JP6573863B2 - Multistage fuel cell system - Google Patents

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Description

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

高温作動形燃料電池の燃料リサイクル技術として、アノード排気のリサイクルを行う燃料電池システムが開示されている（特許文献１参照）。また、多段スタック又は単一スタックにおいて、アノードオフガス中の水蒸気や二酸化炭素を除去する方法が開示されている（特許文献２参照）。   As a fuel recycling technique for a high-temperature operation type fuel cell, a fuel cell system for recycling anode exhaust has been disclosed (see Patent Document 1). Moreover, a method for removing water vapor and carbon dioxide in the anode off-gas in a multi-stage stack or a single stack is disclosed (see Patent Document 2).

特許第５５４２３３２号公報Japanese Patent No. 5542332 特開２００６−３１９８９号公報JP 2006-31989

固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）や溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）といった高温作動形燃料電池システムの高効率化に向けて、燃料利用率を向上させる手法として、燃料電池スタックの多段化が提案されている。これは、複数の燃料電池スタックを用いて、前段の燃料電池スタックで未反応であった燃料ガスを含むアノードオフガスを後段の燃料電池スタックで利用するという技術である。   In order to improve the efficiency of high-temperature operating fuel cell systems such as solid oxide fuel cells (SOFC) and molten carbonate fuel cells (MCFC), multi-stage fuel cell stacks have been used as a method to improve fuel utilization. Proposed. This is a technique in which a plurality of fuel cell stacks are used, and an anode off-gas containing fuel gas that has not been reacted in the preceding fuel cell stack is used in the subsequent fuel cell stack.

このアノードオフガス中から水蒸気や二酸化炭素を取り除き、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を得ることができれば、この再生燃料ガスを用いて、後段の燃料電池スタックで再度発電を行うことができる。   If the regenerated fuel gas in which the concentration of the fuel gas (hydrogen or carbon monoxide) contributing to the reaction is increased by removing water vapor or carbon dioxide from the anode off-gas can be obtained using the regenerated fuel gas, The battery stack can generate power again.

上記した特許文献１に係る従来例では、水蒸気や二酸化炭素の除去に、分圧スイング吸着ユニット、温度スイング吸着ユニット、電気化学的ポンプが提案されている。しかしながら、吸着ユニットを用いる場合、圧力スイング又は温度スイングが必要で、システム構成及びシステムシーケンスが複雑になる。   In the conventional example according to Patent Document 1 described above, a partial pressure swing adsorption unit, a temperature swing adsorption unit, and an electrochemical pump are proposed for removing water vapor and carbon dioxide. However, when the adsorption unit is used, a pressure swing or a temperature swing is required, and the system configuration and the system sequence are complicated.

電気化学的ポンプを用いる場合は、圧力スイング又は温度スイングを行う必要はないが、燃料オフガスを２００℃以下に低下させる必要がある。また、電気化学的ポンプは、電極触媒に白金をも用いるため、一般的に設備が高価となる。   When using an electrochemical pump, it is not necessary to perform a pressure swing or a temperature swing, but it is necessary to lower the fuel off-gas to 200 ° C. or lower. In addition, since the electrochemical pump also uses platinum as an electrode catalyst, the facilities are generally expensive.

上記した特許文献２に係る従来例では、アノードオフガスから水蒸気を除去する方法が、該アノードオフガスを例えば１００℃以下の常温近くまで冷却する凝縮であるため、アノードオフガスから水蒸気を除去し再生燃料ガスとして利用するためには、該再生燃料ガスを燃料電池スタックの発電温度まで再び加熱する必要がある。   In the conventional example according to Patent Document 2 described above, the method of removing water vapor from the anode off gas is condensation that cools the anode off gas to near room temperature, for example, 100 ° C. or less. In order to use it, it is necessary to reheat the regenerated fuel gas to the power generation temperature of the fuel cell stack.

即ち、比較的簡易な構成及びシーケンス、あるいは安価な設備でアノードオフガスから水蒸気を除去するためには該アノードオフガスを一旦冷却する必要があり、その温度域から発電温度まで再度加熱するための熱エネルギーが必要であった。また、凝縮水を回収し、原料ガスの改質用の水として利用する場合には、この水を再度使用温度まで加熱する熱エネルギーに加えて、この水を気化させるための熱エネルギーが必要であった。これらの熱エネルギー源として、燃料電池の排熱等が利用されていた。   That is, in order to remove water vapor from the anode offgas with a relatively simple configuration and sequence, or inexpensive equipment, it is necessary to cool the anode offgas once, and heat energy for reheating from the temperature range to the power generation temperature. Was necessary. In addition, when condensate is recovered and used as water for reforming the raw material gas, in addition to the heat energy for heating this water to the use temperature again, heat energy for vaporizing this water is required. there were. As the heat energy source, exhaust heat of a fuel cell has been used.

本発明は、上記事実を考慮して、燃料電池の排熱を従来よりも有効利用できるようにして、構成を簡素化しつつシステムの効率を高めることを目的とする。   In view of the above-described facts, the present invention aims to increase the efficiency of the system while simplifying the configuration so that the exhaust heat of the fuel cell can be used more effectively than before.

一例として、多段式燃料電池システムは、原料ガスを水蒸気改質して水素を含む燃料ガスを生成する燃料処理装置と、前記燃料処理装置から供給される前記燃料ガスを用いて発電を行う第１燃料電池と、前記第１燃料電池から排出され前記第１燃料電池において未反応の前記燃料ガスを含むオフガスから、水蒸気を気体の状態で除去する水蒸気分離膜と、前記オフガスから前記水蒸気を除去した再生燃料ガスを用いて発電を行う第２燃料電池とを有し、前記燃料処理装置は、前記水蒸気分離膜で除去された前記水蒸気を用いて前記原料ガスを改質し、前記燃料ガスを生成する。 As an example, the multistage fuel cell system includes a fuel processing device that generates a fuel gas containing hydrogen by steam reforming a raw material gas, and a first power generation that uses the fuel gas supplied from the fuel processing device. A fuel cell, a water vapor separation membrane that removes water vapor in a gaseous state from an off gas containing the fuel gas that has been discharged from the first fuel cell and has not reacted in the first fuel cell, and the water vapor is removed from the off gas A second fuel cell that generates power using the regenerated fuel gas, and the fuel processing device reforms the raw material gas using the water vapor removed by the water vapor separation membrane to generate the fuel gas To do.

この多段式燃料電池システムでは、燃料処理装置において、水蒸気改質により、原料ガスから水素を含む燃料ガスが生成される。この燃料ガスは、第１燃料電池に供給される。第１燃料電池では、燃料ガスを用いて発電が行われる。第１燃料電池から排出されるオフガスは、未反応の燃料ガス及び水蒸気等を含んでいる。この水蒸気は、水蒸気分離膜により、気体の状態でオフガスから除去される。これにより、水素濃度が高められた再生燃料ガスが生成される。第２燃料電池では、この再生燃料ガスを用いて発電が行われる。   In this multistage fuel cell system, a fuel gas containing hydrogen is generated from a raw material gas by steam reforming in a fuel processor. This fuel gas is supplied to the first fuel cell. In the first fuel cell, power generation is performed using fuel gas. The off gas discharged from the first fuel cell contains unreacted fuel gas, water vapor, and the like. The water vapor is removed from the off-gas in a gaseous state by the water vapor separation membrane. Thereby, the regenerated fuel gas with increased hydrogen concentration is generated. In the second fuel cell, power is generated using this regenerated fuel gas.

また、この多段式燃料電池システムでは、オフガス中の水蒸気が、水蒸気分離膜により、気体の状態で該オフガスから除去されるので、水の凝縮に必要な温度までオフガスを冷却する必要がない。従って、再生燃料ガスを第２燃料電池に適した発電温度まで加熱する際の加熱幅が小さくなる。従って、再生燃料ガスを加熱するための熱交換器等を簡素化でき、追加の加熱装置を不要とすることができる。また、従来再生燃料ガスの加熱に使用されていた熱エネルギーを、給湯や、熱処理装置での改質反応（吸熱反応）等に有効利用できるようになる。   Further, in this multistage fuel cell system, the water vapor in the off gas is removed from the off gas in a gaseous state by the water vapor separation membrane, so it is not necessary to cool the off gas to a temperature necessary for water condensation. Therefore, the heating width when heating the regenerated fuel gas to the power generation temperature suitable for the second fuel cell is reduced. Therefore, a heat exchanger or the like for heating the regenerated fuel gas can be simplified, and an additional heating device can be eliminated. In addition, the heat energy that has been conventionally used for heating the regenerated fuel gas can be effectively used for hot water supply, a reforming reaction (endothermic reaction) in a heat treatment apparatus, or the like.

更に、この多段式燃料電池システムでは、燃料処理装置が、水蒸気分離膜で除去された水蒸気を用いて原料ガスを改質し、燃料ガスを生成するので、システムの水自立化を図ることができる。   Further, in this multistage fuel cell system, the fuel processing device reforms the raw material gas using the water vapor removed by the water vapor separation membrane to generate the fuel gas, so that the system can be water independent. .

なお、前述の多段式燃料電池システムにおいて、前記水蒸気分離膜で除去された前記水蒸気が、気体のまま前記燃料処理装置での改質反応に用いられることもできる。 In the above-described multistage fuel cell system, the water vapor removed by the water vapor separation membrane can be used in a reforming reaction in the fuel processing apparatus as a gas.

この多段式燃料電池システムでは、オフガスから除去された水蒸気が気体のまま燃料処理装置での改質反応に用いられる。従って、水蒸気を凝縮させた水を貯えるための水タンクや、該水を燃料処理装置に向けて送り出すためのポンプが不要となる。   In this multistage fuel cell system, the water vapor removed from the off-gas is used as a gas for the reforming reaction in the fuel processor. Therefore, a water tank for storing water condensed with water vapor and a pump for sending the water toward the fuel processing device are not required.

なお、前述の多段式燃料電池システムにおいて、前記水蒸気分離膜で除去された前記水蒸気は、ブロワを用いて、前記燃料処理装置に供給又は前記原料ガスに混入されることもできる。 In the above-described multistage fuel cell system, the water vapor removed by the water vapor separation membrane can be supplied to the fuel processing apparatus or mixed into the raw material gas using a blower.

この多段式燃料電池システムでは、オフガスから除去された水蒸気が気体のままブロワにより送られ、燃料処理装置に供給又は原料ガスに混入されて、燃料処理装置での改質反応に用いられる。   In this multistage fuel cell system, the water vapor removed from the off-gas is sent as a gas by a blower, supplied to the fuel processing apparatus or mixed in the raw material gas, and used for the reforming reaction in the fuel processing apparatus.

なお、前述の多段式燃料電池システムにおいて、前記水蒸気分離膜の透過側に前記原料ガスを流し、前記水蒸気分離膜で除去された前記水蒸気を前記原料ガスに混入して、前記燃料処理装置に供給することもできる。 In the above-described multistage fuel cell system, the raw material gas is allowed to flow on the permeate side of the water vapor separation membrane, the water vapor removed by the water vapor separation membrane is mixed into the raw material gas, and supplied to the fuel processing device. You can also

この多段式燃料電池システムでは、水蒸気分離膜で除去された水蒸気が、該水蒸気分離膜の透過側に流される原料ガスに直接混入されて、燃料処理装置での改質反応に用いられる。   In this multi-stage fuel cell system, the water vapor removed by the water vapor separation membrane is directly mixed into the raw material gas flowing on the permeate side of the water vapor separation membrane and used for the reforming reaction in the fuel processor.

なお、前述の多段式燃料電池システムにおいて、前記再生燃料ガス、前記原料ガス、空気、前記水蒸気、及び該水蒸気を凝縮した水の少なくとも１つと前記オフガスとの間で熱交換を行い、前記オフガスを冷却すると共に前記再生燃料ガス、前記原料ガス、前記空気、前記水蒸気、及び該水蒸気を凝縮した前記水の少なくとも１つを加熱する熱交換器を有することもできる。 In the above-described multistage fuel cell system, heat exchange is performed between at least one of the regenerated fuel gas, the raw material gas, air, the water vapor, and water condensed with the water vapor, and the off gas. It is also possible to have a heat exchanger that cools and heats at least one of the regenerated fuel gas, the raw material gas, the air, the water vapor, and the water condensed with the water vapor.

この多段式燃料電池システムでは、再生燃料ガス、原料ガス、空気、水蒸気、及び該水蒸気を凝縮した水の少なくとも１つとオフガスとの間で、熱交換器による熱交換が行われる。この熱交換器は、水蒸気分離膜に至る前のオフガスを該水蒸気分離膜に適した温度に向けて冷却する。   In this multistage fuel cell system, heat exchange is performed by a heat exchanger between at least one of regenerated fuel gas, raw material gas, air, water vapor, and water condensed with the water vapor and off gas. This heat exchanger cools off-gas before reaching the water vapor separation membrane toward a temperature suitable for the water vapor separation membrane.

なお、前述の多段式燃料電池システムにおいて、前記オフガスが流れるオフガス経路において、前記熱交換器の上流側及び下流側の少なくとも一方に設けられ、前記オフガスから二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去部を有し、前記再生燃料ガスは、前記オフガスから前記水蒸気及び前記二酸化炭素を除去したものであってもよい。 In the above-described multistage fuel cell system, a carbon dioxide removal unit that removes carbon dioxide from the offgas is provided in at least one of the upstream side and the downstream side of the heat exchanger in the offgas path through which the offgas flows. and, wherein the renewable fuel gas may I der obtained by removing the water vapor and the carbon dioxide from the off-gas.

この多段式燃料電池システムでは、オフガス中の水蒸気が除去されるだけでなく、オフガス中の二酸化炭素が二酸化炭素除去部により除去されて再生燃料ガスが生成されるので、該再生燃料ガスを用いて発電を行う第２燃料電池の性能を向上させることができる。   In this multi-stage fuel cell system, not only the water vapor in the off gas is removed, but also the carbon dioxide in the off gas is removed by the carbon dioxide removal unit to generate the regenerated fuel gas. The performance of the second fuel cell that generates power can be improved.

なお、前述の多段式燃料電池システムにおいて、前記水蒸気分離膜は、前記オフガスから前記水蒸気及び二酸化炭素を除去するものであり、前記再生燃料ガスは、前記オフガスから前記水蒸気及び前記二酸化炭素を除去したものであってもよい。 In the above multistage fuel cell system, the water vapor separation membrane removes the water vapor and carbon dioxide from the off gas, and the regenerated fuel gas removes the water vapor and carbon dioxide from the off gas. may I Monodea.

この多段式燃料電池システムでは、水蒸気分離膜により、オフガス中の水蒸気及び二酸化炭素が除去される。従って、二酸化炭素除去部を別途設ける必要がない。
請求項１に係る多段式燃料電池システムは、水素を含む燃料ガスを用いて発電を行う第１燃料電池と、前記第１燃料電池から排出され前記第１燃料電池において未反応の前記燃料ガスを含むオフガスから、水の凝縮点よりも高い温度で使用される水蒸気分離膜を用いて水蒸気を除去した再生燃料ガスを用いて発電を行う第２燃料電池と、前記再生燃料ガス、原料ガス、空気、前記水蒸気、及び該水蒸気を凝縮した水の少なくとも１つと前記オフガスとの間で熱交換を行い、前記オフガスを水の凝縮点よりも高い温度へ冷却すると共に前記再生燃料ガス、前記原料ガス、前記空気、前記水蒸気、及び該水蒸気を凝縮した前記水の少なくとも１つを加熱する熱交換器と、を有する。
請求項２に係る多段式燃料電池システムは、前記オフガスが流れるオフガス経路において、前記熱交換器の上流側及び下流側の少なくとも一方に設けられ、前記オフガスから二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去部を有し、前記再生燃料ガスは、前記オフガスから前記水蒸気及び前記二酸化炭素を除去したものである。
請求項３に係る多段式燃料電池システムは、水素を含む燃料ガスを用いて発電を行う第１燃料電池と、前記第１燃料電池から排出され前記第１燃料電池において未反応の前記燃料ガスを含むオフガスから、水蒸気を気体の状態で除去する水蒸気分離膜と、前記オフガスから前記水蒸気を除去した再生燃料ガスを用いて発電を行う第２燃料電池と、前記第２燃料電池において未反応の前記再生燃料ガスを含むオフガスを燃焼させる燃焼器と、を有し、前記水蒸気分離膜は、前記オフガスから前記水蒸気及び二酸化炭素を除去するものであり、前記再生燃料ガスは、前記オフガスから前記水蒸気及び前記二酸化炭素を除去したものであり、前記水蒸気分離膜で前記オフガスから除去されたガス中の水蒸気を凝縮させた後のガスを前記燃焼器へ供給する。
請求項４に係る多段式燃料電池システムは、前記水蒸気分離膜で分離された水蒸気を凝縮させた水を貯留する水タンク、を有する。
請求項５に係る多段式燃料電池システムは、前記水タンクから気化器へ水を供給するポンプを備えている。
請求項６に係る多段式燃料電池システムは、前記第１燃料電池のカソードへ酸化ガスを供給すると共に、前記第１燃料電池のカソードから排出されたカソードオフガスを前記第２燃料電池のカソードへ供給する空気供給経路と、を有する。 In this multistage fuel cell system, water vapor and carbon dioxide in the off-gas are removed by the water vapor separation membrane. Therefore, it is not necessary to separately provide a carbon dioxide removal unit.
A multi-stage fuel cell system according to claim 1 includes a first fuel cell that generates power using a fuel gas containing hydrogen, and the unreacted fuel gas discharged from the first fuel cell. A second fuel cell that generates power using the regenerated fuel gas from which the water vapor has been removed using a water vapor separation membrane that is used at a temperature higher than the condensation point of water from the off gas contained, and the regenerated fuel gas, the raw material gas, and the air Heat exchange between the off-gas and at least one of the water vapor and water condensed with the water-vapor, and the off-gas is cooled to a temperature higher than the condensation point of water and the regenerated fuel gas, the raw material gas, A heat exchanger that heats at least one of the air, the water vapor, and the water condensed with the water vapor.
The multistage fuel cell system according to claim 2 is provided with a carbon dioxide removing unit that is provided on at least one of an upstream side and a downstream side of the heat exchanger and removes carbon dioxide from the offgas in an offgas path through which the offgas flows. And the regenerated fuel gas is obtained by removing the water vapor and the carbon dioxide from the off-gas.
A multi-stage fuel cell system according to claim 3 includes a first fuel cell that generates power using a fuel gas containing hydrogen, and the unreacted fuel gas discharged from the first fuel cell. A water vapor separation membrane that removes water vapor from the off gas in a gaseous state, a second fuel cell that generates power using the regenerated fuel gas from which the water vapor has been removed from the off gas, and the unreacted in the second fuel cell A combustor that burns off-gas containing regenerated fuel gas, wherein the water vapor separation membrane removes the water vapor and carbon dioxide from the off gas, and the regenerated fuel gas comprises the water vapor and the off gas. The carbon dioxide is removed, and the gas after the water vapor in the gas removed from the off-gas is condensed by the water vapor separation membrane is supplied to the combustor. That.
A multistage fuel cell system according to a fourth aspect includes a water tank for storing water obtained by condensing water vapor separated by the water vapor separation membrane.
A multi-stage fuel cell system according to a fifth aspect includes a pump for supplying water from the water tank to the vaporizer.
The multi-stage fuel cell system according to claim 6 supplies the oxidizing gas to the cathode of the first fuel cell and supplies the cathode off-gas discharged from the cathode of the first fuel cell to the cathode of the second fuel cell. An air supply path.

本発明に係る多段式燃料電池システムによれば、燃料電池の排熱を従来よりも有効利用できるようにして、構成を簡素化しつつシステムの効率を高めることができる、という優れた効果が得られる。   According to the multistage fuel cell system according to the present invention, an excellent effect is obtained that the exhaust heat of the fuel cell can be used more effectively than before, and the efficiency of the system can be enhanced while simplifying the configuration. .

第１実施形態に係る多段式燃料電池システムを模式的に示すブロック図である。1 is a block diagram schematically showing a multistage fuel cell system according to a first embodiment. 第２実施形態に係る多段式燃料電池システムを模式的に示すブロック図である。It is a block diagram which shows typically the multistage fuel cell system which concerns on 2nd Embodiment. 第３施形態に係る多段式燃料電池システムを模式的に示すブロック図である。It is a block diagram which shows typically the multistage fuel cell system which concerns on 3rd Embodiment. 第４施形態に係る多段式燃料電池システムを模式的に示すブロック図である。It is a block diagram showing typically the multistage type fuel cell system concerning a 4th embodiment. 第５実施形態に係る多段式燃料電池システムを模式的に示すブロック図である。It is a block diagram which shows typically the multistage fuel cell system which concerns on 5th Embodiment. 第６施形態に係る多段式燃料電池システムを模式的に示すブロック図である。It is a block diagram showing typically the multistage type fuel cell system concerning a 6th embodiment. 第７施形態に係る多段式燃料電池システムを模式的に示すブロック図である。It is a block diagram showing typically the multistage type fuel cell system concerning a 7th embodiment. 第８実施形態に係る多段式燃料電池システムを模式的に示すブロック図である。It is a block diagram which shows typically the multistage type fuel cell system concerning 8th Embodiment. 第９実施形態に係る多段式燃料電池システムを模式的に示すブロック図である。It is a block diagram which shows typically the multistage type fuel cell system concerning 9th Embodiment. 第１０実施形態に係る多段式燃料電池システムを模式的に示すブロック図である。It is a block diagram which shows typically the multistage type fuel cell system concerning 10th Embodiment. 二酸化炭素除去部の原理を模式的に示すブロック図である。It is a block diagram which shows typically the principle of a carbon dioxide removal part.

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づき説明する。   Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.

［第１実施形態］
図１において、本実施形態に係る多段式燃料電池システム１０は、燃料処理装置１４と、第１燃料電池１１と、水蒸気分離膜１６と、第２燃料電池１２とを有している。 [First Embodiment]
In FIG. 1, a multistage fuel cell system 10 according to the present embodiment includes a fuel processing device 14, a first fuel cell 11, a water vapor separation membrane 16, and a second fuel cell 12.

燃料処理装置１４は、メタン等の原料ガスから水素を含む燃料ガスを生成するＦＰＳ（Fuel Processing System）であり、原料ガスから水素を製造する触媒（図示せず）と、触媒を加熱する燃焼器１８とを有している。触媒は改質触媒であり、改質器１９内に設けられている。改質器１９には、原料ガス経路２４が接続されており、該原料ガス経路２４を通じて原料ガスが供給されるようになっている。原料ガス経路２４には、原料ガスを送るためのブロワ２５が設けられている。また、原料ガス経路２４におけるブロワ２５と改質器１９との間には、後述する第２熱交換器２２が設けられており、原料ガスは該第２熱交換器２２により加熱されるようになっている。   The fuel processing device 14 is an FPS (Fuel Processing System) that generates a fuel gas containing hydrogen from a raw material gas such as methane, a catalyst (not shown) that produces hydrogen from the raw material gas, and a combustor that heats the catalyst. 18. The catalyst is a reforming catalyst and is provided in the reformer 19. A raw material gas path 24 is connected to the reformer 19, and a raw material gas is supplied through the raw material gas path 24. A blower 25 for sending the source gas is provided in the source gas path 24. In addition, a second heat exchanger 22 described later is provided between the blower 25 and the reformer 19 in the raw material gas path 24 so that the raw material gas is heated by the second heat exchanger 22. It has become.

また、改質器１９には、水供給経路２８が接続されており、該水供給経路２８には水タンク２６に接続されている。水タンク２６は、水蒸気分離膜１６で除去された水蒸気を凝縮した水３８が貯められる容器である。水供給経路２８には、例えばポンプ３２と、気化器３４とが設けられている。ポンプ３２は、水タンク２６内の水３８を水供給経路２８へ送りだすものである。気化器３４は、ポンプ３２の下流側に設けられ、水供給経路２８に送り出された水３８を気化させて水蒸気を生成するものである。改質器１９は、この水供給経路２８を通じて供給された水蒸気を利用して、原料ガスを改質して、水素を含む燃料ガスを生成するようになっている。つまり、燃料処理装置１４は、水蒸気分離膜１６で除去された水蒸気を用いて原料ガスを改質し、燃料ガスを生成するようになっている。そして、この燃料ガスは、燃料ガス経路４２を通じて、第１燃料電池１１のアノード（図示せず）へ供給されるようになっている。   In addition, a water supply path 28 is connected to the reformer 19, and the water supply path 28 is connected to a water tank 26. The water tank 26 is a container in which water 38 obtained by condensing the water vapor removed by the water vapor separation membrane 16 is stored. In the water supply path 28, for example, a pump 32 and a vaporizer 34 are provided. The pump 32 feeds the water 38 in the water tank 26 to the water supply path 28. The vaporizer 34 is provided on the downstream side of the pump 32 and vaporizes the water 38 sent to the water supply path 28 to generate water vapor. The reformer 19 uses the water vapor supplied through the water supply path 28 to reform the raw material gas to generate a fuel gas containing hydrogen. That is, the fuel processing device 14 reforms the raw material gas using the water vapor removed by the water vapor separation membrane 16 to generate the fuel gas. The fuel gas is supplied to the anode (not shown) of the first fuel cell 11 through the fuel gas path 42.

燃料処理装置１４の燃焼器１８には、空気供給経路４４と、オフガス経路４６とが接続されている。この燃焼器１８は、空気供給経路４４を通じて供給された空気と、オフガス経路４６を通じて供給されたバーナガス（後述するオフガス）との混合ガスを燃焼させ、改質器１９内の触媒を加熱する。燃焼器１８からの排気は、排気経路４８を通じて排出される。   An air supply path 44 and an offgas path 46 are connected to the combustor 18 of the fuel processor 14. The combustor 18 burns a mixed gas of air supplied through the air supply path 44 and burner gas (off gas described later) supplied through the off gas path 46, and heats the catalyst in the reformer 19. Exhaust gas from the combustor 18 is exhausted through an exhaust path 48.

第１燃料電池１１は、燃料処理装置１４から供給される燃料ガスを用いて発電を行う、例えば燃料電池スタックである。この第１燃料電池１１は、例えば７５０℃程度で作動する高温型の燃料電池（固体酸化物形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池）である。図示は省略するが、第１燃料電池１１は、電解質層と、該電解質層の表裏面にそれぞれ積層されたアノード及びカソードとを有している。アノードは燃料極であり、カソードは空気極である。   The first fuel cell 11 is, for example, a fuel cell stack that generates power using the fuel gas supplied from the fuel processing device 14. The first fuel cell 11 is a high-temperature fuel cell (solid oxide fuel cell, molten carbonate fuel cell) that operates at about 750 ° C., for example. Although not shown, the first fuel cell 11 has an electrolyte layer, and an anode and a cathode laminated on the front and back surfaces of the electrolyte layer, respectively. The anode is a fuel electrode, and the cathode is an air electrode.

カソードには、空気供給経路４４を通じて空気（酸化ガス）が供給される。このカソードでは、酸素と炭酸ガス（溶融炭酸塩形燃料電池の場合のみ）と電子が、電解質層で電気化学的に反応して酸素イオン（固体酸化物形燃料電池の場合）や炭酸イオン（溶融炭酸塩形燃料電池の場合）となり、電解質膜を移動する。   Air (oxidizing gas) is supplied to the cathode through the air supply path 44. In this cathode, oxygen, carbon dioxide (only for molten carbonate fuel cells) and electrons react electrochemically in the electrolyte layer to produce oxygen ions (for solid oxide fuel cells) and carbonate ions (melted). In the case of a carbonate fuel cell), and moves the electrolyte membrane.

一方、アノードには、燃料ガス経路４２を通じて、燃料処理装置１４から燃料ガスが供給される。このアノードでは、水素が電解質層を移動してきた炭酸イオンや酸素イオンと反応し、水、炭酸ガス（溶融炭酸塩形燃料電池の場合のみ）、電子が生成される。アノードで生成された電子は、外部回路を通ってカソードに移動する。   On the other hand, fuel gas is supplied to the anode from the fuel processing device 14 through the fuel gas path 42. In this anode, hydrogen reacts with carbonate ions and oxygen ions that have moved through the electrolyte layer, and water, carbon dioxide gas (only in the case of a molten carbonate fuel cell), and electrons are generated. Electrons generated at the anode move to the cathode through an external circuit.

そして、このようにして電子がアノードからカソードに移動することにより、第１燃料電池１１において発電が行われる。カソードでの未反応ガスは、下流側の空気供給経路４４を通じて第２燃料電池１２へ供給される。   Then, as the electrons move from the anode to the cathode in this way, power generation is performed in the first fuel cell 11. Unreacted gas at the cathode is supplied to the second fuel cell 12 through the air supply path 44 on the downstream side.

水蒸気分離膜１６は、第１燃料電池１１から排出され第１燃料電池１１において未反応の燃料ガスを含むオフガスから、水蒸気を気体の状態で除去するものである。水蒸気分離膜１６は、オフガス経路５２に設けられており、水の凝縮点よりも高い温度（例えば１００℃以上）で、オフガスから水蒸気を除去することができる。水蒸気分離膜１６の種類としては、高分子系、高分子−無機分子ハイブリッド膜、ゼオライト系があり、例えば表１に示されるように、１００℃以上での水蒸気分離を行った実績が報告されている。   The water vapor separation membrane 16 removes water vapor from the first fuel cell 11 in the gaseous state from the off-gas containing the unreacted fuel gas in the first fuel cell 11. The water vapor separation membrane 16 is provided in the off gas path 52 and can remove water vapor from the off gas at a temperature higher than the condensation point of water (for example, 100 ° C. or higher). As the types of the water vapor separation membrane 16, there are a polymer system, a polymer-inorganic molecule hybrid membrane, and a zeolite system. For example, as shown in Table 1, the results of performing the water vapor separation at 100 ° C. or higher have been reported. Yes.

再生燃料ガスは、再生燃料ガス経路５４を通じて、第２燃料電池１２へ供給されるようになっている。再生燃料ガス経路５４には、第１熱交換器２１が設けられている。この第１熱交換器２１は、オフガス経路５２を流れるオフガスと、再生燃料ガス経路５４を流れる再生燃料ガスとの間で熱交換を行い、オフガスを例えば２００℃程度に冷却すると共に再生燃料ガスを第２燃料電池１２の作動温度に対応して再度加熱するものである。   The regenerated fuel gas is supplied to the second fuel cell 12 through the regenerated fuel gas path 54. The first heat exchanger 21 is provided in the regenerated fuel gas path 54. The first heat exchanger 21 exchanges heat between the off gas flowing through the off gas path 52 and the regenerated fuel gas flowing through the regenerated fuel gas path 54 to cool the off gas to, for example, about 200 ° C. The second fuel cell 12 is reheated in accordance with the operating temperature.

一方、オフガス経路５２における水蒸気分離膜１６の下流側には、第２熱交換器２２及び水タンク２６が設けられている。水蒸気分離膜１６で除去された水蒸気は、第２熱交換器２２で冷却され、水タンク２６で凝縮されて水３８となり、該水タンク２６に貯えられるようになっている。水タンク２６の上部にはオフガス経路４６が接続されている。水タンク２６で凝縮しない二酸化炭素等のガスは、該オフガス経路４６を通じて、燃料処理装置１４の燃焼器１８へ供給されるようになっている。第２熱交換器２２は、原料ガス経路２４を流れる原料ガスと、オフガス経路５２を流れるオフガスとの間で熱交換を行い、オフガスを冷却すると共に原料ガスを加熱するものである。   On the other hand, a second heat exchanger 22 and a water tank 26 are provided on the downstream side of the water vapor separation membrane 16 in the off gas passage 52. The water vapor removed by the water vapor separation membrane 16 is cooled by the second heat exchanger 22, condensed in the water tank 26 to become water 38, and stored in the water tank 26. An off-gas path 46 is connected to the upper part of the water tank 26. A gas such as carbon dioxide that does not condense in the water tank 26 is supplied to the combustor 18 of the fuel processor 14 through the off-gas passage 46. The second heat exchanger 22 performs heat exchange between the raw material gas flowing through the raw material gas path 24 and the off gas flowing through the off gas path 52 to cool the off gas and heat the raw material gas.

この他、空気又は水蒸気と、オフガスとの間で熱交換を行う熱交換器を設けてもよい。つまり、本実施形態における熱交換器は、再生燃料ガス、原料ガス、空気、水蒸気、及び該水蒸気を凝縮した水３８の少なくとも１つとオフガスとの間で熱交換を行うものである。   In addition, a heat exchanger that performs heat exchange between air or water vapor and off-gas may be provided. That is, the heat exchanger according to the present embodiment performs heat exchange between at least one of the regenerated fuel gas, the raw material gas, the air, the water vapor, and the water 38 condensed with the water vapor and the off gas.

第２燃料電池１２は、オフガスから水蒸気を除去した再生燃料ガスを用いて発電を行う、例えば燃料電池スタックである。この第２燃料電池１２は、例えば７５０℃程度で作動する高温型の燃料電池（固体酸化物形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池）である。図示は省略するが、第２燃料電池１２も、第１燃料電池１１と同様に、電解質層と、該電解質層の表裏面にそれぞれ積層されたアノード及びカソードとを有している。アノードには、再生燃料ガス経路５４を通じて、再生燃料ガスが供給される。   The second fuel cell 12 is, for example, a fuel cell stack that generates power using a regenerated fuel gas obtained by removing water vapor from off-gas. The second fuel cell 12 is a high-temperature fuel cell (solid oxide fuel cell, molten carbonate fuel cell) that operates at about 750 ° C., for example. Although not shown, the second fuel cell 12 also has an electrolyte layer, and an anode and a cathode respectively laminated on the front and back surfaces of the electrolyte layer, like the first fuel cell 11. Regenerated fuel gas is supplied to the anode through the regenerated fuel gas path 54.

第２燃料電池１２の作動原理は、第１燃料電池１１と同様であり、再生燃料ガスを用いて発電が行われる。反応によってカソードで生成された空気は、下流側の空気供給経路４４を通じて、燃料処理装置１４の燃焼器１８へ供給される。   The operation principle of the second fuel cell 12 is the same as that of the first fuel cell 11, and power generation is performed using the regenerated fuel gas. The air generated at the cathode by the reaction is supplied to the combustor 18 of the fuel processor 14 through the downstream air supply path 44.

（作用）
本実施形態は、上記のように構成されており、以下その作用について説明する。図１において、本実施形態に係る多段式燃料電池システム１０では、燃料処理装置１４において、原料ガスから水素を含む燃料ガスが生成される。具体的には、燃料処理装置１４において、改質器１９内の触媒を燃焼器１８で加熱することで、原料ガスが例えば水蒸気改質されて、水素を含む燃料ガスが生成される。改質には、水タンク２６から水供給経路２８を通じて供給される水３８を気化器３４で気化させた水蒸気を利用することができる。 (Function)
This embodiment is configured as described above, and the operation thereof will be described below. In FIG. 1, in the multistage fuel cell system 10 according to the present embodiment, a fuel gas containing hydrogen is generated from a raw material gas in a fuel processing device 14. Specifically, in the fuel processor 14, the catalyst in the reformer 19 is heated by the combustor 18, so that the raw material gas is steam-reformed, for example, and a fuel gas containing hydrogen is generated. For reforming, steam obtained by vaporizing water 38 supplied from the water tank 26 through the water supply path 28 with the vaporizer 34 can be used.

燃料処理装置１４で生成された燃料ガスは、燃料ガス経路４２を通じて第１燃料電池１１へ供給される。第１燃料電池１１では、燃料ガスを用いて発電が行われる。第１燃料電池１１から排出されるオフガスは、未反応の燃料ガス及び水蒸気等を含んでいる。この水蒸気は、水蒸気分離膜１６により、気体の状態でオフガスから除去される。これにより、水素濃度が高められた再生燃料ガスが生成される。再生燃料ガスは、再生燃料ガス経路５４を通じて、第２燃料電池１２へ供給される。第２燃料電池１２では、この再生燃料ガスを用いて発電が行われる。   The fuel gas generated by the fuel processor 14 is supplied to the first fuel cell 11 through the fuel gas path 42. In the first fuel cell 11, power generation is performed using fuel gas. The off gas discharged from the first fuel cell 11 includes unreacted fuel gas, water vapor, and the like. The water vapor is removed from the off-gas in a gaseous state by the water vapor separation membrane 16. Thereby, the regenerated fuel gas with increased hydrogen concentration is generated. The regenerated fuel gas is supplied to the second fuel cell 12 through the regenerated fuel gas path 54. In the second fuel cell 12, electric power is generated using this regenerated fuel gas.

なお、オフガス経路５２を流れるオフガスと、再生燃料ガス経路５４を流れる再生燃料ガスとの間では、第１熱交換器２１による熱交換が行われる。この第１熱交換器２１は、水蒸気分離膜１６に至る前のオフガスを該水蒸気分離膜１６に適した温度に向けて冷却すると共に、第２燃料電池１２に至る前の再生燃料ガスを第２燃料電池１２の発電温度に適した温度に向けて加熱する。   Note that heat exchange by the first heat exchanger 21 is performed between the off-gas flowing through the off-gas path 52 and the regenerated fuel gas flowing through the regenerated fuel gas path 54. The first heat exchanger 21 cools off-gas before reaching the water vapor separation membrane 16 to a temperature suitable for the water vapor separation membrane 16, and secondly regenerates the fuel gas before reaching the second fuel cell 12. The fuel cell 12 is heated to a temperature suitable for the power generation temperature.

水蒸気分離膜１６で除去された水蒸気は、オフガス経路５２における水蒸気分離膜１６の下流側に流れ、第２熱交換器２２により冷却され、更に水タンク２６で凝縮されて水３８となり、該水タンク２６に貯えられる。水タンク２６に所定量以上の水３８が貯まった際には、例えばオーバーフローによりドレン排水される。水タンク２６で凝縮しない二酸化炭素等のガスは、オフガス経路４６を通じて、燃料処理装置１４の燃焼器１８へ供給される。
第２熱交換器２２は、原料ガス経路２４を流れる原料ガスと、オフガス経路５２を流れるオフガスとの間で熱交換を行い、オフガスを冷却すると共に原料ガスを加熱する。第２熱交換器２２により原料ガスを加熱することで、従来再生燃料ガスの加熱に使用されていた熱エネルギーを、燃料処理装置１４での改質反応（吸熱反応）に有効利用できる。 The water vapor removed by the water vapor separation membrane 16 flows to the downstream side of the water vapor separation membrane 16 in the off-gas path 52, is cooled by the second heat exchanger 22, and is further condensed in the water tank 26 to become the water 38. 26 is stored. When a predetermined amount or more of water 38 is stored in the water tank 26, it is drained by overflow, for example. A gas such as carbon dioxide that does not condense in the water tank 26 is supplied to the combustor 18 of the fuel processor 14 through the off-gas passage 46.
The second heat exchanger 22 performs heat exchange between the raw material gas flowing through the raw material gas path 24 and the off gas flowing through the off gas path 52 to cool the off gas and heat the raw material gas. Heating the raw material gas by the second heat exchanger 22 can effectively use the heat energy conventionally used for heating the regenerated fuel gas for the reforming reaction (endothermic reaction) in the fuel processing device 14.

本実施形態に係る多段式燃料電池システム１０では、オフガス中の水蒸気が、水蒸気分離膜１６により、気体の状態で該オフガスから除去されるので、水の凝縮に必要な温度までオフガスを冷却する必要がない。従って、再生燃料ガスを第２燃料電池１２に適した発電温度まで加熱する際の加熱幅が小さくなる。本実施形態の場合、再生燃料ガスを２００℃から７５０℃へ昇温するので、加熱幅は例えば５５０℃である。従って、再生燃料ガスを加熱するための第１熱交換器２１等を簡素化でき、追加の加熱装置を不要とすることができる。また、従来再生燃料ガスの加熱に使用されていた熱エネルギーを、給湯等に有効利用できるようになる。   In the multistage fuel cell system 10 according to the present embodiment, the water vapor in the off gas is removed from the off gas in a gaseous state by the water vapor separation membrane 16, and therefore it is necessary to cool the off gas to a temperature necessary for water condensation. There is no. Therefore, the heating width when heating the regenerated fuel gas to the power generation temperature suitable for the second fuel cell 12 is reduced. In the case of this embodiment, the regeneration fuel gas is heated from 200 ° C. to 750 ° C., so the heating width is, for example, 550 ° C. Therefore, the first heat exchanger 21 for heating the regenerated fuel gas can be simplified, and an additional heating device can be dispensed with. In addition, the heat energy conventionally used for heating the regenerated fuel gas can be effectively used for hot water supply or the like.

水タンク２６の水３８は、ポンプ３２により水供給経路２８へ送り出され、気化器３４で気化されて水蒸気となり、燃料処理装置１４の改質器１９へ供給される。改質器１９は、この水供給経路２８を通じて供給された水蒸気を利用して、原料ガスを改質して、水素を含む燃料ガスを生成することができる。この水蒸気は、元は水蒸気分離膜１６で除去された水蒸気である。このように、本実施形態では、燃料処理装置１４が、水蒸気分離膜１６で除去された水蒸気を用いて原料ガスを改質するので、システムの水自立化を図ることができる。   The water 38 in the water tank 26 is sent out to the water supply path 28 by the pump 32, is vaporized by the vaporizer 34, becomes steam, and is supplied to the reformer 19 of the fuel processor 14. The reformer 19 can reform the raw material gas using the water vapor supplied through the water supply path 28 to generate a fuel gas containing hydrogen. This water vapor is the water vapor originally removed by the water vapor separation membrane 16. Thus, in this embodiment, since the fuel processing apparatus 14 reforms raw material gas using the water vapor | steam removed by the water vapor | steam separation membrane 16, the water self-supporting of a system can be achieved.

このように、本実施形態に係る多段式燃料電池システム１０では、燃料電池の排熱を従来よりも有効利用できるようにして、構成を簡素化しつつシステムの効率を高めることができる。   Thus, in the multistage fuel cell system 10 according to the present embodiment, the exhaust heat of the fuel cell can be used more effectively than before, and the efficiency of the system can be enhanced while simplifying the configuration.

［第２実施形態］
図２において、本実施形態に係る多段式燃料電池システム２０では、水蒸気分離膜１６で除去された水蒸気が、気体のまま燃料処理装置１４での改質反応に用いられる構成となっている。具体的には、オフガス経路５２における水蒸気分離膜１６の下流側が、水供給経路２８を通じて、例えば燃料処理装置１４の改質器１９に直接接続されている。水供給経路２８には、ブロワ３３が設けられている。水蒸気分離膜１６で除去された水蒸気は、このブロワ３３を用いて、燃料処理装置１４の改質器１９に供される。水供給経路２８には、第１実施形態における第２熱交換器２２（図１）が設けられていないので、原料ガスは、燃料処理装置１４の改質器１９に直接供給される。なお、水供給経路２８を原料ガス経路２４に接続して、水蒸気を原料ガスに混入するようにしてもよい。 [Second Embodiment]
In FIG. 2, the multistage fuel cell system 20 according to the present embodiment has a configuration in which the water vapor removed by the water vapor separation membrane 16 is used for the reforming reaction in the fuel processing device 14 in the form of gas. Specifically, the downstream side of the water vapor separation membrane 16 in the off-gas path 52 is directly connected to, for example, the reformer 19 of the fuel processing apparatus 14 through the water supply path 28. A blower 33 is provided in the water supply path 28. The water vapor removed by the water vapor separation membrane 16 is supplied to the reformer 19 of the fuel processor 14 using the blower 33. Since the water supply path 28 is not provided with the second heat exchanger 22 (FIG. 1) in the first embodiment, the raw material gas is directly supplied to the reformer 19 of the fuel processing device 14. The water supply path 28 may be connected to the source gas path 24 so that water vapor is mixed into the source gas.

これにより、水蒸気分離膜１６でオフガスから除去された水蒸気が気体のまま改質器１９で原料ガスと混合されて改質される。従って、第１実施形態における水タンク２６やポンプ３２（図１）が不要となるので、システムの構成が簡素となる。   As a result, the water vapor removed from the off-gas by the water vapor separation membrane 16 is reformed by being mixed with the raw material gas by the reformer 19 in the form of gas. Therefore, the water tank 26 and the pump 32 (FIG. 1) in the first embodiment are not necessary, and the system configuration is simplified.

他の部分については、第１実施形態と同様であるので、同一の部分には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。   Since other parts are the same as those in the first embodiment, the same parts are denoted by the same reference numerals in the drawings, and the description thereof is omitted.

［第３実施形態］
図３において、本実施形態に係る多段式燃料電池システム３０では、第２実施形態と同様に、水蒸気分離膜１６で除去された水蒸気が、気体のまま原料ガスと混合される構成となっている。具体的には、オフガス経路５２が水蒸気分離膜１６のフィード側１６Ａに配置され、原料ガス経路２４が水蒸気分離膜１６の透過側１６Ｂに通されている。 [Third Embodiment]
In FIG. 3, the multistage fuel cell system 30 according to the present embodiment is configured such that the water vapor removed by the water vapor separation membrane 16 is mixed with the raw material gas as it is, as in the second embodiment. . Specifically, the off-gas passage 52 is disposed on the feed side 16A of the water vapor separation membrane 16, and the source gas passage 24 is passed through the permeation side 16B of the water vapor separation membrane 16.

オフガス経路５２を通るオフガス中の水蒸気は、水蒸気分離膜１６をフィード側１６Ａから透過側１６Ｂへ矢印Ａ方向に通過し、該透過側１６Ｂに流される原料ガスに気体のまま直接混合される。この原料ガス及び水蒸気は、ブロワ２５により燃料処理装置１４の改質器１９へ供給されて改質され、燃料ガスとなる。従って、第２実施形態における水供給経路２８及びブロワ３３（図２）が不要となるので、システムの構成が更に簡素となる。   The water vapor in the off gas passing through the off gas passage 52 passes through the water vapor separation membrane 16 from the feed side 16A to the permeation side 16B in the direction of arrow A, and is directly mixed with the raw material gas flowing to the permeation side 16B as a gas. This raw material gas and water vapor are supplied to the reformer 19 of the fuel processor 14 by the blower 25 and reformed to become fuel gas. Therefore, the water supply path 28 and the blower 33 (FIG. 2) in the second embodiment are not necessary, and the system configuration is further simplified.

他の部分については、第１実施形態又は第２実施形態と同様であるので、同一の部分には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。   Since other parts are the same as those in the first embodiment or the second embodiment, the same parts are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted.

［第４実施形態］
図４において、本実施形態に係る多段式燃料電池システム４０は、第１実施形態に、二酸化炭素除去部５６を追加して構成されている。この二酸化炭素除去部５６は、オフガスが流れるオフガス経路５２において、第１熱交換器２１の上流側（高温部）に設けられ、オフガス中の二酸化炭素を除去するものである。第１熱交換器２１を通過する前のオフガスは７５０℃程度と比較的高温であるので、二酸化炭素除去部５６としては、この温度で使用可能なものが選択される。二酸化炭素除去部５６は、オフガス経路４６に接続されている。 [Fourth Embodiment]
In FIG. 4, the multistage fuel cell system 40 according to the present embodiment is configured by adding a carbon dioxide removing unit 56 to the first embodiment. The carbon dioxide removing unit 56 is provided on the upstream side (high temperature part) of the first heat exchanger 21 in the offgas path 52 through which the offgas flows, and removes carbon dioxide in the offgas. Since the off-gas before passing through the first heat exchanger 21 is a relatively high temperature of about 750 ° C., the carbon dioxide removal unit 56 that can be used at this temperature is selected. The carbon dioxide removal unit 56 is connected to the off gas path 46.

第２燃料電池１２に供給される再生燃料ガスは、オフガスから二酸化炭素及び水蒸気を除去したものである。具体的には、オフガス経路５２を通るオフガスは、まず二酸化炭素除去部５６において二酸化炭素が除去され、第１熱交換器２１で冷却された後、水蒸気分離膜１６において水蒸気が除去されて、再生燃料ガスとなる。   The regenerated fuel gas supplied to the second fuel cell 12 is obtained by removing carbon dioxide and water vapor from off-gas. Specifically, the off-gas passing through the off-gas path 52 is first regenerated by removing the carbon dioxide in the carbon dioxide removing unit 56 and cooling it in the first heat exchanger 21 and then removing the water vapor in the water vapor separation membrane 16. It becomes fuel gas.

二酸化炭素除去部５６でオフガスから除去された二酸化炭素は、オフガス経路４６を通じて、燃料処理装置１４の燃焼器１８へ供給される。   The carbon dioxide removed from the off gas by the carbon dioxide removing unit 56 is supplied to the combustor 18 of the fuel processing apparatus 14 through the off gas path 46.

この多段式燃料電池システム４０では、オフガス中の水蒸気が除去されるだけでなく、オフガス中の二酸化炭素が除去されて再生燃料ガスが生成されるので、該再生燃料ガスを用いて発電を行う第２燃料電池１２の性能を向上させることができる。   In the multistage fuel cell system 40, not only water vapor in the off gas is removed, but also carbon dioxide in the off gas is removed to generate regenerated fuel gas. Therefore, the second fuel cell system 40 generates power using the regenerated fuel gas. 2 The performance of the fuel cell 12 can be improved.

他の部分については、第１実施形態と同様であるので、同一の部分には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。   Since other parts are the same as those in the first embodiment, the same parts are denoted by the same reference numerals in the drawings, and the description thereof is omitted.

［第５実施形態］
図５において、本実施形態に係る多段式燃料電池システム５０は、第２実施形態と同様に、水蒸気分離膜１６で除去された水蒸気が、気体のまま原料ガスと混合される構成となっている。また、第４実施形態と同様に、オフガスが流れるオフガス経路５２において、第１熱交換器２１の上流側（高温部）に、二酸化炭素除去部５６が設けられている。 [Fifth Embodiment]
In FIG. 5, the multistage fuel cell system 50 according to the present embodiment is configured such that the water vapor removed by the water vapor separation membrane 16 is mixed with the raw material gas as it is, as in the second embodiment. . Similarly to the fourth embodiment, a carbon dioxide removal unit 56 is provided on the upstream side (high temperature part) of the first heat exchanger 21 in the off gas path 52 through which the off gas flows.

水蒸気分離膜１６でオフガスから除去された水蒸気が気体のまま改質器１９で原料ガスと混合されて改質されるので、第１実施形態における水タンク２６やポンプ３２（図１）が不要となるので、システムの構成が簡素となる。   Since the water vapor removed from the off-gas by the water vapor separation membrane 16 is reformed by being mixed with the raw material gas in the reformer 19, the water tank 26 and the pump 32 (FIG. 1) in the first embodiment are not necessary. Therefore, the system configuration is simplified.

また、オフガス中の水蒸気が除去されるだけでなく、オフガス中の二酸化炭素が除去されて再生燃料ガスが生成されるので、該再生燃料ガスを用いて発電を行う第２燃料電池１２の性能を向上させることができる。   Further, not only the water vapor in the off gas is removed, but also the carbon dioxide in the off gas is removed to generate the regenerated fuel gas. Therefore, the performance of the second fuel cell 12 that generates power using the regenerated fuel gas is improved. Can be improved.

他の部分については、第１実施形態、第２実施形態又は第４実施形態と同様であるので、同一の部分には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。   Since other parts are the same as those in the first embodiment, the second embodiment, or the fourth embodiment, the same parts are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted.

［第６実施形態］
図６において、本実施形態に係る多段式燃料電池システム６０は、第３実施形態と同様に、水蒸気分離膜１６で除去された水蒸気が、気体のまま原料ガスと直接混合される構成となっている。また、第４実施形態と同様に、オフガスが流れるオフガス経路５２において、第１熱交換器２１の上流側（高温部）に、二酸化炭素除去部５６が設けられている。 [Sixth Embodiment]
In FIG. 6, the multistage fuel cell system 60 according to this embodiment has a configuration in which the water vapor removed by the water vapor separation membrane 16 is directly mixed with the raw material gas in the same manner as in the third embodiment. Yes. Similarly to the fourth embodiment, a carbon dioxide removal unit 56 is provided on the upstream side (high temperature part) of the first heat exchanger 21 in the off gas path 52 through which the off gas flows.

オフガス経路５２を通るオフガス中の水蒸気は、原料ガス経路２４を通る原料ガスに気体のまま直接混合される。この原料ガス及び水蒸気は、ブロワ２５により燃料処理装置１４の改質器１９へ供給されて改質され、燃料ガスとなる。従って、第２実施形態における水供給経路２８及びブロワ３３（図２）が不要となるので、システムの構成が更に簡素となる。   The water vapor in the off gas passing through the off gas path 52 is directly mixed with the raw material gas passing through the raw gas path 24 in the form of a gas. This raw material gas and water vapor are supplied to the reformer 19 of the fuel processor 14 by the blower 25 and reformed to become fuel gas. Therefore, the water supply path 28 and the blower 33 (FIG. 2) in the second embodiment are not necessary, and the system configuration is further simplified.

また、オフガス中の水蒸気が除去されるだけでなく、オフガス中の二酸化炭素が除去されて再生燃料ガスが生成されるので、該再生燃料ガスを用いて発電を行う第２燃料電池１２の性能を向上させることができる。   Further, not only the water vapor in the off gas is removed, but also the carbon dioxide in the off gas is removed to generate the regenerated fuel gas. Therefore, the performance of the second fuel cell 12 that generates power using the regenerated fuel gas is improved. Can be improved.

他の部分については、第１実施形態、第３実施形態又は第４実施形態と同様であるので、同一の部分には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。   The other parts are the same as those in the first embodiment, the third embodiment, or the fourth embodiment, and thus the same parts are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted.

［第７実施形態］
図７において、本実施形態に係る多段式燃料電池システム７０は、第４実施形態において、二酸化炭素除去部５６を、オフガス経路５２における第１熱交換器２１の下流側に設けたものである。第１熱交換器２１を通過したオフガスは２００℃程度と比較的低温であるので、二酸化炭素除去部５６としては、この温度で使用可能なものが選択される。 [Seventh Embodiment]
In FIG. 7, the multistage fuel cell system 70 according to the present embodiment has a carbon dioxide removing unit 56 provided on the downstream side of the first heat exchanger 21 in the off-gas path 52 in the fourth embodiment. Since the off-gas that has passed through the first heat exchanger 21 is at a relatively low temperature of about 200 ° C., the carbon dioxide removal unit 56 that can be used at this temperature is selected.

第１熱交換器２１の下流側における二酸化炭素除去部５６の位置は、水蒸気分離膜１６の上流側でも下流側でもよい。二酸化炭素除去部５６が、二酸化炭素を吸収して除去する形式の場合には、該二酸化炭素除去部５６を、水蒸気分離膜１６下流側に配置することができる。   The position of the carbon dioxide removal unit 56 on the downstream side of the first heat exchanger 21 may be upstream or downstream of the water vapor separation membrane 16. When the carbon dioxide removal unit 56 absorbs and removes carbon dioxide, the carbon dioxide removal unit 56 can be disposed on the downstream side of the water vapor separation membrane 16.

しかしながら、二酸化炭素除去部５６が電気化学分離によって二酸化炭素を除去する形式の場合には、該二酸化炭素除去部５６は、水蒸気分離膜１６の上流側に配置する必要がある。これは、電気化学分離に水が必要とされるため、水蒸気が除去された後では二酸化炭素を除去できなくなるためである。   However, in the case where the carbon dioxide removing unit 56 is of a type that removes carbon dioxide by electrochemical separation, the carbon dioxide removing unit 56 needs to be disposed upstream of the water vapor separation membrane 16. This is because water is required for electrochemical separation, and carbon dioxide cannot be removed after the water vapor is removed.

ここで、二酸化炭素除去部５６が電気化学分離式である場合の原理について簡単に説明する。図１１に示されるように、二酸化炭素除去部５６は、アノード６２と、電解質膜６４と、カソード６６とを有し、アノード６２とカソード６６の間に電解質膜６４が挟まれている。アノード６２とカソード６６には、電源５８が接続されている。この電源としては、第１燃料電池１１又は第２燃料電池１２を用いることができる。アノード６２には、オフガス経路５２が接続されている。カソード６６の一方には空気供給経路６８が接続され、他方にはオフガス経路４６が接続されている。アノード６２及びカソード６６に電圧を印加すると、アノード６２とカソード６６で夫々次のような反応が生じ、二酸化炭素が除去される。   Here, the principle in the case where the carbon dioxide removing unit 56 is an electrochemical separation type will be briefly described. As shown in FIG. 11, the carbon dioxide removing unit 56 includes an anode 62, an electrolyte membrane 64, and a cathode 66, and the electrolyte membrane 64 is sandwiched between the anode 62 and the cathode 66. A power source 58 is connected to the anode 62 and the cathode 66. As the power source, the first fuel cell 11 or the second fuel cell 12 can be used. An off gas path 52 is connected to the anode 62. An air supply path 68 is connected to one of the cathodes 66, and an off-gas path 46 is connected to the other. When a voltage is applied to the anode 62 and the cathode 66, the following reactions occur at the anode 62 and the cathode 66, respectively, and carbon dioxide is removed.

アノード６２：２Ｈ２０→２Ｈ２＋０２ ０２＋２Ｃ０２＋２e−→ＣＯ３−２
カソード６６：ＣＯ３−２→０２＋２Ｃ０２＋２e− Anode 62: 2H20 → 2H2 + 02 02 + 2C02 + 2e− → CO3-2
Cathode 66: CO3-2 → 02 + 2C02 + 2e−

これによりオフガスから除去された二酸化炭素等は、空気供給経路６８から供給される空気によりパージされてオフガス経路４６へ排出される。   Thus, carbon dioxide or the like removed from the off gas is purged by the air supplied from the air supply path 68 and discharged to the off gas path 46.

本実施形態に係る多段式燃料電池システム７０では、オフガス経路５２を通るオフガスが、まず第１熱交換器２１で冷却された後、二酸化炭素除去部５６において二酸化炭素が除去され、水蒸気分離膜１６において水蒸気が除去されて、再生燃料ガスとなる。   In the multistage fuel cell system 70 according to the present embodiment, the off-gas passing through the off-gas path 52 is first cooled by the first heat exchanger 21, and then carbon dioxide is removed by the carbon dioxide removal unit 56, and the water vapor separation membrane 16. In this case, the water vapor is removed to become a regenerated fuel gas.

この多段式燃料電池システム７０では、オフガス中の水蒸気が除去されるだけでなく、オフガス中の二酸化炭素が除去されて再生燃料ガスが生成されるので、該再生燃料ガスを用いて発電を行う第２燃料電池１２の性能を向上させることができる。   In the multi-stage fuel cell system 70, not only water vapor in the off gas is removed, but also carbon dioxide in the off gas is removed to generate regenerated fuel gas. Therefore, the second fuel cell system 70 generates power using the regenerated fuel gas. 2 The performance of the fuel cell 12 can be improved.

他の部分については、第１実施形態又は第４実施形態と同様であるので、同一の部分には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。   Since other parts are the same as those in the first embodiment or the fourth embodiment, the same parts are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.

［第８実施形態］
図８において、本実施形態に係る多段式燃料電池システム８０は、第５実施形態において、二酸化炭素除去部５６を、オフガス経路５２における第１熱交換器２１の下流側（低温部）に設けたものである。 [Eighth Embodiment]
In FIG. 8, the multistage fuel cell system 80 according to the present embodiment includes the carbon dioxide removal unit 56 on the downstream side (low temperature portion) of the first heat exchanger 21 in the off-gas path 52 in the fifth embodiment. Is.

水蒸気分離膜１６でオフガスから除去された水蒸気が気体のまま改質器１９で原料ガスと混合されて改質されるので、第１実施形態における水タンク２６やポンプ３２（図１）が不要となるので、システムの構成が簡素となる。   Since the water vapor removed from the off-gas by the water vapor separation membrane 16 is reformed by being mixed with the raw material gas in the reformer 19, the water tank 26 and the pump 32 (FIG. 1) in the first embodiment are not necessary. Therefore, the system configuration is simplified.

また、オフガス中の水蒸気が除去されるだけでなく、オフガス中の二酸化炭素が除去されて再生燃料ガスが生成されるので、該再生燃料ガスを用いて発電を行う第２燃料電池１２の性能を向上させることができる。   Further, not only the water vapor in the off gas is removed, but also the carbon dioxide in the off gas is removed to generate the regenerated fuel gas. Therefore, the performance of the second fuel cell 12 that generates power using the regenerated fuel gas is improved. Can be improved.

他の部分については、第１実施形態、第２実施形態、第４実施形態又は第５実施形態と同様であるので、同一の部分には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。   The other parts are the same as those in the first embodiment, the second embodiment, the fourth embodiment, or the fifth embodiment, and therefore the same parts are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted.

［第９実施形態］
図９において、本実施形態に係る多段式燃料電池システム９０は、第６実施形態において、二酸化炭素除去部５６を、オフガス経路５２における第１熱交換器２１の下流側に設けたものである。 [Ninth Embodiment]
In FIG. 9, the multistage fuel cell system 90 according to the present embodiment is the one in which the carbon dioxide removal unit 56 is provided on the downstream side of the first heat exchanger 21 in the off-gas path 52 in the sixth embodiment.

オフガス経路５２を通るオフガス中の水蒸気は、原料ガス経路２４を通る原料ガスに気体のまま直接混合される。この原料ガス及び水蒸気は、ブロワ２５により燃料処理装置１４の改質器１９へ供給されて改質され、燃料ガスとなる。従って、第２実施形態における水供給経路２８及びブロワ３３（図２）が不要となるので、システムの構成が更に簡素となる。   The water vapor in the off gas passing through the off gas path 52 is directly mixed with the raw material gas passing through the raw gas path 24 in the form of a gas. This raw material gas and water vapor are supplied to the reformer 19 of the fuel processor 14 by the blower 25 and reformed to become fuel gas. Therefore, the water supply path 28 and the blower 33 (FIG. 2) in the second embodiment are not necessary, and the system configuration is further simplified.

また、オフガス中の水蒸気が除去されるだけでなく、オフガス中の二酸化炭素が除去されて再生燃料ガスが生成されるので、該再生燃料ガスを用いて発電を行う第２燃料電池１２の性能を向上させることができる。   Further, not only the water vapor in the off gas is removed, but also the carbon dioxide in the off gas is removed to generate the regenerated fuel gas. Therefore, the performance of the second fuel cell 12 that generates power using the regenerated fuel gas is improved. Can be improved.

他の部分については、第１実施形態、第３実施形態、第４実施形態又は第６実施形態と同様であるので、同一の部分には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。   Other parts are the same as those in the first embodiment, the third embodiment, the fourth embodiment, or the sixth embodiment, and therefore, the same parts are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

［第１０実施形態］
図１０において、本実施形態に係る多段式燃料電池システム１００では、第１実施形態において、水蒸気分離膜１６が、オフガスから水蒸気及び二酸化炭素を除去するものとなっている。水蒸気分離膜１６として、「Zi Tong et al., "Water vapor and CO2 transport through amine-containing facilitated transport membranes", Reactive & Functional Polymers (2014)に記載の膜を用いることができる。 [Tenth embodiment]
In FIG. 10, in the multistage fuel cell system 100 according to the present embodiment, in the first embodiment, the water vapor separation membrane 16 removes water vapor and carbon dioxide from off-gas. As the water vapor separation membrane 16, a membrane described in “Zi Tong et al.,“ Water vapor and CO2 transport through amine-containing facilitated transport membranes ”, Reactive & Functional Polymers (2014) can be used.

オフガス経路５２を通るオフガスは、まず第１熱交換器２１で冷却された後、水蒸気分離膜１６において水蒸気及び二酸化炭素が除去されて、再生燃料ガスとなる。   The off-gas passing through the off-gas path 52 is first cooled by the first heat exchanger 21, and then the water vapor and carbon dioxide are removed from the water vapor separation membrane 16 to become regenerated fuel gas.

本実施形態では、水蒸気分離膜１６により、オフガス中の水蒸気及び二酸化炭素が除去されるので、二酸化炭素除去部５６（第４実施形態から第９実施形態）を別途設ける必要がない。このため、システムを更に簡素化することができる。   In the present embodiment, since the water vapor and carbon dioxide in the off-gas are removed by the water vapor separation membrane 16, it is not necessary to separately provide the carbon dioxide removing unit 56 (fourth to ninth embodiments). For this reason, the system can be further simplified.

他の部分については、第１実施形態と同様であるので、同一の部分には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。   Since other parts are the same as those in the first embodiment, the same parts are denoted by the same reference numerals in the drawings, and the description thereof is omitted.

［実施例］
第１燃料電池（ＳＯＦＣ１）及び第２燃料電池（ＳＯＦＣ２）が、直列に配置された２段式の多段式燃料電池システムにおいて、従来例と、第１燃料電池のオフガスから水蒸気（Ｈ２０）のみを回収した場合、二酸化炭素（ＣＯ２）を回収した場合、その両方（水蒸気及び二酸化炭素）を回収した場合について、夫々解析を行った。 [Example]
In a two-stage multi-stage fuel cell system in which the first fuel cell (SOFC1) and the second fuel cell (SOFC2) are arranged in series, only the water vapor (H20) is generated from the conventional example and the off-gas of the first fuel cell. When recovered, carbon dioxide (CO 2) was recovered, and both (water vapor and carbon dioxide) were recovered, respectively.

なお、従来例は、凝縮器を用いて、オフガスから水蒸気を除去する構成である。水蒸気のみを回収する構成は、第１〜第３実施形態に相当する。水蒸気及び二酸化炭素を回収する構成は、第４〜第１０実施形態に相当する。   Note that the conventional example has a configuration in which water vapor is removed from off-gas using a condenser. The configuration for collecting only water vapor corresponds to the first to third embodiments. The configuration for collecting water vapor and carbon dioxide corresponds to the fourth to tenth embodiments.

ＳＯＦＣスタックでの反応は、７５０℃での平衡反応とした。改質器に供給される単位時間当たりの水蒸気の分子数Ｓと、改質器に供給される単位時間当たりの原料ガスの炭素原子数Ｃとの比であるスチームカーボン比（Ｓ／Ｃ）を、２．５とした。   The reaction in the SOFC stack was an equilibrium reaction at 750 ° C. Steam carbon ratio (S / C), which is the ratio between the number S of water vapor molecules per unit time supplied to the reformer and the number C of carbon atoms in the raw material gas per unit time supplied to the reformer 2.5.

表２に、各々の場合の開回路電圧（ＯＣＶ：Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）を解析した結果を示す。表２において、開回路電圧とは、燃料電池に負荷をかけていない状態の両端子間の電圧である。Ｕｆは、有効に利用された燃料の割合（燃料利用率）である。平均ＯＣＶとは、燃料電池スタックの入口部のＯＣＶと出口部のＯＣＶの平均である。   Table 2 shows the result of analyzing the open circuit voltage (OCV) in each case. In Table 2, the open circuit voltage is the voltage between both terminals when no load is applied to the fuel cell. Uf is the proportion of fuel that has been used effectively (fuel utilization rate). The average OCV is the average of the OCV at the inlet and the OCV at the outlet of the fuel cell stack.

この結果、何れの場合でも、従来例と比較して、ＳＯＦＣ２の平均ＯＣＶが向上し、これに伴って全体ＯＣＶも向上することがわかった。特に、水蒸気及び二酸化炭素を回収する場合は顕著である。   As a result, it was found that in any case, the average OCV of SOFC2 was improved as compared with the conventional example, and the overall OCV was improved accordingly. This is particularly noticeable when steam and carbon dioxide are recovered.

また、水蒸気を除去するために凝縮器を用いる従来例と比較して、本実施形態のように水蒸気分離膜を用いることで、再生燃料ガスの加熱幅を小さくすることができる。２００℃で使用可能な水蒸気分離膜を用いて、オフガスから水のみを除去したと仮定すると、１０ｋＷ級のＳＯＦＣシステムにおいて、２１０Ｗの熱的メリットが生じると試算された。また、回収した水を凝縮せず、水蒸気のまま改質用に燃料処理装置に供給したと仮定すると、１０ｋＷ級のＳＯＦＣシステムにおいて、２．２３ｋＷの熱的メリットが生じると試算された。   In addition, the heating width of the regenerated fuel gas can be reduced by using the water vapor separation membrane as in the present embodiment as compared with the conventional example in which a condenser is used to remove water vapor. Assuming that only water was removed from off-gas using a water vapor separation membrane usable at 200 ° C., it was estimated that a thermal merit of 210 W would occur in a 10 kW class SOFC system. Further, assuming that the recovered water was not condensed and supplied to the fuel processor for reforming as steam, it was estimated that a thermal merit of 2.23 kW would occur in a 10 kW class SOFC system.

［他の実施形態］
以上、本発明の一例について説明したが、本発明の実施形態は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。 [Other Embodiments]
As mentioned above, although an example of the present invention has been described, the embodiment of the present invention is not limited to the above, and it can be implemented with various modifications within the scope not departing from the gist of the present invention. Of course.

例えば第１実施形態等において、第１熱交換器２１が設けられるものとしたが、オフガスの冷却装置と、再生燃料ガスの加熱装置を設けて、第１熱交換器２１を設けない構成としてもよい。   For example, in the first embodiment or the like, the first heat exchanger 21 is provided. However, an off-gas cooling device and a regenerative fuel gas heating device may be provided, and the first heat exchanger 21 may not be provided. Good.

燃料処理装置１４が、水蒸気分離膜１６で除去された水蒸気を用いて原料ガスを改質するものとしたが、他から供給される水蒸気を用いて改質を行ってもよい。   Although the fuel processing apparatus 14 reforms the raw material gas using the steam removed by the steam separation membrane 16, the reforming may be performed using steam supplied from another.

１０…多段式燃料電池システム、１１…第１燃料電池、１２…第２燃料電池、１４…燃料処理装置、１６…水蒸気分離膜、１６Ｂ…透過側、２０…多段式燃料電池システム、２１…第１熱交換器（熱交換器）、２２…第２熱交換器（熱交換器）、３０…多段式燃料電池システム、３８…水、４０…多段式燃料電池システム、５０…多段式燃料電池システム、５２…オフガス経路、５６…二酸化炭素除去部、６０…多段式燃料電池システム、７０…多段式燃料電池システム、８０…多段式燃料電池システム、９０…多段式燃料電池システム、１００…多段式燃料電池システム DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Multistage type fuel cell system, 11 ... 1st fuel cell, 12 ... 2nd fuel cell, 14 ... Fuel processing apparatus, 16 ... Water vapor separation membrane, 16B ... Permeate side, 20 ... Multistage type fuel cell system, 21 ... First 1 heat exchanger (heat exchanger), 22 ... second heat exchanger (heat exchanger), 30 ... multi-stage fuel cell system, 38 ... water, 40 ... multi-stage fuel cell system, 50 ... multi-stage fuel cell system , 52 ... off-gas route, 56 ... carbon dioxide removal unit, 60 ... multistage fuel cell system, 70 ... multistage fuel cell system, 80 ... multistage fuel cell system, 90 ... multistage fuel cell system, 100 ... multistage fuel Battery system

Claims (6)

水素を含む燃料ガスを用いて発電を行う第１燃料電池と、
前記第１燃料電池から排出され前記第１燃料電池において未反応の前記燃料ガスを含むオフガスから、水の凝縮点よりも高い温度で使用される水蒸気分離膜を用いて水蒸気を除去した再生燃料ガスを用いて発電を行う第２燃料電池と、
前記再生燃料ガス、原料ガス、空気、前記水蒸気、及び該水蒸気を凝縮した水の少なくとも１つと前記オフガスとの間で熱交換を行い、前記オフガスを水の凝縮点よりも高い温度へ冷却すると共に前記再生燃料ガス、前記原料ガス、前記空気、前記水蒸気、及び該水蒸気を凝縮した前記水の少なくとも１つを加熱する熱交換器と、
を有する多段式燃料電池システム。 A first fuel cell that generates power using a fuel gas containing hydrogen;
Regenerated fuel gas obtained by removing water vapor from an off-gas containing the fuel gas that has been discharged from the first fuel cell and has not reacted in the first fuel cell, using a water vapor separation membrane that is used at a temperature higher than the condensation point of water. A second fuel cell that generates electricity using
Heat exchange is performed between at least one of the regenerated fuel gas, raw material gas, air, water vapor, and water condensed with the water vapor and the off gas, and the off gas is cooled to a temperature higher than the condensation point of water. A heat exchanger for heating at least one of the regenerated fuel gas, the raw material gas, the air, the water vapor, and the water condensed with the water vapor;
A multi-stage fuel cell system. 前記オフガスが流れるオフガス経路において、前記熱交換器の上流側及び下流側の少なくとも一方に設けられ、前記オフガスから二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去部を有し、
前記再生燃料ガスは、前記オフガスから前記水蒸気及び前記二酸化炭素を除去したものである請求項１に記載の多段式燃料電池システム。 In the off-gas path through which the off-gas flows, the carbon dioxide removing unit is provided on at least one of the upstream side and the downstream side of the heat exchanger and removes carbon dioxide from the off-gas,
The multistage fuel cell system according to claim 1, wherein the regenerated fuel gas is obtained by removing the water vapor and the carbon dioxide from the off gas. 水素を含む燃料ガスを用いて発電を行う第１燃料電池と、
前記第１燃料電池から排出され前記第１燃料電池において未反応の前記燃料ガスを含むオフガスから、水蒸気を気体の状態で除去する水蒸気分離膜と、
前記オフガスから前記水蒸気を除去した再生燃料ガスを用いて発電を行う第２燃料電池と、
前記第２燃料電池において未反応の前記再生燃料ガスを含むオフガスを燃焼させる燃焼器と、を有し、
前記水蒸気分離膜は、前記オフガスから前記水蒸気及び二酸化炭素を除去するものであり、
前記再生燃料ガスは、前記オフガスから前記水蒸気及び前記二酸化炭素を除去したものであり、
前記水蒸気分離膜で前記オフガスから除去されたガス中の水蒸気を凝縮させた後のガスを前記燃焼器へ供給する、
る多段式燃料電池システム。 A first fuel cell that generates power using a fuel gas containing hydrogen;
A water vapor separation membrane for removing water vapor in a gaseous state from an off-gas containing the fuel gas that has been discharged from the first fuel cell and has not reacted in the first fuel cell;
A second fuel cell that generates power using the regenerated fuel gas obtained by removing the water vapor from the off gas;
A combustor for burning off-gas containing the unreacted regenerated fuel gas in the second fuel cell,
The water vapor separation membrane is for removing the water vapor and carbon dioxide from the off gas,
The regenerated fuel gas is obtained by removing the water vapor and the carbon dioxide from the off gas,
Supplying the gas after condensing water vapor in the gas removed from the off-gas by the water vapor separation membrane to the combustor,
Multistage fuel cell system. 前記水蒸気分離膜で分離された水蒸気を凝縮させた水を貯留する水タンク、
を有する、請求項３に記載の多段式燃料電池システム。 A water tank for storing water condensed with water vapor separated by the water vapor separation membrane;
The multistage fuel cell system according to claim 3, comprising: 前記水タンクから気化器へ水を供給するポンプを備えた、請求項４に記載の多段式燃料電池システム。 The multistage fuel cell system according to claim 4, further comprising a pump for supplying water from the water tank to the vaporizer. 前記第１燃料電池のカソードへ酸化ガスを供給すると共に、前記第１燃料電池のカソードから排出されたカソードオフガスを前記第２燃料電池のカソードへ供給する空気供給経路と、
を有する請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の多段式燃料電池システム。 An air supply path for supplying an oxidizing gas to the cathode of the first fuel cell and supplying a cathode off-gas discharged from the cathode of the first fuel cell to the cathode of the second fuel cell;
The multistage fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, comprising:
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