JP6470634B2

JP6470634B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP6470634B2
Application number: JP2015109020A
Authority: JP
Inventors: 池田　陽一; 陽一池田; 中村　和郎; 和郎中村; 高生久米
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2015-05-28
Filing date: 2015-05-28
Publication date: 2019-02-13
Anticipated expiration: 2035-05-28
Also published as: JP2016225088A

Description

本発明は燃料電池システムに関する。

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

上記に関連して特許文献１、２には、固体酸化物型燃料電池(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燃料から二酸化炭素を二酸化炭素吸収材で吸収し、これを燃料ガスとして再利用する技術が開示されている。また、特許文献１では、二酸化炭素吸収材の一例としてリチウム化ジルコニア(Ｌi₂Ｚr０₃やＬi₄ＺrＯ₄)が記載されている。

このように、使用済み燃料から二酸化炭素を除去するために二酸化炭素吸収材を用いた場合、二酸化炭素の吸収量には限りがあるため、二酸化炭素を吸収した二酸化炭素吸収材から二酸化炭素を放出させて二酸化炭素吸収材を再生する処理が必要となる。特許文献１では、燃料電池スタックのカソードから排出されるカソードオフガスを用いて二酸化炭素吸収材の再生を行っている。また、特許文献２では、乾燥空気を用いて二酸化炭素吸収材の再生を行っている。

特開２００２−３１３４０２号公報特表２００９−５０３７８９号公報

上記に記載した二酸化炭素吸収材の再生（二酸化炭素吸収材からの二酸化炭素の放出）速度は、温度や二酸化炭素の分圧、装置内の圧力等の条件に依存する。特許文献１のように、カソードオフガスを用いた場合、当該カソードオフガスの温度は、燃料電池スタックでの反応温度よりも高くないため、二酸化炭素吸収材の再生速度を速めるためには、カソードオフガスを加熱する必要がある。また、特許文献２のように乾燥空気を用いただけで、常温下で二酸化炭素吸収材の再生を行うことは難しい。

本発明は上記事実を考慮して成されたもので、二酸化炭素吸収材を効率よく再生させつつ、燃料電池の燃料極からのアノードオフガスを有効利用できる燃料電池システムを得ることが目的である。

請求項１記載の発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスにより発電する燃料電池と、前記燃料電池の燃料極から排出されたアノードオフガスの一部を燃焼させる燃焼器と、二酸化炭素吸収材が収納された複数の二酸化炭素吸収部と、複数の前記二酸化炭素吸収部のうちの一部の前記二酸化炭素吸収部へ前記アノードオフガスを供給して該アノードオフガス中の二酸化炭素を前記二酸化炭素吸収材に吸収させ、二酸化炭素濃度が低減された再生燃料ガスを生成すると共に、他の前記二酸化炭素吸収部へ前記燃焼器からの燃焼排ガスを供給して前記二酸化炭素吸収材から二酸化炭素を放出させる制御部と、を備えている。

請求項１記載の本発明に係る燃料電池システムでは、複数の二酸化炭素吸収部のうちの一部の二酸化炭素吸収部へ燃料電池から排出されたアノードオフガスを供給して、アノードオフガス中の二酸化炭素を二酸化炭素吸収材に吸収させ、二酸化炭素濃度が低減された再生燃料ガスが生成される。この再生燃料ガスは、反応に寄与する水素及び一酸化炭素の濃度が高められているので、発電用の燃料ガスとして有効に再利用することができる。なお、本発明において、燃料電池は、単数であっても複数であってもよい。

一方、複数の二酸化炭素吸収部のうちの他の二酸化炭素吸収部へは、燃焼器からの燃焼排ガスを供給し、二酸化炭素吸収材から二酸化炭素を放出させて二酸化炭素吸収材を再生する。このように、高温の気体である燃焼排ガスを、二酸化炭素吸収材からの二酸化炭素の放出に使用することにより、放出速度を速めることができる。これにより、二酸化炭素吸収材を効率よく再生させつつ、燃料電池の燃料極からのアノードオフガスを有効利用することができる。

また、請求項１記載の発明に係る燃料電池システムは、前記燃料電池が、前記二酸化炭素吸収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供給され、該再生燃料ガスにより発電すると共に排出するアノードオフガスをすべて前記燃焼器へ供給する第２燃料電池と、を含み、前記燃焼器は、前記再生燃料ガスを生成中の前記二酸化炭素吸収部に対して下流側に設けられている。

請求項１記載の本発明に係る燃料電池システムでは、燃料電池から排出されたアノードオフガスが、二酸化炭素吸収部で二酸化炭素を吸収された後に、再生燃料ガスとして第２燃料電池へ供給されて用いられる、多段式の燃料電池システムが実現される。

請求項２記載の発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスにより発電する燃料電池と、前記燃料電池の燃料極から排出されたアノードオフガスの一部を燃焼させる燃焼器と、二酸化炭素吸収材が収納された複数の二酸化炭素吸収部と、複数の前記二酸化炭素吸収部のうちの一部の前記二酸化炭素吸収部へ前記アノードオフガスを供給して該アノードオフガス中の二酸化炭素を前記二酸化炭素吸収材に吸収させ、二酸化炭素濃度が低減された再生燃料ガスを生成すると共に、他の前記二酸化炭素吸収部へ前記燃焼器からの燃焼排ガスを供給して前記二酸化炭素吸収材から二酸化炭素を放出させる制御部と、を備え、前記燃焼器は、前記再生燃料ガスを生成中の前記二酸化炭素吸収部に対して下流側に設けられ、前記二酸化炭素吸収部から送出された前記再生燃料ガスは、一部が前記燃料電池に供給されると共に残余が前記燃焼器へ供給されるように分岐される。

請求項２記載の本発明に係る燃料電池システムでは、燃料電池から排出されたアノードオフガスが、二酸化炭素吸収部で二酸化炭素を吸収された後に、再生燃料ガスとして燃料電池へ供給されて用いられる、循環式の燃料電池システムが実現される。なお、再生燃料ガスの燃料電池への供給は、直接でもよいし、改質器などの他部を介しての供給でもよい。

請求項３記載の発明に係る燃料電池システムは、前記二酸化炭素吸収部へ供給される前の前記アノードオフガスから水蒸気を除去する水蒸気除去部、をさらに備えている。

請求項３記載の本発明に係る燃料電池システムによれば、水蒸気を除去することで、二酸化炭素吸収部へ供給されるアノードオフガスの二酸化炭素分圧が高くなるので、二酸化炭素吸収材による二酸化炭素の吸収量を多くすることができる。

請求項４記載の発明に係る燃料電池システムは、前記二酸化炭素吸収部で二酸化炭素が吸収された後の前記アノードオフガスから水蒸気を除去する水蒸気除去部、をさらに備えている。

請求項４記載の発明に係る燃料電池システムによれば、二酸化炭素吸収部へ供給される前のアノードオフガスには、水蒸気が比較的多く含まれているので、二酸化炭素吸収材による二酸化炭素の吸収を促進することができる。

請求項５記載の発明に係る燃料電池システムは、炭化水素燃料を改質して水素を含む前記燃料ガスを生成すると共に、前記燃料電池へ前記燃料ガスを供給する改質器、をさらに備えている。

請求項５記載の発明に係る燃料電池システムによれば、炭化水素燃料及び水蒸気を供給することにより、改質器で水素を含む燃料ガスを生成して、燃料電池システムを運転することができる。

本発明に係る燃料電池システムによれば、二酸化炭素吸収材を効率よく再生させつつ、燃料電池の燃料極からのアノードオフガスを有効利用することができる。

第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。二酸化炭素吸収材の温度と二酸化炭素吸収・放出との関係を示すグラフである。第２実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。第３実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。第３実施形態の燃料電池システムの他の構成を示す概略構成図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態の一例を詳細に説明する。

〔第１実施形態〕
図１には、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１０Ａが示されている。燃料電池システム１０Ａは、主要な構成として、改質器１２、燃料電池スタック１４、第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４、燃焼器１８、及び制御部７０を備えている。

改質器１２には原料ガス管２８の一端が接続されており、原料ガス管２８の他端は図示しないガス源に接続されている。原料ガス管２８には脱硫器によって硫黄化合物が吸着除去された原料ガス（炭化水素燃料）がガス源から供給される。ガス源から原料ガス管２８に供給された原料ガスは、不図示の熱交換器によって加熱された後、改質器１２へ供給される。

改質器１２には、水供給管２６の一端が接続されており、水供給管２６を介して水（水蒸気）が供給される。改質器１２は加熱され、原料ガス管２８を介して供給された原料ガスを、水供給管２６を介して供給された水（水蒸気）を利用して水蒸気改質し、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１２は、燃料電池スタック１４のアノード（燃料極）１４Ａと接続されている。改質器１２で生成された燃料ガスＧ１は、燃料ガス管３２を介して燃料電池スタック１４のアノード（燃料極）１４Ａに供給される。

燃料電池スタック１４は固体酸化物型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。燃料電池スタック１４は本発明における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（燃料極）１４Ａ、及びカソード（空気極）１４Ｂ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１４Ａ」「カソード１４Ｂ」と図示している。

燃料電池スタック１４のカソード１４Ｂには、酸化ガス（空気）を供給するための酸化ガス管３０を介して酸化ガス（空気）が供給される。カソード１４Ｂ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燃料電池スタック１４のアノード１４Ａに到達する。

（空気極反応）
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻ →Ｏ^２− …（１）

また、カソード１４Ｂには、カソード１４Ｂから排出されるカソードオフガスＧ２を案内するカソードオフガス管３１が接続されている。

一方、燃料電池スタック１４のアノード１４Ａ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１４Ａで生成された電子がアノード１４Ａから外部回路を通ってカソード１４Ｂに移動することで、各燃料電池セルにおいて発電される。また、各燃料電池セルは、発電時に発熱する。

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

燃料電池スタック１４のアノード１４Ａにはアノードオフガス管３４の一端が接続されており、アノードオフガス管３４には、アノード１４Ａ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、二酸化炭素及び水が含まれている。

なお、本発明の燃料電池としては、固体酸化物型の燃料電池(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)に限られるものではなく、例えば溶融炭酸塩型燃料電池(ＭＣＦＣ)であってもよい。

アノードオフガス管３４の途中には、吸収切替弁４０が設けられている。アノードオフガス管３４は、吸収切替弁４０を介して第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４に各々接続されている。アノードオフガス管３４に排出されたアノードオフガスＧ３は、吸収切替弁４０を介して第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４に供給される。以下、吸収切替弁４０から第１二酸化炭素吸収部２２までのアノードオフガス管３４の符号を「３４−１」で示し、吸収切替弁４０から二酸化炭素吸収部２４までのアノードオフガス管３４の符号を「３４−２」で示す。

吸収切替弁４０は、アノードオフガス管３４を第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４の何れか一方と連通させることで、アノードオフガス管３４から供給されたアノードオフガスを第１二酸化炭素吸収部２２又は第２二酸化炭素吸収部２４へ択一的に案内する。吸収切替弁４０による配管の切り替えは制御部７０によって制御される。

第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４は、内部に二酸化炭素吸収材２３が収納されており、内部に導入されたガスに対して二酸化炭素吸収材２３による二酸化炭素の吸収又は放出が行われる。なお、二酸化炭素吸収材としては、例えば、Ｌi₂ＺrＯ₃、ＬiＦeＯ_２、Ｌi₄ＳiＯ₄等のリチウム系複合酸化物及びＢa₂ＴiＯ₄の何れかを主成分とした材料を用いることができる。例えばＬi₄ＳiＯ₄の反応は以下の(４)式で表される。

Ｌi₄ＳiＯ₄＋ＣＯ₂→Ｌi₂ＳiＯ₃＋Ｌi₂ＣＯ₃ …(４)

Ｌi₄ＳiＯ₄は、温度や二酸化炭素の分圧により、可逆的に反応の進行方向が変化する。一般的に、温度が５００〜６００℃では二酸化炭素を吸収し、温度が６５０℃以上では二酸化炭素を放出する。また、温度が６５０℃以上でも二酸化炭素の分圧が高い雰囲気下 (例えば二酸化炭素の濃度が１０％以上)では、二酸化炭素を吸収し、二酸化炭素の分圧が低い雰囲気下(例えば二酸化炭素の濃度が０％)では二酸化炭素を放出する。なお、上記で挙げたＬi₄ＳiＯ₄以外の材料についても、５００〜９００℃の温度範囲で二酸化炭素を吸収又は放出する特性を有している。

アノードオフガス管３４と連通された第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４には、二酸化炭素の濃度が比較的高いアノードオフガスＧ３が供給される。二酸化炭素吸収材２３が上記の特性を有していることにより、当該第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４は、二酸化炭素吸収材２３が二酸化炭素を吸収する環境条件となり、アノードオフガスＧ３に含まれる二酸化炭素が二酸化炭素吸収材２３によって吸収される。以下、第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４で二酸化炭素が吸収されたアノードオフガスＧ３を、「ＣＯ_２除去オフガスＧ４」という。

第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４のガス排出側には、回収ガス供給管３５の一端が接続されており、回収ガス供給管３５には、回収切替弁４２が設けられている。また、第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４のガス排出側には、さらに、二酸化炭素排出管３６の一端が接続されており、二酸化炭素排出管３６には、二酸化炭素排出切替弁４４が設けられている。以下、第１二酸化炭素吸収部２２から回収切替弁４２までの回収ガス供給管３５の符号を「３５−１」で示し、第２二酸化炭素吸収部２４から回収切替弁４２までの回収ガス供給管３５の符号を「３５−２」で示す。また、第１二酸化炭素吸収部２２から二酸化炭素排出切替弁４４までの二酸化炭素排出管３６の符号を「３６−１」で示し、第２二酸化炭素吸収部２４から二酸化炭素排出切替弁４４までの二酸化炭素排出管３６の符号を「３６−２」で示す。

回収ガス供給管３５の回収切替弁４２よりも下流側には、分岐部４８が設けられ、分岐部４８において、燃焼供給ガス管３７と再利用ガス管３８に分岐されている。分岐部４８では、第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４から排出されたＣＯ_２除去オフガスＧ４が、一定の割合、例えば４：６の割合で、燃焼供給ガス管３７と再利用ガス管３８とに分配される。

燃焼供給ガス管３７は、燃焼器１８と接続され、第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４から排出されたＣＯ_２除去オフガスＧ４を燃焼器１８へ供給する。再利用ガス管３８は、改質器１２と接続され、第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４から排出されたＣＯ_２除去オフガスＧ４を改質器１２へ供給する。

回収切替弁４２は、第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４のうちの一方（アノードオフガス管３４と連通された第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４）を回収ガス供給管３５と連通させる。二酸化炭素排出切替弁４４は、第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４のうちの他方（回収ガス供給管３５と連通しない方）を二酸化炭素排出管３６と連通させる。回収切替弁４２及び二酸化炭素排出切替弁４４による配管の切り替えは制御部７０によって制御される。

燃焼器１８は、第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４のうちの一方から供給されたＣＯ_２除去オフガスＧ４を、不図示の空気供給管から供給された空気と混合させて燃焼させる。燃焼器１８のガス排出側には、燃焼排ガス管３９の一端が接続されている。燃焼排ガス管３９の他端は、放出切替弁４６を介して、第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４に各々接続されている。以下、放出切替弁４６から第１二酸化炭素吸収部２２までの燃焼排ガス管３９の符号を「３９−１」で示し、放出切替弁４６から第２二酸化炭素吸収部２４までの燃焼排ガス管３９の符号を「３９−２」で示す。燃焼器１８からは、７００℃〜９００℃程度の燃焼排ガスＧ５が排出される。なお、燃焼器１８で得られた高温の燃焼排ガスＧ５は、改質器１２内の触媒の加熱等、燃料電池システム１０Ａ内の他の各部にも、直接、間接的に供給される。

放出切替弁４６は、燃焼排ガス管３９を、アノードオフガス管３４と連通されていない第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４の何れか他方と連通させる。これにより、燃焼排ガス管３９から供給された燃焼排ガスＧ５は、第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４のうちのアノードオフガス管３４と連通されていない方へ供給される。放出切替弁４６による配管の切り替えは制御部７０によって制御される。

燃焼排ガス管３９と連通された方の第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４には、燃焼排ガスＧ５が供給される。ここで、図２には、二酸化炭素の分圧１５％程度のガスを、二酸化炭素吸収材２３として用いられるＬi₄ＳiＯ₄に供給した場合の、温度と二酸化炭素質量との関係が示されている。Ｌi₄ＳiＯ₄は、供給されるガスの二酸化炭素の分圧が１５％程度であっても、温度が６９０℃以上になると、二酸化炭素質量が下がり、吸収している二酸化炭素を放出する特性を有している。本実施形態においても、燃焼排ガスＧ５が供給された第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４では、二酸化炭素吸収材２３から二酸化炭素が放出される。

二酸化炭素排出切替弁４４は、二酸化炭素排出管３６を、燃焼排ガス管３９と連通されている第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４の何れか他方（アノードオフガス管３４と連通されていない第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４の何れか他方）と連通させる。第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４で放出された二酸化炭素は、燃焼排ガスＧ５と共に、二酸化炭素排出管３６から排出される。排出された燃焼排ガスＧ５は、改質器１２内の触媒の加熱等、燃料電池システム１０Ａ内の他の各部の加熱に用いることができる。二酸化炭素排出切替弁４４による配管の切り替えは制御部７０によって制御される。なお、吸収切替弁４０、回収切替弁４２、二酸化炭素排出切替弁４４、放出切替弁４６、及び制御部７０は、本発明における制御部の一例である。

次に、第１実施形態に係る燃料電池システム１０Ａの作用を説明する。まず、第１二酸化炭素吸収部２２でアノードオフガスＧ３の二酸化炭素吸収を行い、第２二酸化炭素吸収部２４で二酸化炭素吸収材２３からの二酸化炭素の放出を行う運転モードＭ１について説明する。

燃料電池システム１０Ａでは、改質器１２に原料ガス及び水（水蒸気）が供給される。改質器１２は加熱され、原料ガスを水蒸気を利用して水蒸気改質し、水素を含む６５０℃程度の温度の燃料ガスＧ１を生成する。燃料ガスＧ１は、改質器１２から燃料ガス管３２を介して燃料電池スタック１４のアノード１４Ａに供給される。一方、燃料電池スタック１４のカソード１４Ｂには酸化ガス(空気)が供給される。これにより、燃料電池スタック１４では、前述の反応により発電が行われる。この発電に伴い燃料電池スタック１４のアノード１４Ａからは未反応の水素、未反応の一酸化炭素、二酸化炭素及び水を含むアノードオフガスＧ３が排出される。

一方、制御部７０は、吸収切替弁４０、回収切替弁４２、放出切替弁４６、及び二酸化炭素排出切替弁４４を、以下のような開閉状態となるように制御する。吸収切替弁４０は、アノードオフガス管３４−１側が開放され、アノードオフガス管３４−２側が閉鎖される。回収切替弁４２は、回収ガス供給管３５−１側が開放され、回収ガス供給管３５−２側が閉鎖される。二酸化炭素排出切替弁４４は、二酸化炭素排出管３６−２側が開放され、二酸化炭素排出管３６−１側が閉鎖される。放出切替弁４６は、燃焼排ガス管３９−２側が開放され、燃焼排ガス管３９−１側が閉鎖される。

アノード１４Ａから排出されたアノードオフガスＧ３は、第１二酸化炭素吸収部２２へ供給され、アノードオフガスＧ３に含まれている二酸化炭素が二酸化炭素吸収材２３に吸収される。二酸化炭素が除去されたＣＯ_２除去オフガスＧ４は、第１二酸化炭素吸収部２２から排出され、分岐部４８で一定の割合で、燃焼供給ガス管３７と再利用ガス管３８とに分配される。再利用ガス管３８へ分配されたＣＯ_２除去オフガスＧ４は、改質器１２へ供給され、燃料電池スタック１４での発電に再利用される。

一方、燃焼供給ガス管３７へ分配されたＣＯ_２除去オフガスＧ４は、燃焼器１８へ供給され、不図示の空気供給管から供給された空気と混合されて燃焼され、７００℃〜９００℃の高温の燃焼排ガスＧ５が得られる。燃焼排ガスＧ５の一部は、燃焼排ガス管３９を経て第２二酸化炭素吸収部２４へ供給される。第２二酸化炭素吸収部２４内は、燃焼排ガスＧ５の供給によって高温になり、二酸化炭素吸収材２３は、吸収していた二酸化炭素を放出し、再生される。放出された二酸化炭素は、燃焼排ガスＧ５と共に、二酸化炭素排出管３６から排出される。

上記の運転モードＭ１は、第１二酸化炭素吸収部２２に収納された二酸化炭素吸収材２３での二酸化炭素の吸収容量、第２二酸化炭素吸収部２４内の二酸化炭素吸収材２３の二酸化炭素の放出速度等に応じて定められた、所定の時間Ｔ１の間、継続される。所定時間Ｔ１の経過後、運転モードＭ２が実行される。運転モードＭ２では、第２二酸化炭素吸収部２４でアノードオフガスＧ３の二酸化炭素吸収が行われ、第１二酸化炭素吸収部２２で二酸化炭素吸収材２３からの二酸化炭素の放出が行われる。

制御部７０は、吸収切替弁４０、回収切替弁４２、放出切替弁４６、及び二酸化炭素排出切替弁４４の開閉状態を、以下のように制御する。吸収切替弁４０は、アノードオフガス管３４−２側が開放され、アノードオフガス管３４−１側が閉鎖される。回収切替弁４２は、回収ガス供給管３５−２側が開放され、回収ガス供給管３５−１側が閉鎖される。二酸化炭素排出切替弁４４は、二酸化炭素排出管３６−１側が開放され、二酸化炭素排出管３６−２側が閉鎖される。放出切替弁４６は、燃焼排ガス管３９−１側が開放され、燃焼排ガス管３９−２側が閉鎖される。

アノード１４Ａから排出されたアノードオフガスＧ３は、第２二酸化炭素吸収部２４へ供給され、アノードオフガスＧ３に含まれている二酸化炭素が二酸化炭素吸収材２３に吸収される。二酸化炭素が除去されたＣＯ_２除去オフガスＧ４は、第２二酸化炭素吸収部２４から排出され、分岐部４８で一定の割合で、燃焼供給ガス管３７と再利用ガス管３８とに分配される。再利用ガス管３８へ分配されたＣＯ_２除去オフガスＧ４は、改質器１２へ供給され、燃料電池スタック１４での発電に再利用される。

一方、燃焼供給ガス管３７へ分配されたＣＯ_２除去オフガスＧ４は、燃焼器１８へ供給される。そして、不図示の空気供給管から供給された空気と混合されて燃焼され、７００℃〜９００℃の高温の燃焼排ガスＧ５が得られる。燃焼排ガスＧ５の一部は、燃焼排ガス管３９を経て第１二酸化炭素吸収部２２へ供給される。第１二酸化炭素吸収部２２内は、燃焼排ガスＧ５の供給によって高温になり、二酸化炭素吸収材２３は、吸収していた二酸化炭素を放出する。放出された二酸化炭素は、二酸化炭素排出管３６から燃料電池システム１０Ａの系外へ排出される。

上記の運転モードＭ２についても、第２二酸化炭素吸収部２４に収納された二酸化炭素吸収材２３での二酸化炭素の吸収容量、第１二酸化炭素吸収部２２に収納された二酸化炭素吸収材２３の二酸化炭素の放出速度等に応じて定められた、所定の時間Ｔ２の間、継続される。時間Ｔ２は、時間Ｔ１と同一に設定してもよいし、異なる時間を設定してもよい。所定時間Ｔ２の経過後、制御部７０によって、運転モードＭ１に切り替えられる。運転モードＭ１と運転モードＭ２を交互に繰り返すことにより、第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４において二酸化炭素の吸収、放出を交互に行って、燃料電池スタック１４での連続した発電を行うことができる。

本実施形態の燃料電池システム１０Ａでは、燃焼排ガスＧ５を、二酸化炭素吸収材２３からの二酸化炭素の放出に使用する。燃焼排ガスＧ５は、７００℃〜９００℃の高温であるため、吸収された二酸化炭素を二酸化炭素吸収材２３から速い放出速度で放出させることができる。このように、二酸化炭素吸収材２３からの二酸化炭素の放出速度を速くすることで、同じ放出時間でより多くの二酸化炭素を放出することができるので、二酸化炭素吸収材２３での二酸化炭素吸収可能な量が増える。したがって、必要とされる二酸化炭素吸収材２３の量を少なくすることができる。また、二酸化炭素吸収材２３に吸収されている二酸化炭素をより多く放出して、二酸化炭素吸収材２３を再生させることにより、二酸化炭素吸収材２３の耐久性を向上させることができる。
また、燃焼排ガスＧ５は、燃焼器１８自体を熱源とし、他からの加熱なしで高温となるので、効率的に高温のガスを得て、第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４の再生を行うことができる。

また、本実施形態では、燃料電池スタック１４から排出されたアノードオフガスＧ３に含まれる未反応の水素及び一酸化炭素を再利用するので、燃料の利用効率を向上させることができる。さらに、再利用には、二酸化炭素吸収部２２、２４で二酸化炭素の濃度が低下された後の、ＣＯ_２除去オフガスＧ４が用いられるので、ＣＯ_２を除去しないアノードオフガスＧ３を再利用する場合と比較して、燃料電池スタック１４での発電効率を高めることができる。

なお、燃料電池システム１０Ａは請求項３の発明に係る燃料電池システムの一例である。また、本実施形態では、改質器１２として水蒸気改質を行うものを例に説明したが、他にも、部分酸化改質、シフト反応改質、二酸化炭素改質などを行う他の改質器により、水素と一酸化炭素を生成してもよい。

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

図３には、本第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、第２燃料電池スタック５０が設けられている点が主に相違している。本実施形態では、第１実施形態の燃料電池スタック１４を、第１燃料電池スタック１５と称する。

第２燃料電池スタック５０は、第１燃料電池スタック１５と同様に、アノード５０Ａ、カソード５０Ｂを有している。回収ガス供給管３５の回収切替弁４２よりも下流側には、分岐部４８は設けられず、再利用ガス管３３が設けられている。第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４から排出されたＣＯ_２除去オフガスＧ４は、すべて再利用ガス管３３を経てアノード５０Ａへ供給される。また、カソード５０Ｂには、カソードオフガス管３１の他端が接続されており、カソード１４Ｂから排出されるカソードオフガスＧ２がカソード５０Ｂへ供給される。

第２燃料電池スタック５０のアノード５０Ａ、カソード５０Ｂでは、各々、第１燃料電池スタック１５と同様の作動原理により、発電が行われる。なお、本実施形態では、第２燃料電池スタック５０は、固体酸化物型の燃料電池スタックであるが、これに代えて、溶融炭酸塩型の燃料電池スタックを設けてもよい。

第２燃料電池スタック５０のアノード５０Ａ、カソード５０Ｂには、各々燃焼供給ガス管３７の一端が接続されており、燃焼供給ガス管３７の他端は燃焼器１８に接続されている。アノード５０Ａから排出された排ガスＧ６は、カソード５０ＢからのカソードオフガスＧ２と共に燃焼器１８へ供給されて燃焼される。なお、本実施形態では、アノードオフガスＧ３、排ガスＧ６が、本発明のアノードオフガスであり、排ガスＧ６は、燃料電池システム１０Ｂの系内における、アノードオフガスの一部である。

次に第２実施形態に係る燃料電池システム１０Ｂの作用を説明する。

第２実施形態においても、運転モードＭ１−２と運転モードＭ２−２とが交互に行われる。運転モードＭ１−２では、第１二酸化炭素吸収部２２でアノードオフガスＧ３の二酸化炭素吸収が行われ、第２二酸化炭素吸収部２４で二酸化炭素吸収材２３からの二酸化炭素の放出が行われる。運転モードＭ２−２では、第２二酸化炭素吸収部２４でアノードオフガスＧ３の二酸化炭素吸収が行われ、第１二酸化炭素吸収部２２で二酸化炭素吸収材２３からの二酸化炭素の放出が行われる。

運転モードＭ１−２では、アノードオフガスＧ３は、第１二酸化炭素吸収部２２へ供給される。第１二酸化炭素吸収部２２によって二酸化炭素濃度が低減されたＣＯ_２除去オフガスＧ４は、再利用ガス管３３を経て第２燃料電池スタック５０のアノード５０Ａへ供給される。カソード５０Ｂへは、第１燃料電池スタック１５のカソード５０Ｂから排出されたカソードオフガスＧ２が供給される。第２燃料電池スタック５０では、ＣＯ_２除去オフガスＧ４、カソードオフガスＧ２を燃料として、発電が行われる。

第２燃料電池スタック５０のアノード５０Ａから排出された排ガスＧ６は、カソード５０ＢからのカソードオフガスＧ２と共に燃焼器１８へ供給されて燃焼され、燃焼排ガスＧ５が生成される。燃焼排ガスＧ５は、燃焼排ガス管３９を経て第２二酸化炭素吸収部２４へ供給される。第２二酸化炭素吸収部２４では、燃焼排ガスＧ５の供給によって二酸化炭素吸収材２３の再生（二酸化炭素の放出）が行われる。

一方、運転モードＭ２−２では、アノードオフガスＧ３は、第２二酸化炭素吸収部２４へ供給される。第２二酸化炭素吸収部２４によって二酸化炭素濃度が低減されたＣＯ_２除去オフガスＧ４は、再利用ガス管３３を経て第２燃料電池スタック５０のアノード５０Ａへ供給される。カソード５０Ｂへは、第１燃料電池スタック１５のカソード５０Ｂから排出されたカソードオフガスＧ２が供給される。第２燃料電池スタック５０では、ＣＯ_２除去オフガスＧ４、カソードオフガスＧ２を燃料として、発電が行われる。

第２燃料電池スタック５０のアノード５０Ａ、カソード５０Ｂから排出された排ガスＧ６は、燃焼器１８へ供給されて燃焼され、燃焼排ガスＧ５が生成される。燃焼排ガスＧ５は、燃焼排ガス管３９を経て第１二酸化炭素吸収部２２へ供給される。

本第２実施形態に係る燃料電池システム１０Ｂでは、ＣＯ_２除去オフガスＧ４に含まれる未反応の水素及び一酸化炭素を燃料ガスとして発電する第２燃料電池スタック５０を設けたので、燃料の利用効率を向上させることができる。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。

なお、燃料電池システム１０Ｂは請求項２の発明に係る燃料電池システムの一例である。

〔第３実施形態〕
次に本発明の第３実施形態について説明する。なお、第１、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。

図４には、本第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、第１燃料電池スタック１５のアノード１４Ａと吸収切替弁４０の間に水蒸気除去部５２が設けられている点が相違している。

水蒸気除去部５２は、水蒸気分離膜を備えており、アノード１４Ａから排出されたアノードオフガスＧ３から水蒸気を除去する。水蒸気分離膜としては、高分子系、高分子−無機分子ハイブリッド膜、ゼオライト系のものを用いることができる。水蒸気除去部５２では、水蒸気分離膜による水蒸気分離が可能な温度に、アノードオフガスＧ３が冷却される。なお、水蒸気は、水蒸気分離膜を使用しないで、温度を下げて凝縮させることにより除去してもよい。

水蒸気除去部５２を経て水蒸気濃度が低減されたアノードオフガスＧ３は、不図示の熱交換器で６５０℃程度に加熱され、吸収切替弁４０を経て第１二酸化炭素吸収部２２又は第２二酸化炭素吸収部２４へ送られる。第１二酸化炭素吸収部２２又は第２二酸化炭素吸収部２４で二酸化炭素濃度が低減されたＣＯ_２除去オフガスＧ４は、再利用ガス管３３を経て第２燃料電池スタック５０のアノード５０Ａへ供給され、第２燃料電池スタック５０での発電に用いられる。

本第３実施形態によれば、アノードオフガスＧ３に含まれる水蒸気を低減させ、反応に寄与する燃料ガス（水素や一酸化炭素）の濃度を高めた再生燃料ガスが、第２燃料電池スタック５０へ供給される。したがって、第２燃料電池スタック５０で効率よく発電を行うことができる。

また、第１二酸化炭素吸収部２２又は第２二酸化炭素吸収部２４へ供給するアノードオフガスＧ３の二酸化炭素濃度を高めることができるので、第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４での二酸化炭素の吸収量を多くすることができる。また、燃料電池システム１０Ｃは、その他の第２実施形態と同様の効果を奏することもできる。

なお、上記では、第１燃料電池スタック１５のアノード１４Ａと吸収切替弁４０の間に水蒸気除去部５２を設けたが、図５に示されるように、水蒸気除去部５２を第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４と第２燃料電池スタック５０の間に設ける燃料電池システム１０Ｄとしてもよい。この場合、第１二酸化炭素吸収部２２又は第２二酸化炭素吸収部２４へ供給するアノードオフガスＧ３には、水蒸気が比較的多く含まれているので、二酸化炭素吸収材２３による二酸化炭素の吸収を促進することができる。また、このように、水蒸気除去部５２による水蒸気除去を、二酸化炭素濃度が低減されたＣＯ_２除去オフガスＧ４に対して行う場合には、水蒸気除去のために冷却する冷却対象ガス、及び、冷却後に再加熱する加熱対象ガスから二酸化炭素が低減されており、加熱するガスの量が少ない。したがって、加熱に要する熱量を少なくすることができ、熱効率を向上させることができる。

なお、燃料電池システム１０Ｃ、１０Ｄは請求項４、請求項５、及び請求項６記載の発明に係る燃料電池システムの一例である。

１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ燃料電池システム
１２改質器、１４Ａ、５０Ａアノード（燃料極）
１４燃料電池スタック、１５第１燃料電池スタック
５０第２燃料電池スタック
１８燃焼器、２２第１二酸化炭素吸収部
２３二酸化炭素吸収材、２４第２二酸化炭素吸収部
４４二酸化炭素排出切替弁、４６放出切替弁、５２水蒸気除去部
７０制御部、Ｇ１燃料ガス、Ｇ３アノードオフガス、Ｇ５燃焼排ガス

Claims

燃料ガスにより発電する燃料電池と、
前記燃料電池の燃料極から排出されたアノードオフガスの一部を燃焼させる燃焼器と、
二酸化炭素吸収材が収納された複数の二酸化炭素吸収部と、
複数の前記二酸化炭素吸収部のうちの一部の前記二酸化炭素吸収部へ前記アノードオフガスを供給して該アノードオフガス中の二酸化炭素を前記二酸化炭素吸収材に吸収させ、二酸化炭素濃度が低減された再生燃料ガスを生成すると共に、他の前記二酸化炭素吸収部へ前記燃焼器からの燃焼排ガスを供給して前記二酸化炭素吸収材から二酸化炭素を放出させる制御部と、
を備え、
前記燃料電池は、前記二酸化炭素吸収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供給されて該再生燃料ガスにより発電すると共に排出するアノードオフガスのすべてを前記燃焼器へ供給する第２燃料電池と、を含み、
前記燃焼器は、前記再生燃料ガスを生成中の前記二酸化炭素吸収部に対して下流側に設けられている、
燃料電池システム。
燃料ガスにより発電する燃料電池と、
前記燃料電池の燃料極から排出されたアノードオフガスの一部を燃焼させる燃焼器と、
二酸化炭素吸収材が収納された複数の二酸化炭素吸収部と、
複数の前記二酸化炭素吸収部のうちの一部の前記二酸化炭素吸収部へ前記アノードオフガスを供給して該アノードオフガス中の二酸化炭素を前記二酸化炭素吸収材に吸収させ、二酸化炭素濃度が低減された再生燃料ガスを生成すると共に、他の前記二酸化炭素吸収部へ前記燃焼器からの燃焼排ガスを供給して前記二酸化炭素吸収材から二酸化炭素を放出させる制御部と、
を備え、
前記燃焼器は、前記再生燃料ガスを生成中の前記二酸化炭素吸収部に対して下流側に設けられ、
前記二酸化炭素吸収部から送出された前記再生燃料ガスは、一部が前記燃料電池に供給されると共に残余が前記燃焼器へ供給されるように分岐される、
燃料電池システム。
前記二酸化炭素吸収部へ供給される前の前記アノードオフガスから水蒸気を除去する水蒸気除去部、をさらに備えた、請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
前記二酸化炭素吸収部で二酸化炭素が吸収された後の前記アノードオフガスから水蒸気を除去する水蒸気除去部、をさらに備えた、請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
炭化水素燃料を改質して水素を含む前記燃料ガスを生成すると共に、前記燃料電池へ前記燃料ガスを供給する改質器、をさらに備えた、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。