JP6017659B1 - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

【課題】アノードオフガスを再利用する際の燃料電池スタックの性能を向上させることができる燃料電池システムを得る。【解決手段】燃料電池システム10Aは、アノードオフガスG3から二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離する分離部20を有している。第1熱交換部30では、分離部20に流入されるアノードオフガスG3と空気Aとで熱交換を行い、熱交換後のアノードオフガスG3及び空気Aが分離部20へ流入される。アノードオフガスG3と空気Aとの熱交換は、分離部20における分離膜28の機能が発揮される適温T0となるように制御されている。【選択図】図1A fuel cell system capable of improving the performance of a fuel cell stack when reusing anode off gas is obtained. A fuel cell system 10A includes a separation unit 20 that separates at least one of carbon dioxide and water vapor from an anode off gas G3. In the first heat exchange unit 30, heat exchange is performed between the anode offgas G <b> 3 and the air A that flows into the separation unit 20, and the anode offgas G <b> 3 and the air A after the heat exchange flow into the separation unit 20. The heat exchange between the anode off gas G3 and the air A is controlled so as to have an appropriate temperature T0 at which the function of the separation membrane 28 in the separation unit 20 is exhibited. [Selection] Figure 1

Description

本発明は燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system.

燃料電池システムにおいて、エネルギー利用効率を向上させるための構成として、単一の燃料電池スタックを用い、当該燃料電池スタックから排出された未反応の燃料ガスを循環させて再利用する循環式や、燃料電池スタックを複数設け、前段の燃料電池スタックから排出された使用済みの燃料ガス中の未反応の燃料ガスを後段の燃料電池スタックで再利用する多段式が知られている。何れの構成においても、使用済みの燃料ガスに含まれる水蒸気や二酸化炭素(CO2)を除去できれば、反応に寄与する水素及び一酸化炭素の濃度が増加することで、再利用する燃料ガスが供給される燃料電池スタックの性能向上が見込める。 In the fuel cell system, as a configuration for improving the energy utilization efficiency, a single fuel cell stack is used, and a circulation type in which unreacted fuel gas discharged from the fuel cell stack is circulated and reused, or a fuel There is known a multi-stage system in which a plurality of battery stacks are provided and an unreacted fuel gas in a used fuel gas discharged from a preceding fuel cell stack is reused in a subsequent fuel cell stack. In any configuration, if the water vapor and carbon dioxide (CO 2 ) contained in the spent fuel gas can be removed, the concentration of hydrogen and carbon monoxide contributing to the reaction increases, so that the fuel gas to be reused is supplied. The fuel cell stack performance is expected to improve.

上記に関連して特許文献1には、固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)の燃料処理プロセスにおいて、燃料電池スタックから排出された使用済みの燃料ガスから水蒸気を分離膜で分離して除去し、これを再生燃料ガスとして再利用する技術が開示されている。特許文献1では、透過側に空気を導入して透過側における水蒸気の分圧が下げられる例が示されており、これにより、分離膜での水蒸気の透過が促進されている。   In relation to the above, Patent Document 1 discloses that in a fuel treatment process of a solid oxide fuel cell (SOFC), water vapor is separated from a spent fuel gas discharged from the fuel cell stack by a separation membrane. A technique for removing the gas and reusing it as a regenerated fuel gas is disclosed. Patent Document 1 shows an example in which air is introduced to the permeation side to reduce the partial pressure of water vapor on the permeation side, and this facilitates the permeation of water vapor through the separation membrane.

米国特許公開2013/0108936US Patent Publication 2013/0108936

燃料電池において燃料極での使用済み燃料(アノードオフガス)から二酸化炭素や水蒸気などの特定物質を除去するために分離膜を用いる際には、さらに工夫が求められる。   When a separation membrane is used to remove specific substances such as carbon dioxide and water vapor from spent fuel (anode offgas) at the fuel electrode in a fuel cell, further ingenuity is required.

本発明は上記事実を考慮して成されたもので、アノードオフガスから再生ガスを生成する際に使用する分離膜の機能を有効に発揮させて、燃料電池スタックの性能を向上させることができる燃料電池システムを得ることが目的である。   The present invention has been made in consideration of the above facts, and can effectively improve the performance of the fuel cell stack by effectively exerting the function of the separation membrane used when generating the regeneration gas from the anode off-gas. The object is to obtain a battery system.

請求項1記載の発明に係る燃料電池システムは、燃料極へ供給される燃料ガスと空気極へ供給される空気により発電し、前記燃料極からアノードオフガスが排出されると共に前記空気極からカソードオフガスが排出される燃料電池と、前記アノードオフガスが流入される流入部と、前記アノードオフガスから二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離する分離膜により前記流入部と区画された透過部と、を有し、前記アノードオフガスから二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の濃度が低減された再生燃料ガスを送出する分離部と、スイープガスとして前記透過部へ空気を供給する空気供給部と、前記分離部の上流側に設けられ、前記アノードオフガスと前記空気供給部からの空気との間で熱交換を行う第1熱交換部と、を備えている。   According to a first aspect of the present invention, there is provided a fuel cell system that generates electric power using fuel gas supplied to a fuel electrode and air supplied to an air electrode, and discharges anode off-gas from the fuel electrode and cathode off-gas from the air electrode. A fuel cell from which the anode off gas flows, and a permeation section partitioned from the inflow portion by a separation membrane that separates at least one of carbon dioxide and water vapor from the anode off gas. A separation unit that sends out a regenerated fuel gas in which the concentration of at least one of carbon dioxide and water vapor is reduced from the anode off gas, an air supply unit that supplies air to the permeation unit as a sweep gas, and an upstream side of the separation unit And a first heat exchange unit that exchanges heat between the anode off gas and the air from the air supply unit.

請求項1に係る燃料電池システムは、分離部を有している。分離部は、アノードオフガスから二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離する分離膜を備え、分離膜によって互いに区画された流入部と透過部を有している。スイープガスとしての空気は透過部へ流入される。これにより、空気の通過がない場合と比較して、透過部における二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の分圧は低減される。一方、アノードオフガスは流入部に流入される。流入部へ流入したアノードオフガスに含まれる二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方は、分離膜を透過して透過部へ流入する。これにより、アノードオフガス中の二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の濃度が低減され、再生燃料ガスとして流入部から送出される。再生燃料ガスは、再度、燃料電池の発電に用いることができる。 The fuel cell system according to claim 1 has a separation part. The separation unit includes a separation membrane that separates at least one of carbon dioxide and water vapor from the anode off-gas, and has an inflow portion and a permeation portion that are separated from each other by the separation membrane. Air as the sweep gas flows into the permeation section. Thereby, compared with the case where there is no passage of air, the partial pressure of at least one of the carbon dioxide and water vapor | steam in a permeation | transmission part is reduced. On the other hand, the anode off gas flows into the inflow portion. At least one of carbon dioxide and water vapor contained in the anode off-gas flowing into the inflow portion permeates the separation membrane and flows into the permeation portion. As a result, the concentration of at least one of carbon dioxide and water vapor in the anode off-gas is reduced and sent out from the inflow portion as regenerated fuel gas. The regenerated fuel gas can be used again for power generation of the fuel cell.

ところで、分離部において、分離膜が適切に分離機能を発揮するためには、分離部が適切な温度であることが求められる。本発明の燃料電池システムでは、第1熱交換部において、分離部に流入されるアノードオフガスと空気とで熱交換を行い、熱交換後のアノードオフガスと空気が分離部の流入部と透過部とへ各々流入される。したがって、例えば、空気の流量調整や温度調整により、分離部へ流入されるアノードオフガスと空気の両方について、簡易に適温に設定することができる。このように、分離部を適温に維持して分離膜の性能を発揮させることにより、アノードオフガスから二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を多く分離することができる。これにより、アノードオフガスを再利用する燃料電池スタックで効率よく発電することができ、燃料電池システムの性能を向上させることができる。 By the way, in order for the separation membrane to properly exhibit the separation function in the separation part, it is required that the separation part has an appropriate temperature. In the fuel cell system of the present invention, in the first heat exchange unit, heat exchange is performed between the anode offgas and the air flowing into the separation unit, and the anode offgas and air after the heat exchange are performed between the inflow unit and the permeation unit of the separation unit. To each. Therefore, for example, by adjusting the air flow rate and temperature, it is possible to easily set an appropriate temperature for both the anode offgas and the air flowing into the separation unit. Thus, by maintaining the separation part at an appropriate temperature and exhibiting the performance of the separation membrane, at least one of carbon dioxide and water vapor can be largely separated from the anode off-gas. As a result, the fuel cell stack that reuses the anode off-gas can efficiently generate power, and the performance of the fuel cell system can be improved.

請求項2記載の発明に係る燃料電池システムは、前記第1熱交換部が、並流式で前記アノードオフガスと前記空気供給部からの空気との熱交換を行うこと、を特徴とする。 The fuel cell system according to a second aspect of the invention is characterized in that the first heat exchanging unit performs heat exchange between the anode off gas and air from the air supply unit in a co-current type.

請求項2に係る燃料電池システムでは、第1熱交換部において、アノードオフガスと空気供給部からの空気とが並流式(並行流式)で熱交換されるので、分離部へ送出するアノードオフガスと空気の温度を比較的容易に同温度にすることができる。 In the fuel cell system according to claim 2, since the anode off gas and the air from the air supply unit are heat-exchanged in a parallel flow type (parallel flow type) in the first heat exchange unit, the anode off gas sent to the separation unit And the air temperature can be set to the same temperature relatively easily.

請求項3記載の発明に係る燃料電池システムは、前記空気供給部と前記第1熱交換部との間に設けられ、前記空気供給部からの空気の温度を上昇させる空気昇温部と、前記分離部の温度に応じて、前記空気昇温部から流出される空気の温度を制御する制御部と、を備えている。 A fuel cell system according to a third aspect of the present invention is provided between the air supply unit and the first heat exchange unit, and raises the temperature of air from the air supply unit. And a control unit that controls the temperature of the air that flows out of the air temperature raising unit in accordance with the temperature of the separation unit.

請求項3に係る燃料電池システムでは、第1熱交換部へ流入される空気は、前記分離部の温度に応じて空気昇温部で昇温される。したがって、第1熱交換部へ流入される空気の流量の調整幅を少なくして、分離部を適温に維持することができる。これにより、透過部へ流入させる空気を確保して、透過部の二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の分圧を下げることができる。 In the fuel cell system according to claim 3, the air flowing into the first heat exchange unit is heated by the air temperature raising unit according to the temperature of the separation unit. Therefore, the adjustment range of the flow rate of the air flowing into the first heat exchange unit can be reduced, and the separation unit can be maintained at an appropriate temperature. Thereby, the air flowing into the permeation part can be secured, and the partial pressure of at least one of carbon dioxide and water vapor in the permeation part can be lowered.

請求項4記載の発明に係る燃料電池システムは、前記空気供給部から前記第1熱交換部へ流入される空気の流量を一定としたことを特徴とする。 The fuel cell system according to claim 4 is characterized in that the flow rate of air flowing from the air supply unit to the first heat exchange unit is constant.

請求項4に係る燃料電池システムによれば、空気昇温部での空気の温度調整のみによって、分離部を適温にすることができる。 According to the fuel cell system of the fourth aspect, the separation unit can be brought to an appropriate temperature only by adjusting the temperature of the air in the air heating unit.

請求項5記載の発明に係る燃料電池システムは、前記分離部の温度に応じて、前記第1熱交換部へ流入される空気の流量を制御する制御部、を備えている。 A fuel cell system according to a fifth aspect of the present invention includes a control unit that controls a flow rate of air flowing into the first heat exchange unit according to a temperature of the separation unit.

請求項5に係る燃料電池システムでは、第1熱交換部へ流入される空気の流量は、分離部の温度に応じて制御される。したがって、空気の流量調整だけでも、簡単に分離部を適温にすることができる。 In the fuel cell system according to the fifth aspect, the flow rate of the air flowing into the first heat exchange unit is controlled according to the temperature of the separation unit. Therefore, the temperature of the separation unit can be easily adjusted to an appropriate temperature simply by adjusting the air flow rate.

請求項6記載の発明に係る燃料電池システムは、前記透過部から排出されたガスを前記空気極へ導入する酸化ガス導入路、をさらに備えている。 The fuel cell system according to a sixth aspect of the present invention further includes an oxidizing gas introduction path for introducing the gas discharged from the permeation portion into the air electrode.

請求項6に係る燃料電池システムによれば、スイープガスとして用いられた後の空気が空気極へ導入されるので、空気極への空気の導入と第1熱交換部への空気の導入を同一の空気供給部(ブロア等)を用いて行うことができ、燃料電池システムを簡易な構成にすることができる。 According to the fuel cell system of the sixth aspect, since the air after being used as the sweep gas is introduced into the air electrode, the introduction of air into the air electrode and the introduction of air into the first heat exchange unit are the same. The air supply unit (such as a blower) can be used, and the fuel cell system can be simplified.

請求項7記載の発明に係る燃料電池システムは、可燃性気体を燃焼させる燃焼器を備え、前記透過部から排出されたガスが直接または間接的に前記燃焼器へ導入されている。   A fuel cell system according to a seventh aspect of the invention includes a combustor that combusts a combustible gas, and the gas discharged from the permeation unit is directly or indirectly introduced into the combustor.

請求項7に係る燃料電池システムによれば、スイープガスとして用いられた後のガスに含まれている水素等の可燃性気体が燃焼器へ導入され、燃焼に供される。これにより、スイープガスとして用いられた後のガス中の可燃性気体を適切に処理することができる。 According to the fuel cell system of the seventh aspect, the combustible gas such as hydrogen contained in the gas after being used as the sweep gas is introduced into the combustor and used for combustion. Thereby, the combustible gas in the gas after being used as sweep gas can be processed appropriately.

請求項8記載の発明に係る燃料電池システムは、前記燃料電池は、前記分離部の前記流入部へアノードオフガスを送出する第1燃料電池と、前記再生燃料ガスが前記燃料ガスとして燃料極へ供給される第2燃料電池と、を含んでいる。 According to an eighth aspect of the present invention, in the fuel cell system according to the eighth aspect, the fuel cell includes a first fuel cell that sends an anode off gas to the inflow portion of the separation portion, and the regenerated fuel gas is supplied to the fuel electrode as the fuel gas. A second fuel cell.

請求項8に係る燃料電池システムによれば、燃料電池から排出されたアノードオフガスについて、分離部で二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の濃度が低減された再生燃料ガスが、第2燃料電池の燃料極へ供給されて用いられる。これにより、多段式の燃料電池システムを実現することができる。   According to the fuel cell system of the eighth aspect of the present invention, the regenerated fuel gas in which the concentration of at least one of carbon dioxide and water vapor is reduced in the separation part of the anode off-gas discharged from the fuel cell is the fuel electrode of the second fuel cell. To be used. Thereby, a multistage fuel cell system can be realized.

請求項9記載の発明に係る燃料電池システムは、前記第1熱交換部よりも上流側を流通する前記アノードオフガスと、前記再生燃料ガスとの間で熱交換を行う、第2熱交換部、を更に備えている。 A fuel cell system according to an invention of claim 9 is a second heat exchange unit that exchanges heat between the anode off-gas flowing upstream from the first heat exchange unit and the regenerated fuel gas, Is further provided.

請求項9に係る燃料電池システムによれば、第1熱交換部の上流側の第2熱交換部でアノードオフガスの温度が低下されるので、第1熱交換部での温度調整幅を小さくすることができる。また、分離部を経た後の再生燃料ガスが第2熱交換部で昇温されるので、再使用されるために適した温度に近くなり、システム全体の発電効率及び熱効率を向上させることができる。 According to the fuel cell system of the ninth aspect, the temperature of the anode off-gas is lowered in the second heat exchange section upstream of the first heat exchange section, so that the temperature adjustment range in the first heat exchange section is reduced. be able to. Further, since the temperature of the regenerated fuel gas after passing through the separation unit is raised in the second heat exchange unit, the temperature becomes close to a temperature suitable for reuse, and the power generation efficiency and thermal efficiency of the entire system can be improved. .

本発明に係る燃料電池システムによれば、アノードオフガスを再利用する際の燃料電池スタックの性能を向上させることができる。   The fuel cell system according to the present invention can improve the performance of the fuel cell stack when reusing the anode off gas.

第1実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of 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の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the fuel cell system which concerns on 2nd Embodiment. 第3実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the fuel cell system which concerns on 3rd Embodiment. 第4実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the fuel cell system which concerns on 4th Embodiment. 第5実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the fuel cell system which concerns on 5th Embodiment. 第6実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the fuel cell system which concerns on 6th Embodiment. 第7実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the fuel cell system which concerns on 7th Embodiment. 第8実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the fuel cell system which concerns on 8th Embodiment. 第9実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the fuel cell system which concerns on 9th Embodiment.

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。   Hereinafter, an example of an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

〔第1実施形態〕
図1には、本発明の第1実施形態に係る燃料電池システム10Aが示されている。燃料電池システム10Aは、主要な構成として、気化器12、改質器14、第1燃料電池スタック16、第2燃料電池スタック18、空気供給部46、分離部20、第1熱交換部30、第2熱交換部32、第3熱交換部34、第4熱交換部36、燃焼器40、タンク42、及び制御部44を備えている。
[First Embodiment]
FIG. 1 shows a fuel cell system 10A according to the first embodiment of the present invention. The fuel cell system 10A includes, as main components, a vaporizer 12, a reformer 14, a first fuel cell stack 16, a second fuel cell stack 18, an air supply unit 46, a separation unit 20, a first heat exchange unit 30, A second heat exchange unit 32, a third heat exchange unit 34, a fourth heat exchange unit 36, a combustor 40, a tank 42, and a control unit 44 are provided.

気化器12には、原料ガス管P1の一端が接続されており、原料ガス管P1の他端は図示しないガス源に接続されている。ガス源からは、ブロアBによりメタンが気化器12へ送出される。原料ガス管P1の中間部には、水を貯留するタンク42からの水供給管P2が接続されている。タンク42からは、ポンプPにより、水(液相)が気化器12へ送出される。気化器12では、水が気化される。気化には、後述する燃焼器40の熱が用いられる。なお、本実施形態では、原料ガスとしてメタンを用いるが、改質が可能なガスであれば特に限定されず、炭化水素燃料を用いることができる。炭化水素燃料としては、天然ガス、LPガス(液化石油ガス)、石炭改質ガス、低級炭化水素ガスなどが例示される。低級炭化水素ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭素数4以下の低級炭化水素が挙げられ、本実施形態で用いるメタンが好ましい。なお、炭化水素燃料としては、上述した低級炭化水素ガスを混合したものであってもよく、上述した低級炭化水素ガスは天然ガス、都市ガス、LPガス等のガスであってもよい。   One end of the source gas pipe P1 is connected to the vaporizer 12, and the other end of the source gas pipe P1 is connected to a gas source (not shown). From the gas source, methane is sent to the vaporizer 12 by the blower B. A water supply pipe P2 from a tank 42 for storing water is connected to an intermediate portion of the source gas pipe P1. Water (liquid phase) is sent from the tank 42 to the vaporizer 12 by the pump P. In the vaporizer 12, water is vaporized. For the vaporization, the heat of the combustor 40 described later is used. In this embodiment, methane is used as the raw material gas, but it is not particularly limited as long as it can be reformed, and a hydrocarbon fuel can be used. Examples of the hydrocarbon fuel include natural gas, LP gas (liquefied petroleum gas), coal reformed gas, lower hydrocarbon gas, and the like. Examples of the lower hydrocarbon gas include lower hydrocarbons having 4 or less carbon atoms such as methane, ethane, ethylene, propane, and butane, and methane used in the present embodiment is preferable. The hydrocarbon fuel may be a mixture of the above-described lower hydrocarbon gas, and the above-described lower hydrocarbon gas may be a gas such as natural gas, city gas, or LP gas.

メタン及び水蒸気は、気化器12から配管P3を介して改質器14へ送出される。改質器14は、燃焼器40、第1燃料電池スタック16、及び第2燃料電池スタック18と隣接されており、これらとの間で熱交換を行うことで加熱される。   Methane and water vapor are sent from the vaporizer 12 to the reformer 14 via the pipe P3. The reformer 14 is adjacent to the combustor 40, the first fuel cell stack 16, and the second fuel cell stack 18, and is heated by exchanging heat with them.

改質器14では、メタンを改質し、水素を含む600℃程度の温度の燃料ガスG1を生成する。改質器14は、第1燃料電池スタック16のアノード(燃料極)16Aと接続されている。改質器14で生成された燃料ガスG1は、燃料ガス管P4を介して第1燃料電池スタック16のアノード16Aに供給される。   In the reformer 14, methane is reformed to generate a fuel gas G1 containing hydrogen and having a temperature of about 600 ° C. The reformer 14 is connected to the anode (fuel electrode) 16 </ b> A of the first fuel cell stack 16. The fuel gas G1 generated by the reformer 14 is supplied to the anode 16A of the first fuel cell stack 16 via the fuel gas pipe P4.

第1燃料電池スタック16は固体酸化物形の燃料電池スタックであり、積層された複数の燃料電池セルを有している。第1燃料電池スタック16は本発明における燃料電池(第1燃料電池)の一例であり、本実施形態では、作動温度が650℃程度とされている。個々の燃料電池セルは、電解質層と、当該電解質層の表裏面にそれぞれ積層されたアノード16A、及びカソード(空気極)16Bと、を有している。図1では、複数の燃料電池セルの個々のアノード、カソードをまとめて、各々「アノード16A」「カソード16B」と図示している。   The first fuel cell stack 16 is a solid oxide fuel cell stack, and has a plurality of stacked fuel cells. The first fuel cell stack 16 is an example of a fuel cell (first fuel cell) in the present invention. In the present embodiment, the operating temperature is about 650 ° C. Each fuel cell has an electrolyte layer, and an anode 16A and a cathode (air electrode) 16B that are respectively laminated on the front and back surfaces of the electrolyte layer. In FIG. 1, individual anodes and cathodes of a plurality of fuel cells are collectively shown as “anode 16A” and “cathode 16B”, respectively.

なお、第2燃料電池スタック18についての基本構成は、第1燃料電池スタック16と同様であり、アノード16Aに対応するアノード18A、及びカソード16Bに対応するカソード18Bを有している。   The basic configuration of the second fuel cell stack 18 is the same as that of the first fuel cell stack 16, and has an anode 18A corresponding to the anode 16A and a cathode 18B corresponding to the cathode 16B.

第1燃料電池スタック16のカソード16Bには、後述する酸化ガス管P5を介して酸化ガスG5(空気)が供給される。カソード16Bでは、下記(1)式に示すように、酸化ガス中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。生成された酸素イオンは電解質層を通って第1燃料電池スタック16のアノード16Aに到達する。 An oxidizing gas G5 (air) is supplied to the cathode 16B of the first fuel cell stack 16 via an oxidizing gas pipe P5 described later. In the cathode 16B, as shown in the following formula (1), oxygen and electrons in the oxidizing gas react to generate oxygen ions. The generated oxygen ions reach the anode 16A of the first fuel cell stack 16 through the electrolyte layer.

(空気極反応)
1/2O+2e →O2− …(1)
(Air electrode reaction)
1 / 2O 2 + 2e → O 2− (1)

また、カソード16Bには、カソード16Bから排出されるカソードオフガスG2を第2燃料電池スタック18のカソード18Bへ案内するカソードオフガス管P6が接続されている。 The cathode 16B is connected to a cathode offgas pipe P6 that guides the cathode offgas G2 discharged from the cathode 16B to the cathode 18B of the second fuel cell stack 18.

一方、第1燃料電池スタック16のアノード16Aでは、下記(2)式及び(3)式に示すように、電解質層を通ってきた酸素イオンが燃料ガス中の水素及び一酸化炭素と反応し、水(水蒸気)及び二酸化炭素と電子が生成される。アノード16Aで生成された電子がアノード16Aから外部回路を通ってカソード16Bに移動することで、各燃料電池セルにおいて発電される。また、各燃料電池セルは、発電時に発熱する。   On the other hand, in the anode 16A of the first fuel cell stack 16, as shown in the following formulas (2) and (3), oxygen ions that have passed through the electrolyte layer react with hydrogen and carbon monoxide in the fuel gas, Water (water vapor), carbon dioxide and electrons are generated. Electrons generated at the anode 16A move from the anode 16A through the external circuit to the cathode 16B, and are thus generated in each fuel cell. Each fuel cell generates heat during power generation.

(燃料極反応)
+O2− →HO+2e …(2)
CO+O2− →CO+2e …(3)
(Fuel electrode reaction)
H 2 + O 2− → H 2 O + 2e (2)
CO + O 2− → CO 2 + 2e (3)

第1燃料電池スタック16のアノード16Aにはアノードオフガス管P7の一端が接続されており、アノードオフガス管P7には、アノード16AからアノードオフガスG3が排出される。アノードオフガスG3には、未反応の水素、未反応の一酸化炭素、二酸化炭素及び水蒸気等が含まれている。   One end of an anode offgas pipe P7 is connected to the anode 16A of the first fuel cell stack 16, and the anode offgas G3 is discharged from the anode 16A to the anode offgas pipe P7. The anode off gas G3 contains unreacted hydrogen, unreacted carbon monoxide, carbon dioxide, water vapor, and the like.

なお、本発明の燃料電池としては、固体酸化物形の燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)に限られるものではなく、アノードオフガスに二酸化炭素及び水素の少なくとも一方が含まれる他の燃料電池、例えば溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)であってもよい。 The fuel cell of the present invention is not limited to a solid oxide fuel cell (SOFC), and other fuel cells in which at least one of carbon dioxide and hydrogen is contained in the anode off-gas, For example, a molten carbonate fuel cell (MCFC) may be used.

アノードオフガス管P7の他端は、後述する第2熱交換部32及び第1熱交換部30を経て分離部20と接続されている。分離部20は、アノードオフガスG3から二酸化炭素及び水蒸気を後述する分離膜28で分離するものである。分離部20は、流入部24及び透過部26を有している。流入部24と透過部26は、分離膜28で区画されている。 The other end of the anode off-gas pipe P7 is connected to the separation unit 20 via a second heat exchange unit 32 and a first heat exchange unit 30 described later. The separation unit 20 separates carbon dioxide and water vapor from the anode off gas G3 by a separation membrane 28 described later. The separation unit 20 includes an inflow portion 24 and a transmission portion 26. The inflow part 24 and the permeation part 26 are partitioned by a separation membrane 28.

分離部20の透過部26には、空気供給管P8の他端が接続されている。空気供給部46は、ブロアを含んで構成されており、空気供給部46に空気供給管P8の一端が接続されている。空気供給部46からは、常温の空気Aが送出されており、空気供給部46から空気供給管P8を通って、透過部26へスイープガスとしての空気Aが供給されている。空気供給部46は、後述する制御部44と接続されている。 The other end of the air supply pipe P8 is connected to the transmission part 26 of the separation part 20. The air supply unit 46 includes a blower, and one end of an air supply pipe P8 is connected to the air supply unit 46. Normal temperature air A is sent from the air supply unit 46, and air A as a sweep gas is supplied from the air supply unit 46 through the air supply pipe P <b> 8 to the transmission unit 26. The air supply unit 46 is connected to a control unit 44 described later.

ここで、分離膜28について説明する。本実施形態では、分離膜28は二酸化炭素及び水蒸気の両方を透過する機能を有するものを用いる。なお、本実施形態では、二酸化炭素及び水蒸気の両方を透過する機能を有するものを用いるが、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を透過する機能を有するものであってもよい。二酸化炭素及び水蒸気の両方を透過する機能を有するものであれば、特に限定されないが、例えば、有機高分子膜、無機材料膜、有機高分子−無機材料複合膜、液体膜などが挙げられる。また、分離膜は、ガラス状高分子膜、ゴム状高分子膜、イオン交換樹脂膜、アルミナ膜、シリカ膜、炭素膜、ゼオライト膜、セラミック膜、アミン水溶液膜又はイオン液体膜であることがより好ましい。   Here, the separation membrane 28 will be described. In the present embodiment, the separation membrane 28 has a function of transmitting both carbon dioxide and water vapor. In addition, in this embodiment, what has a function which permeate | transmits both a carbon dioxide and water vapor | steam is used, However, You may have a function which permeate | transmits at least one of a carbon dioxide and water vapor | steam. Although it will not specifically limit if it has a function which permeate | transmits both a carbon dioxide and water vapor | steam, For example, an organic polymer film | membrane, an inorganic material film | membrane, an organic polymer-inorganic material composite film | membrane, a liquid film etc. are mentioned. 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.

分離膜としては、例えば、ガラス状高分子膜、ゴム状高分子膜、イオン交換樹脂膜などの有機高分子膜が挙げられる。有機高分子膜の材質としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン、ポリメチルペンテン等のポリオレフィン系樹脂、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン等のフッ素樹脂、ポリスチレン、酢酸セルロース、ポリウレタン、ポリアクリロニトリル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリイミド、ポリアミド、ポリエーテルイミド、ポリピロール、ポリフェニレンオキシド、ポリアニリン、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、ポリエチレングリコール等の各種有機材料が挙げられる。また、有機高分子膜は、1種の有機材料から構成される膜であってもよく、2種以上の有機材料から構成される膜であってもよい。   Examples of the separation membrane include organic polymer membranes such as glassy polymer membranes, rubbery polymer membranes, and ion exchange resin membranes. Materials for the organic polymer film include polyolefin resins such as polyethylene, polypropylene, polybutene, and polymethylpentene, fluorine resins such as polytetrafluoroethylene, polyvinyl fluoride, and polyvinylidene fluoride, polystyrene, cellulose acetate, polyurethane, and polyacrylonitrile. And various organic materials such as polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyimide, polyamide, polyetherimide, polypyrrole, polyphenylene oxide, polyaniline, polyvinyl alcohol, polyacrylic acid, and polyethylene glycol. The organic polymer film may be a film composed of one kind of organic material or a film composed of two or more kinds of organic materials.

また分離膜としては、例えば、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、ポリビニルアルコール−ポリアクリル酸塩共重合体、ポリエチレングリコールなどの吸水性を有する有機高分子と、二酸化炭素と親和性を有し、かつ水溶性を示す二酸化炭素キャリアとを含む有機高分子膜であってもよい。   In addition, as the separation membrane, for example, water-absorbing organic polymer such as polyvinyl alcohol, polyacrylic acid, polyvinyl alcohol-polyacrylate copolymer, polyethylene glycol, etc., carbon dioxide and water-soluble It may be an organic polymer film containing a carbon dioxide carrier exhibiting properties.

二酸化炭素キャリアとしては、無機材料及び有機材料が用いられ、例えば、無機材料としては、アルカリ金属塩(好ましくはアルカリ金属炭酸塩)、アンモニア、アンモニウム塩などが挙げられ、有機材料としては、例えば、アミン、アミン塩、ポリアミンなどが挙げられる。なお、二酸化炭素キャリアは、無機材料膜、有機高分子−無機材料複合膜、液体膜等に含まれていてもよい。   As the carbon dioxide carrier, inorganic materials and organic materials are used. For example, inorganic materials include alkali metal salts (preferably alkali metal carbonates), ammonia, ammonium salts, and the like. Examples include amines, amine salts, and polyamines. The carbon dioxide carrier may be contained in an inorganic material film, an organic polymer-inorganic material composite film, a liquid film, or the like.

分離膜としては、例えば、アルミナ膜、シリカ膜、炭素膜、ゼオライト膜、セラミック膜などの無機材料膜が挙げられ、無機材料膜としては、中でもゼオライト膜が好ましい。ゼオライトとしては、例えば、A型、Y型、T型、ZSM−5型、ZSM−35型、モルデナイト系などが挙げられる。また、無機材料膜は、1種の無機材料から構成される膜であってもよく、2種以上の無機材料から構成される膜であってもよい。   Examples of the separation membrane include inorganic material membranes such as an alumina membrane, a silica membrane, a carbon membrane, a zeolite membrane, and a ceramic membrane. Among these, a zeolite membrane is preferable. Examples of the zeolite include A type, Y type, T type, ZSM-5 type, ZSM-35 type, and mordenite type. The inorganic material film may be a film composed of one kind of inorganic material or a film composed of two or more kinds of inorganic materials.

分離膜は、有機高分子−無機材料複合膜であってもよい。有機高分子−無機材料複合膜としては、有機材料及び無機材料から構成される膜であれば特に限定されないが、例えば、上述した有機材料から選択される少なくとも1種の有機材料及び上述した無機材料から選択される少なくとも1種の無機材料から構成される複合膜であることが好ましい。   The separation membrane may be an organic polymer-inorganic material composite membrane. The organic polymer-inorganic material composite film is not particularly limited as long as it is a film composed of an organic material and an inorganic material. For example, at least one organic material selected from the above-described organic materials and the above-described inorganic material A composite film composed of at least one inorganic material selected from the above is preferable.

分離膜としては、例えば、アミン水溶液、イオン液体などの液体膜が挙げられる。これら液体膜は、前述の有機高分子膜、無機材料膜、有機高分子−無機材料複合膜に、アミン水溶液又はイオン液体を含浸させたものであってもよい。   Examples of the separation membrane include liquid membranes such as an aqueous amine solution and an ionic liquid. These liquid films may be obtained by impregnating the above-described organic polymer film, inorganic material film, or organic polymer-inorganic material composite film with an aqueous amine solution or an ionic liquid.

分離膜として、アミン水溶液膜を用いた場合、オフガス中の二酸化炭素をアミン水溶液膜に化学的に吸着させた後、加熱することで二酸化炭素が分離され、アミン水溶液膜の透過側に二酸化炭素が移動する。アミン水溶液としては、モノエタノールアミンなどのアミノアルコールなどが挙げられる。   When an amine aqueous solution membrane is used as the separation membrane, carbon dioxide in the off-gas is chemically adsorbed on the amine aqueous solution membrane and then heated to separate the carbon dioxide. Moving. Examples of the aqueous amine solution include amino alcohols such as monoethanolamine.

分離膜として、イオン液体膜を用いた場合、オフガス中の二酸化炭素がイオン液体膜に吸着し、吸着された二酸化炭素をイオン液体膜から分離することで、イオン液体膜の透過側に二酸化炭素が移動する。ここで、イオン液体は、150℃以下の比較的低温の融点を有する塩であり、例えば、イミダゾリウムイオン、ピリジニウムイオンなどの陽イオンと、トリフルオロメタンスルホン酸イオン、テトラフルオロホウ酸イオン、ヘキサフルオロリン酸イオンなどの陰イオンと、から構成される。   When an ionic liquid membrane is used as the separation membrane, carbon dioxide in the off-gas is adsorbed on the ionic liquid membrane, and the adsorbed carbon dioxide is separated from the ionic liquid membrane, so that carbon dioxide is formed on the permeate side of the ionic liquid membrane. Moving. Here, the ionic liquid is a salt having a relatively low melting point of 150 ° C. or lower. For example, a cation such as imidazolium ion or pyridinium ion, trifluoromethanesulfonate ion, tetrafluoroborate ion, hexafluoro And anions such as phosphate ions.

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

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。   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.

また、分離膜としては、二酸化炭素及び水蒸気の分離機能を発揮すると共に、耐久性を維持する観点から、使用の際の適温T0が、燃料電池システム10A内の露点よりも高く、第1燃料電池スタック16のアノード16Aから排出された直後のアノードオフガスG3の温度よりも低いものが好適に用いられる。例えば、露点が80℃、分離膜の耐久性を考慮した最高使用温度が130℃であるとすると、80℃〜130℃の間で、後述する適温T0を設定する。   Moreover, as a separation membrane, the suitable temperature T0 at the time of use is higher than the dew point in the fuel cell system 10A from the viewpoint of exhibiting the function of separating carbon dioxide and water vapor and maintaining the durability. A temperature lower than the temperature of the anode off-gas G3 immediately after being discharged from the anode 16A of the stack 16 is preferably used. For example, if the dew point is 80 ° C. and the maximum use temperature considering the durability of the separation membrane is 130 ° C., an appropriate temperature T0 described later is set between 80 ° C. and 130 ° C.

二酸化炭素及び水蒸気を分離する分離膜としては、例えば、「Zi Tong et al., "Water vapor and CO2 transport through amine-containing facilitated transport membranes", Reactive & Functional Polymers (2014)に記載の膜を用いてもよい。 As a separation membrane for separating carbon dioxide and water vapor, for example, a membrane described in “Zi Tong et al.,“ Water vapor and CO 2 transport through amine-containing facilitated transport membranes ”, Reactive & Functional Polymers (2014) is used. May be.

アノードオフガスG3は、分離部20で二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離されることにより二酸化炭素及び水蒸気の濃度が低減されて、再生燃料ガスG4となって、透過部26から送出される。再生燃料ガス管P9は、第2燃料電池スタック18のアノード18Aと接続されており、再生燃料ガスG4は、再生燃料ガス管P9を経て、第2燃料電池スタック18のアノード18Aに供給される。   The anode off gas G3 is separated from at least one of carbon dioxide and water vapor by the separation unit 20 to reduce the concentration of carbon dioxide and water vapor, and is regenerated fuel gas G4 and is sent out from the permeation unit 26. The regenerated fuel gas pipe P9 is connected to the anode 18A of the second fuel cell stack 18, and the regenerated fuel gas G4 is supplied to the anode 18A of the second fuel cell stack 18 via the regenerated fuel gas pipe P9.

一方、分離部20の透過部26では、空気供給管P8から供給された空気Aが、スイープガスとして透過部26へ流入する。これにより、透過部26における二酸化炭素及び水蒸気の分圧が下がり、流入部24から分離膜28を透過して二酸化炭素及び水蒸気が透過部26へ移動し易くなる。空気Aは、二酸化炭素、水蒸気、及び、その他分離膜28を透過したアノードオフガスG3中の気体と共に、透過部排出ガスとして透過部26から送出される。送出された透過部排出ガスは、酸化ガス管P5を介して酸素を含む酸化ガスG5としてカソード16Bへ供給される。   On the other hand, in the permeation unit 26 of the separation unit 20, the air A supplied from the air supply pipe P8 flows into the permeation unit 26 as a sweep gas. As a result, the partial pressures of carbon dioxide and water vapor in the permeation section 26 are reduced, and the carbon dioxide and water vapor are easily transferred to the permeation section 26 through the separation membrane 28 from the inflow section 24. The air A is sent out from the permeation unit 26 as a permeation unit exhaust gas together with carbon dioxide, water vapor, and other gas in the anode off-gas G3 that has passed through the separation membrane 28. The sent permeate portion exhaust gas is supplied to the cathode 16B as the oxidizing gas G5 containing oxygen through the oxidizing gas pipe P5.

第2燃料電池スタック18のアノード18A及びカソード18Bでは、第1燃料電池スタック16と同様の反応により発電が行われる。アノード18A及びカソード18Bから排出された使用済のガスは、配管P11、カソードオフ燃焼導入管P12により燃焼器40へ送出され、燃焼器40で焼却に供される。本実施形態の燃料電池システム10Aは、第1燃料電池スタック16で使用された燃料であるアノードオフガスG3が再生されて、燃料ガスとして第2燃料電池スタック18で再利用される多段式の燃料電池システムとなっている。   The anode 18A and the cathode 18B of the second fuel cell stack 18 generate power by the same reaction as that of the first fuel cell stack 16. The used gas discharged from the anode 18A and the cathode 18B is sent to the combustor 40 through the pipe P11 and the cathode off combustion introduction pipe P12, and is used for incineration in the combustor 40. In the fuel cell system 10A of the present embodiment, the anode offgas G3 that is the fuel used in the first fuel cell stack 16 is regenerated and reused as the fuel gas in the second fuel cell stack 18. It is a system.

燃焼器40からは、燃焼排ガスG6が送出される。燃焼排ガスG6は、燃焼排ガス管P10内を流通し、第3熱交換部34、第4熱交換部36、及び、気化器12を経て、タンク42へ流入される。   From the combustor 40, combustion exhaust gas G6 is sent out. The combustion exhaust gas G6 flows through the combustion exhaust pipe P10, and flows into the tank 42 through the third heat exchange unit 34, the fourth heat exchange unit 36, and the vaporizer 12.

次に、燃料電池システム10Aにおける熱交換について説明する。燃料電池システム10Aは、第1熱交換部30、第2熱交換部32、第3熱交換部34、及び第4熱交換部36を備えている。   Next, heat exchange in the fuel cell system 10A will be described. The fuel cell system 10 </ b> A includes a first heat exchange unit 30, a second heat exchange unit 32, a third heat exchange unit 34, and a fourth heat exchange unit 36.

第1熱交換部30は、第1燃料電池スタック16のアノード16Aの下流側で分離部20(流入部24)の上流側(アノードオフガス管P7について)、且つ、空気供給部46の下流側で分離部20(透過部26)の上流側(空気供給管P8について)に設けられている。第1熱交換部30では、アノードオフガス管P7を流れるアノードオフガスG3と空気供給管P8を流れる空気Aとの間で熱交換が行われる。当該熱交換は、並行流で行われることが好ましい。熱交換を並行流で行うことにより、分離部20へ送出されるアノードオフガスG3と空気Aの温度を比較的容易に同温度にすることができる。なお、アノードオフガスG3は、アノード16Aから送出された後、後述する第2熱交換部32での熱交換により、アノード16からの送出時よりも温度が低くなっている。   The first heat exchanging unit 30 is downstream of the anode 16A of the first fuel cell stack 16 and upstream of the separation unit 20 (inflow portion 24) (for the anode offgas pipe P7) and downstream of the air supply unit 46. It is provided on the upstream side (about the air supply pipe P8) of the separation unit 20 (permeation unit 26). In the first heat exchange unit 30, heat exchange is performed between the anode offgas G3 flowing through the anode offgas pipe P7 and the air A flowing through the air supply pipe P8. The heat exchange is preferably performed in parallel flow. By performing heat exchange in parallel flow, the temperatures of the anode offgas G3 and the air A sent to the separation unit 20 can be made relatively easily the same. Note that the anode off-gas G3 has a temperature lower than that at the time of delivery from the anode 16 due to heat exchange in the second heat exchange unit 32 described later after being delivered from the anode 16A.

ここで、分離膜28でアノードオフガスGから二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離するために適した温度で、且つ分離膜28の耐久性を維持可能な温度で、且つ露点よりも高い適温T0とすると、第1熱交換部30から分離部20へ流入される空気A及びアノードオフガスG3は、適温T0に近い温度であることが好ましい。そこで、制御部44では、第1熱交換部30から分離部20へ流入される空気A及びアノードオフガスG3が適温T0に近づくように、空気供給部46から送出される空気Aの流量を制御する。なお、適温T0は、分離膜28の材質等により適宜設定される。前述のように、例えば、露点が80℃、分離膜28の耐久性を考慮した最高使用温度が130℃であるとすると、適温T0は、80℃〜130℃の間で設定される。   Here, at a temperature suitable for separating at least one of carbon dioxide and water vapor from the anode offgas G by the separation membrane 28, and at a temperature at which the durability of the separation membrane 28 can be maintained, and an appropriate temperature T0 higher than the dew point. Then, it is preferable that the air A and anode off gas G3 which flow into the separation part 20 from the 1st heat exchange part 30 are the temperature close | similar to the suitable temperature T0. Therefore, the control unit 44 controls the flow rate of the air A sent from the air supply unit 46 so that the air A and the anode offgas G3 flowing into the separation unit 20 from the first heat exchange unit 30 approach the appropriate temperature T0. . The appropriate temperature T0 is appropriately set depending on the material of the separation membrane 28 and the like. As described above, for example, if the dew point is 80 ° C. and the maximum use temperature considering the durability of the separation membrane 28 is 130 ° C., the appropriate temperature T 0 is set between 80 ° C. and 130 ° C.

分離部20には、分離部20の温度Tを測定する温度センサSSが設けられている。制御部44は、温度センサSSで測定された分離部20の温度に基づいて、空気供給部46から送出される空気Aの流量を制御する。具体的には、温度Tが適温T0よりも低い場合には、空気供給部46から送出する空気Aの流量を減少させ、温度Tが適温T0よりも高い場合には、空気供給部46から送出する空気Aの流量を増加させる。燃料電池システム10Aの運転時に、制御部44で常時又は間欠的に、温度Tに基づいて空気供給部46から送出される空気Aの流量をフィードバック制御することにより、分離部20の温度を適温T0又は適温T0に近い温度に維持することができる。なお、分離部20の温度Tは、分離部20の内部の温度であってもよいし、分離膜28が影響を受ける分離部20の他の部分の温度であってもよい。   The separation unit 20 is provided with a temperature sensor SS that measures the temperature T of the separation unit 20. The control unit 44 controls the flow rate of the air A sent from the air supply unit 46 based on the temperature of the separation unit 20 measured by the temperature sensor SS. Specifically, when the temperature T is lower than the appropriate temperature T0, the flow rate of the air A sent from the air supply unit 46 is decreased, and when the temperature T is higher than the appropriate temperature T0, the flow is sent from the air supply unit 46. Increase the flow rate of air A. During operation of the fuel cell system 10A, the control unit 44 feedback-controls the flow rate of the air A sent from the air supply unit 46 based on the temperature T at all times or intermittently, so that the temperature of the separation unit 20 is adjusted to an appropriate temperature T0. Alternatively, it can be maintained at a temperature close to the appropriate temperature T0. The temperature T of the separation unit 20 may be the temperature inside the separation unit 20 or may be the temperature of the other part of the separation unit 20 where the separation membrane 28 is affected.

第2熱交換部32は、第1燃料電池スタック16のアノード16Aの下流側で第1熱交換部30の上流側(アノードオフガス管P7について)、且つ、分離部20(流入部26)の下流側で第2燃料電池スタック18のアノード18Aの上流側(再生燃料ガス管P9について)に設けられている。第2熱交換部32では、アノードオフガス管P7を流れるアノードオフガスG3と再生燃料ガス管P9を流れる再生燃料ガスG4との間で熱交換が行われる。アノードオフガスG3は、通常650℃程度の高温であり、再生燃料ガス管P9を流れる再生燃料ガスG4は、分離部20の適温T0に近い温度である。第2熱交換部32において、アノードオフガスG3は温度が低下し、再生燃料ガスG4は温度が上昇する。   The second heat exchange section 32 is downstream of the anode 16A of the first fuel cell stack 16 and upstream of the first heat exchange section 30 (with respect to the anode offgas pipe P7), and downstream of the separation section 20 (inflow section 26). And on the upstream side of the anode 18A of the second fuel cell stack 18 (regenerated fuel gas pipe P9). In the second heat exchange section 32, heat exchange is performed between the anode offgas G3 flowing through the anode offgas pipe P7 and the regenerated fuel gas G4 flowing through the regenerated fuel gas pipe P9. The anode off gas G3 is normally at a high temperature of about 650 ° C., and the regenerated fuel gas G4 flowing through the regenerated fuel gas pipe P9 is a temperature close to the appropriate temperature T0 of the separation unit 20. In the second heat exchange section 32, the temperature of the anode off gas G3 decreases, and the temperature of the regenerated fuel gas G4 increases.

第3熱交換部34は、分離部20(流入部26)の下流側で第1燃料電池スタック16のカソード16Bの上流側(酸化ガス管P5について)、且つ、燃焼器40の下流側で気化器12の上流側(燃焼排ガス管P10について)に設けられている。第3熱交換部34では、酸化ガス管P5を流れる酸化ガスG5と燃焼排ガス管P10を流れる燃焼排ガスG6との間で熱交換が行われる。酸化ガス管P5を流れる酸化ガスG5は、分離部20の適温T0に近い温度である。第3熱交換部34において、カソード16Bへ供給される酸化ガスG5は、燃焼排ガスG6によって昇温される。   The third heat exchanging section 34 is vaporized on the downstream side of the separation section 20 (inflow section 26), upstream of the cathode 16B of the first fuel cell stack 16 (for the oxidizing gas pipe P5), and downstream of the combustor 40. It is provided on the upstream side of the vessel 12 (for the combustion exhaust pipe P10). In the third heat exchanging section 34, heat exchange is performed between the oxidizing gas G5 flowing through the oxidizing gas pipe P5 and the combustion exhaust gas G6 flowing through the combustion exhaust gas pipe P10. The oxidizing gas G5 flowing through the oxidizing gas pipe P5 has a temperature close to the appropriate temperature T0 of the separation unit 20. In the third heat exchange section 34, the oxidizing gas G5 supplied to the cathode 16B is heated by the combustion exhaust gas G6.

第4熱交換部36は、分離部20の下流側で第2熱交換部32の上流側(再生燃料ガス管P9について)、且つ、第3熱交換部34の下流側で気化器12の上流側(燃焼排ガス管P10について)に設けられ、再生燃料ガス管P9を流れる再生燃料ガスG4と燃焼排ガス管P10を流れる燃焼排ガスG6との間で熱交換が行われる。再生燃料ガス管P9を流れる再生燃料ガスG4は、分離部20の適温T0に近い温度であり、第4熱交換部36において、燃焼排ガスG6によって昇温される。   The fourth heat exchange unit 36 is downstream of the separation unit 20 and upstream of the second heat exchange unit 32 (with respect to the regenerated fuel gas pipe P9), and downstream of the third heat exchange unit 34 and upstream of the carburetor 12. Heat exchange is performed between the regenerated fuel gas G4 flowing through the regenerated fuel gas pipe P9 and the combustion exhaust gas G6 flowing through the combustion exhaust gas pipe P10. The regenerated fuel gas G4 flowing through the regenerated fuel gas pipe P9 has a temperature close to the appropriate temperature T0 of the separation unit 20, and is heated by the combustion exhaust gas G6 in the fourth heat exchange unit 36.

次に、本実施形態の燃料電池システム10Aの動作について説明する。   Next, the operation of the fuel cell system 10A of the present embodiment will be described.

燃料電池システム10Aにおいては、ガス源からの燃料であるメタン及びタンク42からの水が、気化器12へ供給される。気化器12では、供給されたメタン及び水が混合されると共に、燃焼排ガス管P10を流通する燃焼排ガスG6から熱を得て加熱され、水が気化され水蒸気となる。   In the fuel cell system 10 </ b> A, methane, which is fuel from a gas source, and water from the tank 42 are supplied to the vaporizer 12. In the vaporizer 12, the supplied methane and water are mixed, and heat is obtained from the combustion exhaust gas G6 flowing through the combustion exhaust pipe P10, and the water is vaporized to become water vapor.

メタン及び水蒸気は、気化器12から配管P3を介して改質器14へ送出される。改質器14では、改質反応により、水素を含む600℃程度の燃料ガスG1が生成される。燃料ガスG1は、燃料ガス管P4を介して第1燃料電池スタック16のアノード16Aに供給される。   Methane and water vapor are sent from the vaporizer 12 to the reformer 14 via the pipe P3. In the reformer 14, a fuel gas G1 containing about 600 ° C. containing hydrogen is generated by the reforming reaction. The fuel gas G1 is supplied to the anode 16A of the first fuel cell stack 16 via the fuel gas pipe P4.

第1燃料電池スタック16のカソード16Bには、分離部20の透過部26から排出された透過部排出ガス(空気Aと二酸化炭素及び水蒸気の混合気体)が、酸化ガスG5として酸化ガス管P5を経て供給される。これにより、第1燃料電池スタック16では、前述の反応により発電が行われる。上記反応により第1燃料電池スタック16は発熱し、650℃程度の温度で発電が行われる。この発電に伴い燃料電池スタック16のアノード16Aからは、アノードオフガスG3が排出される。また、カソード16Bからは、カソードオフガスG2が排出され、カソードオフガスG2は、カソードオフガス管P6を通って第2燃料電池スタック18のカソード18Bへ供給される。 At the cathode 16B of the first fuel cell stack 16, the permeated portion exhaust gas (mixed gas of air A, carbon dioxide, and water vapor) discharged from the permeated portion 26 of the separation portion 20 passes through the oxidizing gas pipe P5 as the oxidizing gas G5. It is supplied via. Thereby, in the 1st fuel cell stack 16, electric power generation is performed by the above-mentioned reaction. Due to the above reaction, the first fuel cell stack 16 generates heat, and power is generated at a temperature of about 650 ° C. Along with this power generation, the anode off gas G3 is discharged from the anode 16A of the fuel cell stack 16. Further, the cathode off gas G2 is discharged from the cathode 16B, and the cathode off gas G2 is supplied to the cathode 18B of the second fuel cell stack 18 through the cathode off gas pipe P6.

アノード16Aから排出されたアノードオフガスG3は、アノードオフガス管P7に導かれ、第2熱交換部32、第1熱交換部30を経て、分離部20の流入部24へ流入される。第2熱交換部32では、アノードオフガスG3の温度は、約650℃からある程度温度が低下し(例えば、80℃〜140℃程度の低下)、第1熱交換部30では、アノードオフガスG3の温度は、適温T0に近い温度まで下げられる。   The anode off-gas G3 discharged from the anode 16A is guided to the anode off-gas pipe P7, and flows into the inflow section 24 of the separation section 20 through the second heat exchange section 32 and the first heat exchange section 30. In the second heat exchange section 32, the temperature of the anode off gas G3 decreases to some extent from about 650 ° C. (for example, a decrease of about 80 ° C. to 140 ° C.), and in the first heat exchange section 30, the temperature of the anode off gas G3 Is lowered to a temperature close to the appropriate temperature T0.

一方、空気供給部46からは、制御部44による分離部20の温度Tのフィードバック制御により流量が制御された空気Aが第1熱交換部30を介して分離部20の透過部26へ送出される。第1熱交換部30では、空気Aの温度は、適温T0に近い温度、すなわち、第1熱交換部30で熱交換が行われた後のアノードオフガスG3と略同じ温度となる。   On the other hand, air A whose flow rate is controlled by feedback control of the temperature T of the separation unit 20 by the control unit 44 is sent from the air supply unit 46 to the permeation unit 26 of the separation unit 20 via the first heat exchange unit 30. The In the first heat exchange unit 30, the temperature of the air A is a temperature close to the appropriate temperature T0, that is, substantially the same temperature as the anode offgas G3 after the heat exchange is performed in the first heat exchange unit 30.

アノードオフガスG3は、第2熱交換部32、第1熱交換部30での熱交換を経て分離部20の流入部24へ流入され、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が、分離膜28を透過して透過部26側へ移動することにより分離される。流入部24からは再生燃料ガスG4が送出され、第4熱交換部36、第2熱交換部32を経て、600℃程度に昇温され、再生燃料ガス管P9により第2燃料電池スタック18のアノード18Aへ供給される。   The anode off gas G3 flows into the inflow part 24 of the separation part 20 through heat exchange in the second heat exchange part 32 and the first heat exchange part 30, and at least one of carbon dioxide and water vapor passes through the separation membrane 28. Then, it is separated by moving to the transmission part 26 side. The regenerated fuel gas G4 is sent out from the inflow section 24, and is heated to about 600 ° C. through the fourth heat exchange section 36 and the second heat exchange section 32, and the regenerated fuel gas pipe P9 causes the second fuel cell stack 18 to Supplied to the anode 18A.

第2燃料電池スタック18では、前述の反応により発電が行われる。上記反応により第2燃料電池スタック18は発熱し、650℃程度の温度で発電が行われる。アノード18A、カソード18Bでの使用済ガスは、配管P11、P12により各々燃焼器40へ送出され、燃焼器40で焼却に供される。   In the second fuel cell stack 18, power generation is performed by the above-described reaction. Due to the above reaction, the second fuel cell stack 18 generates heat, and power is generated at a temperature of about 650 ° C. The spent gas at the anode 18A and the cathode 18B is sent to the combustor 40 through the pipes P11 and P12, and is used for incineration by the combustor 40.

燃焼器40からの燃焼排ガスG6は、第3熱交換部34、第4熱交換部36、及び気化器12を経て、燃焼排ガス管P10によりタンク42へ送出される。燃焼排ガスG6に含まれる水蒸気は、気化器12からタンク42までの経路やタンク42内で冷却され、凝縮されてタンク42に貯留される。その他の燃焼排ガスは、タンク42から放出される。   The combustion exhaust gas G6 from the combustor 40 passes through the third heat exchange unit 34, the fourth heat exchange unit 36, and the vaporizer 12, and is sent to the tank 42 through the combustion exhaust gas pipe P10. The water vapor contained in the combustion exhaust gas G6 is cooled in the path from the vaporizer 12 to the tank 42 or in the tank 42, condensed, and stored in the tank 42. Other combustion exhaust gas is discharged from the tank 42.

一方、透過部26へ流入したスイープガスとしての空気Aは、分離膜28を透過して流入した二酸化炭素、水蒸気、及び、その他分離膜28を透過したアノードオフガスG3中の気体と共に、透過部26から送出される。送出された透過部排出ガスは、第4熱交換部36、第3熱交換部34を経て、酸化ガスG5として酸化ガス管P5によりカソード16Bへ供給される。 On the other hand, the air A as the sweep gas that has flowed into the permeation section 26, together with the carbon dioxide and water vapor that have permeated through the separation membrane 28 and the gas in the anode off-gas G3 that has permeated through the separation membrane 28, is transmitted through the permeation section 26. Is sent from. The transmitted permeation portion exhaust gas passes through the fourth heat exchange portion 36 and the third heat exchange portion 34, and is supplied as the oxidizing gas G5 to the cathode 16B through the oxidizing gas pipe P5.

本実施形態の燃料電池システム10Aは、分離膜28の透過側(透過部26)へスイープガスとしての空気Aが供給されるので、透過部26における二酸化炭素及び水蒸気の分圧は低減される。これにより、流入部24へ流入したアノードオフガスG3に含まれる二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方をより多く分離膜28を透過させて分離することができる。 In the fuel cell system 10A of the present embodiment, air A as a sweep gas is supplied to the permeation side (permeation portion 26) of the separation membrane 28, so that the partial pressures of carbon dioxide and water vapor in the permeation portion 26 are reduced. As a result, at least one of carbon dioxide and water vapor contained in the anode offgas G3 flowing into the inflow portion 24 can be separated through the separation membrane 28 more.

また、分離部20へは、適温T0に近づくように第1熱交換部30において熱交換されたアノードオフガスG3及び空気Aが流入されているので、分離部20を適温T0に維持して分離膜28の性能を発揮させることができる。これにより、アノードオフガスG3から二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を多く分離することができると共に、分離膜28の耐久性を維持することができる。そして、アノードオフガスG3を再利用する第2燃料電池スタック18へ、二酸化炭素、水蒸気が低減された再生燃料ガスG4が供給されるので、効率よく発電を行うことができ、燃料電池システム10Aの性能を向上させることができる。 In addition, since the anode offgas G3 and air A heat-exchanged in the first heat exchanging unit 30 are introduced into the separation unit 20 so as to approach the appropriate temperature T0, the separation unit 20 is maintained at the appropriate temperature T0 to maintain the separation membrane. 28 performances can be exhibited. As a result, at least one of carbon dioxide and water vapor can be largely separated from the anode off-gas G3, and the durability of the separation membrane 28 can be maintained. Then, since the regenerated fuel gas G4 with reduced carbon dioxide and water vapor is supplied to the second fuel cell stack 18 that reuses the anode off-gas G3, it is possible to efficiently generate power, and the performance of the fuel cell system 10A. Can be improved.

また、第1熱交換部30における熱交換は、いずれも分離部20へ供給される気体である空気AとアノードオフガスG3との間で行われ、適温T0への調整は、空気Aの流量を制御することで行われているので、簡易に分離部20の温度を調整することができる。 In addition, heat exchange in the first heat exchange unit 30 is performed between the air A that is a gas supplied to the separation unit 20 and the anode off gas G3, and the adjustment to the appropriate temperature T0 is performed by adjusting the flow rate of the air A. Since it is performed by controlling, the temperature of the separation part 20 can be adjusted easily.

なお、本実施形態では、分離部20の温度をフィードバックして空気供給部46から送出される空気Aの流量を調整したが、第1熱交換部30から送出される空気AやアノードオフガスG3の温度を測定し、この温度をフィードバックして空気供給部46から送出される空気Aの流量を調整してもよい。 In the present embodiment, the flow rate of the air A sent from the air supply unit 46 is adjusted by feeding back the temperature of the separation unit 20, but the air A and the anode offgas G3 sent from the first heat exchange unit 30 are adjusted. The temperature may be measured and the flow rate of the air A sent from the air supply unit 46 may be adjusted by feeding back the temperature.

また、本実施形態では、第1熱交換部30の上流側の第2熱交換部32でアノードオフガスG3の温度を低下させるので、第1熱交換部30での温度調整幅を小さくすることができる。また、分離部20を経た後の再生燃料ガスG4を第2熱交換部32で昇温させるので、発電に適した温度に近くなり、燃料電池システム10A全体の発電効率及び熱効率を向上させることができる Moreover, in this embodiment, since the temperature of the anode off gas G3 is lowered by the second heat exchange unit 32 upstream of the first heat exchange unit 30, the temperature adjustment range in the first heat exchange unit 30 can be reduced. it can. Further, since the temperature of the regenerated fuel gas G4 after passing through the separation unit 20 is raised by the second heat exchange unit 32, the temperature becomes close to a temperature suitable for power generation, and the power generation efficiency and thermal efficiency of the entire fuel cell system 10A can be improved. it can

また、本実施形態では、分離部20の透過部26から排出された透過部排出ガスは、第1燃料電池スタック16のカソード16Bへ導入されているので、カソード16Bへの空気の導入と第1熱交換部30への空気の導入を同一のブロアを用いて行うことができ、燃料電池システム10Aを簡易な構成にすることができる。 In the present embodiment, since the permeation portion exhaust gas discharged from the permeation portion 26 of the separation portion 20 is introduced to the cathode 16B of the first fuel cell stack 16, introduction of air into the cathode 16B and the first The introduction of air into the heat exchange unit 30 can be performed using the same blower, and the fuel cell system 10A can have a simple configuration.

さらに、本実施形態では、分離部20の透過部26から排出された透過部排出ガスを、カソード16Bへ導入して発電に供した後、第2燃料電池スタック18のカソード18Bへ導入して発電に供した後、燃焼器40へ送出して燃焼に供する。透過部排出ガスには、分離膜28におけるアノードオフガスG3からのリーク等により、水素、一酸化炭素、その他の可燃性物質が含まれることが考えられる。本実施形態の燃料電池システム10Aによれば、透過部排出ガスの中に含まれる水素、一酸化炭素、その他の可燃性物質を燃焼させた後、燃料電池システム10Aの外へ放出することができ、燃料電池システム10Aの安全性を向上させることができる。 Further, in the present embodiment, the permeation portion exhaust gas discharged from the permeation portion 26 of the separation portion 20 is introduced into the cathode 16B and used for power generation, and then introduced into the cathode 18B of the second fuel cell stack 18 to generate power. Then, it is sent to the combustor 40 for combustion. The permeated portion exhaust gas may contain hydrogen, carbon monoxide, and other combustible substances due to leakage from the anode off-gas G3 in the separation membrane 28 or the like. According to the fuel cell system 10A of the present embodiment, hydrogen, carbon monoxide, and other combustible substances contained in the permeated portion exhaust gas can be burned and then released to the outside of the fuel cell system 10A. The safety of the fuel cell system 10A can be improved.

なお、本実施形態では、透過部26から排出された透過部排出ガスを、カソード16Bへ導入したが、透過部排出ガスを直接燃焼器40へ導入してもよい。この場合には、第1燃料電池スタック16のカソード16Bへ空気を導入するためのブロアを別途用意すればよい。 In the present embodiment, the permeation portion exhaust gas discharged from the permeation portion 26 is introduced into the cathode 16B, but the permeation portion exhaust gas may be directly introduced into the combustor 40. In this case, a blower for introducing air to the cathode 16B of the first fuel cell stack 16 may be prepared separately.

〔第2実施形態〕
次に本発明の第2実施形態について説明する。なお、第1実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the part same as 1st Embodiment, and description is abbreviate | omitted.

図2には、本発明の第2実施形態に係る燃料電池システム10Bが示されている。燃料電池システム10Bは、第1実施形態で説明した燃料電池システム10Aと比較して、空気供給部46から送出される空気が、第1熱交換部30へ至るまでに昇温される点が異なっている。また、空気供給部46から送出される空気Aの流量が一定であり、バルブ48を通過する空気A−1の流量で分離部20へ供給される空気及びアノードオフガスG3の温度を調整する点が異なっている。   FIG. 2 shows a fuel cell system 10B according to the second embodiment of the present invention. The fuel cell system 10B is different from the fuel cell system 10A described in the first embodiment in that the temperature of the air sent from the air supply unit 46 is increased to reach the first heat exchange unit 30. ing. Further, the flow rate of the air A sent from the air supply unit 46 is constant, and the temperature of the air supplied to the separation unit 20 and the temperature of the anode off gas G3 is adjusted by the flow rate of the air A-1 passing through the valve 48. Is different.

空気供給部46に接続される空気供給管P8は、分岐部B1で空気調整管P8−1と空気昇温管P8−2に分岐され、合流部B2で合流されている。合流部B2は、第1熱交換部30よりも上流側に設けられている。   The air supply pipe P8 connected to the air supply part 46 is branched into an air adjustment pipe P8-1 and an air temperature raising pipe P8-2 at the branching part B1, and joined at the joining part B2. The junction B <b> 2 is provided on the upstream side of the first heat exchange unit 30.

空気調整管P8−1には、バルブ48が設けられている。バルブ48は、制御部44に接続されている。空気昇温管P8−2は、第5熱交換部38へ導入されている。第5熱交換部38には、第4熱交換部36の下流側の燃焼排ガス管P10が導入されており、空気昇温管P8−2を通過する空気A−2は、燃焼排ガス管P10を流れる燃焼排ガスG6との間で熱交換を行って昇温される。空気調整管P8−1、バルブ48、第4熱交換部36、及び空気昇温管P8−2により、空気昇温部が形成されている。   A valve 48 is provided in the air adjustment pipe P8-1. The valve 48 is connected to the control unit 44. The air temperature raising pipe P8-2 is introduced into the fifth heat exchange unit 38. A combustion exhaust gas pipe P10 on the downstream side of the fourth heat exchange part 36 is introduced into the fifth heat exchange part 38, and the air A-2 passing through the air temperature raising pipe P8-2 passes through the combustion exhaust gas pipe P10. The temperature is raised by exchanging heat with the flowing combustion exhaust gas G6. An air temperature raising portion is formed by the air adjustment pipe P8-1, the valve 48, the fourth heat exchanging portion 36, and the air temperature raising pipe P8-2.

制御部44では、第1熱交換部30から分離部20へ流入される空気A及びアノードオフガスG3が適温T0に近づくように、バルブ48を通過する空気A−1の流量を制御する。当該制御は、温度センサSSで測定された分離部20の温度に基づいて、バルブ48を通過する空気A−1の流量を調整することにより行われる。具体的には、分離部20の温度Tが適温T0よりも低い場合には、バルブ48の開度を小さくしてバルブ48を通過する空気A−1の流量を減少させ、温度Tが適温T0よりも高い場合には、バルブ48の開度を大きくしてバルブ48を通過する空気A−1の流量を増加させる。燃料電池システム10Bの運転時に、制御部44で常時又は間欠的に、温度Tに基づいてバルブ48を通過する空気A−1の流量をフィードバック制御することにより、分離部20の温度を適温T0又は適温T0に近い温度に維持することができる。 The control unit 44 controls the flow rate of the air A-1 that passes through the valve 48 so that the air A and the anode off gas G3 flowing into the separation unit 20 from the first heat exchange unit 30 approach the appropriate temperature T0. The control is performed by adjusting the flow rate of the air A-1 passing through the valve 48 based on the temperature of the separation unit 20 measured by the temperature sensor SS. Specifically, when the temperature T of the separation unit 20 is lower than the optimum temperature T0, the opening of the valve 48 is reduced to reduce the flow rate of the air A-1 passing through the valve 48, and the temperature T becomes the optimum temperature T0. Is higher, the flow rate of the air A-1 passing through the valve 48 is increased by increasing the opening degree of the valve 48. During the operation of the fuel cell system 10B, the control unit 44 feedback-controls the flow rate of the air A-1 passing through the valve 48 based on the temperature T, either constantly or intermittently, so that the temperature of the separation unit 20 is adjusted to the appropriate temperature T0 or It can be maintained at a temperature close to the appropriate temperature T0.

本実施形態によれば、空気供給部46から送出する空気Aの流量を一定に維持しつつ、分離部20が適温T0になるように、第1熱交換部30での熱交換を行うことができる。空気供給部46から送出する空気Aの流量を一定に維持することにより、透過部26へ供給する空気Aの流量を確保することができる。   According to the present embodiment, heat exchange in the first heat exchange unit 30 can be performed so that the separation unit 20 reaches the appropriate temperature T0 while maintaining the flow rate of the air A sent from the air supply unit 46 constant. it can. By maintaining the flow rate of the air A sent from the air supply unit 46 constant, the flow rate of the air A supplied to the transmission unit 26 can be ensured.

また、燃料電池システム10Bは、その他の第1実施形態と同様の効果を奏することもできる。 Further, the fuel cell system 10B can achieve the same effects as those of the other first embodiments.

〔第3実施形態〕
次に本発明の第3実施形態について説明する。なお、第1、第2実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the part same as 1st, 2nd embodiment, and description is abbreviate | omitted.

図3には、本発明の第3実施形態に係る燃料電池システム10Cが示されている。燃料電池システム10Cは、第2実施形態で説明した燃料電池システム10Bと比較して、空気供給部46から送出される空気Aの流量とバルブ48を通過する空気A−1の流量の双方を調整することにより、分離部20を適温T0に近い温度に制御する点が異なっている。   FIG. 3 shows a fuel cell system 10C according to a third embodiment of the present invention. The fuel cell system 10C adjusts both the flow rate of the air A sent from the air supply unit 46 and the flow rate of the air A-1 passing through the valve 48, as compared with the fuel cell system 10B described in the second embodiment. This is different in that the separation unit 20 is controlled to a temperature close to the appropriate temperature T0.

制御部44は、空気供給部46及びバルブ48と接続されている。制御部44では、第1熱交換部30から分離部20へ流入される空気A及びアノードオフガスG3が適温T0に近づくように、空気供給部46から送出される空気A、及び、バルブ48を通過する空気A−1の流量を制御する。具体的には、温度センサSSで測定された分離部20の温度Tが適温T0よりも低い場合には、空気供給部46のブロアの出力を低くすると共にバルブ48の開度を小さくして、空気供給部46から送出する空気Aの流量、及びバルブ48を通過する空気A−1の流量を減少させる。一方、温度Tが適温T0よりも高い場合には、空気供給部46のブロアの出力を高くすると共にバルブ48の開度を大きくして、空気供給部46から送出する空気Aの流量、及びバルブ48を通過する空気A−1の流量を増加させる。燃料電池システム10Cの運転時に、制御部44で常時又は間欠的に、分離部20の温度Tに基づいて、空気供給部46から送出する空気Aの流量、及びバルブ48を通過する空気A−1の流量をフィードバック制御することにより、分離部20の温度を適温T0又は適温T0に近い温度に維持することができる。 The control unit 44 is connected to the air supply unit 46 and the valve 48. In the control unit 44, the air A and the anode off gas G3 flowing into the separation unit 20 from the first heat exchange unit 30 pass through the air A sent from the air supply unit 46 and the valve 48 so as to approach the appropriate temperature T0. The flow rate of the air A-1 is controlled. Specifically, when the temperature T of the separation unit 20 measured by the temperature sensor SS is lower than the appropriate temperature T0, the output of the blower of the air supply unit 46 is lowered and the opening of the valve 48 is reduced, The flow rate of the air A sent from the air supply unit 46 and the flow rate of the air A-1 passing through the valve 48 are decreased. On the other hand, when the temperature T is higher than the appropriate temperature T0, the flow rate of the air A sent from the air supply unit 46 and the valve are increased by increasing the blower output of the air supply unit 46 and increasing the opening of the valve 48. The flow rate of air A-1 passing through 48 is increased. During operation of the fuel cell system 10C, the flow rate of the air A sent from the air supply unit 46 based on the temperature T of the separation unit 20 and the air A-1 passing through the valve 48 are always or intermittently controlled by the control unit 44. By feedback control of the flow rate, the temperature of the separation unit 20 can be maintained at the appropriate temperature T0 or a temperature close to the appropriate temperature T0.

本実施形態によれば、空気供給部46から送出する空気Aの流量、及びバルブ48を通過する空気A−1の流量の双方を調整することにより、分離部20が適温T0になるように第1熱交換部30での熱交換を行う。したがって、よりフレキシブルに分離部20の温度調整を行うことができる。   According to the present embodiment, by adjusting both the flow rate of the air A sent from the air supply unit 46 and the flow rate of the air A-1 passing through the valve 48, the separation unit 20 is adjusted to have the appropriate temperature T0. 1 Heat exchange in the heat exchange unit 30 is performed. Therefore, the temperature of the separation unit 20 can be adjusted more flexibly.

また、燃料電池システム10Cは、その他の第1、2実施形態と同様の効果を奏することもできる。 Further, the fuel cell system 10C can achieve the same effects as those of the first and second embodiments.

〔第4実施形態〕
次に本発明の第4実施形態について説明する。なお、第1−3実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。
[Fourth Embodiment]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the part same as 1-3 embodiment, and description is abbreviate | omitted.

図4には、本発明の第4実施形態に係る燃料電池システム10Dが示されている。燃料電池システム10Dは、第1実施形態で説明した燃料電池システム10Aと比較して、第2燃料電池スタック18を有していない点が異なっている。   FIG. 4 shows a fuel cell system 10D according to a fourth embodiment of the present invention. The fuel cell system 10D is different from the fuel cell system 10A described in the first embodiment in that it does not have the second fuel cell stack 18.

分離部20に接続された再生燃料ガス管P9は、第4熱交換部36の下流側に設けられた分岐部B3で分岐されている。分岐された一方の再生燃料ガス管P9−1は、第2熱交換部32を経て配管P3へ接続されている。分岐された他方の再生燃料ガス管P9−2は、燃焼器40へ接続されている。分岐部B3では、再生燃料ガス管P9−1と再生燃料ガス管P9−2へ再生燃料ガスG4が分流されている。再生燃料ガス管P9−1の第2熱交換部32よりも上流側には、ブロア52が設けられている。ブロア52は、再生燃料ガス管P9−1内の再生燃料ガスG4を配管P3側へ向かって流通させる。   The regenerated fuel gas pipe P9 connected to the separation unit 20 is branched by a branching part B3 provided on the downstream side of the fourth heat exchange unit 36. One of the branched regenerative fuel gas pipes P9-1 is connected to the pipe P3 via the second heat exchange section 32. The other branched regenerative fuel gas pipe P <b> 9-2 is connected to the combustor 40. In the branch portion B3, the regenerated fuel gas G4 is branched to the regenerated fuel gas pipe P9-1 and the regenerated fuel gas pipe P9-2. A blower 52 is provided on the upstream side of the second heat exchange unit 32 of the regenerated fuel gas pipe P9-1. The blower 52 distributes the regenerated fuel gas G4 in the regenerated fuel gas pipe P9-1 toward the pipe P3.

再生燃料ガス管P9−1を経て改質器14へ導入された再生燃料ガスG4は、気化器12から供給された燃料ガスG1と混合され、アノード16Aへ供給される。再生燃料ガス管P9−2を経て燃焼器40へ導入された再生燃料ガスG4は、燃焼器40で燃焼される。なお、カソード16Bから排出されたカソードオフガスG2は、カソードオフガス管P6を介して燃焼器40へ導入する。 The regenerated fuel gas G4 introduced into the reformer 14 via the regenerated fuel gas pipe P9-1 is mixed with the fuel gas G1 supplied from the vaporizer 12, and supplied to the anode 16A. The regenerated fuel gas G4 introduced into the combustor 40 through the regenerated fuel gas pipe P9-2 is burned in the combustor 40. The cathode off gas G2 discharged from the cathode 16B is introduced into the combustor 40 via the cathode off gas pipe P6.

本実施形態の燃料電池システム10Dは、第1燃料電池スタック16で使用済みの燃料であるアノードオフガスG3が再生されて、再度、第1燃料電池スタック16で再利用される循環式の燃料電池システムとなっている。本実施形態においても、第1実施形態と同様の効果を奏することができる。   In the fuel cell system 10D of this embodiment, the anode off-gas G3 that is the spent fuel in the first fuel cell stack 16 is regenerated and reused in the first fuel cell stack 16 again. It has become. In this embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained.

〔第5実施形態〕
次に本発明の第5実施形態について説明する。なお、第1−4実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。
[Fifth Embodiment]
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the part same as 1-4th embodiment, and description is abbreviate | omitted.

図5には、本発明の第5実施形態に係る燃料電池システム10Eが示されている。燃料電池システム10Eは、第4実施形態で説明した燃料電池システム10Dと比較して、第2実施形態と同様に、空気供給部46から送出される空気が昇温される点が異なっている。すなわち、空気供給部46から送出される空気Aの流量が一定であり、バルブ48を通過する空気A−1の流量で分離部20へ供給される空気及びアノードオフガスG3の温度を調整する点が異なっている。   FIG. 5 shows a fuel cell system 10E according to the fifth embodiment of the present invention. The fuel cell system 10E is different from the fuel cell system 10D described in the fourth embodiment in that the temperature of the air sent from the air supply unit 46 is raised as in the second embodiment. That is, the flow rate of the air A sent from the air supply unit 46 is constant, and the temperature of the air supplied to the separation unit 20 and the temperature of the anode off gas G3 is adjusted by the flow rate of the air A-1 passing through the valve 48. Is different.

空気供給部46に接続される空気供給管P8は、分岐部B1で空気調整管P8−1と空気昇温管P8−2に分岐され、合流部B2で合流されている。合流部B2は、第1熱交換部30よりも上流側に設けられている。 The air supply pipe P8 connected to the air supply part 46 is branched into an air adjustment pipe P8-1 and an air temperature raising pipe P8-2 at the branching part B1, and joined at the joining part B2. The junction B <b> 2 is provided on the upstream side of the first heat exchange unit 30.

空気調整管P8−1には、バルブ48が設けられている。バルブ48は、制御部44に接続されている。空気昇温管P8−2は、第5熱交換部38へ導入されている。第5熱交換部38には、第4熱交換部36の下流側の燃焼排ガス管P10が導入されており、空気昇温管P8−2を通過する空気A−2は、燃焼排ガス管P10を流れる燃焼排ガスG6との間で熱交換を行って昇温される。   A valve 48 is provided in the air adjustment pipe P8-1. The valve 48 is connected to the control unit 44. The air temperature raising pipe P8-2 is introduced into the fifth heat exchange unit 38. A combustion exhaust gas pipe P10 on the downstream side of the fourth heat exchange part 36 is introduced into the fifth heat exchange part 38, and the air A-2 passing through the air temperature raising pipe P8-2 passes through the combustion exhaust gas pipe P10. The temperature is raised by exchanging heat with the flowing combustion exhaust gas G6.

制御部44では、第2実施形態と同様に、第1熱交換部30から分離部20へ流入される空気A及びアノードオフガスG3が適温T0に近づくように、バルブ48を通過する空気A−1の流量を制御する。 In the control unit 44, as in the second embodiment, the air A-1 that passes through the valve 48 so that the air A and the anode offgas G3 flowing from the first heat exchange unit 30 to the separation unit 20 approach the appropriate temperature T0. To control the flow rate.

本実施形態によれば、空気供給部46から送出する空気Aの流量を一定に維持しつつ、分離部20が適温T0になるように、第1熱交換部30での熱交換を行うことができる。空気供給部46から送出する空気Aの流量を一定に維持することにより、透過部26へ供給する空気Aの流量を確保することができる。   According to the present embodiment, heat exchange in the first heat exchange unit 30 can be performed so that the separation unit 20 reaches the appropriate temperature T0 while maintaining the flow rate of the air A sent from the air supply unit 46 constant. it can. By maintaining the flow rate of the air A sent from the air supply unit 46 constant, the flow rate of the air A supplied to the transmission unit 26 can be ensured.

また、燃料電池システム10Eは、その他の第1実施形態と同様の効果を奏することもできる。 Further, the fuel cell system 10E can achieve the same effects as those of the other first embodiments.

〔第6実施形態〕
次に本発明の第6実施形態について説明する。なお、第1−5実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。
[Sixth Embodiment]
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the part same as 1-5 embodiment, and description is abbreviate | omitted.

図6には、本発明の第6実施形態に係る燃料電池システム10Fが示されている。燃料電池システム10Fは、第5実施形態で説明した燃料電池システム10Eと比較して、第3実施形態と同様に、空気供給部46から送出される空気Aの流量とバルブ48を通過する空気A−1の流量の双方を調整することにより、分離部20を適温T0に近い温度に制御する点が異なっている。   FIG. 6 shows a fuel cell system 10F according to the sixth embodiment of the present invention. Compared with the fuel cell system 10E described in the fifth embodiment, the fuel cell system 10F is similar to the third embodiment in that the flow rate of the air A sent from the air supply unit 46 and the air A passing through the valve 48 are the same. The difference is that the separation unit 20 is controlled to a temperature close to the appropriate temperature T0 by adjusting both the flow rates of -1.

制御部44は、空気供給部46及びバルブ48と接続されている。制御部44では、第3実施形態と同様に、第1熱交換部30から分離部20へ流入される空気A及びアノードオフガスG3が適温T0に近づくように、空気供給部46から送出される空気A、及び、バルブ48を通過する空気A−1の流量を制御する。 The control unit 44 is connected to the air supply unit 46 and the valve 48. In the control unit 44, as in the third embodiment, air sent from the air supply unit 46 so that the air A and the anode off gas G3 flowing from the first heat exchange unit 30 to the separation unit 20 approach the appropriate temperature T0. A and the flow rate of the air A-1 passing through the valve 48 are controlled.

本実施形態によれば、空気供給部46から送出する空気Aの流量、及びバルブ48を通過する空気A−1の流量の双方を調整することにより、分離部20が適温T0になるように第1熱交換部30での熱交換を行う。したがって、よりフレキシブルに分離部20の温度調整を行うことができる。   According to the present embodiment, by adjusting both the flow rate of the air A sent from the air supply unit 46 and the flow rate of the air A-1 passing through the valve 48, the separation unit 20 is adjusted to have the appropriate temperature T0. 1 Heat exchange in the heat exchange unit 30 is performed. Therefore, the temperature of the separation unit 20 can be adjusted more flexibly.

また、燃料電池システム10Fは、その他の第5、6実施形態と同様の効果を奏することもできる。 In addition, the fuel cell system 10F can achieve the same effects as the other fifth and sixth embodiments.

〔第7実施形態〕
次に本発明の第7実施形態について説明する。なお、第1−6実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。
[Seventh Embodiment]
Next, a seventh embodiment of the present invention will be described. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the part same as 1-6th embodiment, and description is abbreviate | omitted.

図7には、本発明の第7実施形態に係る燃料電池システム10Gが示されている。燃料電池システム10Gは、第1実施形態で説明した燃料電池システム10Aと比較して、第3燃料電池スタック17を有している点が異なっている。   FIG. 7 shows a fuel cell system 10G according to a seventh embodiment of the present invention. The fuel cell system 10G is different from the fuel cell system 10A described in the first embodiment in that it includes a third fuel cell stack 17.

第3燃料電池スタック17の基本構成は第1燃料電池スタック16と同様であり、アノード16Aに対応するアノード17A、及びカソード16Bに対応するカソード17Bを有している。第3燃料電池スタック17は、燃料電池システム10Gにおいて、第1燃料電池スタック16と並列に配置されている。なお、図7では、第2燃料電池スタック18及び第3燃料電池スタック17が改質器14と離間して図示されているが、実際には、第2燃料電池スタック18及び第3燃料電池スタック17は、第1燃料電池スタック16と同様に改質器14と隣接配置され、熱交換が行われている。   The basic configuration of the third fuel cell stack 17 is the same as that of the first fuel cell stack 16, and includes an anode 17A corresponding to the anode 16A and a cathode 17B corresponding to the cathode 16B. The third fuel cell stack 17 is arranged in parallel with the first fuel cell stack 16 in the fuel cell system 10G. In FIG. 7, the second fuel cell stack 18 and the third fuel cell stack 17 are illustrated separately from the reformer 14, but actually the second fuel cell stack 18 and the third fuel cell stack are illustrated. 17 is disposed adjacent to the reformer 14 in the same manner as the first fuel cell stack 16, and heat exchange is performed.

改質器14に接続された燃料ガス管P4は、分岐部B4で燃料ガス管P4−2と分岐されている。燃料ガス管P4はアノード16Aと接続され、改質器14からアノード16Aへ燃料ガスG1を供給する。燃料ガス管P4−2はアノード17Aと接続され、改質器14からアノード17Aへ燃料ガスG1を供給する。アノード17Aには、アノードオフガス管P7が接続され、アノードオフガス管P7−2は、アノードオフガス管P7と第2熱交換部32の上流側の合流部B5で合流されている。アノード17Aからは、使用済のアノードオフガスG3が送出され、アノードオフガス管P7−2、P7を経て、分離部20の流入部24へ流入される。 The fuel gas pipe P4 connected to the reformer 14 is branched from the fuel gas pipe P4-2 at the branching section B4. The fuel gas pipe P4 is connected to the anode 16A and supplies the fuel gas G1 from the reformer 14 to the anode 16A. The fuel gas pipe P4-2 is connected to the anode 17A and supplies the fuel gas G1 from the reformer 14 to the anode 17A. An anode offgas pipe P7 is connected to the anode 17A, and the anode offgas pipe P7-2 is joined at the junction B5 upstream of the anode offgas pipe P7 and the second heat exchange section 32. From the anode 17A, the used anode off gas G3 is sent out and flows into the inflow portion 24 of the separation portion 20 through the anode off gas pipes P7-2 and P7.

カソード17Bには、第3熱交換部34の下流側で酸化ガス管P5から分岐部B6で分岐された酸化ガス管P5−2が接続されている。カソード17Bへは、酸化ガス管P5−2を介して酸化ガスG5が供給される。カソード17Bから排出された使用済みガスは、合流部B7でカソードオフガス管P6と合流されてカソード18Bへ導入される。   An oxidant gas pipe P5-2 branched from the oxidant gas pipe P5 at the branch part B6 on the downstream side of the third heat exchanging part 34 is connected to the cathode 17B. The oxidizing gas G5 is supplied to the cathode 17B via the oxidizing gas pipe P5-2. The spent gas discharged from the cathode 17B is merged with the cathode offgas pipe P6 at the merging portion B7 and introduced into the cathode 18B.

上記のように、第1燃料電池スタック16と並列に配置された第3燃料電池スタック17を有することにより、燃料電池システム10Gの第1段目における発電は、第1燃料電池スタック16及び第3燃料電池スタック17で行われる。そして、第1燃料電池スタック16及び第3燃料電池スタック17で使用された後のアノードオフガスG3を、分離部20で再生燃料ガスG4に再生し、二段目の第2燃料電池スタック18での発電に供することができる。   As described above, by having the third fuel cell stack 17 arranged in parallel with the first fuel cell stack 16, power generation in the first stage of the fuel cell system 10G is performed by the first fuel cell stack 16 and the third fuel cell stack 16. This is performed in the fuel cell stack 17. Then, the anode off-gas G3 after being used in the first fuel cell stack 16 and the third fuel cell stack 17 is regenerated to the regenerated fuel gas G4 by the separation unit 20, and the second fuel cell stack 18 in the second stage is regenerated. Can be used for power generation.

本実施形態の燃料電池システム10Gによれば、一段目と二段目の燃料電池スタックの稼働率の差が小さくなり、燃料電池システム10G18での発電効率を高めることができる。   According to the fuel cell system 10G of the present embodiment, the difference in operating rate between the first and second fuel cell stacks is reduced, and the power generation efficiency in the fuel cell system 10G18 can be increased.

〔第8実施形態〕
次に本発明の第8実施形態について説明する。なお、第1−7実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。
図8には、本発明の第8実施形態に係る燃料電池システム10Hが示されている。燃料電池システム10Hは、第7実施形態で説明した燃料電池システム10Gと比較して、第2、5実施形態と同様に、空気供給部46から送出される空気が昇温される点が異なっている。すなわち、空気供給部46から送出される空気Aの流量が一定であり、バルブ48を通過する空気A−1の流量で分離部20へ供給される空気及びアノードオフガスG3の温度を調整する点が異なっている。
[Eighth Embodiment]
Next, an eighth embodiment of the present invention will be described. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the part same as 1-7th embodiment, and description is abbreviate | omitted.
FIG. 8 shows a fuel cell system 10H according to an eighth embodiment of the present invention. The fuel cell system 10H differs from the fuel cell system 10G described in the seventh embodiment in that the temperature of the air sent from the air supply unit 46 is raised, as in the second and fifth embodiments. Yes. That is, the flow rate of the air A sent from the air supply unit 46 is constant, and the temperature of the air supplied to the separation unit 20 and the temperature of the anode off gas G3 is adjusted by the flow rate of the air A-1 passing through the valve 48. Is different.

空気供給部46に接続される空気供給管P8は、分岐部B1で空気調整管P8−1と空気昇温管P8−2に分岐され、合流部B2で合流されている。合流部B2は、第1熱交換部30よりも上流側に設けられている。 The air supply pipe P8 connected to the air supply part 46 is branched into an air adjustment pipe P8-1 and an air temperature raising pipe P8-2 at the branching part B1, and joined at the joining part B2. The junction B <b> 2 is provided on the upstream side of the first heat exchange unit 30.

空気調整管P8−1には、バルブ48が設けられている。バルブ48は、制御部44に接続されている。空気昇温管P8−2は、第5熱交換部38へ導入されている。第5熱交換部38には、第4熱交換部36の下流側の燃焼排ガス管P10が導入されており、空気昇温管P8−2を通過する空気A−2は、燃焼排ガス管P10との間で熱交換を行って昇温される。   A valve 48 is provided in the air adjustment pipe P8-1. The valve 48 is connected to the control unit 44. The air temperature raising pipe P8-2 is introduced into the fifth heat exchange unit 38. A combustion exhaust pipe P10 on the downstream side of the fourth heat exchange section 36 is introduced into the fifth heat exchange section 38, and the air A-2 passing through the air temperature raising pipe P8-2 is connected to the combustion exhaust pipe P10. The temperature is raised by exchanging heat between the two.

制御部44では、第2、5実施形態と同様に、第1熱交換部30から分離部20へ流入される空気A及びアノードオフガスG3が適温T0に近づくように、バルブ48を通過する空気A−1の流量を制御する。 In the control unit 44, as in the second and fifth embodiments, the air A passing through the valve 48 so that the air A and the anode offgas G3 flowing from the first heat exchange unit 30 to the separation unit 20 approach the appropriate temperature T0. -1 flow rate is controlled.

本実施形態によれば、空気供給部46から送出する空気Aの流量を一定に維持しつつ、分離部20が適温T0になるように、第1熱交換部30での熱交換を行うことができる。空気供給部46から送出する空気Aの流量を一定に維持することにより、透過部26へ供給する空気Aの流量を確保することができる。   According to the present embodiment, heat exchange in the first heat exchange unit 30 can be performed so that the separation unit 20 reaches the appropriate temperature T0 while maintaining the flow rate of the air A sent from the air supply unit 46 constant. it can. By maintaining the flow rate of the air A sent from the air supply unit 46 constant, the flow rate of the air A supplied to the transmission unit 26 can be ensured.

また、燃料電池システム10Hは、その他の第1実施形態と同様の効果を奏することもできる。 Further, the fuel cell system 10H can achieve the same effects as those of the other first embodiments.

〔第9実施形態〕
次に本発明の第9実施形態について説明する。なお、第1−8実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。
[Ninth Embodiment]
Next, a ninth embodiment of the present invention will be described. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the part same as 1st-8 embodiment, and description is abbreviate | omitted.

図9には、本発明の第9実施形態に係る燃料電池システム10Iが示されている。燃料電池システム10Iは、第8実施形態で説明した燃料電池システム10Hと比較して、第3、6実施形態と同様に、空気供給部46から送出される空気Aの流量とバルブ48を通過する空気A−1の流量の双方を調整することにより、分離部20を適温T0に近い温度に制御する点が異なっている。   FIG. 9 shows a fuel cell system 10I according to the ninth embodiment of the present invention. Compared to the fuel cell system 10H described in the eighth embodiment, the fuel cell system 10I passes through the valve 48 and the flow rate of the air A delivered from the air supply unit 46, as in the third and sixth embodiments. The difference is that the separation unit 20 is controlled to a temperature close to the appropriate temperature T0 by adjusting both the flow rates of the air A-1.

制御部44は、空気供給部46及びバルブ48と接続されている。制御部44では、第3、6実施形態と同様に、第1熱交換部30から分離部20へ流入される空気A及びアノードオフガスG3が適温T0に近づくように、空気供給部46から送出される空気A、及び、バルブ48を通過する空気A−1の流量を制御する。 The control unit 44 is connected to the air supply unit 46 and the valve 48. In the control unit 44, as in the third and sixth embodiments, the air A and the anode off gas G3 flowing from the first heat exchange unit 30 to the separation unit 20 are sent from the air supply unit 46 so as to approach the appropriate temperature T0. And the flow rate of the air A-1 passing through the valve 48 is controlled.

本実施形態によれば、空気供給部46から送出する空気Aの流量、及びバルブ48を通過する空気A−1の流量の双方を調整することにより、分離部20が適温T0になるように第1熱交換部30での熱交換を行う。したがって、よりフレキシブルに分離部20の温度調整を行うことができる。   According to the present embodiment, by adjusting both the flow rate of the air A sent from the air supply unit 46 and the flow rate of the air A-1 passing through the valve 48, the separation unit 20 is adjusted to have the appropriate temperature T0. 1 Heat exchange in the heat exchange unit 30 is performed. Therefore, the temperature of the separation unit 20 can be adjusted more flexibly.

また、燃料電池システム10Iは、その他の第7、8実施形態と同様の効果を奏することもできる。 The fuel cell system 10I can also achieve the same effects as the other seventh and eighth embodiments.

なお、上記の第1〜第9実施形態における第2熱交換部32〜第5熱交換部38の配置は、上記の配置に限定されず、適宜変更しても良い。また、アノードオフガスG3から二酸化炭素や水蒸気を分離する手段として、例えば、水凝縮器、水蒸気吸着材、二酸化炭素吸収材、二酸化炭素吸着材などの他の手段を分離部と組み合わせて用いてもよい。 In addition, arrangement | positioning of the 2nd heat exchange part 32-the 5th heat exchange part 38 in said 1st-9th embodiment is not limited to said arrangement | positioning, You may change suitably. Further, as a means for separating carbon dioxide and water vapor from the anode off gas G3, for example, other means such as a water condenser, a water vapor adsorbing material, a carbon dioxide absorbing material, a carbon dioxide adsorbing material may be used in combination with the separation unit. .

また、上記の第1〜第9実施形態では、制御部44で分離部20が適温T0に近づくように空気供給部46から流出させる空気Aの流量や、第1熱交換部30へ流入させる空気Aの温度を制御したが、必ずしも制御部44は必要ではない。例えば、予め分離部20が適温T0に近づくための空気供給部46から流出させる空気Aの流量や、第1熱交換部30へ流入させる空気Aの温度を実験等により得て、当該得られた空気Aの流量や第1熱交換部30へ流入させる空気Aの温度となるように、各部(空気供給部46やバルブ48)の設定をしてもよい。 Moreover, in said 1st-9th embodiment, the flow volume of the air A which flows out from the air supply part 46 so that the isolation | separation part 20 may approach suitable temperature T0 in the control part 44, and the air which flows in into the 1st heat exchange part 30 Although the temperature of A is controlled, the control part 44 is not necessarily required. For example, the flow rate of the air A that flows out from the air supply unit 46 so that the separation unit 20 approaches the appropriate temperature T0 and the temperature of the air A that flows into the first heat exchange unit 30 are obtained in advance through experiments and the like. Each unit (the air supply unit 46 and the valve 48) may be set so that the flow rate of the air A and the temperature of the air A flowing into the first heat exchange unit 30 are obtained.

さらに、本発明は、前述の第1〜第9実施形態に限定されず、本発明の技術的思想内で、当業者によって、前述の各実施形態を組み合わせて実施される。また、本発明において、例えば、熱交換器の設置位置、組み合わせなどはこれらの実施形態に限定されない。また、ガス、水などの各種流体の加熱及び冷却には熱交換器以外の手段を用いてもよい。 Furthermore, the present invention is not limited to the first to ninth embodiments 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. Moreover, in this invention, the installation position of a heat exchanger, a combination, etc. are not limited to these embodiment, for example. Moreover, you may use means other than a heat exchanger for the heating and cooling of various fluids, such as gas and water.

10A〜10I 燃料電池システム
16 第1燃料電池スタック(燃料電池)、 17 第3燃料電池スタック(燃料電池)
18 第2燃料電池スタック(燃料電池)、
16A、17A、18A アノード(燃料極)
16B、17B、18B カソード(空気極)
20 分離部、 24 流入部、 26 透過部 、28 分離膜
30 第1熱交換部、 32 第2熱交換部
46 空気供給部、 P8−1 空気調整管、48 バルブ、36 第4熱交換部
P8−2 空気昇温管(空気昇温部)
40 燃焼器、 44 制御部、 P5 酸化ガス管(酸化ガス導入路)
G3 アノードオフガス、 G4 再生燃料ガス
10A to 10I Fuel cell system 16 First fuel cell stack (fuel cell), 17 Third fuel cell stack (fuel cell)
18 Second fuel cell stack (fuel cell),
16A, 17A, 18A Anode (fuel electrode)
16B, 17B, 18B Cathode (Air electrode)
20 separation part, 24 inflow part, 26 permeation part, 28 separation membrane 30 first heat exchange part, 32 second heat exchange part 46 air supply part, P8-1 air regulating pipe, 48 valve, 36 fourth heat exchange part P8 -2 Air temperature riser (Air temperature riser)
40 combustor, 44 control unit, P5 oxidizing gas pipe (oxidizing gas introduction path)
G3 anode off gas, G4 regenerated fuel gas

Claims (9)

燃料極へ供給される燃料ガスと空気極へ供給される空気により発電し、前記燃料極からアノードオフガスが排出されると共に前記空気極からカソードオフガスが排出される燃料電池と、
前記アノードオフガスが流入される流入部と、前記アノードオフガスから二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離する分離膜により前記流入部と区画された透過部と、を有し、前記アノードオフガスから二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の濃度が低減された再生燃料ガスを送出する分離部と、
スイープガスとして前記透過部へ空気を供給する空気供給部と、
前記分離部の上流側に設けられ、前記アノードオフガスと前記空気供給部からの空気との間で熱交換を行う第1熱交換部と、を備えた燃料電池システム。
A fuel cell that generates power from fuel gas supplied to the fuel electrode and air supplied to the air electrode, wherein anode off-gas is discharged from the fuel electrode and cathode off-gas is discharged from the air electrode;
An inflow part into which the anode offgas is introduced; and a permeation part partitioned from the inflow part by a separation membrane that separates at least one of carbon dioxide and water vapor from the anode offgas; A separation unit that sends out regenerated fuel gas in which the concentration of at least one of the water vapor is reduced;
An air supply unit for supplying air to the permeation unit as a sweep gas;
A fuel cell system comprising: a first heat exchanging unit that is provided upstream of the separation unit and exchanges heat between the anode off gas and air from the air supply unit.
前記第1熱交換部は、並流式で前記アノードオフガスと前記空気供給部からの空気との熱交換を行うこと、を特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。   2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the first heat exchange unit performs heat exchange between the anode off gas and the air from the air supply unit in a parallel flow manner. 前記空気供給部と前記第1熱交換部との間に設けられ、前記空気供給部からの空気の温度を上昇させる空気昇温部と、
前記分離部の温度に応じて、前記空気昇温部から流出される空気の温度を制御する制御部と、
を備えた請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システム。
An air temperature raising unit that is provided between the air supply unit and the first heat exchange unit and raises the temperature of the air from the air supply unit;
A control unit for controlling the temperature of the air flowing out from the air temperature raising unit according to the temperature of the separation unit;
A fuel cell system according to claim 1 or 2, further comprising:
前記空気供給部から前記第1熱交換部へ流入される空気の流量を一定としたことを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 3, wherein a flow rate of air flowing from the air supply unit to the first heat exchange unit is constant. 前記分離部の温度に応じて、前記第1熱交換部へ流入される空気の流量を制御する制御部、を備えた請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, further comprising a control unit that controls a flow rate of air flowing into the first heat exchange unit according to a temperature of the separation unit. 前記透過部から排出されたガスを前記空気極へ導入する酸化ガス導入路、をさらに備えた請求項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 cell system according to any one of claims 1 to 5, further comprising an oxidizing gas introduction path for introducing the gas discharged from the permeation unit into the air electrode. 可燃性気体を燃焼させる燃焼器を備え、
前記透過部から排出されたガスが直接または間接的に前記燃焼器へ導入されている、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。
Equipped with a combustor to burn flammable gas,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6, wherein the gas discharged from the permeation unit is directly or indirectly introduced into the combustor.
前記燃料電池は、前記分離部の前記流入部へアノードオフガスを送出する第1燃料電池と、前記再生燃料ガスが前記燃料ガスとして燃料極へ供給される第2燃料電池と、を含む、請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の燃料電池システム。   The fuel cell includes: a first fuel cell that sends an anode off gas to the inflow portion of the separation portion; and a second fuel cell in which the regenerated fuel gas is supplied to the fuel electrode as the fuel gas. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 7. 前記第1熱交換部よりも上流側を流通する前記アノードオフガスと、前記再生燃料ガスとの間で熱交換を行う、第2熱交換部、を更に備えた請求項1〜8のいずれか1項に記載の燃料電池システム。   9. The apparatus according to claim 1, further comprising a second heat exchange unit that exchanges heat between the anode off-gas flowing upstream from the first heat exchange unit and the regenerated fuel gas. The fuel cell system according to item.
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