、第1燃料電池セルスタック11のアノード(図示せず)には、燃料ガス供給経路42を通じて水素及び一酸化炭素を含む燃料ガスが供給される。アノードと固体酸化物電解質との界面にて水素及び一酸化炭素が固体酸化物電解質の内部を移動する酸素イオンと反応することにより、以下の式(d)、式(e)に示す反応が起こる。
+O2−→HO+2e・・・・(d)
CO+O2−→CO+2e・・・・(e)
When the first fuel cell stack 11 is a solid oxide fuel cell, a fuel gas containing hydrogen and carbon monoxide is supplied to the anode (not shown) of the first fuel cell stack 11 through the fuel gas supply path 42. Supplied. When hydrogen and carbon monoxide react with oxygen ions moving inside the solid oxide electrolyte at the interface between the anode and the solid oxide electrolyte, reactions shown in the following formulas (d) and (e) occur. .
H 2 + O 2− → H 2 O + 2e (d)
CO + O 2− → CO 2 + 2e (e)

第1燃料電池セルスタック11が溶融炭酸塩形燃料電池の場合、第1燃料電池セルスタック11のカソード(図示せず)には、空気供給経路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(f)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。
+2CO+4e→2CO 2−・・・・(f)
When the first fuel cell stack 11 is a molten carbonate fuel cell, a gas containing oxygen and carbon dioxide is supplied to the cathode (not shown) of the first fuel cell stack 11 through the air supply path 44. . When a gas containing oxygen and carbon dioxide is supplied to the cathode, the reaction shown in the following formula (f) occurs, and at this time, carbonate ions move inside the electrolyte (not shown).
O 2 + 2CO 2 + 4e → 2CO 3 2 −... (F)

第1燃料電池セルスタック11が溶融炭酸塩形燃料電池の場合、第1燃料電池セルスタック11のアノード(図示せず)には、燃料ガス供給経路42を通じて水素及び一酸化炭素を含む燃料ガスが供給される。アノードと電解質との界面にて水素及び一酸化炭素が電解質の内部を移動する炭酸イオンと反応することにより、以下の式(g)、式(h)に示す反応が起こる。
+CO 2−→HO+CO+2e・・・・(g)
CO+CO 2−→2CO+2e・・・・(h)
When the first fuel cell stack 11 is a molten carbonate fuel cell, a fuel gas containing hydrogen and carbon monoxide is supplied to the anode (not shown) of the first fuel cell stack 11 through the fuel gas supply path 42. Supplied. When hydrogen and carbon monoxide react with carbonate ions moving inside the electrolyte at the interface between the anode and the electrolyte, reactions shown in the following formulas (g) and (h) occur.
H 2 + CO 3 2− → H 2 O + CO 2 + 2e (g)
CO + CO 3 2− → 2CO 2 + 2e (h)

上記式(d)、式(e)、式(g)及び式(h)に示すように、第1燃料電池セルスタック11での燃料ガスの電気化学的な反応により、固体酸化物形燃料電池及び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燃料電池セルスタック11にて発電が行われる。   As shown in the above formula (d), formula (e), formula (g), and formula (h), the solid oxide fuel cell is produced by the electrochemical reaction of the fuel gas in the first fuel cell stack 11. In the molten carbonate fuel cell, water vapor and carbon dioxide are mainly produced. Further, the electrons generated at the anode move to the cathode through an external circuit. In this way, the electrons move from the anode to the cathode, so that power generation is performed in the first fuel cell stack 11.

カソードから排出されたカソードオフガスは、下流側の空気供給経路44を通じて、第2燃料電池セルスタック12のカソード(図示せず)に供給される。   The cathode off gas discharged from the cathode is supplied to the cathode (not shown) of the second fuel cell stack 12 through the downstream air supply path 44.

一方、アノードから排出された未反応の燃料ガスを含むアノードオフガスは、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、未反応の燃料ガスを含むアノードオフガスは、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。   On the other hand, the anode off gas containing unreacted fuel gas discharged from the anode is supplied to the supply side 16 </ b> A of the separation membrane 16 through the off gas path 52. Here, the anode off gas containing unreacted fuel gas is a mixed gas containing hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, water vapor and the like.

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内を流通するアノードオフガスと、オフガス経路54内を流通する二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離されたアノードオフガスと、の間で熱交換を行う。これにより、オフガス経路52内を流通するアノードオフガスは、分離膜16により二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方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内を流通する二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離されたアノードオフガスは、第2燃料電池セルスタック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。   The heat exchanger 21 is installed in the off-gas path 52 and the off-gas path 54, and at least one of the anode off-gas flowing in the off-gas path 52 and the carbon dioxide and water vapor flowing in the off-gas path 54 by the heat exchanger 21. Is exchanged with the anode off-gas separated. As a result, the anode offgas flowing in the offgas passage 52 is cooled to a preferable temperature when separating at least one of carbon dioxide and water vapor by the separation membrane 16, and at least one of carbon dioxide and water vapor flowing in the offgas passage 54. The anode off gas from which is separated is heated to a temperature suitable for the operating temperature of the second fuel cell stack 12. Therefore, the power generation efficiency and thermal efficiency of the entire system are further improved.

(分離膜)
本実施形態に係る燃料電池システム10は、第1燃料電池セルスタック11から排出された未反応の燃料ガスを含む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16を備えている。分離膜16は、分離手段の一種である。
(Separation membrane)
The fuel cell system 10 according to the present embodiment includes a separation membrane 16 that separates at least one of carbon dioxide and water vapor from an anode off gas containing unreacted fuel gas discharged from the first fuel cell stack 11. . The separation membrane 16 is a kind of separation means.

オフガス経路52内を流通するアノードオフガスは、分離膜16の供給側16Aに供給され、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。二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離した後のアノードオフガスは、供給側16Aからオフガス経路54内を流通し、第2燃料電池セルスタック12へ供給される。一方、分離された二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方は、原料ガス供給経路24内を流通する原料ガスと混合され、透過側16Bから原料ガス供給経路24内を流通し、改質器14の改質部19へ供給される。そのため、分離された二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方は、原料ガスの改質に用いられる。したがって、本実施形態に係る燃料電池システム10では、原料ガスの改質に用いる二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を外部から改質器14の改質部19に供給する必要がなくなる、あるいは、外部から改質器14の改質部19に供給される二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の量を低減することができる。   The anode offgas flowing in the offgas passage 52 is supplied to the supply side 16A of the separation membrane 16, and at least one of carbon dioxide and water vapor in the anode offgas flows from the supply side 16A to the permeation side 16B in the direction of the arrow A. Pass through. The anode off-gas after separating at least one of carbon dioxide and water vapor flows through the off-gas path 54 from the supply side 16 </ b> A and is supplied to the second fuel cell stack 12. On the other hand, at least one of the separated carbon dioxide and water vapor is mixed with the raw material gas flowing in the raw material gas supply path 24 and flows in the raw material gas supply path 24 from the permeate side 16B. To the unit 19. Therefore, at least one of the separated carbon dioxide and water vapor is used for reforming the raw material gas. Therefore, in the fuel cell system 10 according to the present embodiment, it is not necessary to supply at least one of carbon dioxide and steam used for reforming the raw material gas to the reforming unit 19 of the reformer 14 from the outside, or from the outside. The amount of at least one of carbon dioxide and steam supplied to the reforming unit 19 of the reformer 14 can be reduced.

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の透過側16Bに原料ガス供給経路24を配置し、原料ガスを分離された二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方のスイープガスとして機能させている。そのため、分離膜の透過側16Bに空気等のスイープガスを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。   Furthermore, in the fuel cell system 10 according to the present embodiment, the raw material gas supply path 24 is disposed on the permeation side 16B of the separation membrane 16 so that the raw material gas functions as at least one of the separated carbon dioxide and water vapor sweep gas. Yes. Therefore, it is not necessary to separately provide a path for supplying a sweep gas such as air and an air blower or a decompression pump to the permeation side 16B of the separation membrane, and the system is simplified.

燃料電池システム10では、分離膜16にて二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離されるため、第2燃料電池セルスタック12に供給されるアノードオフガス中の水蒸気濃度及び二酸化炭素濃度の少なくとも一方を低くすることができ、燃料電池システム10の発電効率を高めることができる。   In the fuel cell system 10, since at least one of carbon dioxide and water vapor is separated by the separation membrane 16, at least one of the water vapor concentration and the carbon dioxide concentration in the anode off-gas supplied to the second fuel cell stack 12 is lowered. The power generation efficiency of the fuel cell system 10 can be increased.

分離膜は、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を透過する膜であれば特に限定されず、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。   The separation membrane is not particularly limited as long as it is a membrane that transmits at least one of carbon dioxide and water vapor, and examples thereof include an organic polymer membrane, an inorganic material membrane, an organic polymer-inorganic material composite membrane, and a liquid membrane. The separation membrane is more preferably a glassy polymer membrane, a rubbery polymer membrane, an ion exchange resin membrane, an alumina membrane, a silica membrane, a carbon membrane, a zeolite membrane, a ceramic membrane, an amine aqueous solution membrane or an ionic liquid membrane. preferable.

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、10μm〜500μmの範囲がより好ましく、15μm〜150μmの範囲がさらに好ましい。   The thickness of the separation membrane is not particularly limited, but from the viewpoint of mechanical strength, it is usually preferably in the range of 10 μm to 3000 μm, more preferably in the range of 10 μm to 500 μm, and still more preferably in the range of 15 μm to 150 μm.

また、分離膜としては、アノードオフガスを再生させてその燃料濃度を好適に上昇させる点から、二酸化炭素分離率及び水蒸気分離率の一方が50%以上99%以下を満たす膜であることが好ましく、60%以上99%以下を満たす膜であることがより好ましく、70%以上99%以下を満たす膜であることが更に好ましく、80%以上99%以下を満たす膜であることが特に好ましい。アノードオフガスを再生させてその燃料濃度を好適に上昇させることにより、燃料電池システムにおいて、より高い燃料利用率での運転が可能となり、より高い発電効率を得ることができる。   Further, the separation membrane is preferably a membrane satisfying one of the carbon dioxide separation rate and the water vapor separation rate of 50% or more and 99% or less from the viewpoint of suitably increasing the fuel concentration by regenerating the anode off-gas, A film satisfying 60% to 99% is more preferable, a film satisfying 70% to 99% is further preferable, and a film satisfying 80% to 99% is particularly preferable. By regenerating the anode off gas and suitably increasing its fuel concentration, the fuel cell system can be operated at a higher fuel utilization rate, and higher power generation efficiency can be obtained.

また、分離膜としては、アノードオフガスを再生させてその燃料濃度を好適に上昇させつつ、炭素析出を好適に抑制する点から、水蒸気分離率が50%以上99%以下を満たす膜であることが好ましく、60%以上99%以下を満たす膜であることがより好ましく、70%以上99%以下を満たす膜であることが更に好ましく、80%以上99%以下を満たす膜であることが特に好ましい。   Further, the separation membrane is a membrane satisfying a water vapor separation rate of 50% or more and 99% or less from the viewpoint of suitably suppressing the carbon deposition while regenerating the anode off gas and suitably increasing its fuel concentration. A film satisfying 60% to 99% is more preferable, a film satisfying 70% to 99% is more preferable, and a film satisfying 80% to 99% is particularly preferable.

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。支持体を設けた場合、分離膜の厚さは、二酸化炭素透過性及び水蒸気透過性を好適に確保する点から、100nm〜100μmの範囲が好ましく、100nm〜50μmの範囲がより好ましい。
また、支持体の厚さ(分離膜の厚さよりも大きいことが好ましい)は、10μm〜500μmの範囲が好ましく、30μm〜300μmの範囲がより好ましい。
The separation membrane may be supported by a porous support. Examples of the material for the support include paper, cellulose, polyester, polyolefin, polyamide, polyimide, polysulfone, polycarbonate, metal, glass, and ceramic. When a support is provided, the thickness of the separation membrane is preferably in the range of 100 nm to 100 μm, more preferably in the range of 100 nm to 50 μm, from the viewpoint of suitably ensuring carbon dioxide permeability and water vapor permeability.
The thickness of the support (preferably larger than the thickness of the separation membrane) is preferably in the range of 10 μm to 500 μm, more preferably in the range of 30 μm to 300 μm.

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としては、例えば、「Journal of Membrane Science Vol.320(2008)390-400,The upper bound revisited」等に記載の膜を用いてもよい。また、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、特に、二酸化炭素を分離する分離膜として、特許第5329207号公報に記載の高分子膜、特許第4965928号公報に記載のCO促進輸送膜、特許第5743639号公報に記載の分離膜、特許第5738704号公報に記載の透過膜等を用いてもよい。 As the separation membrane for separating at least one of carbon dioxide and water vapor, for example, a membrane described in “Journal of Membrane Science Vol. 320 (2008) 390-400, The upper bound revisited” may be used. Further, as a separation membrane for separating at least one of carbon dioxide and water vapor, particularly as a separation membrane for separating carbon dioxide, the polymer membrane described in Japanese Patent No. 5329207 and the CO 2 facilitated transport described in Japanese Patent No. 496528 A membrane, a separation membrane described in Japanese Patent No. 5743639, a permeable membrane described in Japanese Patent No. 5738704, or the like may be used.

二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離した後のアノードオフガスは、供給側16Aからオフガス経路54内を流通し、第2燃料電池セルスタック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内を流通する二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離されたアノードオフガスは、第2燃料電池セルスタック12の作動温度に適した温度に加熱される。   The anode off-gas after separating at least one of carbon dioxide and water vapor flows through the off-gas path 54 from the supply side 16 </ b> A and is supplied to the second fuel cell stack 12. At this time, as described above, the anode offgas from which at least one of carbon dioxide and water vapor flowing through the offgas passage 54 is separated by the heat exchanger 21 installed in the offgas passage 52 and the offgas passage 54 is the second fuel. The battery cell stack 12 is heated to a temperature suitable for the operating temperature.

(第2燃料電池セルスタック)
本実施形態に係る燃料電池システム10は、分離膜16の供給側16Aの下流に配置され、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離されたアノードオフガスを用いて発電を行う第2燃料電池セルスタック12を備えている。第2燃料電池セルスタック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を複数積層あるいは複数接続した燃料電池スタックを少なくとも一つ備えた燃料電池セルスタックである。なお、第2燃料電池セルスタック12における電気化学的反応は、上述の第1燃料電池セルスタック11と同様であるため、その説明は省略する。
(Second fuel cell stack)
The fuel cell system 10 according to the present embodiment is disposed downstream of the supply side 16A of the separation membrane 16 and generates power using an anode offgas from which at least one of carbon dioxide and water vapor is separated. It has. As the second fuel cell stack 12, for example, a fuel cell stack including at least one fuel cell stack in which a plurality of fuel cells each including an air electrode (cathode), an electrolyte, and a fuel electrode (anode) are stacked or connected is used. It is. In addition, since the electrochemical reaction in the 2nd fuel cell stack 12 is the same as that of the above-mentioned 1st fuel cell stack 11, the description is abbreviate | omitted.

燃料電池システム10では、第2燃料電池セルスタック12は、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離されたアノードオフガスを用いて発電を行う。そのため、第2燃料電池セルスタック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、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が分離されたことに起因して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、高い発電効率を得ることができる。   In the fuel cell system 10, the second fuel cell stack 12 generates power using an anode off gas from which at least one of carbon dioxide and water vapor is separated. Therefore, in the second fuel cell stack 12, the theoretical voltage due to the oxygen partial pressure difference between the electrodes is improved, and the concentration overvoltage is increased due to the separation of at least one of carbon dioxide and water vapor in the anode off-gas. Reduced, and can exhibit high performance, particularly at high current densities. Therefore, the fuel cell system 10 can obtain high power generation efficiency.

<第1燃料電池セルスタック及び第2燃料電池セルスタックの好ましい条件>
本実施形態に係る燃料電池システム10では、第1燃料濃度及び前記第2燃料濃度の値が等しくなるときの値をCとすると、第1燃料濃度及び第2燃料濃度がそれぞれ0.9C以上を満たしていればよく、好ましくは、第1燃料濃度及び第2燃料濃度がそれぞれ0.95C以上を満たしていればよい。なお、第1燃料濃度及び第2燃料濃度の上限としては特に限定されず、例えば、1.1C以下であればよい。
<Preferable conditions for the first fuel cell stack and the second fuel cell stack>
In the fuel cell system 10 according to the present embodiment, when the value when the first fuel concentration and the second fuel concentration are equal is C, the first fuel concentration and the second fuel concentration are 0.9C or more, respectively. The first fuel concentration and the second fuel concentration may each satisfy 0.95C or more. The upper limits of the first fuel concentration and the second fuel concentration are not particularly limited and may be, for example, 1.1 C or less.

本実施形態に係る燃料電池システム10では、第1燃料電池セルスタック11が備える燃料電池セルの有効表面積の合計をα、第2燃料電池セルスタック12が備える燃料電池セルの有効表面積の合計をαとしたとき、α/αが2.0超であることが好ましい。これにより、α/αが2.0以下である場合と比較して、第1燃料濃度及び第2燃料濃度の値をともに高い値とすることができるため、燃料電池セルスタックの酸化等を好適に抑制することができ、燃料電池セルスタックの耐久性により優れた燃料電池システムを提供することができる。なお、燃料電池セルの有効表面積が増加すると、燃料ガスの消費量も増加する傾向にある。
α/αは、2.5以上であることがより好ましい。
In the fuel cell system 10 according to the present embodiment, the total effective surface area of the fuel cells provided in the first fuel cell stack 11 is α 1 , and the total effective surface area of the fuel cells provided in the second fuel cell stack 12 is determined. When α 2 , α 1 / α 2 is preferably more than 2.0. As a result, both the values of the first fuel concentration and the second fuel concentration can be made higher than when α 1 / α 2 is 2.0 or less. Can be suitably suppressed, and a fuel cell system that is more excellent in durability of the fuel cell stack can be provided. In addition, when the effective surface area of a fuel cell increases, the consumption of fuel gas also tends to increase.
α 1 / α 2 is more preferably 2.5 or more.

α/αは、第1燃料濃度及び第2燃料濃度の値の低下を抑制する、特に、第1燃料濃度の値の低下を抑制する点から、20.5以下であることが好ましく、15以下であることがより好ましく、10以下であることが更に好ましく、8.0以下であることが特に好ましく、6.0以下であることがより一層好ましい。 α 1 / α 2 is preferably 20.5 or less from the viewpoint of suppressing a decrease in the values of the first fuel concentration and the second fuel concentration, in particular, from the viewpoint of suppressing a decrease in the value of the first fuel concentration, It is more preferably 15 or less, still more preferably 10 or less, particularly preferably 8.0 or less, and even more preferably 6.0 or less.

また、分離手段が二酸化炭素及び水蒸気を分離する場合、α/αが2.0超15以下であることが好ましく、2.0超10以下であることがより好ましく、2.05以上6.0以下であることが更に好ましく、2.05以上5.0以下であることが特に好ましい。 When the separation means separates carbon dioxide and water vapor, α 1 / α 2 is preferably more than 2.0 and less than 15 and more preferably more than 2.0 and less than 10 and more than 2.05 and 6 Is more preferably 0.0 or less, and particularly preferably 2.05 or more and 5.0 or less.

なお、第1燃料電池セルスタック11及び第2燃料電池セルスタック12にそれぞれ含まれる燃料電池スタックが同一のものである場合等には、第1燃料電池セルスタック11における燃料電池スタックの数β、第2燃料電池セルスタック12における燃料電池スタックの数βとしたとき、β/βが2.0超であることが好ましい。β/βの好ましい数値範囲は、上述のα/αと同様である。 When the fuel cell stacks included in the first fuel cell stack 11 and the second fuel cell stack 12 are the same, the number of fuel cell stacks in the first fuel cell stack 11 β 1 When the number of fuel cell stacks β 2 in the second fuel cell stack 12 is β 2 , β 1 / β 2 is preferably more than 2.0. A preferable numerical range of β 1 / β 2 is the same as α 1 / α 2 described above.

また、本実施形態に係る燃料電池システム10を用いて発電を行う場合、第1燃料電池セルスタック11及び第2燃料電池セルスタック12を等しい電流密度で作動させて発電を行うことが好ましい。前述の<第1燃料電池セルスタック及び第2燃料電池セルスタックの好ましい条件>を満たしつつ、第1燃料電池セルスタック11及び第2燃料電池セルスタック12を等しい電流密度で作動させて発電を行うことにより、燃料電池セルスタックの耐久性に優れ、長期的に安定した発電が可能となる。   In addition, when power generation is performed using the fuel cell system 10 according to the present embodiment, it is preferable to generate power by operating the first fuel cell stack 11 and the second fuel cell stack 12 with equal current density. Power generation is performed by operating the first fuel cell stack 11 and the second fuel cell stack 12 at equal current densities while satisfying the above-described <preferred conditions for the first fuel cell stack and the second fuel cell stack>. As a result, the durability of the fuel cell stack is excellent and stable power generation is possible over the long term.

また、第1燃料電池セルスタック11が備える燃料電池セルの有効表面積と第1燃料電池セルスタック11を作動させたときの当該燃料電池セルの電流密度との積の合計をγ、第2燃料電池セルスタック12が備える燃料電池セルの有効表面積と第2燃料電池セルスタック12を作動させたときの当該燃料電池セルの電流密度との積の合計をγとしたとき、γ/γを2.0超に調整して発電を行うことも好ましい。これにより、γ/γが2.0以下である場合と比較して、第1燃料濃度及び第2燃料濃度の値をともに高い値とすることができるため、燃料電池セルスタックの酸化等を好適に抑制することができ、燃料電池セルスタックの耐久性により優れ、より長期的に安定した発電が可能となる。γ/γの好ましい数値範囲は、上述のα/αと同様である。
なお、第1燃料電池セルスタック11が備える特定の燃料電池セルの有効表面積と、この燃料電池セルの電流密度との積を求め、かつ、第1燃料電池セルスタック11が備える他の燃料電池セルについても同様に積を求めたときの、これらの積の合計値がγに対応し、γについても同様である。
また、γ及びγは、それぞれ第1燃料電池セルスタック11及び第2燃料電池セルスタック12における燃料ガスの消費量と比例関係にある。
Further, the sum of the product of the effective surface area of the fuel cell provided in the first fuel cell stack 11 and the current density of the fuel cell when the first fuel cell stack 11 is operated is γ 1 , the second fuel. When the total product of the effective surface area of the fuel cells provided in the battery cell stack 12 and the current density of the fuel cell when the second fuel cell stack 12 is operated is γ 2 , γ 1 / γ 2 It is also preferable to adjust the power to more than 2.0 and perform power generation. Thereby, compared with the case where (gamma) 1 / (gamma) 2 is 2.0 or less, since both the value of a 1st fuel concentration and a 2nd fuel concentration can be made into a high value, oxidation of a fuel cell stack, etc. Can be suitably suppressed, and the durability of the fuel cell stack is excellent, and stable power generation is possible over a long period of time. A preferable numerical range of γ 1 / γ 2 is the same as that of α 1 / α 2 described above.
In addition, the product of the effective surface area of the specific fuel cell provided in the first fuel cell stack 11 and the current density of the fuel cell is obtained, and another fuel cell provided in the first fuel cell stack 11 Similarly, the sum of these products when the product is obtained corresponds to γ 1 , and the same applies to γ 2 .
Further, γ 1 and γ 2 are proportional to the fuel gas consumption in the first fuel cell stack 11 and the second fuel cell stack 12, respectively.

分離手段において、二酸化炭素及び水蒸気の一方を分離する場合、燃料電池セルスタックの酸化等を好適に抑制する点から、第1燃料濃度及び第2燃料濃度がそれぞれ10%以上であることが好ましく、12%以上であることがより好ましく、14%以上であることが更に好ましく、16%以上であることが特に好ましく、17%以上であることがより一層好ましい。   In the separation means, when one of carbon dioxide and water vapor is separated, it is preferable that the first fuel concentration and the second fuel concentration are each 10% or more from the viewpoint of suitably suppressing the oxidation of the fuel cell stack. It is more preferably 12% or more, further preferably 14% or more, particularly preferably 16% or more, and further preferably 17% or more.

分離手段において、二酸化炭素及び水蒸気を分離する場合、燃料電池セルスタックの酸化等を好適に抑制する点から、第1燃料濃度及び第2燃料濃度がそれぞれ11.5%以上であることが好ましく、14%以上であることがより好ましく、17%以上であることが更に好ましく、19%以上であることが特に好ましく、21%以上であることがより一層好ましい。   In the separation means, when carbon dioxide and water vapor are separated, it is preferable that the first fuel concentration and the second fuel concentration are each 11.5% or more from the viewpoint of suitably suppressing the oxidation of the fuel cell stack. It is more preferably 14% or more, further preferably 17% or more, particularly preferably 19% or more, and further preferably 21% or more.

本実施形態に係る燃料電池システム10では、燃料利用率が80%以上であることが好ましく、85%以上であることがより好ましく、85%以上95%以下であることが更に好ましい。本実施形態に係る燃料電池システム10では、分離手段を設けることにより、燃料利用率を高めるとともに、上記条件を満たすように第1燃料濃度及び第2燃料濃度を調整している。そのため、本実施形態に係る燃料電池システムでは、高い燃料利用率による発電効率の向上と、燃料電池セルスタックの耐久性の向上とを両立している。   In the fuel cell system 10 according to the present embodiment, the fuel utilization rate is preferably 80% or more, more preferably 85% or more, and further preferably 85% or more and 95% or less. In the fuel cell system 10 according to the present embodiment, by providing the separation means, the fuel utilization rate is increased and the first fuel concentration and the second fuel concentration are adjusted so as to satisfy the above conditions. Therefore, the fuel cell system according to the present embodiment achieves both improvement in power generation efficiency due to a high fuel utilization rate and improvement in durability of the fuel cell stack.

第2燃料電池セルスタック12のカソードから排出されたカソードオフガスは、空気供給経路44を通じて改質器14の燃焼部18へ供給される。同様に、第2燃料電池セルスタック12のアノードから排出されたアノードオフガスは、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。   The cathode off gas discharged from the cathode of the second fuel cell stack 12 is supplied to the combustion unit 18 of the reformer 14 through the air supply path 44. Similarly, the anode off gas discharged from the anode of the second fuel cell stack 12 is supplied to the combustion unit 18 of the reformer 14 through the off gas path 46.

[第2実施形態]
以下、本発明の燃料電池システムの第2実施形態について図2を用いて説明する。図2は、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2実施形態に係る燃料電池システム20は、第1燃料電池セルスタック11と第2燃料電池セルスタック12との間に分離膜16を設ける代わりに、分離手段の一種である水タンク36を設け、かつ、水タンク32に貯留された凝縮水を改質器14の改質部19に供給して原料ガスの水蒸気改質に用いる点で、第1実施形態に係る燃料電池システム10と主に相違する。なお、本実施形態では、第1実施形態と同様の構成については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
[Second Embodiment]
Hereinafter, a second embodiment of the fuel cell system of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing a fuel cell system according to the second embodiment. In the fuel cell system 20 according to the second embodiment, instead of providing the separation membrane 16 between the first fuel cell stack 11 and the second fuel cell stack 12, a water tank 36 which is a kind of separation means is provided. In addition, the condensed water stored in the water tank 32 is supplied to the reforming unit 19 of the reformer 14 and used for the steam reforming of the raw material gas, mainly with the fuel cell system 10 according to the first embodiment. Is different. In the present embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.

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の改質部19に供給され、原料ガスの水蒸気改質に用いられる。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の改質部19に直接供給される構成であってもよい。   The source gas supply path 24 is connected to a later-described steam supply path 37, and steam flowing through the steam supply path 37 is supplied to the source gas supply path 24. Then, the steam supplied from the steam supply path 37 is supplied to the reforming unit 19 of the reformer 14 together with the raw material gas, and is used for the steam reforming of the raw material gas. The raw material gas supply path 24 is not connected to the steam supply path 37 and is directly supplied to the reforming unit 19 of the reformer 14 through the steam supply path 37 from the viewpoint of preventing condensation of the steam in the path. It may be a configuration.

また、熱交換器21により、オフガス経路52内を流通するアノードオフガスと、オフガス経路54内を流通する水蒸気が回収されたアノードオフガスと、の間で熱交換を行われた後、オフガス経路52内を流通するアノードオフガスが水タンク36に供給される。このとき、オフガス経路52内を流通するアノードオフガスは冷却され、水タンク36にて水蒸気が凝縮される温度に近づくとともに、第2燃料電池セルスタック12に供給される水蒸気が回収されたオフガスは、発電に適した温度に加熱される。   The heat exchanger 21 exchanges heat between the anode off-gas flowing through the off-gas passage 52 and the anode off-gas from which the water vapor flowing through the off-gas passage 54 has been recovered, and then the inside of the off-gas passage 52 The anode off gas flowing through the water tank 36 is supplied to the water tank 36. At this time, the anode offgas flowing in the offgas passage 52 is cooled, approaches the temperature at which the water vapor is condensed in the water tank 36, and the off gas from which the water vapor supplied to the second fuel cell stack 12 is recovered is Heated to a temperature suitable for power generation.

水タンク36は、オフガス経路52内を流通するアノードオフガス中に含まれる水蒸気を凝縮して得られた凝縮水を貯留することで、アノードオフガス中に含まれる水蒸気を回収するための容器である。   The water tank 36 is a container for collecting water vapor contained in the anode off gas by storing condensed water obtained by condensing water vapor contained in the anode off gas flowing in the off gas passage 52.

水タンク36は、凝縮水供給経路35を介して水タンク32と連結している。例えば、水タンク36に貯留された凝縮水が所定の量となったときに、水タンク36に貯留された凝縮水が凝縮水供給経路35を介して水タンク32に供給される構成となっていてもよい。また、水タンク36の代わりに、水蒸気を分離する分離膜、水蒸気を吸着する吸着剤等を設けてもよい。水タンクでの水蒸気分離率の好ましい範囲としては、前述の分離膜にて記載した数値範囲と同様である。例えば、水タンクの温度を調整することにより、水蒸気分離率を適宜調整することができる。   The water tank 36 is connected to the water tank 32 via the condensed water supply path 35. For example, the condensed water stored in the water tank 36 is supplied to the water tank 32 via the condensed water supply path 35 when the condensed water stored in the water tank 36 reaches a predetermined amount. May be. Further, instead of the water tank 36, a separation membrane for separating water vapor, an adsorbent for adsorbing water vapor, or the like may be provided. A preferable range of the water vapor separation rate in the water tank is the same as the numerical range described in the above-described separation membrane. For example, the water vapor separation rate can be adjusted as appropriate by adjusting the temperature of the water tank.

本実施形態に係る燃料電池システム20は、第1燃料電池セルスタック11と第2燃料電池セルスタック12との間に、分離手段の一種として、第1燃料電池セルスタック11から排出されたアノード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備えていてもよい。例えば、二酸化炭素除去部は、図2中のB1又はB2の位置に配置される。二酸化炭素除去部としては、アノードオフガスに含まれる二酸化炭素を分離できるものであれば特に限定されず、分離膜、吸収材、吸着材などが挙げられる。二酸化炭素除去部における二酸化炭素分離率の好ましい範囲としては、前述の分離膜にて記載した数値範囲と同様である。   The fuel cell system 20 according to this embodiment includes an anode off-gas discharged from the first fuel cell stack 11 as a kind of separation means between the first fuel cell stack 11 and the second fuel cell stack 12. You may provide the carbon dioxide removal part which removes a carbon dioxide from. For example, the carbon dioxide removal unit is disposed at a position B1 or B2 in FIG. The carbon dioxide removing unit is not particularly limited as long as it can separate carbon dioxide contained in the anode off gas, and examples thereof include a separation membrane, an absorbent, and an adsorbent. A preferable range of the carbon dioxide separation rate in the carbon dioxide removal unit is the same as the numerical range described in the above-described separation membrane.

燃料電池システム20では、排気経路48内を流通する排気は、気化器の役割を有する熱交換器23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う。これにより、排気経路48内を流通する排気は冷却された後に凝縮器である水タンク32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。   In the fuel cell system 20, the exhaust gas flowing in the exhaust path 48 exchanges heat with the reformed water flowing in the reformed water supply path 33 in the heat exchanger 23 having the role of a vaporizer. Thus, the exhaust gas flowing through the exhaust passage 48 is cooled and then supplied to the water tank 32 as a condenser, and the reformed water flowing through the reformed water supply passage 33 is vaporized and then passed through the water vapor supply passage 37. It is supplied to the source gas supply path 24.

水タンク32は、排気経路48内を流通する排気中に含まれる水蒸気を凝縮して得られた凝縮水を貯留することで、排気中に含まれる水蒸気を回収するための容器である。水タンク32では、水蒸気以外の排気は外部に排出され、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。   The water tank 32 is a container for collecting the water vapor contained in the exhaust gas by storing the condensed water obtained by condensing the water vapor contained in the exhaust gas flowing through the exhaust passage 48. In the water tank 32, exhaust gas other than water vapor is discharged to the outside, and when a predetermined amount or more of water is stored, drainage is performed by overflow, for example.

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23に供給される。   The water tank 32 is connected to the reforming water supply path 33, and the reforming water supply path 33 is provided with a reforming water pump 34. The water stored in the water tank 32 by the reforming water pump 34 is supplied as reforming water to the heat exchanger 23 through the reforming water supply path 33.

なお、排気経路48内を流通する排気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。   The structure for separating the water vapor from the exhaust gas flowing in the exhaust path 48 is not limited to the water tank 32. For example, the water vapor and the gas other than the water vapor may be separated by a separation membrane, Gas for steam reforming may be separated by adsorbing gas other than steam.

また、排気経路48内を流通する排気と、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う熱交換器23の代わりに、燃焼部18、第1燃料電池セルスタック11、第2燃料電池セルスタック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。   Further, instead of the heat exchanger 23 that performs heat exchange between the exhaust gas flowing in the exhaust path 48 and the reformed water flowing in the reformed water supply path 33, the combustion unit 18, the first fuel cell unit. A vaporizer that vaporizes the reformed water using heat released from at least one of the stack 11 and the second fuel cell stack 12 may be provided.

燃料電池システム20では、熱交換器23にて熱交換が行なわれた排気は、熱交換器22にて、空気供給経路44内を流通する酸素を含むガスと熱交換を行なう。これにより、排ガスは冷却された後に水タンク32(凝縮器)に供給され、酸素を含むガスは加熱された後に、第1燃料電池セルスタック11のカソードに供給されて発電に用いられる。   In the fuel cell system 20, the exhaust gas heat-exchanged by the heat exchanger 23 exchanges heat with the oxygen-containing gas flowing in the air supply path 44 by the heat exchanger 22. As a result, the exhaust gas is cooled and then supplied to the water tank 32 (condenser), and the gas containing oxygen is heated and then supplied to the cathode of the first fuel cell stack 11 and used for power generation.

(変形例)
第1実施形態及び第2実施形態では、空気供給経路44が直列となっているため、第1燃料電池セルスタック11に空気を供給した後、第2燃料電池セルスタック12に第1燃料電池セルスタック11から排出されたカソードオフガスが供給されるが、空気供給経路44は並列であってもよい。つまり、空気が流通する空気供給経路44が分岐し、第1燃料電池セルスタック11及び第2燃料電池セルスタック12のカソードに空気をそれぞれ供給する構成であってもよい。
(Modification)
In the first embodiment and the second embodiment, since the air supply path 44 is in series, after the air is supplied to the first fuel cell stack 11, the first fuel cell is supplied to the second fuel cell stack 12. The cathode off gas discharged from the stack 11 is supplied, but the air supply paths 44 may be parallel. That is, the air supply path 44 through which air flows may be branched to supply air to the cathodes of the first fuel cell stack 11 and the second fuel cell stack 12.

第1実施形態では、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一つ設ける構成について説明したが、本発明はこれに限定されず、複数の分離膜を配置する構成であってもよい。例えば、分離膜として二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離膜及び水蒸気を分離する水蒸気分離膜をそれぞれ別々に配置してもよい。二酸化炭素分離膜及び水蒸気分離膜を厳密に区別する必要は無く、二酸化炭素分離膜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、水蒸気分離膜及び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ってもよい。また、二酸化炭素分離膜としては、CO促進輸送膜を用いてもよい。 Although 1st Embodiment demonstrated the structure which provides one separation membrane which isolate | separates at least one of a carbon dioxide and water vapor | steam, this invention is not limited to this, The structure which arrange | positions a some separation membrane may be sufficient. . For example, a carbon dioxide separation membrane that separates carbon dioxide and a water vapor separation membrane that separates water vapor may be separately disposed as separation membranes. There is no need to strictly distinguish between a carbon dioxide separation membrane and a water vapor separation membrane, and the carbon dioxide separation membrane may be a separation membrane that transmits water vapor together with carbon dioxide. It may be. The material for the water vapor separation membrane and the carbon dioxide separation membrane may be the same as the material for the separation membrane described above. Further, as the carbon dioxide separation membrane, a CO 2 facilitated transport membrane may be used.

第1実施形態にて、分離膜16として水蒸気を分離する水蒸気分離膜を配置した場合、燃料電池システム10は、第1燃料電池セルスタック11の下流かつ第2燃料電池セルスタック12の上流にアノード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ていてもよい。二酸化炭素除去部としては、第2実施形態で用いるものと同様である。   In the first embodiment, when a water vapor separation membrane for separating water vapor is disposed as the separation membrane 16, the fuel cell system 10 has an anode downstream of the first fuel cell stack 11 and upstream of the second fuel cell stack 12. You may further provide the carbon dioxide removal part which removes a carbon dioxide from off gas. The carbon dioxide removal unit is the same as that used in the second embodiment.

第1実施形態にて、分離膜16として二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離膜を配置した場合、燃料電池システム10は、第1燃料電池セルスタック11の下流かつ第2燃料電池セルスタック12の上流にアノード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ていてもよい。これにより、第2燃料電池セルスタック12は水蒸気及び二酸化炭素が分離されたアノードオフガスを用いて発電を行うため、発電効率をより高めることができる。   In the first embodiment, when a carbon dioxide separation membrane that separates carbon dioxide is disposed as the separation membrane 16, the fuel cell system 10 is disposed downstream of the first fuel cell stack 11 and upstream of the second fuel cell stack 12. A water vapor removing unit that removes water vapor from the anode off gas may be further provided. Thereby, since the 2nd fuel cell stack 12 performs electric power generation using anode off gas from which water vapor and carbon dioxide were separated, electric power generation efficiency can be raised more.

水蒸気除去部は、アノード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。   The water vapor removing unit is for removing water vapor from the anode off gas, and may be a separation membrane that separates water vapor, an adsorbent that adsorbs water vapor, a condenser that condenses water vapor, or the like.

また、第1実施形態において、分離膜16の透過側に原料ガス供給経路24を配置して分離された水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方を原料ガスの改質に用いる構成に限定されない。例えば、分離膜16の透過側に、空気等のスイープガスを供給する供給経路を設ける構成、カソードガス又はカソードオフガスが流通する空気供給経路44を設ける構成、排気が流通する排気経路48を設ける構成等であってもよく、分離膜16の透過側を減圧する構成等であってもよい。   Moreover, in 1st Embodiment, it is not limited to the structure which uses at least one of the water vapor | steam and carbon dioxide isolate | separated by arrange | positioning the raw material gas supply path 24 in the permeation | transmission side of the separation membrane 16, and reforming of raw material gas. For example, a configuration in which a supply path for supplying a sweep gas such as air is provided on the permeate side of the separation membrane 16, a configuration in which an air supply path 44 through which cathode gas or cathode off gas flows is provided, and a configuration in which an exhaust path 48 through which exhaust flows are provided. Or a configuration in which the permeation side of the separation membrane 16 is depressurized.

また、本発明において、改質器は必須の構成ではなく、第1燃料電池セルスタックの上流側に改質器を配置することなく、水素及び一酸化炭素の少なくとも一方を含む燃料ガスを第1燃料電池セルスタックに供給して発電を行う構成であってもよい。   Further, in the present invention, the reformer is not an essential configuration, and the first fuel gas containing at least one of hydrogen and carbon monoxide is disposed without arranging the reformer upstream of the first fuel cell stack. The configuration may be such that power is generated by supplying the fuel cell stack.

本発明は、前述の第1実施形態、第2実施形態及び変形例に限定されず、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、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。さらに、前述の第1実施形態、第2実施形態及び変形例に記載の燃料電池システムを用いた発電方法も本発明に包含される。   The present invention is not limited to the first embodiment, the second embodiment, and the modifications described above, and is implemented by a person skilled in the art in combination with the above-described embodiments within the technical idea of the present invention. Further, the installation location and combination of heat exchangers are not limited to these embodiments. Furthermore, the present invention also includes a power generation method using the fuel cell system described in the first embodiment, the second embodiment, and the modification.

[本発明の一例]
以下、本発明の一例の燃料電池システムについて検討する。燃料電池システムとしては、第1燃料電池セルスタック、分離手段及び第2燃料電池セルスタックに加えて、第1燃料電池セルスタックの上流に炭化水素ガスの改質を行う改質器を備えるシステムについて検討した。検討における条件は以下の通りである。
<条件>
第1燃料電池セルスタック及び第2燃料電池セルスタック:固体酸化物形燃料電池
炭化水素ガス:メタン
改質:水蒸気改質
スチームカーボン比(S/C):2.5
セルの負荷電流:第1燃料電池セルスタック及び第2燃料電池セルスタックで同じ
全体の燃料利用率:90(%)
燃料利用率の関係:Uf(total)=[Uf(first)+(1−Uf(first))・Uf(second)](式中、Uf(total)は全体の燃料利用率、Uf(first)は第1燃料電池セルスタックの燃料利用率及びUf(second)は第2燃料電池セルスタックの燃料利用率を指す。)
第1燃料電池セルスタックの入口における燃料濃度C:72.73(%)[(Hガス量+COガス量)/全ガス量]×100(%)
<各パラメータの算出式>
第2燃料電池セルスタックの燃料利用率:Uf(second)=(Uf(total)−Uf(first))/(1−Uf(first)
第2燃料電池セルスタックのスタック数に対する第1燃料電池セルスタックのスタック数の比率(燃料電池セルスタックを構成する燃料電池スタック及び電流密度は全て同じ、β/βに対応):Uf(first)/(Uf(total)−Uf(first)
第1燃料電池セルスタックの出口におけるアノードオフガスの濃度(第1燃料濃度C):C×(1−Uf(first)
第2燃料電池セルスタックの入口における燃料濃度(第3燃料濃度C):C/{1−除去率(1−C)}
第2燃料電池セルスタックの出口におけるアノードオフガスの濃度(第2燃料濃度C):C×(1−Uf(second)
[Example of the present invention]
Hereinafter, an example of the fuel cell system of the present invention will be considered. The fuel cell system includes a reformer that reforms hydrocarbon gas upstream of the first fuel cell stack in addition to the first fuel cell stack, the separating unit, and the second fuel cell stack. investigated. The conditions for the study are as follows.
<Conditions>
1st fuel cell stack and 2nd fuel cell stack: Solid oxide fuel cell Hydrocarbon gas: Methane Reform: Steam reforming Steam carbon ratio (S / C): 2.5
Cell load current: Same for the first fuel cell stack and the second fuel cell stack Overall fuel utilization: 90 (%)
Relationship between fuel utilization rates: U f (total) = [U f (first) + (1-U f (first) ) · U f (second) ] (where U f (total) is the total fuel utilization rate) U f (first) indicates the fuel utilization rate of the first fuel cell stack and U f (second) indicates the fuel utilization rate of the second fuel cell stack.)
Fuel concentration C 0 at the inlet of the first fuel cell stack: 72.73 (%) [(H 2 gas amount + CO gas amount) / total gas amount] × 100 (%)
<Calculation formula for each parameter>
Fuel utilization rate of the second fuel cell stack: U f (second) = (U f (total) −U f (first) ) / (1−U f (first) )
Ratio of the number of stacks of the first fuel cell stack to the number of stacks of the second fuel cell stack (the fuel cell stack and current density constituting the fuel cell stack are all the same, corresponding to β 1 / β 2 ): U f (first) / (U f (total) −U f (first) )
Anode off-gas concentration at the outlet of the first fuel cell stack (first fuel concentration C 1 ): C 0 × (1−U f (first) )
Fuel concentration at the inlet of the second fuel cell stack (third fuel concentration C 3 ): C 1 / {1−removal rate (1−C 1 )}
Anode off-gas concentration at the outlet of the second fuel cell stack (second fuel concentration C 2 ): C 3 × (1-U f (second) )

(検討1)
分離手段にてHO及びCOを両方とも除去する場合について説明する。以下、分離手段にてHO及びCOをともに95%除去する場合(前述の算出式における「除去率」が0.95である場合)の燃料電池システムについて検討する。
(Examination 1)
A case where both H 2 O and CO 2 are removed by the separation means will be described. Hereinafter, a fuel cell system in the case where 95% of both H 2 O and CO 2 is removed by the separation means (when the “removal rate” in the above calculation formula is 0.95) will be considered.

ここで、HO及びCOの除去率がともに95%である場合において、第1燃料電池セルスタックの燃料利用率と、第1燃料濃度及び第2燃料濃度との関係を図3に示す。燃料電池システムの全体の燃料利用率が一定である場合、図3に示すように、第1燃料電池セルスタックの燃料利用率を増加させると、第1燃料濃度Cが小さくなる。一方、燃料電池システムの全体の燃料利用率が一定の条件にて第1燃料電池セルスタックの燃料利用率が増加した場合、第2燃料電池セルスタックの燃料利用率が低下する効果が大きいため、図3に示すように、第2燃料濃度Cは大きくなる。そして、図3に示すように、第1燃料濃度C及び第2燃料濃度Cが等しくなるときに、第1燃料濃度C及び第2燃料濃度Cの最小値が最大となり、燃料濃度の低下によるセルスタック酸化等のリスクを低減することができる。 Here, when the removal rates of H 2 O and CO 2 are both 95%, the relationship between the fuel utilization rate of the first fuel cell stack and the first and second fuel concentrations is shown in FIG. . If the overall fuel utilization in the fuel cell system is constant, as shown in FIG. 3, an increase in the fuel utilization ratio of the first fuel cell stack, a first fuel concentration C 1 decreases. On the other hand, when the fuel usage rate of the first fuel cell stack increases under the condition that the overall fuel usage rate of the fuel cell system is constant, the fuel usage rate of the second fuel cell stack is greatly reduced. as shown in FIG. 3, the second fuel concentration C 2 is increased. Then, as shown in FIG. 3, when the first fuel concentration C 1 and the second fuel concentration C 2 is equal, the minimum value of the first fuel concentration C 1 and the second fuel concentration C 2 is maximized, the fuel concentration It is possible to reduce the risk of cell stack oxidation or the like due to a decrease in the cell.

分離手段にてHO及びCOをともに95%除去する場合に、第1燃料濃度C及び第2燃料濃度Cが等しくなるとき、前述の算出式に基づき、以下の値が算出される。
第1燃料電池セルスタックの燃料利用率Uf(first):65.40%
第2燃料電池セルスタックの燃料利用率Uf(second):71.10%
第1燃料濃度C及び第2燃料濃度Cが等しくなるときの値(最大濃度):25.16%
第2燃料電池セルスタックのスタック数に対する第1燃料電池セルスタックのスタック数の比率(スタック比):2.659
When 95% of both H 2 O and CO 2 are removed by the separation means, when the first fuel concentration C 1 and the second fuel concentration C 2 are equal, the following values are calculated based on the above-described calculation formula. The
Fuel usage rate U f (first) of the first fuel cell stack: 65.40%
Fuel utilization rate U f (second) of the second fuel cell stack: 71.10%
Value when the first fuel concentration C 1 and the second fuel concentration C 2 is equal (maximum concentration): 25.16%
Ratio of stack number of first fuel cell stack to stack number of second fuel cell stack (stack ratio): 2.659

次に、第1燃料濃度C及び第2燃料濃度Cが、第1燃料濃度C及び第2燃料濃度Cの最小値が最大となるときの90%以上、すなわち、25.16%の90%以上であれば、第1燃料濃度C及び第2燃料濃度Cをともに高い値とすることができ、第1燃料電池セルスタック及び第2燃料電池セルスタックにて燃料濃度の低下によるセルスタック酸化等のリスクを低減することができる。そこで、第1燃料濃度C及び第2燃料濃度Cの下限値を算出すると22.65%となる。 Next, the first fuel concentration C 1 and the second fuel concentration C 2 are 90% or more when the minimum values of the first fuel concentration C 1 and the second fuel concentration C 2 are maximized, that is, 25.16%. 90% or more, the first fuel concentration C 1 and the second fuel concentration C 2 can both be high, and the fuel concentration decreases in the first fuel cell stack and the second fuel cell stack. It is possible to reduce the risk of cell stack oxidation due to. Accordingly, the 22.65% when calculating the first lower limit value of the fuel concentration C 1 and the second fuel concentration C 2.

第1燃料濃度Cが22.65%である場合、前述の算出式に基づき、以下の値が算出される。
第1燃料電池セルスタックの燃料利用率Uf(first):68.86%
第2燃料電池セルスタックの燃料利用率Uf(second):67.88%
第2燃料電池セルスタックのスタック数に対する第1燃料電池セルスタックのスタック数の比率(スタック比):3.258
When the first fuel concentration C 1 is 22.65%, based on the calculation formula described above, the following values are calculated.
Fuel usage rate U f (first) of the first fuel cell stack: 68.86%
Fuel utilization rate of second fuel cell stack U f (second) : 67.88%
Ratio of stack number of first fuel cell stack to stack number of second fuel cell stack (stack ratio): 3.258

また、第2燃料濃度Cが22.65%である場合、前述の算出式に基づき、以下の値が算出される。
第1燃料電池セルスタックの燃料利用率Uf(first):60.75%
第2燃料電池セルスタックの燃料利用率Uf(second):74.52%
第2燃料電池セルスタックのスタック数に対する第1燃料電池セルスタックのスタック数の比率(スタック比):2.077
Also, if the second fuel concentration C 2 is 22.65%, based on the calculation formula described above, the following values are calculated.
Fuel utilization rate of the first fuel cell stack U f (first) : 60.75%
Fuel utilization rate U f (second) of second fuel cell stack: 74.52%
Ratio of stack number of first fuel cell stack to stack number of second fuel cell stack (stack ratio): 2.077

したがって、上記条件を満たし、かつ、分離手段にてHO及びCOをともに95%除去する場合、セルスタック酸化等のリスクを低減する点から、第1燃料濃度C及び第2燃料濃度Cをともに22.65%以上とし、スタック比を2.077以上3.258以下とすることが好ましい。 Therefore, when 95% of H 2 O and CO 2 are both removed by the separation means while satisfying the above conditions, the first fuel concentration C 1 and the second fuel concentration are reduced from the viewpoint of reducing the risk of cell stack oxidation and the like. C 2 is preferably 22.65% or more, and the stack ratio is preferably 2.077 or more and 3.258 or less.

次に、検討1において、分離手段にてHO及びCOをともに50%〜90%除去する場合における、最大濃度、Uf(first)、Uf(second)、スタック比、及び90%濃度(最大濃度の90%)をそれぞれ算出した。
分離手段にてHO及びCOをともに95%除去する場合とともに結果を表1及び図5に示す。スタック比としては、図5における最大値及び最小値の間の範囲を取ることが好ましい。
Next, in Study 1, the maximum concentration, U f (first) , U f (second) , stack ratio, and 90% when H 2 O and CO 2 are both removed by 50% to 90% by the separation means. The concentration (90% of the maximum concentration) was calculated respectively.
The results are shown in Table 1 and FIG. 5 together with the case where 95% of both H 2 O and CO 2 are removed by the separation means. The stack ratio preferably takes a range between the maximum value and the minimum value in FIG.

(検討2)
分離手段にてCOは除去せずにHOを除去する場合について説明する。以下、分離手段にてHOを95%除去する場合(「HO除去率」が0.95)の燃料電池システムについて検討する。この場合、第2燃料電池セルスタックの入口における燃料濃度(第3燃料濃度C)は、検討1と同様にして各パラメータが算出される。
(Examination 2)
A case where H 2 O is removed without removing CO 2 by the separation means will be described. Hereinafter, a fuel cell system in which 95% of H 2 O is removed by the separation means (“H 2 O removal rate” is 0.95) will be examined. In this case, the parameters of the fuel concentration (third fuel concentration C 3 ) at the inlet of the second fuel cell stack are calculated in the same manner as in Study 1.

ここで、HO除去率が95%である場合において、第1燃料電池セルスタックの燃料利用率と、第1燃料濃度及び第2燃料濃度との関係を図4に示す。図3と同様、図4においても、第1燃料濃度C及び第2燃料濃度Cが等しくなるときに、第1燃料濃度C及び第2燃料濃度Cの最小値が最大となり、燃料濃度の低下によるセルスタック酸化等のリスクを低減することができる。 Here, when the H 2 O removal rate is 95%, the relationship between the fuel utilization rate of the first fuel cell stack and the first fuel concentration and the second fuel concentration is shown in FIG. Similar to FIG. 3, also in FIG. 4, when the first fuel concentration C 1 and the second fuel concentration C 2 is equal, the minimum value of the first fuel concentration C 1 and the second fuel concentration C 2 is maximized, the fuel Risks such as cell stack oxidation due to a decrease in concentration can be reduced.

分離手段にてHOを95%除去する場合に、第1燃料濃度C及び第2燃料濃度Cが等しくなるとき、前述の算出式に基づき、以下の値が算出される。
第1燃料電池セルスタックの燃料利用率Uf(first):72.59%
第2燃料電池セルスタックの燃料利用率Uf(second):63.52%
第1燃料濃度C及び第2燃料濃度Cが等しくなるときの値(最大濃度):19.94%
第2燃料電池セルスタックのスタック数に対する第1燃料電池セルスタックのスタック数の比率(スタック比):4.168
When 95% of H 2 O is removed by the separation means, the following values are calculated based on the above-described calculation formula when the first fuel concentration C 1 and the second fuel concentration C 2 are equal.
Fuel utilization rate of first fuel cell stack U f (first) : 72.59%
Fuel utilization rate of the second fuel cell stack U f (second) : 63.52%
Value when the first fuel concentration C 1 and the second fuel concentration C 2 is equal (maximum concentration): 19.94%
Ratio of stack number of first fuel cell stack to stack number of second fuel cell stack (stack ratio): 4.168

次に、第1燃料濃度C及び第2燃料濃度Cが、第1燃料濃度C及び第2燃料濃度Cの最小値が最大となるときの90%以上、すなわち、19.94%の90%以上であれば、第1燃料濃度C及び第2燃料濃度Cをともに高い値とすることができ、第1燃料電池セルスタック及び第2燃料電池セルスタックにて燃料濃度の低下によるセルスタック酸化等のリスクを低減することができる。そこで、第1燃料濃度C及び第2燃料濃度Cの下限値を算出すると17.94%となる。 Next, the first fuel concentration C 1 and the second fuel concentration C 2 is more than 90% when the minimum value of the first fuel concentration C 1 and the second fuel concentration C 2 is maximum, i.e., 19.94% 90% or more, the first fuel concentration C 1 and the second fuel concentration C 2 can both be high, and the fuel concentration decreases in the first fuel cell stack and the second fuel cell stack. It is possible to reduce the risk of cell stack oxidation due to. Accordingly, the 17.94% when calculating the first lower limit value of the fuel concentration C 1 and the second fuel concentration C 2.

第1燃料濃度Cが17.94%である場合、前述の算出式に基づき、以下の値が算出される。
第1燃料電池セルスタックの燃料利用率Uf(first):75.33%
第2燃料電池セルスタックの燃料利用率Uf(second):59.47%
第2燃料電池セルスタックのスタック数に対する第1燃料電池セルスタックのスタック数の比率(スタック比):5.134
When the first fuel concentration C 1 is 17.94%, based on the calculation formula described above, the following values are calculated.
Fuel utilization rate U f (first) of the first fuel cell stack: 75.33%
Fuel utilization rate U f (second) of second fuel cell stack: 59.47%
Ratio of stack number of first fuel cell stack to stack number of second fuel cell stack (stack ratio): 5.134

また、第2燃料濃度Cが17.94%である場合、前述の算出式に基づき、以下の値が算出される。
第1燃料電池セルスタックの燃料利用率Uf(first):64.76%
第2燃料電池セルスタックの燃料利用率Uf(second):71.62%
第2燃料電池セルスタックのスタック数に対する第1燃料電池セルスタックのスタック数の比率(スタック比):2.566
Also, if the second fuel concentration C 2 is 17.94%, based on the calculation formula described above, the following values are calculated.
Fuel utilization rate U f (first) of the first fuel cell stack: 64.76%
Fuel utilization rate of the second fuel cell stack U f (second) : 71.62%
Ratio of stack number of first fuel cell stack to stack number of second fuel cell stack (stack ratio): 2.566

したがって、上記条件を満たし、かつ、分離手段にてHOを95%除去する場合、セルスタック酸化等のリスクを低減する点から、第1燃料濃度C及び第2燃料濃度Cをともに17.94%以上とし、スタック比を2.566以上5.134以下とすることが好ましい。 Therefore, when 95% of H 2 O is removed by the separation means while satisfying the above conditions, both the first fuel concentration C 1 and the second fuel concentration C 2 are reduced in order to reduce the risk of cell stack oxidation and the like. The stack ratio is preferably set to 17.94% or more and the stack ratio to 2.566 or more and 5.134 or less.

次に、検討2において、分離手段にてHOを50%〜90%除去する場合における、最大濃度、Uf(first)、Uf(second)、スタック比、及び90%濃度(最大濃度の90%)をそれぞれ算出した。
分離手段にてHOを95%除去する場合とともに結果を表2及び図6に示す。スタック比としては、図6における最大値及び最小値の間の範囲を取ることが好ましい。
Next, in Study 2, the maximum concentration, U f (first) , U f (second) , stack ratio, and 90% concentration (maximum concentration ) when 50% to 90% of H 2 O is removed by the separation means. Of 90%) was calculated.
Results with the case of removing the H 2 O 95% in the separation unit are shown in Table 2 and FIG. 6 a. The stack ratio preferably takes a range between the maximum value and the minimum value in FIG.

10、20…燃料電池システム、11…第1燃料電池セルスタック、12…第2燃料電池セルスタック、14…改質器、16…分離膜、16A…供給側、16B…透過側、18…燃焼部、19…改質部、21、22、23、41…熱交換器、24…原料ガス供給経路、25、26…ブロワ、32、36…水タンク、33…改質水供給経路、34…改質水ポンプ、35…凝縮水供給経路、37…水蒸気供給経路、42…燃料ガス供給経路、44…空気供給経路、46、52、54…オフガス経路、48…排気経路   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 20 ... Fuel cell system, 11 ... 1st fuel cell stack, 12 ... 2nd fuel cell stack, 14 ... Reformer, 16 ... Separation membrane, 16A ... Supply side, 16B ... Permeation side, 18 ... Combustion , 19 ... reforming section, 21, 22, 23, 41 ... heat exchanger, 24 ... raw material gas supply path, 25, 26 ... blower, 32, 36 ... water tank, 33 ... reforming water supply path, 34 ... Reformed water pump, 35 ... condensed water supply path, 37 ... steam supply path, 42 ... fuel gas supply path, 44 ... air supply path, 46, 52, 54 ... off-gas path, 48 ... exhaust path

Claims (11)

燃料ガスを用いて発電を行う第1燃料電池セルスタックと、
前記第1燃料電池セルスタックから排出された未反応の前記燃料ガスを含む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手段と、
前記分離手段の下流に配置され、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離された前記アノードオフガスを用いて発電を行う第2燃料電池セルスタックと、
を備え、
前記第1燃料電池セルスタックの出口における前記アノードオフガスの燃料濃度を第1燃料濃度、前記第2燃料電池セルスタックの出口における前記アノードオフガスの燃料濃度を第2燃料濃度としたとき、前記第1燃料濃度及び前記第2燃料濃度の値が等しくなるときの値をCとすると、前記第1燃料濃度及び前記第2燃料濃度がそれぞれ0.9C以上を満たす燃料電池システム。
A first fuel cell stack that generates power using fuel gas;
Separation means for separating at least one of carbon dioxide and water vapor from the anode offgas containing the unreacted fuel gas discharged from the first fuel cell stack;
A second fuel cell stack disposed downstream of the separation means and generating power using the anode offgas from which at least one of carbon dioxide and water vapor is separated;
With
When the fuel concentration of the anode off gas at the outlet of the first fuel cell stack is a first fuel concentration and the fuel concentration of the anode off gas at the outlet of the second fuel cell stack is a second fuel concentration, A fuel cell system in which the first fuel concentration and the second fuel concentration satisfy 0.9 C or more, respectively, where C is a value when the fuel concentration and the second fuel concentration are equal.
前記分離手段において、二酸化炭素分離率及び水蒸気分離率の一方は、50%以上99%以下である請求項1に記載の燃料電池システム。   2. The fuel cell system according to claim 1, wherein in the separation means, one of the carbon dioxide separation rate and the water vapor separation rate is 50% or more and 99% or less. 前記分離手段は、前記アノードオフガスから二酸化炭素及び水蒸気を分離し、
前記分離手段において、二酸化炭素分離率及び水蒸気分離率は、ともに50%以上99%以下である請求項1に記載の燃料電池システム。
The separation means separates carbon dioxide and water vapor from the anode off-gas;
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein in the separation means, both the carbon dioxide separation rate and the water vapor separation rate are 50% or more and 99% or less.
前記第1燃料電池セルスタックが備える燃料電池セルの有効表面積の合計をα、前記第2燃料電池セルスタックが備える燃料電池セルの有効表面積の合計をαとしたとき、α/αが2.0超である請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 When the total effective surface area of the fuel cells provided in the first fuel cell stack is α 1 and the total effective surface area of the fuel cells provided in the second fuel cell stack is α 2 , α 1 / α 2 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein is more than 2.0. 前記第1燃料電池セルスタックが備える燃料電池スタックと前記第2燃料電池セルスタックが備える燃料電池スタックとが同一である場合、第1燃料電池セルスタックにおける燃料電池スタックの数β、第2燃料電池セルスタックにおける燃料電池スタックの数βとしたとき、β/βとしたとき、β/βが2.0超である請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 When the fuel cell stack included in the first fuel cell stack and the fuel cell stack included in the second fuel cell stack are the same, the number of fuel cell stacks β 1 in the first fuel cell stack, the second fuel when the number beta 2 of the fuel cell stack in the battery cell stack, when the beta 1 / beta 2, according to any one of claims 1 to 4 beta 1 / beta 2 is exceeding 2.0 Fuel cell system. 前記分離手段において、二酸化炭素及び水蒸気の一方を分離する場合、前記第1燃料濃度及び前記第2燃料濃度がそれぞれ10%以上である請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。   The fuel according to any one of claims 1 to 5, wherein in the separation means, when one of carbon dioxide and water vapor is separated, the first fuel concentration and the second fuel concentration are each 10% or more. Battery system. 前記分離手段において、二酸化炭素及び水蒸気を分離する場合、前記第1燃料濃度及び前記第2燃料濃度がそれぞれ11.5%以上である請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の燃料電池システム。   The fuel according to any one of claims 1 to 6, wherein in the separation means, when the carbon dioxide and the water vapor are separated, the first fuel concentration and the second fuel concentration are each 11.5% or more. Battery system. 原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質器を更に備え、
前記分離手段にて分離した二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を原料ガスの改質に用いる請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
It further comprises a reformer that reforms the raw material gas to generate fuel gas,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 7, wherein at least one of carbon dioxide and water vapor separated by the separation means is used for reforming the raw material gas.
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を用いた発電方法。   A power generation method using the fuel cell system according to any one of claims 1 to 8. 前記第1燃料電池セルスタック及び前記第2燃料電池セルスタックを等しい電流密度で作動させて発電を行う請求項9に記載の発電方法。   The power generation method according to claim 9, wherein power generation is performed by operating the first fuel cell stack and the second fuel cell stack at an equal current density. 前記第1燃料電池セルスタックが備える燃料電池セルの有効表面積と前記第1燃料電池セルスタックを作動させたときの当該燃料電池セルの電流密度との積の合計をγ、前記第2燃料電池セルスタックが備える燃料電池セルの有効表面積と前記第2燃料電池セルスタックを作動させたときの当該燃料電池セルの電流密度との積の合計をγとしたとき、γ/γを2.0超に調整して発電を行う請求項9又は請求項10に記載の発電方法。 The sum of the product of the effective surface area of the fuel cell provided in the first fuel cell stack and the current density of the fuel cell when the first fuel cell stack is operated is γ 1 , and the second fuel cell When the total product of the effective surface area of the fuel cell provided in the cell stack and the current density of the fuel cell when the second fuel cell stack is operated is γ 2 , γ 1 / γ 2 is 2 The power generation method according to claim 9 or 10, wherein power generation is performed by adjusting to more than 0.0.
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