JP2021048077A - 燃料電池ユニット、燃料電池システム、及び二酸化炭素回収方法 - Google Patents

燃料電池ユニット、燃料電池システム、及び二酸化炭素回収方法 Download PDF

Info

Publication number
JP2021048077A
JP2021048077A JP2019170602A JP2019170602A JP2021048077A JP 2021048077 A JP2021048077 A JP 2021048077A JP 2019170602 A JP2019170602 A JP 2019170602A JP 2019170602 A JP2019170602 A JP 2019170602A JP 2021048077 A JP2021048077 A JP 2021048077A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel
flow path
fuel cell
air
hydrogen
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2019170602A
Other languages
English (en)
Other versions
JP6734454B1 (ja
Inventor
康晴 川端
Yasuharu Kawabata
康晴 川端
良雄 松崎
Yoshio Matsuzaki
良雄 松崎
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tokyo Gas Co Ltd
Original Assignee
Tokyo Gas Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tokyo Gas Co Ltd filed Critical Tokyo Gas Co Ltd
Priority to JP2019170602A priority Critical patent/JP6734454B1/ja
Priority to PCT/JP2020/027289 priority patent/WO2021053944A1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6734454B1 publication Critical patent/JP6734454B1/ja
Publication of JP2021048077A publication Critical patent/JP2021048077A/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/70—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper
    • B01J23/76—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper combined with metals, oxides or hydroxides provided for in groups B01J23/02 - B01J23/36
    • B01J23/83—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper combined with metals, oxides or hydroxides provided for in groups B01J23/02 - B01J23/36 with rare earths or actinides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/36—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using oxygen or mixtures containing oxygen as gasifying agents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/50—Carbon dioxide
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H01M8/0668—Removal of carbon monoxide or carbon dioxide
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/1213—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the electrode/electrolyte combination or the supporting material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/124—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

【課題】酸素の供給を行うことなく燃料極オフガスの二酸化炭素濃度を高める。【解決手段】燃料電池システム１０Ａは、燃料流路２６Ａの燃料極２２Ａよりも下流に位置する燃料極流路２７Ａと、燃料極流路２７Ａと円筒基体３０を挟んで隣接し空気流路２８Ａと連通する空気極流路２９Ａとの間に設けられ、燃料極流路２７Ａから空気極流路２９Ａへ水素イオンを透過させる水素イオン透過膜３６を有する水素透過部３０と、燃料極流路２７Ａから排出されるオフガスを回収する二酸化炭素回収部１６と、を有する。【選択図】図３

Description

本発明は燃料電池ユニット、燃料電池システム、及び二酸化炭素回収方法、特に炭素化合物燃料を用いて発電を行う燃料電池ユニット、及び、発電に伴って発生する二酸化炭素を回収する燃料電池システム、二酸化炭素回収方法に関する。
燃料電池システムにおいて、炭素化合物燃料を用いる場合には、燃料電池セルスタックの燃料極から排出される燃料極オフガスに二酸化炭素が含まれている。この二酸化炭素を回収することが行われているが、燃料極オフガスには二酸化炭素以外の成分が混在している。そこで、例えば、特許文献１には、燃料極オフガスを酸素燃焼させ、さらに水蒸気を凝縮により除去して二酸化炭素を回収する技術が開示されている。
特許５５８１２４０号
しかしながら、燃料極オフガスに供給する酸素の量が多いと、酸素が残留して二酸化炭素濃度が低下してしまう。また、燃料極オフガスに供給する酸素の量が少ないと、水素や一酸化炭素など、二酸化炭素と水蒸気以外の成分が混在して、回収する二酸化炭素の濃度が低下してしまうという課題がある。
また、燃料極オフガスを燃料極内で酸素燃焼させる場合、燃料極内に水蒸気が生成するため、燃料極オフガスを冷却して凝縮する水蒸気量が増加し、燃料極オフガスの冷却や、凝縮回収した水の搬送や処理に必要となるエネルギー消費が増大し、発電システム全体の効率が低下する一方、充分な冷却を行わなければ水蒸気が充分に凝縮されず、回収する二酸化炭素の濃度が低下してしまうという課題がある。
本発明は上記事実を考慮して成されたもので、酸素の供給を行うことなく燃料極オフガスの二酸化炭素濃度を高めることを目的とする。
請求項１の発明に係る燃料電池ユニットは、炭素化合物を燃料として発電する燃料電池と、前記燃料電池の燃料極側に配置され、炭素化合物を含む燃料ガスが流通する燃料流路と、前記燃料電池の空気極側に配置され、酸素を含む酸化剤ガスが流通する空気流路と、前記燃料流路の前記燃料極よりも下流に位置する燃料極流路を区画する区画部材に設けられ、前記区画部材を透過させて前記燃料極流路内の水素イオンを前記燃料極流路外へ移動させる水素イオン透過膜、を有する水素透過部と、を備えている。
請求項１に係る燃料電池ユニットは、燃料流路の燃料極よりも下流に位置する燃料極流路を区画する区画部材に、水素透過部が設けられている。水素透過部は水素イオン透過膜を有している。前記燃料極よりも下流で、発電反応により消費されなかった水素は、水素イオン透過膜により燃料極流路から燃料極流路外へ移動する。これにより、燃料極流路から排出されるオフガスには、主として水蒸気と、発電反応により生成された二酸化炭素が残り、オフガス中の二酸化炭素濃度が高くなる。したがって、当該オフガスから水蒸気を凝縮等により除去することにより、高濃度の二酸化炭素を回収することができる。
このようにして本発明では、燃料極のオフガスに酸素の供給を行うことなく燃料極オフガスの二酸化炭素濃度を高めることができる。
請求項２の発明に係る燃料電池ユニットは、前記水素透過部は、前記燃料極流路と、前記区画部材を挟んで前記燃料極流路と隣接し、前記空気流路と連通する空気極流路と、の間に設けられている。
請求項２の発明に係る燃料電池ユニットによれば、燃料極流路から空気極流路へ、水素を移動させることができる。
請求項３の発明に係る燃料電池ユニットは、前記水素透過部は、前記水素イオン透過膜の前記空気極流路側に水素イオン酸化触媒が積層されている。
請求項３の発明に係る燃料電池ユニットによれば、水素イオン酸化触媒により、空気極流路を流れる酸素と、空気極流路へ移動した水素イオンとの結合による水蒸気の生成が促進される。したがって、空気極流路の水素分圧を低く維持することができ、燃料極流路から空気極流路への水素イオン透過を促進することができる。
請求項４の発明に係る燃料電池ユニットは、前記燃料極流路を流れる気体と前記空気極流路を流れる気体が、並行流である。
請求項４の発明に係る燃料電池ユニットによれば、燃料流路の上流側に対応する空気流路部分において、酸素濃度の高い酸化剤ガスが供給されるので、燃料電池の発電効率を維持することができる。
請求項５の発明に係る燃料電池ユニットは、前記水素透過部は、前記燃料電池が積層された燃料電池セルスタック内に設けられている。
請求項５の発明に係る燃料電池ユニットによれば、水素透過部を簡易な構成にすることができる。
請求項６の発明に係る燃料電池ユニットは、前記燃料電池は、円筒型固体酸化物形燃料電池であり、前記区画部材は前記燃料流路と前記空気流路とを区画する円筒基体の一部で形成されている。
請求項６の発明に係る燃料電池ユニットによれば、円筒基体に水素透過膜を積層することにより、簡易に水素透過部を形成することができる。
請求項７の発明に係る燃料電池ユニットは、前記燃料電池は、平板型固体酸化物形燃料電池であり、前記区画部材は燃料電池セルを構成する部材の一部で形成されている。
請求項７の発明に係る燃料電池ユニットによれば、燃料電池セルを構成する部材の一部に水素透過膜を積層することにより、簡易に水素透過部を形成することができる。
請求項８の発明に係る燃料電池ユニットは、前記燃料電池が、水素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池である。
請求項８の発明に係る燃料電池ユニットによれば、発電反応では、燃料電池の空気極側で水蒸気が生成されるので、燃料極流路を流れるガスの水蒸気含有量を減少させることができる。したがって、凝縮器等で水を除去する場合でも、凝縮器の容量を小さくできる。
請求項９の発明に係る燃料電池システムは、請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池ユニットと、前記燃料極流路から排出される燃料極オフガスを回収する二酸化炭素回収部と、を備えている。
請求項９の発明に係る燃料電池システムによれば、二酸化炭素回収部で二酸化炭素を回収することができる。
請求項１０の発明に係る燃料電池システムは、前記水素透過部の前記燃料極流路内側と外側との間に電流を流す電流供給部、を備えている。
請求項１０の発明に係る燃料電池システムによれば、水素透過膜に電流を流すことにより、燃料極流路から空気極流路への水素イオンの透過を促進することができる。
請求項１１の発明に係る燃料電池システムは、前記燃料極流路の前記水素透過部よりも下流側、且つ前記二酸化炭素回収部よりも上流側に設けられた凝縮器、を備えている。
請求項１１の発明に係る燃料電池システムによれば、燃料極流路を流れるガスに含まれる水を凝縮器で除去することにより、高濃度の二酸化炭素ガスを得ることができる。
請求項１２の発明に係る二酸化炭素回収方法は、炭素化合物を燃料として発電する燃料電池の燃料極側に配置された燃料流路に炭素化合物を含む燃料ガスを流通させると共に、前記燃料電池の空気極側に配置された空気流路に酸素を含む酸化剤ガスを流通させ、前記燃料流路の前記燃料極よりも下流に位置する燃料極流路から、前記空気流路と連通する空気極流路へ、水素イオン透過膜により水素イオンを透過させ、前記燃料極流路から排出されるオフガスを回収する。
請求項１２に係る二酸化炭素回収方法は、燃料流路の燃料極よりも下流に位置する燃料極流路から、空気流路と連通する空気極流路へ水素イオン透過膜により水素イオンを透過させる。これにより、燃料極流路から排出されるオフガスには、主として発電反応により生成された二酸化炭素及び水蒸気が残る。したがって、当該オフガスを回収することにより、高濃度の二酸化炭素を回収することができる。
このようにして本発明の二酸化炭素回収方法では、燃料極のオフガスに酸素の供給を行うことなく燃料極オフガスの二酸化炭素濃度を高めることができる。
本発明に係る燃料電池ユニット、燃料電池システム、二酸化炭素回収方法によれば、酸素の供給を行うことなく燃料極オフガスの二酸化炭素濃度を高めることができる。
第１実施形態に係る燃料電池システムの概略図である。 第１実施形態の燃料電池セルスタックの概略斜視図である。 第１実施形態の燃料電池セルスタックの一部断面図である。 第１実施形態の変形例に係る燃料電池システムの概略図である。 第２実施形態の燃料電池セルスタックの概略斜視図である。 第２実施形態の燃料電池セルスタックの一部断面図である。 第３実施形態の燃料電池セルスタックの概略図である。 第３実施形態に係る燃料電池セルスタックの一部分解斜視図である。 第３実施形態の燃料電池セルスタックの一部拡大概略図である。 第３実施形態の変形例に係る燃料電池セルスタックの一部拡大概略図である。 第４実施形態に係る燃料電池システムの概略図である。 第４実施形態の水素除去部の概略図である。
〔第１実施形態〕
以下、図面を参照して本発明の実施形態の一例を詳細に説明する。
図１には、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０Ａの概略説明図が示されている。燃料電池システム１０Ａは、主要な構成として、燃料電池セルスタック１２Ａ、凝縮器１４、二酸化炭素回収部１６、及び、電流制御器１８を備えている。
本発明の燃料電池ユニットとしての燃料電池セルスタック１２Ａは、電解質層２０Ａ、当該電解質層２０Ａの表裏面にそれぞれ積層された燃料極（アノード）２２Ａ、及び空気極（カソード）２４Ａ、を有する燃料電池セルを複数有している。燃料電池セルスタック１２Ａの燃料極２２Ａ側には、燃料流路２６Ａが形成されており、空気極２４Ａ側には、空気流路２８Ａが形成されている。
燃料電池セルスタック１２Ａの燃料流路２６Ａには、燃料ガス供給管Ｐ１が接続されている。燃料ガス供給管Ｐ１には、水蒸気供給管Ｐ２が合流されており、燃料ガス供給管Ｐ１から燃料流路２６Ａへ水蒸気含有の燃料ガスが供給される。
燃料ガスは、炭素化合物を含んでいる。燃料ガスとして、本実施形態ではメタンを用いる例について説明するが、改質により水素を生成可能なガスであれば特に限定されず、炭化水素燃料を用いることができる。炭化水素燃料としては、天然ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）、バイオガス、石炭改質ガス、低級炭化水素ガスなどが例示される。低級炭化水素ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭素数４以下の低級炭化水素が挙げられ、本実施形態で用いるメタンが好ましい。なお、炭化水素燃料としては、上述した低級炭化水素ガスを混合したものであってもよく、上述した低級炭化水素ガスは天然ガス、都市ガス、ＬＰガス等のガスであってもよい。燃料ガスに不純物が含まれる場合、脱硫器等が必要になるが、図では省略されている。
燃料電池セルスタック１２Ａの空気流路２８Ａには、空気供給管Ｐ３が接続されており、空気が供給される。
燃料極２２Ａでは、下記（１）式に示すように、燃料ガスが水蒸気改質され、水素と一酸化炭素が生成される。また、下記（２）式に示すように、生成された一酸化炭素と水蒸気とのシフト反応により二酸化炭素と水素が生成される。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ …（１）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２ …（２）
そして、燃料極２２Ａにおいて、下記（３）式に示すように、水素が水素イオンと電子とに分離される。
（燃料極反応）
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−…（３）
水素イオンは、電解質層２０Ａを通って空気極２４Ａへ移動する。電子は、外部回路（不図示）を通って空気極２４Ａへ移動する。これにより、燃料電池セルスタック１２Ａにおいて発電がなされる。発電時に、燃料電池セルスタック１２Ａは、発熱する。
一方、空気極２４Ａでは、下記（４）式に示すように、電解質層２０Ａを通って燃料極２２Ａから移動した水素イオン、外部回路を通って燃料極２２Ａから移動した電子が、空気中の酸素と反応して水蒸気が生成される。
（空気極反応）
２Ｈ＋＋２ｅ−＋１／２Ｏ２ →Ｈ２Ｏ …（４）
空気流路２８Ａの下流端には、空気極オフガス路Ｐ４が接続されている。空気極オフガス路Ｐ４は、凝縮器１４と接続されており、空気極２４Ａから排出されたオフガスは、凝縮器１４で水が除去された後、排気管Ｐ７から外部へ排出される。
燃料流路２６Ａの下流端には、燃料極オフガス路Ｐ５が接続されている。燃料極オフガスは、凝縮器１４で水が除去された後、回収路Ｐ６を経て二酸化炭素回収部１６へ供給される。二酸化炭素回収部１６は、気体を圧縮貯留するタンクであってもよいし、二酸化炭素の需要ラインへの供給部分であってもよい。また、ＰＳＡや二酸化炭素分離膜などを備え、二酸化炭素濃度をさらに高くするものであってもよい。
回収路Ｐ６には、濃度計１５が設けられている。濃度計１５は、凝縮器１４の下流側における燃料極オフガスの二酸化炭素濃度を計測可能とされている。濃度計１５は、電流制御器１８と電気的に接続されており、濃度計１５で計測された二酸化炭素濃度の情報が電流制御器１８へ送られる。
燃料電池システム１０Ａには電流制御器１８が設けられている。電流制御器１８は、濃度計１５で計測された二酸化炭素濃度情報に基づいて、後述する水素透過部３４に直流電流を流す。電流制御器１８は、燃料電池セルスタック１２Ａで発電した電力を用いて、前記の直流電流を流す。
〔燃料電池セルスタック〕
次に、燃料電池システム１０Ａに使用する燃料電池セルスタック１２Ａについて説明する。なお、本実施形態での燃料電池セルスタック１２Ａは、単に燃料電池セルを積層した部分だけを指すのではなく、後述するように、燃料流路、空気流路、水素透過部を含むものである。
本実施形態の燃料電池セルスタック１２Ａは、水素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池（ＰＣＦＣ：Proton Ceramic Solid Oxide Fuel Cell）であり、図２に示すように、横縞形円筒型タイプのものである。
燃料電池セルスタック１２Ａは、円筒基体３０、燃料電池セル３２、水素透過部３４を備えている。
円筒基体３０は円筒状とされ、図３にも示されるように、外表面に燃料極２２Ａ、電解質層２０Ａ、空気極２４Ａがこの順で環状に積層された燃料電池セル３２が形成されている。円筒基体３０は、一例として、セラミクス多孔質材料で形成することができる。燃料電池セル３２は、円筒基体３０の筒軸方向に間隔をおいて複数（本実施形態では５個表示）配列形成されている。隣り合う燃料電池セル３２同士は、インターコネクタ３３で直列に電気接続されており、電気配線Ｅ１を介して電流制御器１８と接続されている。
円筒基体３０の筒内は、燃料流路２６Ａとなり、円筒基体３０の筒外は、空気流路２８Ａとなる。空気流路２８Ａは、外周壁３９で外周を囲まれており、外周壁３９と円筒基体３０の間に円筒状の空気流路２８Ａが形成されている。
円筒基体３０の一端部には、水素透過部３４が形成されている。水素透過部３４は、円筒基体３０の外表面に、イオン化触媒層３５、水素透過膜３６、プロトン酸化触媒層３７がこの順で環状に積層されて形成されている。イオン化触媒層３５としては、ニッケル、ルテニウム、等を用いることができる。プロトン酸化触媒層３７としては、ＬＳＣＦ（Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｆｅ及び酸素からなる化合物）等を用いることができる。水素透過膜３６としては、ドープした酸化バリウムジルコニウム（BaZrO3）、ドープしたBaZrO3と電子導電性酸化物との混合物、パラジウム合金等を用いることができる。BaZrO3にドープする元素としてはイットリウム（Y）。イッテルビウム（Yb）、セリウム（Ce）などの希土類の一つあるいは複数の組み合わせが望ましい。ドープの割合は５％〜３０％が望ましい。Ybを２０％ドープしたBaZr0.8Yb0.2O3-δやYを２０％ドープしたBaZr0.8Y0.2O3-δは水素イオンの導電率が高く特に有望である。ドープしたBaZrO3と混合する電子導電性酸化物としては、希土類をドープしたLaCrO3が望ましい。特にストロンチウムを２０％ドープしたLa0.8Sr0.2CrO3は電子導電性が高く有望である。電子導電性酸化物の混合割合は０％〜４０％が望ましい。上記BaZrO3のBaの一部あるいはすべてをストロンチウム（Sr）、カルシウム（Ca）、ランタン（La）あるいはそれらの組み合わせで置換しても良い。水素透過部３４は、電気配線Ｅ２を介して電流制御器１８と接続されている。
図２に示されるように、燃料流路２６Ａには、水素透過部３４が形成されている端部と反対側の端部側に、燃料ガス供給管Ｐ１が接続されており、燃料流路２６Ａに燃料ガスと水蒸気が供給される。空気供給管Ｐ３は、燃料ガス供給管Ｐ１と同じ端部側の空気流路２８Ａに接続されており、空気流路２８Ａに燃料ガスと並行流で空気が供給される。なお、図中において、燃料流路２６Ａ及びその下流を流れるガスに符号Ａを付し、空気流路２８Ａ及びその下流を流れるガスに符号Ｃを付す。
燃料流路２６Ａの水素透過部３４が形成されている端部側には、燃料極オフガス路Ｐ５が接続されている。空気極オフガス路Ｐ４は、燃料極オフガス路Ｐ５と同じ端部側の空気流路２８Ａに接続されている。
なお、本実施形態の燃料電池セルスタック１２Ａでは、燃料流路２６Ａの燃料極２２Ａよりも下流側を燃料極流路２７Ａと称し、空気流路２８Ａの空気極２４Ａよりも下流側を空気極流路２９Ａと称する。燃料極流路２７Ａと空気極流路２９Ａは、円筒基体３０により区画されており、燃料電池セルスタック１２Ａ内に設けられている。
電流制御器１８は、電気配線Ｅ１を流れる電流の大きさを制御可能とされており、燃料電池セルスタック１２Ａでの発電量は、不図示の制御部からの入力に基づいて、電流制御器１８で制御されている。また、電流制御器１８は、燃料電池セルスタック１２Ａで発電された電力を用い、電気配線Ｅ２を介して、イオン化触媒層３５とプロトン酸化触媒層３７との間に電流を流す。電流制御器１８から供給する電流は、濃度計１５からの二酸化炭素濃度情報に基づいて、濃度計１５で計測される二酸化炭素濃度が高くなるように制御される。ここでは、濃度計１５で計測された二酸化炭素濃度が所定の濃度よりも低い場合、供給電流を、所定量だけ高くするフィードバック制御を行うことにより、二酸化炭素濃度を高くすることができる。
次に、燃料電池システム１０Ａの動作について説明する。
燃料ガス供給管Ｐ１から燃料流路２６Ａへ水蒸気含有の燃料ガスが供給され、空気供給管Ｐ３から空気流路２８Ａへ空気が供給される。燃料流路２６Ａでは、燃料ガスが水蒸気改質され、水素と一酸化炭素が生成される。また、生成された一酸化炭素と水とのシフト反応により二酸化炭素と水素が生成される。そして、各燃料電池セル３２において、前述の発電反応が生じ、発電が行われる。
燃料流路２６Ａにおいては、改質及び発電反応により徐々に燃料成分を減少させつつ、燃料ガスが上流から下流へ向かって流れる。そして、下流端の燃料極流路２７Ａへは、主として二酸化炭素、水蒸気、一酸化炭素、水素が流れる。燃料極流路２７Ａでは、イオン化触媒層３５で水素のイオン化が促進され、イオン化された水素（水素イオン）が水素透過膜３６を透過して、プロトン酸化触媒層３７側へ移動する。移動した水素イオンは、プロトン酸化触媒層３７により、空気極流路２９Ａ内の酸素による酸化が促進され、空気極流路内で水蒸気となる。
燃料極流路２７Ａでは、水素が空気極流路２９Ａ側へ移動することにより水素含有率が減少するため、一酸化炭素と水とのシフト反応が進み、二酸化炭素と水素が生成される。そして、生成された水素は、前述のように、燃料極流路２７Ａ側から空気極流路２９Ａ側へ移動する。
燃料極流路２７Ａからは、燃料極オフガス路Ｐ５へ燃料極オフガスが送出される。前述のように、水素が燃料極流路２７Ａ側から空気極流路２９Ａ側へ移動していることから、燃料極オフガスには、主として、二酸化炭素と水蒸気が含まれている。燃料極オフガスは、凝縮器１４で水が除去された後、濃度計１５で二酸化炭素濃度を計測され、二酸化炭素回収部１６へ供給されて、二酸化炭素が回収される。
空気極流路２９Ａからは、空気極オフガス路Ｐ４へ空気極オフガスが送出される。空気極オフガスは、凝縮器１４で水が除去された後、外部へ排出される。
本実施形態の燃料電池システム１０Ａによれば、水素透過部３４で水素が燃料極流路２７Ａ側から空気極流路２９Ａ側へ移動するので、燃料極オフガスに残留する水素と水蒸気を少なくし、二酸化炭素濃度を高くすることができる。当該水素の移動は、水素透過膜を用いて行うので、燃料流路２６Ａへ酸素を供給する必要がない。
また、水素透過部３４は、水素透過膜３６の空気極流路２９Ａ側にプロトン酸化触媒層３７が積層されているので、空気極流路２９Ａを流れる酸素と、空気極流路２９Ａへ移動した水素イオンとの結合による水蒸気の生成が促進される。したがって、空気極流路２９Ａの水素分圧を低く維持することができ、燃料極流路２７Ａから空気極流路２９Ａへの水素イオン透過を促進することができる。
また、本実施形態の燃料電池システム１０Ａでは、水素透過部３４は、燃料電池セルスタック１２Ａ内に設けられている。このように、燃料電池セルスタック１２Ａ内に設けることにより、水素透過部３４を簡易な構成にすることができる。
また、本実施形態では、燃料流路２６Ａと空気流路２８Ａとを区画する円筒基体３０の端部に水素透過部３４を積層している。したがって、容易に水素透過部３４を形成することができる。さらに、一体的に形成された円筒基体３０に 水素透過部３４を設けることにより、別部材を用意して水素透過部を設ける場合と比較して、起動、停止による温度変化や、長期運転に伴う、シール性や耐久性を高めることができる。
また、本実施形態では、電流制御器１８により、水素透過部３４の燃料極流路２７Ａ側と空気極流路２９Ａ側との間に電流を流す。これより、燃料極流路２７Ａから空気極流路２９Ａへの水素イオンの透過を促進することができる。なお、本実施形態では、濃度計１５において二酸化炭素濃度を計測したが、濃度計１５において水素濃度を計測してもよいし、二酸化炭素と水素の両方の濃度を各々計測して、電流制御器１８へ送出し、供給電流の制御用の情報として用いてもよい。
また、電流制御器１８からの電流供給は、燃料電池セルスタック１２Ａで発電した電力を用いるので、直流電流をそのまま利用することができ、外部からの交流電流を直流電流に変換して利用する場合と比較して、効率がよい。なお、電流制御器１８による水素透過部３４への電流供給は必ずしも必要ではない。
また、本実施形態では、凝縮器１４により燃料極オフガスから水蒸気を除去しているので、二酸化炭素回収部１６で回収する気体の二酸化炭素濃度を高くすることができる。 なお、本実施形態では、凝縮器１４を用いたが、その他の手段、例えば、二酸化炭素分離膜で二酸化炭素を分離してもよいし、ＰＳＡ装置により二酸化炭素を分離してもよい。
また、本実施形態では、燃料極流路２７Ａを流れるガスと空気極流路２９Ａを流れるガスが並行流である。したがって、燃料流路２６Ａの上流側に対応する空気流路２８Ａ部分において、酸素濃度の高い空気が供給され、燃料電池セルスタック１２Ａの発電効率を維持することができる。また、同程度の発電効率を維持するために空気供給管Ｐ３から送出する空気量を少なくすることができる。
なお、空気流路２８Ａへの空気の供給は、燃料流路２６Ａの下流側に対応する側から行って、空気の流れと燃料ガスの流れを対向流としてもよい。この場合には、燃料電池セルスタック１２Ａの筒軸方向における温度分布を、並行流の場合と比較して小さくすることができる。
また、本実施形態では、燃料電池セルスタック１２Ａを、水素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池としているので、発電反応において空気極２４Ａ側で水蒸気が生成される。したがって、燃料極流路２７Ａを流れるガスの水蒸気含有量を減少させることができ、凝縮器１４で除去する水の量をさらに少なくすることができる。
なお、燃料電池セルスタック１２Ａは、酸素イオン移動型の固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）を用いてもよい。この場合には、図４に示すように、改質器１３を設け、燃料流路２６Ａの上流側で燃料ガスを水蒸気改質して、改質ガス管Ｐ１−１から燃料流路２６Ａへ改質ガスを供給する。燃料極２２Ａ及び空気極２４Ａでは、以下のように反応が生じる。
空気極２４Ａでは、下記（５）式に示すように、空気中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。生成された酸素イオンは電解質層２０Ａを通って燃料電池セルスタック１２Ａの燃料極２２Ａに到達する。
（空気極反応）
１／２Ｏ２＋２ｅ− →Ｏ２− …（５）
一方、燃料電池セルスタック１２Ａの燃料極２２Ａでは、下記（６）式及び（７）式に示すように、電解質層２０Ａを通ってきた酸素イオンが燃料ガス中の水素及び一酸化炭素と反応し、水蒸気及び二酸化炭素と電子が生成される。燃料極２２Ａで生成された電子が燃料極２２Ａから外部回路を通って空気極２４Ａに移動することで、発電される。
（燃料極反応）
Ｈ２ ＋Ｏ２− →Ｈ２Ｏ＋２ｅ− …(６)
ＣＯ＋Ｏ２− →ＣＯ２＋２ｅ− …(７)
この固体酸化物形燃料電池では、燃料極２２Ａで水蒸気が生成されることから、水素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池と比較して、燃料極オフガスに含まれる水蒸気量が多い。
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態では、第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
本実施形態の燃料電池システム１０Ｂは、使用する燃料電池セルスタックのみ第１実施形態異なり、その他の構成は第１実施形態と同様である。本実施形態の燃料電池セルスタック１２Ｂは、水素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池（ＰＣＦＣ）であり、図５に示すように、縦縞形円筒型タイプのものである。
燃料電池セルスタック１２Ｂは、円筒基体４０、燃料電池セル４２、水素透過部４４を備えている。円筒基体４０は有底円筒状とされ、複数本（本実施形態では６本）が平行に隣接配置されている。各々の円筒基体４０には、管状の空気管４１が挿入されている。空気管４１の挿入先端は、円筒基体４０の底部４０Ａから離間した位置に配置されている。
図６にも示されるように、各々の円筒基体４０の側面外側には、電解質層２０Ｂ、燃料極２２Ｂがこの順で環状に積層されている。また、電解質層２０Ｂ及び燃料極２２Ｂが積層された部分の円筒基体４０自体が空気極２４Ｂを構成しており、燃料極２２Ｂ、電解質層２０Ｂ、空気極２４Ｂにより燃料電池セル４２が形成されている。燃料電池セル４２は、各円筒基体４０の、底部４０Ａ側の端部から筒軸方向に沿って形成されている。隣り合う燃料電池セル４２同志は、燃料電池セル３２同士は、不図示のコネクタで直列に電気接続されており、電気配線Ｅ１を介して電流制御器１８と接続されている。
円筒基体４０の筒内（空気管４１の筒外）は、空気流路２８Ｂとなり、円筒基体４０の筒外は、燃料流路２６Ｂとなる。燃料流路２６Ｂは、外周壁３９で外周を囲まれており、外周壁３９と円筒基体４０の外周間に燃料流路２６Ｂが形成されている。
円筒基体４０の開放側端部（底部４０Ａと反対側の端部）には、水素透過部４４が形成されている。水素透過部４４は、円筒基体４０の外表面に、イオン化触媒層３５、水素透過膜３６、プロトン酸化触媒層３７がこの順で環状に積層されて形成されている。水素透過部４４は、電気配線Ｅ２を介して電流制御器１８と接続されている。
図５、６に示されるように、燃料流路２６Ｂには、水素透過部４４が形成されている端部と反対側の端部側に、燃料ガス供給管Ｐ１が接続されており、燃料流路２６Ａに燃料ガスと水蒸気が供給される。空気供給管Ｐ３は、空気管４１に接続されており、円筒基体４０の底部４０Ａ側から空気流路２８Ｂに燃料ガスと並行流で空気が供給される。
燃料流路２６Ｂの水素透過部４４が形成されている端部側には、燃料極オフガス路Ｐ５が接続されている。空気極オフガス路Ｐ４は、燃料極オフガス路Ｐ５と同じ端部側の空気流路２８Ａに接続されている。
なお、本実施形態の燃料電池セルスタック１２Ｂでは、燃料流路２６Ｂの燃料極２２Ｂよりも下流側を燃料極流路２７Ｂと称し、空気流路２８Ｂの空気極２４Ｂよりも下流側を空気極流路２９Ｂと称する。燃料極流路２７Ｂ及び空気極流路２９Ｂは、円筒基体４０により区画されており、燃料電池セルスタック１２Ｂ内に設けられている。
次に、燃料電池システム１０Ｂの動作について説明する。
燃料ガス供給管Ｐ１から燃料流路２６Ｂへ水蒸気含有の燃料ガスが供給され、空気供給管Ｐ３から空気管４１を経て空気流路２８Ｂへ空気が供給される。燃料流路２６Ｂでは、燃料ガスが水蒸気改質され、水素と一酸化炭素が生成される。また、生成された一酸化炭素と水とのシフト反応により二酸化炭素と水素が生成される。そして、各燃料電池セル４２において、前述の発電反応が生じ、発電が行われる。
燃料流路２６Ｂにおいては、改質及び発電反応により徐々に燃料成分を減少させつつ、燃料ガスが上流から下流へ向かって流れる。そして、下流端の燃料極流路２７Ｂへは、主として二酸化炭素、水蒸気、一酸化炭素、水素が流れる。燃料極流路２７Ｂでは、イオン化触媒層３５で水素のイオン化が促進され、イオン化された水素（水素イオン）が水素透過膜３６を透過して、プロトン酸化触媒層３７側へ移動する。移動した水素イオンは、プロトン酸化触媒層３７により、空気極流路２９Ｂ内の酸素による酸化が促進され、水蒸気となる。
燃料極流路２７Ｂでは、水素が空気極流路２９Ｂ側へ移動することにより水素含有率が減少するため、一酸化炭素と水とのシフト反応が進み、二酸化炭素と水素が生成される。そして、生成された水素は、前述のように、燃料極流路２７Ｂ側から空気極流路２９Ｂ側へ移動する。
燃料極流路２７Ｂからは、燃料極オフガス路Ｐ５へ燃料極オフガスが送出される。燃料極オフガスは、凝縮器１４で水が除去された後、回収路Ｐ６を経て二酸化炭素回収部１６へ供給され、二酸化炭素が回収される。
空気極流路２９Ｂからは、空気極オフガス路Ｐ４へ空気極オフガスが送出される。空気極オフガスは、凝縮器１４で水が除去された後、外部へ排出される。
本実施形態の燃料電池システム１０Ｂによっても、水素透過部４４で水素が燃料極流路２７Ｂ側から空気極流路２９Ｂ側へ移動するので、燃料極オフガスに残留する水素を少なくし、二酸化炭素濃度を高くすることができる。当該水素の移動は、水素透過膜を用いて行うので、燃料流路２６Ｂへ酸素を供給する必要がない。
また、本実施形態の燃料電池システム１０Ｂでも、水素透過部４４は、燃料電池セルスタック１２Ｂ内に設けられているので、水素透過部４４を簡易な構成にすることができる。
また、本実施形態でも、燃料流路２６Ｂと空気流路２８Ｂとを区画する円筒基体４０の端部に水素透過部４４を積層しているので、容易に水素透過部４４を形成することができる。
また、本実施形態でも、電流制御器１８により、水素透過部４４の燃料極流路２７Ｂ側と空気極流路２９Ｂ側との間に電流を流すので、燃料極流路２７Ｂから空気極流路２９Ｂへの水素イオンの透過を促進することができる。なお、電流制御器１８による水素透過部４４への電流供給は必ずしも必要ではない。
また、本実施形態でも、燃料極流路２７Ｂを流れるガスと空気極流路２９Ｂを流れるガスが並行流であるので、燃料流路２６Ｂの上流側に対応する空気流路２８Ｂ部分において、酸素濃度の高い空気が供給され、燃料電池セルスタック１２Ｂの発電効率を維持することができる。
なお、空気流路２８Ｂへの空気の供給は、燃料流路２６Ｂの下流側に対応する側から行って、空気の流れと燃料ガスの流れを対向流としてもよい。
また、本実施形態では、燃料電池セルスタック１２Ｂを、水素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池としているので、発電反応において空気極２４Ｂ側で水蒸気が生成される。したがって、燃料極流路２７Ｂを流れるガスの水蒸気含有量を減少させることができ、凝縮器１４で除去する水の量を少なくすることができる。
なお、燃料電池セルスタック１２Ｂは、酸素イオン移動型の固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）を用いてもよい。
また、本実施形態では、円筒基体４０に水素透過部４４を設けたが、燃料極流路２７Ｂに対応する部分の外周壁３９に水素透過部４４を設けてもよい。この場合には、水素が空気極流路２９Ｂではなく、外周壁３９の外側へ移動する。移動した水素は、発電反応に再利用したり、燃焼させて熱エネルギーに変えたりすることができる。
〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態では、第１、第２実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
本実施形態の燃料電池システム１０Ｃは、水素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池（ＰＣＦＣ）であり、図７〜図９に示すように、平板型タイプのものである。
燃料電池セルスタック１２Ｃは、セパレータ５０、燃料電池セル５２、水素透過部５４を備えている。図８に示されるように、セパレータ５０は平板状とされ、一方の面に燃料流路２６Ｃを構成する溝Ｍ１が形成されており、他方の面に空気流路２８Ｃを構成する溝Ｍ２が形成されている。溝Ｍ１と溝Ｍ２とは、非連通で直交するように形成されている。燃料電池セル５２は、支持板５５、燃料極２２Ｃ、電解質層２０Ｃ及び空気極２４Ｃが積層された平板状とされている。支持板５５は、金属の多孔質板で形成することができる。セパレータ５０と燃料電池セル５２は交互に積層され、燃料電池セル５２の一方面側に燃料流路２６Ｃが配置され、他方面側に空気流路２８Ｃが配置される。セパレータ５０と燃料電池セル５２が複数積層されて、スタック５１が構成されている。セパレータ５０は、インターコネクタとしても機能し、各燃料電池セル５２を直列に電気接続している。スタック５１は、電気配線Ｅ１を介して電流制御器１８と接続されている。
なお、燃料流路２６Ｃと空気流路２８Ｃは直交するように配置されているが、図７、９では、便宜上、同一方向に流れるように図示している。また、図中において、燃料流路２６Ｃ及びその上下流を流れるガスを黒矢印で示し（符号Ａ）、空気流路２８Ｃ及びその上下流を流れるガスを白抜き矢印で示す（符号Ｃ）。
スタック５１の燃料流路２６Ｃの一端部には、燃料用マニホールド５６Ａが形成されており、空気流路２８Ｃの一端部には、空気用マニホールド５７Ａが形成されている。燃料用マニホールド５６Ａ及び空気用マニホールド５７Ａは、各々、スタック５１の積層方向の一端から他端まで連通されている。
また、燃料流路２６Ｃの他端部には、燃料オフガス用マニホールド５６Ｂが形成されており、空気流路２８Ｃの他端部には、空気オフガス用マニホールド５７Ｂが形成されている。燃料オフガス用マニホールド５６Ｂ及び空気オフガス用マニホールド５７Ｂは、各々、スタック５１の積層方向Ｓの一端から他端まで連通されている。
燃料用マニホールド５６Ａ側が燃料流路２６Ｃの上流側となり、燃料オフガス用マニホールド５６Ｂが燃料流路２６Ｃの下流側となる。空気用マニホールド５７Ａ側が空気流路２８Ｃの上流側となり、空気オフガス用マニホールド５７Ｂが空気流路２８Ｃの下流側となる。
燃料用マニホールド５６Ａの積層方向Ｓの一端には、燃料ガス供給管Ｐ１が接続されており、燃料流路２６Ｃに燃料ガスと水蒸気が供給される。空気用マニホールド５７Ａの積層方向Ｓの一端には、空気供給管Ｐ３が接続されており、空気流路２８Ｃに空気が供給される。
スタック５１の積層方向Ｓの他端（燃料ガス供給管Ｐ１が接続された端部と反対側の端部）には、水素透過部５４が形成されている。水素透過部５４は、隣接する２つのセパレータ５０の間に、燃料電池セル５２に代えて、支持板５５、イオン化触媒層３５、水素透過膜３６、プロトン酸化触媒層３７をこの順で積層することで形成されている。イオン化触媒層３５は燃料オフガス用マニホールド５６Ｂと連通する燃料極流路２７Ｃ側に配置され、プロトン酸化触媒層３７は空気オフガス用マニホールド５７Ｂと連通する空気極流路２９Ｃ側に配置されている。燃料極流路２７Ｃ及び空気極流路２９Ｃは、支持板５５により区画されており、燃料電池セルスタック１２Ｃ内に設けられている。
燃料極流路２７Ｃの燃料オフガス用マニホールド５６Ｂと反対側の端部には、燃料極オフガス路Ｐ５が接続され、空気極流路２９Ｃの空気オフガス用マニホールド５７Ｂと反対側の端部には、空気極オフガス路Ｐ４が接続されている。
電流制御器１８は、燃料電池セルスタック１２Ｃで発電された電力を用い、電気配線Ｅ２を介して、イオン化触媒層３５とプロトン酸化触媒層３７との間に電流を流す。
次に、燃料電池システム１０Ｃの動作について説明する。
燃料ガス供給管Ｐ１から燃料用マニホールド５６Ａを介して燃料流路２６Ｃへ水蒸気含有の燃料ガスが供給され、空気供給管Ｐ３から空気用マニホールド５７Ａを介して空気流路２８Ｃへ空気が供給される。燃料流路２６Ｃでは、燃料ガスが水蒸気改質され、水素と一酸化炭素が生成される。また、生成された一酸化炭素と水とのシフト反応により二酸化炭素と水素が生成される。空気は空気流路２８Ｃを下流側の空気オフガス用マニホールド５７Ｂへ向かって流れる。そして、各燃料電池セル５２において、前述の発電反応が生じ、発電が行われる。
燃料流路２６Ｃにおいては、改質及び発電反応により徐々に燃料成分を減少させつつ、燃料ガスが上流から下流側の燃料オフガス用マニホールド５６Ｂへ向かって流れる。そして、スタック５１下流端の燃料極流路２７Ｃへは、主として二酸化炭素、水蒸気、一酸化炭素、水素が流れる。空気は発電反応により酸素成分を減少させると共に水蒸気成分を増加させつつ空気流路２８Ｃを下流側の空気オフガス用マニホールド５７Ｂへ向かって流れ、空気極流路２９Ｃへ流入する。
燃料極流路２７Ｃでは、イオン化触媒層３５で水素のイオン化が促進され、イオン化された水素（水素イオン）が水素透過膜３６を透過して、プロトン酸化触媒層３７側へ移動する。移動した水素イオンは、プロトン酸化触媒層３７により、空気極流路２９Ｃ内の酸素による酸化が促進され、水蒸気となる。
燃料極流路２７Ｃでは、水素が空気極流路２９Ｃ側へ移動することにより水素含有率が減少するため、一酸化炭素と水蒸気とのシフト反応が進み、二酸化炭素と水素が生成される。そして、生成された水素は、前述のように、燃料極流路２７Ｃ側から空気極流路２９Ｃ側へ移動する。
燃料極流路２７Ｃからは、燃料極オフガス路Ｐ５へ燃料極オフガスが送出される。燃料極オフガスは、凝縮器１４で水が除去された後、回収路Ｐ６を経て二酸化炭素回収部１６へ供給され、二酸化炭素が回収される。
空気極流路２９Ｃからは、空気極オフガス路Ｐ４へ空気極オフガスが送出される。空気極オフガスは、凝縮器１４で水が除去された後、外部へ排出される。
本実施形態の燃料電池システム１０Ｃによっても、水素透過部５４で水素が燃料極流路２７Ｃ側から空気極流路２９Ｃ側へ移動するので、燃料極オフガスに残留する水素を少なくし、二酸化炭素濃度を高くすることができる。当該水素の移動は、水素透過膜を用いて行うので、燃料流路２６Ｃへ酸素を供給する必要がない。
また、本実施形態の燃料電池システム１０Ｃでも、水素透過部５４は、燃料電池セルスタック１２Ｃ内に設けられているので、水素透過部５４を簡易な構成にすることができる。
また、本実施形態でも、燃料流路２６Ｃと空気流路２８Ｃとを区画する支持板５５に水素透過部５４を積層しているので、容易に水素透過部５４を形成することができる。なお、本実施形態では、支持板５５に水素透過部５４を積層したが、燃料電池セル５２が電解質層２０Ｃを基板とするタイプで支持板５５を有しない場合には、支持板５５に代えて電解質層２０Ｃに水素透過部５４を積層することができる。
また、本実施形態でも、電流制御器１８により、水素透過部５４の燃料極流路２７Ｃ側と空気極流路２９Ｃ側との間に電流を流すので、燃料極流路２７Ｃから空気極流路２９Ｃへの水素イオンの透過を促進することができる。なお、電流制御器１８による水素透過部５４への電流供給は必ずしも必要ではない。
なお、本実施形態でも、燃料極流路２７Ｃを流れるガスと空気極流路２９Ｃを流れるガスを並行流としたが、図１０に示すように、空気流路２８Ｃへの空気の供給を、燃料流路２６Ｃの下流側に対応する側から行って、空気の流れと燃料ガスの流れを対向流としてもよい。
また、本実施形態では、燃料電池セルスタック１２Ｃは、酸素イオン移動型の固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）を用いてもよい。
〔第４実施形態〕
次に、本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態では、第１〜第３実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
本実施形態の燃料電池システム１０Ｄは、水素透過部が燃料電池セルスタック１２Ｄの外部に設けられている点が、第１〜第３実施形態と異なっている。本実施形態の燃料電池セルスタック１２Ｄは、一般的な水素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池（ＰＣＦＣ）を用いることができる。
図１１に示されるように、燃料電池セルスタック１２Ｄは、燃料極２２Ｄ、電解質層２０Ｄ、空気極２４Ｄ、燃料流路２６Ｄ、空気流路２８Ｄを有している。燃料電池セルスタック１２Ｄの燃料流路２６Ｄの下流端には、燃料極オフガス路Ｐ５が接続され、空気流路２８Ｄの下流端には、空気極オフガス路Ｐ４が接続されている。
図１２に示されるように、燃料電池セルスタック１２Ｄの下流側には、水素除去部６０が設けられている。水素除去部６０には、水素透過部６４が備えられ、水素透過部６４を挟んで一方側に燃料極流路２７Ｄが形成され、他方側に空気極流路２９Ｄが形成されている。水素透過部６４は、多孔質板６１にイオン化触媒層３５、水素透過膜３６、プロトン酸化触媒層３７をこの順で積層することで形成されている。イオン化触媒層３５は燃料極流路２７Ｄ側に配置され、プロトン酸化触媒層３７は空気極流路２９Ｄ側に配置されている。本実施形態において、燃料電池ユニットは、燃料電池セルスタック１２Ｄ及び水素除去部６０を備えている。
燃料極流路２７Ｄの上流端には燃料極オフガス路Ｐ５が接続され、下流端部には、燃料極オフガス路Ｐ５−２が接続されている。また、空気極流路２９Ｄの上流端には空気極オフガス路Ｐ４が接続され、下流端部には、空気極オフガス路Ｐ４−２が接続されている。
電流制御器１８は、燃料電池セルスタック１２Ｄで発電された電力を用い、電気配線Ｅ２を介して、イオン化触媒層３５とプロトン酸化触媒層３７との間に電流を流す。
次に、燃料電池システム１０Ｄの動作について説明する。
燃料ガス供給管Ｐ１から燃料流路２６Ｄへ水蒸気含有の燃料ガスが供給され、空気供給管Ｐ３から空気流路２８Ｄへ空気が供給される。燃料流路２６Ｄでは、燃料ガスが水蒸気改質され、水素と一酸化炭素が生成される。また、生成された一酸化炭素と水蒸気とのシフト反応により二酸化炭素と水素が生成される。空気は空気流路２８Ｄを下流側へ向かって流れる。そして、各燃料電池セルスタック１２Ｄにおいて、前述の発電反応が生じ、発電が行われる。
燃料流路２６Ｄからは、改質及び発電反応により徐々に燃料成分を減少させた燃料極オフガスが燃料極オフガス路Ｐ５へ送出され、水素除去部６０の燃料極流路２７Ｄへ供給される。空気流路２８Ｄからは、酸素を減少させた空気極オフガスが空気極オフガス路Ｐ４へ送出され、水素除去部６０の空気極流路２９Ｄへ供給される。
燃料極流路２７Ｄでは、イオン化触媒層３５で水素のイオン化が促進され、イオン化された水素（水素イオン）が水素透過膜３６を透過して、プロトン酸化触媒層３７側へ移動する。移動した水素イオンは、プロトン酸化触媒層３７により、空気極流路２９Ｄ内の酸素による酸化が促進され、水蒸気となる。
燃料極流路２７Ｄでは、水素が空気極流路２９Ｄ側へ移動することにより水素含有率が減少するため、一酸化炭素と水蒸気とのシフト反応が進み、二酸化炭素と水素が生成される。そして、生成された水素は、前述のように、燃料極流路２７Ｄ側から空気極流路２９Ｄ側へ移動する。
燃料極流路２７Ｄからは、燃料極オフガス路Ｐ５−２へ燃料極オフガスが送出される。燃料極オフガスは、凝縮器１４で水が除去された後、回収路Ｐ６を経て二酸化炭素回収部１６へ供給され、二酸化炭素が回収される。
空気極流路２９Ｄからは、空気極オフガス路Ｐ４へ空気極オフガスが送出される。空気極オフガスは、凝縮器１４で水が除去された後、外部へ排出される。
本実施形態の燃料電池システム１０Ｄによっても、水素透過部６４で水素が燃料極流路２７Ｄ側から空気極流路２９Ｄ側へ移動するので、燃料極オフガスに残留する水素を少なくし、二酸化炭素濃度を高くすることができる。当該水素の移動は、水素透過膜を用いて行うので、燃料流路２６Ｄへ酸素を供給する必要がない。
また、本実施形態の燃料電池システム１０Ｄでは、水素除去部６０は、燃料電池セルスタック１２Ｄ外に設けられているので、水素除去部６０を既存の燃料電池システムに容易に組み込むことができる。
また、本実施形態でも、電流制御器１８により、水素透過部６４の燃料極流路２７Ｄ側と空気極流路２９Ｄ側との間に電流を流すので、燃料極流路２７Ｄから空気極流路２９Ｄへの水素イオンの透過を促進することができる。なお、電流制御器１８による水素透過部６４への電流供給は必ずしも必要ではない。
なお、本実施形態でも、燃料極流路２７Ｄを流れるガスと空気極流路２９Ｄを流れるガスを並行流としてが、空気の流れと燃料ガスの流れを対向流としてもよい。
また、本実施形態では、燃料電池セルスタック１２Ｄは、酸素イオン移動型の固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）を用いてもよい。
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ 燃料電池システム（二酸化炭素回収型燃料電池システム）
１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄ 燃料電池セルスタック
１４ 凝縮器
１６ 二酸化炭素回収部
１８ 電流制御器（電流供給部）
２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ 燃料極
２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄ 空気極
２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃ、２７Ｄ 燃料極流路
２８Ａ、２８Ｂ、２８Ｃ、２８Ｄ 空気流路
２９Ａ、２９Ｂ、２９Ｃ、２９Ｄ 空気極流路
３０、４０ 円筒基体
３２、４２、５２、６２ 燃料電池セル
３４、４４、５４、６４ 水素透過部
３５ イオン化触媒層
３６ 水素透過膜
３７ プロトン酸化触媒層（水素イオン化触媒）
５５ 支持板（区画部材）
６１ 多孔質板（区画部材）
請求項１の発明に係る燃料電池ユニットは、炭素化合物を燃料として発電する燃料電池と、前記燃料電池内の燃料極側に配置され、炭素化合物を含む燃料ガスが流通する燃料流路と、前記燃料電池内の空気極側に配置され、酸素を含む酸化剤ガスが流通する空気流路と、前記燃料流路の、前記燃料極よりも下流に位置して二酸化炭素回収部へ気体を送出する燃料極流路を区画する区画部材に設けられ、前記区画部材を透過させて前記燃料極流路内の水素イオンを前記燃料極流路外へ移動させる水素イオン透過膜、を有する水素透過部と、を備えている。
請求項１に係る燃料電池ユニットは、燃料流路内の燃料極よりも下流に位置する燃料極流路を区画する区画部材に、水素透過部が設けられている。水素透過部は水素イオン透過膜を有している。前記燃料極よりも下流で、発電反応により消費されなかった水素は、水素イオン透過膜により燃料極流路から燃料極流路外へ移動する。これにより、燃料極流路から排出されるオフガスには、主として水蒸気と、発電反応により生成された二酸化炭素が残り、オフガス中の二酸化炭素濃度が高くなる。したがって、当該オフガスから水蒸気を凝縮等により除去することにより、高濃度の二酸化炭素を回収することができる。
請求項９の発明に係る燃料電池システムは、請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池ユニットと、前記燃料極流路から排出される燃料極オフガスを回収する前記二酸化炭素回収部と、を備えている。
請求項１２の発明に係る二酸化炭素回収方法は、炭素化合物を燃料として発電する燃料電池内の燃料極側に配置された燃料流路に炭素化合物を含む燃料ガスを流通させると共に、前記燃料電池内の空気極側に配置された空気流路に酸素を含む酸化剤ガスを流通させ、前記燃料流路の前記燃料極よりも下流に位置する燃料極流路から、前記空気流路と連通する空気極流路へ、水素イオン透過膜により水素イオンを透過させ、前記燃料極流路から排出されるオフガスを回収する。

Claims (12)

  1. 炭素化合物を燃料として発電する燃料電池と、
    前記燃料電池の燃料極側に配置され、炭素化合物を含む燃料ガスが流通する燃料流路と、
    前記燃料電池の空気極側に配置され、酸素を含む酸化剤ガスが流通する空気流路と、
    前記燃料流路の前記燃料極よりも下流に位置する燃料極流路を区画する区画部材に設けられ、前記区画部材を透過させて前記燃料極流路内の水素イオンを前記燃料極流路外へ移動させる水素イオン透過膜、を有する水素透過部と、
    を備えた燃料電池ユニット。
  2. 前記水素透過部は、前記燃料極流路と、前記区画部材を挟んで前記燃料極流路と隣接し、前記空気流路と連通する空気極流路と、の間に設けられている、請求項１に記載の燃料電池ユニット。
  3. 前記水素透過部は、前記水素イオン透過膜の前記空気極流路側に水素イオン酸化触媒が積層されている、請求項２に記載の燃料電池ユニット。
  4. 前記燃料極流路を流れる気体と前記空気極流路を流れる気体は、並行流である、請求項２または請求項３に記載の燃料電池ユニット。
  5. 前記水素透過部は、前記燃料電池が積層された燃料電池セルスタック内に設けられている、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池ユニット。
  6. 前記燃料電池は、円筒型固体酸化物形燃料電池であり、前記区画部材は前記燃料流路と前記空気流路とを区画する円筒基体の一部で形成されている、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池ユニット。
  7. 前記燃料電池は、平板型固体酸化物形燃料電池であり、前記区画部材は燃料電池セルを構成する部材の一部で形成されている、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池ユニット。
  8. 前記燃料電池は、水素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池である、請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池ユニット。
  9. 請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池ユニットと、
    前記燃料極流路から排出される燃料極オフガスを回収する二酸化炭素回収部と、
    を備えた、燃料電池システム。
  10. 前記水素透過部の前記燃料極流路内側と外側との間に電流を流す、電流供給部、
    を備えた、請求項９に記載の燃料電池システム。
  11. 前記燃料極流路の前記水素透過部よりも下流側、且つ前記二酸化炭素回収部よりも上流側に設けられた凝縮器、
    を備えた、請求項９または請求項１０に記載の燃料電池システム。
  12. 炭素化合物を燃料として発電する燃料電池の燃料極側に配置された燃料流路に炭素化合物を含む燃料ガスを流通させると共に、前記燃料電池の空気極側に配置された空気流路に酸素を含む酸化剤ガスを流通させ、
    前記燃料流路の前記燃料極よりも下流に位置する燃料極流路から、前記空気流路と連通する空気極流路へ、水素イオン透過膜により水素イオンを透過させ、
    前記燃料極流路から排出されるオフガスを回収する、
    二酸化炭素回収方法。
JP2019170602A 2019-09-19 2019-09-19 燃料電池ユニット、燃料電池システム、及び二酸化炭素回収方法 Active JP6734454B1 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019170602A JP6734454B1 (ja) 2019-09-19 2019-09-19 燃料電池ユニット、燃料電池システム、及び二酸化炭素回収方法
PCT/JP2020/027289 WO2021053944A1 (ja) 2019-09-19 2020-07-13 燃料電池ユニット、燃料電池システム、及び二酸化炭素回収方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019170602A JP6734454B1 (ja) 2019-09-19 2019-09-19 燃料電池ユニット、燃料電池システム、及び二酸化炭素回収方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP6734454B1 JP6734454B1 (ja) 2020-08-05
JP2021048077A true JP2021048077A (ja) 2021-03-25

Family

ID=71892291

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2019170602A Active JP6734454B1 (ja) 2019-09-19 2019-09-19 燃料電池ユニット、燃料電池システム、及び二酸化炭素回収方法

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP6734454B1 (ja)
WO (1) WO2021053944A1 (ja)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10253796A (ja) * 1997-03-07 1998-09-25 Hitachi Ltd 可燃性ガス濃度制御設備及びその運用方法
JP2004247290A (ja) * 2003-01-21 2004-09-02 Honda Motor Co Ltd 水素供給装置
JP2005145760A (ja) * 2003-11-17 2005-06-09 Takehisa Yamaguchi 炭化水素改質水素製造システム
JP2005537621A (ja) * 2002-08-30 2005-12-08 シュティヒティン・エネルギーオンデルツォイク・セントラム・ネーデルランド シフト膜バーナー／燃料電池の組み合わせ
JP2006054170A (ja) * 2004-07-07 2006-02-23 Central Res Inst Of Electric Power Ind プロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質およびこれを用いた電気化学デバイス
JP2007270256A (ja) * 2006-03-31 2007-10-18 Ebara Corp 水素製造装置、水素製造方法および燃料電池発電装置

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10253796A (ja) * 1997-03-07 1998-09-25 Hitachi Ltd 可燃性ガス濃度制御設備及びその運用方法
JP2005537621A (ja) * 2002-08-30 2005-12-08 シュティヒティン・エネルギーオンデルツォイク・セントラム・ネーデルランド シフト膜バーナー／燃料電池の組み合わせ
JP2004247290A (ja) * 2003-01-21 2004-09-02 Honda Motor Co Ltd 水素供給装置
JP2005145760A (ja) * 2003-11-17 2005-06-09 Takehisa Yamaguchi 炭化水素改質水素製造システム
JP2006054170A (ja) * 2004-07-07 2006-02-23 Central Res Inst Of Electric Power Ind プロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質およびこれを用いた電気化学デバイス
JP2007270256A (ja) * 2006-03-31 2007-10-18 Ebara Corp 水素製造装置、水素製造方法および燃料電池発電装置

Also Published As

Publication number Publication date
WO2021053944A1 (ja) 2021-03-25
JP6734454B1 (ja) 2020-08-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8257563B2 (en) High purity hydrogen and electric power co-generation apparatus and method
US7833668B2 (en) Fuel cell system with greater than 95% fuel utilization
US7883803B2 (en) SOFC system producing reduced atmospheric carbon dioxide using a molten carbonated carbon dioxide pump
US6811913B2 (en) Multipurpose reversible electrochemical system
CN111868983B (zh) 燃料电池单电池单元、燃料电池模块及燃料电池装置
US20090208785A1 (en) SOFC electrochemical anode tail gas oxidizer
WO2020241115A1 (ja) 電気化学装置及び水素生成方法
KR102697272B1 (ko) 금속 지지형 연료 전지 및 연료 전지 모듈
CN109563634B (zh) 氢处理装置
WO2020153306A1 (ja) 反応装置及び燃料電池発電システム
JP5713698B2 (ja) 固体酸化物形燃料電池からｃｏ２の分離回収システム及びその運転方法
US11335937B2 (en) Operation of molten carbonate fuel cells with high electrolyte fill level
CN107112552B (zh) 模块以及模块收容装置
JP6532668B2 (ja) 燃料電池システム
JP2017033630A (ja) 固体酸化物形燃料電池スタック、固体酸化物形燃料電池モジュールおよび固体酸化物形燃料電池システム
WO2021053944A1 (ja) 燃料電池ユニット、燃料電池システム、及び二酸化炭素回収方法
JP6734455B1 (ja) 燃料電池ユニット、及び燃料電池システム
JP7236364B2 (ja) 燃料電池ユニット、及び燃料電池システム
JP6993488B1 (ja) 燃料電池発電システム、及び、燃料電池発電システムの制御方法
CN111868985B (zh) 燃料电池装置和燃料电池装置的运转方法
JP2011014495A (ja) 燃料電池モジュール
JP2017130273A (ja) 固体酸化物形燃料電池スタック、固体酸化物形燃料電池モジュールおよび固体酸化物形燃料電池システム
JP2017033631A (ja) 固体酸化物形燃料電池スタック、固体酸化物形燃料電池モジュールおよび固体酸化物形燃料電池システム

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20191023

A871 Explanation of circumstances concerning accelerated examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A871

Effective date: 20191023

A975 Report on accelerated examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971005

Effective date: 20191031

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20200121

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20200304

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20200609

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20200709

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6734454

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250