JP6734455B1 - Fuel cell unit and fuel cell system - Google Patents

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Abstract

【課題】簡易な構成で燃料極オフガスの二酸化炭素濃度を高める。【解決手段】燃料電池システム10Aは、燃料流路26Aの燃料極22Aよりも下流に位置する燃料極流路27Aと、燃料極流路27Aと円筒基体30を挟んで隣接し空気流路28Aと連通する空気極流路29Aとの間に設けられ、燃料極流路27Aから空気極流路29Aへ水素イオンを透過させる水素イオン透過膜36を有する水素透過部30と、燃料極流路27Aから排出されるオフガスを回収する二酸化炭素回収部16と、を有する。【選択図】図3PROBLEM TO BE SOLVED: To increase the carbon dioxide concentration of a fuel electrode off-gas with a simple structure. A fuel cell system (10A) includes a fuel electrode channel (27A) located downstream of a fuel electrode (22A) in a fuel channel (26A), and an air channel (28A) adjacent to the fuel electrode channel (27A) with a cylindrical substrate (30) in between. A hydrogen permeable portion 30 having a hydrogen ion permeable membrane 36 that is provided between the air electrode channel 29A and the fuel electrode channel 27A and allows hydrogen ions to permeate from the fuel electrode channel 27A to the air electrode channel 29A. A carbon dioxide recovery unit 16 for recovering the discharged off-gas. [Selection diagram]

Description

本発明は燃料電池ユニット、及び燃料電池システムに関し、特に炭素化合物燃料を用いて発電を行う燃料電池ユニット、及び燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell unit and a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell unit and a fuel cell system that generate electricity using a carbon compound fuel.

燃料電池システムにおいて、炭素化合物燃料を用いる場合には、燃料電池セルスタックの燃料極から排出される燃料極オフガスに二酸化炭素が含まれている。この二酸化炭素を回収することが行われているが、燃料極オフガスには二酸化炭素以外の成分が混在している。そこで、例えば、特許文献1には、燃料極オフガスを酸素燃焼させ、さらに水蒸気を凝縮により除去して二酸化炭素を回収する技術が開示されている。 When a carbon compound fuel is used in the fuel cell system, carbon dioxide is contained in the fuel electrode off-gas discharged from the fuel electrode of the fuel cell stack. Although this carbon dioxide is being collected, components other than carbon dioxide are mixed in the fuel electrode off-gas. Therefore, for example, Patent Document 1 discloses a technique of recovering carbon dioxide by burning the fuel electrode off-gas with oxygen and further removing steam by condensation.

特許5581240号Patent 5581240

特許文献1のように、燃料極オフガスを酸素燃焼させることにより、燃料極オフガス中の水素や炭化水素化合物を減少させることができる。この場合、より簡易な構成で燃料極オフガスから水素を減じることが求められる。 By burning the fuel electrode off-gas with oxygen as in Patent Document 1, hydrogen and hydrocarbon compounds in the fuel electrode off-gas can be reduced. In this case, it is required to reduce hydrogen from the fuel electrode off-gas with a simpler configuration.

変量
本発明は上記事実を考慮して成されたもので、簡易な構成で燃料極オフガスの二酸化炭素濃度を高めることを目的とする。
Variables The present invention has been made in consideration of the above facts, and an object thereof is to increase the carbon dioxide concentration of the fuel electrode off-gas with a simple configuration.

請求項1に係る燃料電池ユニットは、炭素化合物を燃料として発電する円筒型固体酸化物形の燃料電池ユニットであって、筒状とされ、燃料極、電解質膜、及び空気極が積層された燃料電池セルを有する円筒基体と、前記円筒基体の筒内と筒外のいずれか一方に位置し炭素化合物を含む燃料ガスが流通する燃料流路と、前記円筒基体の筒内と筒外のいずれか他方に位置し酸素を含む酸化剤ガスが流通する空気流路と、前記燃料極よりも下流において前記円筒基体に積層され、前記燃料流路の前記燃料極よりも下流側に位置して二酸化炭素回収部へ気体を送出する燃料極流路と前記空気流路と連通する空気極流路との間でのイオン移動により前記燃料極流路の水素を減じる水素除去部と、を備えている。 The fuel cell unit according to claim 1 is a cylindrical solid oxide fuel cell unit that uses a carbon compound as a fuel to generate electric power, and has a tubular shape, in which a fuel electrode, an electrolyte membrane, and an air electrode are stacked. A cylindrical substrate having battery cells, a fuel flow path located inside or outside the cylindrical substrate and through which a fuel gas containing a carbon compound flows, and either inside or outside the cylindrical substrate. An air flow path located on the other side, through which an oxidant gas containing oxygen flows, and is laminated on the cylindrical substrate downstream of the fuel electrode, and carbon dioxide is positioned downstream of the fuel electrode of the fuel flow path. And a hydrogen removing unit configured to reduce hydrogen in the fuel electrode passage by ion movement between the fuel electrode passage for sending gas to the recovery unit and the air electrode passage communicating with the air passage.

請求項1に係る燃料電池ユニットは、円筒基体の筒内と筒外のいずれか一方に燃料流路が形成され、他方に空気流路が形成されている。円筒基体には燃料極よりも下流側に水素除去部か積層されており、燃料極流路と空気極流路との間でのイオン移動により燃料極流路の水素が減じられる。イオン移動は、燃料極流路から空気極流路への水素イオン移動でもよいし、空気極流路から燃料極流路への酸素イオン移動でもよい。酸素イオンが移動する場合には、燃料極流路の水素との酸化反応により水素が減じられる。 In the fuel cell unit according to the first aspect, the fuel flow path is formed inside or outside the cylinder of the cylindrical substrate, and the air flow path is formed on the other side. A hydrogen removing portion is laminated on the cylindrical substrate downstream of the fuel electrode, and hydrogen in the fuel electrode passage is reduced by ion movement between the fuel electrode passage and the air electrode passage. The ion transfer may be hydrogen ion transfer from the fuel electrode channel to the air electrode channel, or oxygen ion transfer from the air electrode channel to the fuel electrode channel. When oxygen ions move, hydrogen is reduced due to an oxidation reaction with hydrogen in the fuel electrode passage.

このように、円筒基体に水素除去部を積層して形成することにより、簡易な構成で燃料極オフガスの二酸化炭素濃度を高めることができる。 In this way, by stacking and forming the hydrogen removing portion on the cylindrical substrate, it is possible to increase the carbon dioxide concentration of the fuel electrode off-gas with a simple structure.

請求項2に係る燃料電池ユニットは、前記水素除去部は、前記燃料極流路側から前記空気極流路側へ水素イオンを透過させる水素イオン透過膜を有している。 In the fuel cell unit according to a second aspect, the hydrogen removing unit has a hydrogen ion permeable membrane that allows hydrogen ions to permeate from the fuel electrode channel side to the air electrode channel side.

請求項2に係る燃料電池ユニットによれば、燃料極流路側から空気極流路側へ水素イオンを透過させることにより、燃料極オフガスから水素を減じることができる。 According to the fuel cell unit of the second aspect, hydrogen can be reduced from the fuel electrode off-gas by transmitting hydrogen ions from the fuel electrode flow channel side to the air electrode flow channel side.

請求項3に係る燃料電池ユニットは、前記水素イオン透過膜の前記空気極流路側に水素イオン酸化触媒が積層されている。 In the fuel cell unit according to claim 3, a hydrogen ion oxidation catalyst is laminated on the hydrogen ion permeable membrane on the side of the air electrode channel.

請求項3に係る燃料電池ユニットによれば、水素イオン酸化触媒により、空気極流路を流れる酸素と、空気極流路へ移動した水素イオンとの結合による水蒸気の生成が促進される。したがって、空気極流路の水素分圧を低く維持することができ、燃料極流路から空気極流路への水素イオン透過を促進することができる。 In the fuel cell unit according to the third aspect, the hydrogen ion oxidation catalyst promotes the generation of water vapor by the combination of oxygen flowing in the air electrode passage and hydrogen ions moved to the air electrode passage. Therefore, the hydrogen partial pressure of the air electrode channel can be kept low, and hydrogen ion permeation from the fuel electrode channel to the air electrode channel can be promoted.

請求項4に係る燃料電池ユニットは、前記水素除去部は、前記空気極流路側から前記燃料極流路側へ酸素イオンを透過させる酸素イオン透過膜を有している。 In the fuel cell unit according to a fourth aspect, the hydrogen removing section has an oxygen ion permeable membrane that allows oxygen ions to permeate from the air electrode passage side to the fuel electrode passage side.

請求項4に係る燃料電池ユニットによれば、空気極流路側から燃料極流路側へ酸素イオンを透過させることにより、燃料極オフガス中の水素を酸化させて水蒸気を生成することにより水素を減じることができる。また、水素以外の炭化水素化合物を酸化させて減じることもできる。 According to the fuel cell unit of claim 4, oxygen ions permeate from the air electrode flow passage side to the fuel electrode flow passage side to oxidize hydrogen in the fuel electrode off-gas to generate water vapor, thereby reducing hydrogen. You can It is also possible to oxidize and reduce hydrocarbon compounds other than hydrogen.

請求項5に係る燃料電池ユニットは、前記酸素イオン透過膜の前記燃料極流路側に酸化触媒が積層されている。 In the fuel cell unit according to a fifth aspect, an oxidation catalyst is laminated on the oxygen ion permeable membrane on the fuel electrode channel side.

請求項5に係る燃料電池ユニットによれば、燃料極流路を流れる水素と空気極流路側から燃料極流路側へ移動した酸素イオンとの結合による水蒸気の生成が促進される。したがって、燃料極流路の水素分圧を低くすることにより、一酸化炭素と水蒸気とのシフト反応により二酸化炭素と水素が生成される。これにより、燃料極オフガス中の一酸化炭素も減じることができる。 According to the fuel cell unit of the fifth aspect, the generation of water vapor is promoted by the combination of hydrogen flowing in the fuel electrode channel and oxygen ions moved from the air electrode channel side to the fuel electrode channel side. Therefore, by lowering the hydrogen partial pressure in the fuel electrode channel, carbon dioxide and hydrogen are produced by the shift reaction between carbon monoxide and water vapor. As a result, carbon monoxide in the fuel electrode off gas can also be reduced.

請求項6に係る燃料電池ユニットは、前記燃料極流路を流れる気体と前記空気極流路を流れる気体が、並行流である。 In the fuel cell unit according to a sixth aspect, the gas flowing through the fuel electrode passage and the gas flowing through the air electrode passage are in parallel flow.

請求項6に係る燃料電池ユニットによれば、燃料流路の上流側に対応する空気流路部分において、酸素濃度の高い酸化剤ガスが供給されるので、燃料電池セルスタックの発電効率を維持することができる。 According to the fuel cell unit of the sixth aspect, since the oxidant gas having a high oxygen concentration is supplied to the air flow passage portion corresponding to the upstream side of the fuel flow passage, the power generation efficiency of the fuel cell stack is maintained. be able to.

請求項7に係る燃料電池システムは、請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の燃料電池ユニットと、前記燃料極流路から排出される燃料極オフガスを回収する前記二酸化炭素回収部と、を備えている。 Fuel cell system according to claim 7, the fuel cell unit according to any one of claims 1 to 6, wherein the carbon dioxide recovery unit for recovering the fuel electrode off-gas discharged from the fuel electrode flow path And are equipped with.

請求項7の発明に係る燃料電池システムによれば、二酸化炭素回収部で二酸化炭素を回収することができる。 According to the fuel cell system of the invention of claim 7, carbon dioxide can be recovered by the carbon dioxide recovery part.

請求項8に係る燃料電池システムは、前記水素除去部の前記燃料極流路側と前記空気極流路側との間に電流を流す、電流供給部、を備えている。 A fuel cell system according to an eighth aspect includes a current supply unit that causes a current to flow between the hydrogen removing unit between the fuel electrode passage side and the air electrode passage side.

請求項8に係る燃料電池システムによれば、水素除去部に電流を流すことにより、燃料極流路と空気極流路との間におけるイオンの透過を促進することができる。 According to the fuel cell system of the eighth aspect, it is possible to promote the permeation of ions between the fuel electrode passage and the air electrode passage by passing an electric current through the hydrogen removing portion.

請求項9に係る燃料電池システムは、前記燃料極流路の前記水素除去部よりも下流側、且つ前記二酸化炭素回収部よりも上流側に設けられた凝縮器、を備えている。 A fuel cell system according to a ninth aspect of the present invention includes a condenser provided downstream of the hydrogen removal section of the fuel electrode channel and upstream of the carbon dioxide recovery section.

請求項9に係る燃料電池システムによれば、燃料極流路を流れるガスに含まれる水を凝縮器で除去することにより、高濃度の二酸化炭素ガスを得ることができる。 According to the fuel cell system of the ninth aspect, it is possible to obtain a high-concentration carbon dioxide gas by removing water contained in the gas flowing through the fuel electrode passage with the condenser.

本発明の燃料電池ユニット、燃料電池システムによれば、簡易な構成で燃料極オフガスの二酸化炭素濃度を高めることができる。 According to the fuel cell unit and the fuel cell system of the present invention, the carbon dioxide concentration of the fuel electrode off gas can be increased with a simple configuration.

第1実施形態に係る燃料電池システムの概略図である。It is a schematic diagram of a fuel cell system concerning a 1st embodiment. 第1実施形態の燃料電池セルスタックの概略斜視図である。It is a schematic perspective view of the fuel cell stack of 1st Embodiment. 第1実施形態の燃料電池セルスタックの一部断面図である。It is a partial cross section figure of the fuel cell stack of 1st Embodiment. 第1実施形態の変形例に係る燃料電池システムの概略図である。It is a schematic diagram of a fuel cell system concerning a modification of a 1st embodiment. 第2実施形態の燃料電池セルスタックの概略斜視図である。It is a schematic perspective view of the fuel cell stack of 2nd Embodiment. 第2実施形態の燃料電池セルスタックの一部断面図である。It is a partial cross section figure of the fuel cell stack of 2nd Embodiment. 第3実施形態に係る燃料電池セルスタックの一部分解斜視図である。It is a partially exploded perspective view of a fuel cell stack according to a third embodiment. 第3実施形態の燃料電池セルスタックの一部拡大概略図である。It is a partially expanded schematic diagram of the fuel cell stack of 3rd Embodiment. 第4実施形態に係る燃料電池セルスタックの一部分解斜視図である。It is a partially exploded perspective view of the fuel cell stack concerning 4th Embodiment. 第4実施形態の燃料電池セルスタックの一部拡大概略図である。It is a partially expanded schematic diagram of the fuel cell stack of 4th Embodiment.

〔第1実施形態〕
以下、図面を参照して本発明の実施形態の一例を詳細に説明する。
[First Embodiment]
Hereinafter, an example of an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1には、本発明の実施形態に係る燃料電池システム10Aの概略説明図が示されている。燃料電池システム10Aは、主要な構成として、燃料電池セルスタック12A、凝縮器14、二酸化炭素回収部16、及び、電流制御器18を備えている。 FIG. 1 shows a schematic explanatory diagram of a fuel cell system 10A according to an embodiment of the present invention. The fuel cell system 10A includes a fuel cell stack 12A, a condenser 14, a carbon dioxide recovery unit 16, and a current controller 18 as main components.

本発明の燃料電池ユニットとしての燃料電池セルスタック12Aは、電解質層20A、当該電解質層20Aの表裏面にそれぞれ積層された燃料極(アノード)22A、及び空気極(カソード)24A、を有する燃料電池セルを複数有している。燃料電池セルスタック12Aの燃料極22A側には、燃料流路26Aが形成されており、空気極24A側には、空気流路28Aが形成されている。 A fuel cell stack 12A as a fuel cell unit of the present invention is a fuel cell having an electrolyte layer 20A, a fuel electrode (anode) 22A and an air electrode (cathode) 24A that are respectively laminated on the front and back surfaces of the electrolyte layer 20A. It has a plurality of cells. A fuel channel 26A is formed on the fuel electrode 22A side of the fuel cell stack 12A, and an air channel 28A is formed on the air electrode 24A side.

燃料電池セルスタック12Aの燃料流路26Aには、燃料ガス供給管P1が接続されている。燃料ガス供給管P1には、水蒸気供給管P2が合流されており、燃料ガス供給管P1から燃料流路26Aへ水蒸気含有の燃料ガスが供給される。 A fuel gas supply pipe P1 is connected to the fuel flow path 26A of the fuel cell stack 12A. A steam supply pipe P2 is joined to the fuel gas supply pipe P1, and the fuel gas containing steam is supplied from the fuel gas supply pipe P1 to the fuel flow path 26A.

燃料ガスは、炭素化合物を含んでいる。燃料ガスとして、本実施形態ではメタンを用いる例について説明するが、改質により水素を生成可能なガスであれば特に限定されず、炭化水素燃料を用いることができる。炭化水素燃料としては、天然ガス、LPガス(液化石油ガス)、バイオガス、石炭改質ガス、低級炭化水素ガスなどが例示される。低級炭化水素ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭素数4以下の低級炭化水素が挙げられ、本実施形態で用いるメタンが好ましい。なお、炭化水素燃料としては、上述した低級炭化水素ガスを混合したものであってもよく、上述した低級炭化水素ガスは天然ガス、都市ガス、LPガス等のガスであってもよい。燃料ガスに不純物が含まれる場合、脱硫器等が必要になるが、図では省略されている。 The fuel gas contains a carbon compound. In the present embodiment, an example in which methane is used as the fuel gas will be described, but there is no particular limitation as long as it is a gas that can generate hydrogen by reforming, and a hydrocarbon fuel can be used. Examples of hydrocarbon fuels include natural gas, LP gas (liquefied petroleum gas), biogas, coal reformed gas, and lower hydrocarbon gas. Examples of the lower hydrocarbon gas include lower hydrocarbons having 4 or less carbon atoms such as methane, ethane, ethylene, propane and butane, and methane used in the present embodiment is preferable. The hydrocarbon fuel may be a mixture of the above-mentioned lower hydrocarbon gas, and the above-mentioned lower hydrocarbon gas may be a gas such as natural gas, city gas or LP gas. If the fuel gas contains impurities, a desulfurizer or the like is required, but it is omitted in the figure.

燃料電池セルスタック12Aの空気流路28Aには、空気供給管P3が接続されており、空気が供給される。 An air supply pipe P3 is connected to the air flow path 28A of the fuel cell stack 12A to supply air.

燃料極22Aでは、下記(1)式に示すように、燃料ガスが水蒸気改質され、水素と一酸化炭素が生成される。また、下記(2)式に示すように、生成された一酸化炭素と水蒸気とのシフト反応により二酸化炭素と水素が生成される。 At the fuel electrode 22A, the fuel gas is steam-reformed to generate hydrogen and carbon monoxide, as shown in the following formula (1). Further, as shown in the following equation (2), carbon dioxide and hydrogen are produced by the shift reaction between the produced carbon monoxide and water vapor.

CH+HO→3H+CO …(1)
CO+HO→CO+H …(2)
CH 4 +H 2 O→3H 2 +CO (1)
CO+H 2 O→CO 2 +H 2 (2)

そして、燃料極22Aにおいて、下記(3)式に示すように、水素が水素イオンと電子とに分離される。 Then, in the fuel electrode 22A, hydrogen is separated into hydrogen ions and electrons as shown in the following formula (3).

(燃料極反応)
→2H+2e…(3)
(Fuel electrode reaction)
H 2 → 2H + + 2e - ... (3)

水素イオンは、電解質層20Aを通って空気極24Aへ移動する。電子は、外部回路(不図示)を通って空気極24Aへ移動する。これにより、燃料電池セルスタック12Aにおいて発電がなされる。発電時に、燃料電池セルスタック12Aは、発熱する。 Hydrogen ions move to the air electrode 24A through the electrolyte layer 20A. The electrons move to the air electrode 24A through an external circuit (not shown). As a result, power is generated in the fuel cell stack 12A. During power generation, the fuel cell stack 12A generates heat.

一方、空気極24Aでは、下記(4)式に示すように、電解質層20Aを通って燃料極22Aから移動した水素イオン、外部回路を通って燃料極22Aから移動した電子が、空気中の酸素と反応して水蒸気が生成される。 On the other hand, in the air electrode 24A, as shown in the following formula (4), hydrogen ions that have moved from the fuel electrode 22A through the electrolyte layer 20A and electrons that have moved from the fuel electrode 22A through the external circuit are oxygen in the air. Reacts with water vapor to produce steam.

(空気極反応)
2H+2e+1/2O →HO …(4)
(Air electrode reaction)
2H + +2e +1/2O 2 →H 2 O (4)

空気流路28Aの下流端には、空気極オフガス路P4が接続されている。空気極オフガス路P4は、凝縮器14と接続されており、空気極24Aから排出されたオフガスは、凝縮器14で水が除去された後、排気管P7から外部へ排出される。 An air electrode offgas passage P4 is connected to the downstream end of the air passage 28A. The air electrode off-gas passage P4 is connected to the condenser 14, and the off gas discharged from the air electrode 24A is discharged to the outside from the exhaust pipe P7 after water is removed by the condenser 14.

燃料流路26Aの下流端には、燃料極オフガス路P5が接続されている。燃料極オフガスは、凝縮器14で水が除去された後、回収路P6を経て二酸化炭素回収部16へ供給される。二酸化炭素回収部16は、気体を圧縮貯留するタンクであってもよいし、二酸化炭素の需要ラインへの供給部分であってもよい。また、PSAや二酸化炭素分離膜などを備え、二酸化炭素濃度をさらに高くするものであってもよい。 A fuel electrode offgas passage P5 is connected to the downstream end of the fuel passage 26A. After the water is removed by the condenser 14, the fuel electrode off-gas is supplied to the carbon dioxide recovery unit 16 via the recovery path P6. The carbon dioxide recovery unit 16 may be a tank that stores gas under compression, or may be a portion that supplies carbon dioxide to a demand line. Further, it may have a PSA, a carbon dioxide separation membrane or the like to further increase the carbon dioxide concentration.

回収路P6には、濃度計15が設けられている。濃度計15は、凝縮器14の下流側における燃料極オフガスの二酸化炭素濃度を計測する。濃度計15は、電流制御器18と電気的に接続されており、濃度計15で計測された二酸化炭素濃度の情報が電流制御器18へ送られる。 A densitometer 15 is provided on the recovery path P6. The densitometer 15 measures the carbon dioxide concentration of the fuel electrode off-gas on the downstream side of the condenser 14. The densitometer 15 is electrically connected to the current controller 18, and information on the carbon dioxide concentration measured by the densitometer 15 is sent to the current controller 18.

燃料電池システム10Aには電流制御器18が設けられている。電流制御器18は、濃度計15で計測された二酸化炭素濃度情報に基づいて、後述する水素透過部34に直流電流を流す。電流制御器18は、燃料電池セルスタック12Aで発電した電力を用いて、前記の直流電流を流す。 A current controller 18 is provided in the fuel cell system 10A. The current controller 18 supplies a direct current to the hydrogen permeation section 34, which will be described later, based on the carbon dioxide concentration information measured by the densitometer 15. The current controller 18 uses the electric power generated by the fuel cell stack 12A to flow the above DC current.

〔燃料電池セルスタック〕
次に、燃料電池システム10Aに使用する燃料電池セルスタック12Aについて説明する。なお、本実施形態での燃料電池セルスタック12Aは、単に燃料電池セルを積層した部分だけを指すのではなく、後述するように、燃料流路、空気流路、水素透過部を含むものである。
[Fuel cell stack]
Next, the fuel cell stack 12A used in the fuel cell system 10A will be described. It should be noted that the fuel cell stack 12A in the present embodiment does not simply refer to a portion where fuel cells are stacked, but includes a fuel flow path, an air flow path, and a hydrogen permeation part, as described later.

本実施形態の燃料電池セルスタック12Aは、水素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池(PCFC:Proton Ceramic Solid Oxide Fuel Cell)であり、図2に示すように、横縞形円筒型タイプのものである。 The fuel cell stack 12A of the present embodiment is a hydrogen ion conductive type solid oxide fuel cell (PCFC: Proton Ceramic Solid Oxide Fuel Cell), and as shown in FIG. 2, is a horizontal striped cylindrical type. ..

燃料電池セルスタック12Aは、円筒基体30、燃料電池セル32、水素透過部34を備えている。 The fuel cell stack 12A includes a cylindrical substrate 30, a fuel cell 32, and a hydrogen permeable portion 34.

円筒基体30は円筒状とされ、図3にも示されるように、外表面に燃料極22A、電解質層20A、空気極24Aがこの順で環状に積層された燃料電池セル32が形成されている。円筒基体30は、一例として、セラミクス多孔質材料で形成することができる。燃料電池セル32は、円筒基体30の筒軸方向に間隔をおいて複数(本実施形態では5個表示)配列形成されている。隣り合う燃料電池セル32同士は、インターコネクタ33で直列に電気接続されており、電気配線E1を介して電流制御器18と接続されている。 The cylindrical substrate 30 has a cylindrical shape, and as shown in FIG. 3, a fuel battery cell 32 in which a fuel electrode 22A, an electrolyte layer 20A, and an air electrode 24A are annularly laminated in this order on the outer surface is formed. .. The cylindrical substrate 30 can be formed of, for example, a ceramic porous material. The fuel cells 32 are arranged in a plurality (in the present embodiment, five cells are shown) arranged at intervals in the cylinder axis direction of the cylindrical substrate 30. The fuel cells 32 adjacent to each other are electrically connected in series by the interconnector 33, and are connected to the current controller 18 via the electric wiring E1.

円筒基体30の筒内は、燃料流路26Aとなり、円筒基体30の筒外は、空気流路28Aとなる。空気流路28Aは、外周壁39で外周を囲まれており、外周壁39と円筒基体30の間に円筒状の空気流路28Aが形成されている。 The inside of the cylinder of the cylindrical base body 30 serves as the fuel flow path 26A, and the outside of the cylinder of the cylindrical base body 30 serves as the air flow path 28A. The air flow passage 28A is surrounded by an outer peripheral wall 39, and a cylindrical air flow passage 28A is formed between the outer peripheral wall 39 and the cylindrical base body 30.

円筒基体30の一端部には、水素透過部34が形成されている。水素透過部34は、円筒基体30の外表面に、イオン化触媒層35、水素透過膜36、プロトン酸化触媒層37がこの順で環状に積層されて形成されている。イオン化触媒層35としては、ニッケル、ルテニウム、等を用いることができる。プロトン酸化触媒層37としては、LSCF(La、Sr、Co、Fe及び酸素からなる化合物)等を用いることができる。水素透過膜36としては、ドープした酸化バリウムジルコニウム(BaZrO3)、ドープしたBaZrO3と電子導電性酸化物との混合物、パラジウム合金等を用いることができる。BaZrO3にドープする元素としてはイットリウム(Y)。イッテルビウム(Yb)、セリウム(Ce)などの希土類の一つあるいは複数の組み合わせが望ましい。ドープの割合は5%〜30%が望ましい。Ybを20%ドープしたBaZr0.8Yb0.2O3-δやYを20%ドープしたBaZr0.8Y0.2O3-δは水素イオンの導電率が高く特に有望である。ドープしたBaZrO3と混合する電子導電性酸化物としては、希土類をドープしたLaCrO3が望ましい。特にストロンチウムを20%ドープしたLa0.8Sr0.2CrO3は電子導電性が高く有望である。電子導電性酸化物の混合割合は0%〜40%が望ましい。上記BaZrO3のBaの一部あるいはすべてをストロンチウム(Sr)、カルシウム(Ca)、ランタン(La)あるいはそれらの組み合わせで置換しても良い。水素透過部34は、電気配線E2を介して電流制御器18と接続されている。 A hydrogen permeable portion 34 is formed at one end of the cylindrical substrate 30. The hydrogen permeable portion 34 is formed by annularly stacking an ionization catalyst layer 35, a hydrogen permeable membrane 36, and a proton oxidation catalyst layer 37 in this order on the outer surface of the cylindrical substrate 30. As the ionization catalyst layer 35, nickel, ruthenium, or the like can be used. As the proton oxidation catalyst layer 37, LSCF (a compound consisting of La, Sr, Co, Fe and oxygen) or the like can be used. As the hydrogen permeable film 36, doped barium zirconium oxide (BaZrO 3 ), a mixture of doped BaZrO 3 and an electron conductive oxide, a palladium alloy, or the like can be used. Yttrium (Y) is the element to be doped into BaZrO 3 . A combination of one or more rare earth elements such as ytterbium (Yb) and cerium (Ce) is desirable. The dope ratio is preferably 5% to 30%. BaZr 0.8 Yb 0.2 O 3-δ doped with 20% Yb and BaZr 0.8 Y 0.2 O 3-δ doped with 20% Y are particularly promising because they have high hydrogen ion conductivity. The rare earth-doped LaCrO 3 is desirable as the electronically conductive oxide to be mixed with the doped BaZrO 3 . In particular, La 0.8 Sr 0.2 CrO 3 doped with 20% strontium has high electron conductivity and is promising. The mixing ratio of the electronically conductive oxide is preferably 0% to 40%. Some or all of Ba in BaZrO 3 may be replaced with strontium (Sr), calcium (Ca), lanthanum (La), or a combination thereof. The hydrogen permeable portion 34 is connected to the current controller 18 via the electric wiring E2.

図2に示されるように、燃料流路26Aには、水素透過部34が形成されている端部と反対側の端部側に、燃料ガス供給管P1が接続されており、燃料流路26Aに燃料ガスと水蒸気が供給される。空気供給管P3は、燃料ガス供給管P1と同じ端部側の空気流路28Aに接続されており、空気流路28Aに燃料ガスと並行流で空気が供給される。なお、図中において、燃料流路26A及びその下流を流れるガスに符号Aを付し、空気流路28A及びその下流を流れるガスに符号Cを付す。 As shown in FIG. 2, in the fuel passage 26A, the fuel gas supply pipe P1 is connected to the end portion side opposite to the end portion where the hydrogen permeation portion 34 is formed, and the fuel passage 26A Fuel gas and water vapor are supplied to. The air supply pipe P3 is connected to the air passage 28A on the same end side as the fuel gas supply pipe P1, and air is supplied to the air passage 28A in parallel flow with the fuel gas. In the figure, reference numeral A is given to the gas flowing in the fuel flow path 26A and its downstream side, and reference numeral C is given to the gas flowing in the air flow path 28A and its downstream side.

燃料流路26Aの水素透過部34が形成されている端部側には、燃料極オフガス路P5が接続されている。空気極オフガス路P4は、燃料極オフガス路P5と同じ端部側の空気流路28Aに接続されている。 The fuel electrode off-gas passage P5 is connected to the end portion side of the fuel passage 26A where the hydrogen permeation portion 34 is formed. The air electrode off-gas passage P4 is connected to the air passage 28A on the same end side as the fuel electrode off-gas passage P5.

なお、本実施形態の燃料電池セルスタック12Aでは、燃料流路26Aの燃料極22Aよりも下流側を燃料極流路27Aと称し、空気流路28Aの空気極24Aよりも下流側を空気極流路29Aと称する。燃料極流路27Aと空気極流路29Aは、円筒基体30により区画されており、燃料電池セルスタック12A内に設けられている。 In the fuel cell stack 12A of this embodiment, the downstream side of the fuel electrode 22A of the fuel flow path 26A is referred to as the fuel electrode flow path 27A, and the downstream side of the air flow path 28A of the air electrode 24A is the air flow path. It is referred to as road 29A. The fuel electrode channel 27A and the air electrode channel 29A are partitioned by the cylindrical base body 30 and are provided in the fuel cell stack 12A.

電流制御器18は、電気配線E1を流れる電流の大きさを制御可能とされており、燃料電池セルスタック12Aでの発電量は、不図示の制御部からの入力に基づいて、電流制御器18で制御されている。また、電流制御器18は、燃料電池セルスタック12Aで発電された電力を用い、電気配線E2を介して、イオン化触媒層35とプロトン酸化触媒層37との間に電流を流す。電流制御器18から供給する電流は、濃度計15からの二酸化炭素濃度情報に基づいて行われる。すなわち、濃度計15で計測された二酸化炭素濃度が所定の濃度よりも低い場合には、水素透過部34における水素透過を促進するために供給電流を高くする。 The current controller 18 is capable of controlling the magnitude of the current flowing through the electric wiring E1, and the power generation amount in the fuel cell stack 12A is based on the input from the control unit (not shown). Is controlled by. Further, the current controller 18 uses the electric power generated by the fuel cell stack 12A to pass a current between the ionization catalyst layer 35 and the proton oxidation catalyst layer 37 via the electric wiring E2. The current supplied from the current controller 18 is based on the carbon dioxide concentration information from the densitometer 15. That is, when the carbon dioxide concentration measured by the densitometer 15 is lower than the predetermined concentration, the supply current is increased to promote the hydrogen permeation in the hydrogen permeation unit 34.

次に、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 will be described.

燃料ガス供給管P1から燃料流路26Aへ水蒸気含有の燃料ガスが供給され、空気供給管P3から空気流路28Aへ空気が供給される。燃料流路26Aでは、燃料ガスが水蒸気改質され、水素と一酸化炭素が生成される。また、生成された一酸化炭素と水とのシフト反応により二酸化炭素と水素が生成される。そして、各燃料電池セル32において、前述の発電反応が生じ、発電が行われる。 Fuel gas containing water vapor is supplied from the fuel gas supply pipe P1 to the fuel flow passage 26A, and air is supplied from the air supply pipe P3 to the air flow passage 28A. In the fuel flow path 26A, the fuel gas is steam reformed to generate hydrogen and carbon monoxide. Further, carbon dioxide and hydrogen are produced by the shift reaction between the produced carbon monoxide and water. Then, in each of the fuel cells 32, the above-described power generation reaction occurs and power generation is performed.

燃料流路26Aにおいては、改質及び発電反応により徐々に燃料成分を減少させつつ、燃料ガスが上流から下流へ向かって流れる。そして、下流端の燃料極流路27Aへは、主として二酸化炭素、水蒸気、一酸化炭素、水素が流れる。燃料極流路27Aでは、イオン化触媒層35で水素のイオン化が促進され、イオン化された水素(水素イオン)が水素透過膜36を透過して、プロトン酸化触媒層37側へ移動する。移動した水素イオンは、プロトン酸化触媒層37により、空気極流路29A内の酸素による酸化が促進され、空気極流路内で水蒸気となる。 In the fuel flow path 26A, the fuel gas flows from the upstream side to the downstream side while gradually reducing the fuel component by the reforming and power generation reaction. Then, mainly carbon dioxide, water vapor, carbon monoxide, and hydrogen flow into the fuel electrode channel 27A at the downstream end. In the fuel electrode channel 27A, ionization of hydrogen is promoted in the ionization catalyst layer 35, and the ionized hydrogen (hydrogen ions) permeates the hydrogen permeable membrane 36 and moves to the proton oxidation catalyst layer 37 side. Oxidation of the migrated hydrogen ions by oxygen in the air electrode channel 29A is promoted by the proton oxidation catalyst layer 37 to become water vapor in the air electrode channel.

燃料極流路27Aでは、水素が空気極流路29A側へ移動することにより水素含有率が減少するため、一酸化炭素と水とのシフト反応が進み、二酸化炭素と水素が生成される。そして、生成された水素は、前述のように、燃料極流路27A側から空気極流路29A側へ移動する。 In the fuel electrode channel 27A, the hydrogen content decreases as hydrogen moves to the air electrode channel 29A, so that the shift reaction between carbon monoxide and water proceeds, and carbon dioxide and hydrogen are generated. Then, the generated hydrogen moves from the fuel electrode channel 27A side to the air electrode channel 29A side as described above.

燃料極流路27Aからは、燃料極オフガス路P5へ燃料極オフガスが送出される。前述のように、水素が燃料極流路27A側から空気極流路29A側へ移動していることから、燃料極オフガスには、主として、二酸化炭素と水蒸気が含まれている。燃料極オフガスは、凝縮器14で水が除去された後、回収路P6を経て二酸化炭素回収部16へ供給され、二酸化炭素が回収される。 The fuel electrode off-gas is delivered from the fuel electrode flow passage 27A to the fuel electrode off-gas passage P5. As described above, since hydrogen is moving from the fuel electrode channel 27A side to the air electrode channel 29A side, the fuel electrode off-gas mainly contains carbon dioxide and water vapor. After the water is removed by the condenser 14, the fuel electrode off-gas is supplied to the carbon dioxide recovery unit 16 through the recovery path P6, and the carbon dioxide is recovered.

空気極流路29Aからは、空気極オフガス路P4へ空気極オフガスが送出される。空気極オフガスは、凝縮器14で水が除去された後、外部へ排出される。 The air electrode off-gas is sent from the air electrode flow path 29A to the air electrode off-gas passage P4. The air electrode off-gas is discharged to the outside after water is removed by the condenser 14.

本実施形態の燃料電池システム10Aによれば、水素透過部34で水素が燃料極流路27A側から空気極流路29A側へ移動するので、燃料極オフガスに残留する水素と水蒸気を少なくし、二酸化炭素濃度を高くすることができる。当該水素の移動は、水素透過膜を用いて行うので、燃料流路26Aへ酸素を供給する必要がない。 According to the fuel cell system 10A of the present embodiment, since hydrogen moves in the hydrogen permeation section 34 from the fuel electrode channel 27A side to the air electrode channel 29A side, hydrogen and water vapor remaining in the fuel electrode off-gas are reduced, The carbon dioxide concentration can be increased. Since the movement of the hydrogen is performed using the hydrogen permeable membrane, it is not necessary to supply oxygen to the fuel passage 26A.

また、水素透過部34は、水素透過膜36の空気極流路29A側にプロトン酸化触媒層37が積層されているので、空気極流路29Aを流れる酸素と、空気極流路29Aへ移動した水素イオンとの結合による水蒸気の生成が促進される。したがって、空気極流路29Aの水素分圧を低く維持することができ、燃料極流路27Aから空気極流路29Aへの水素イオン透過を促進することができる。 Further, in the hydrogen permeable portion 34, since the proton oxidation catalyst layer 37 is laminated on the side of the hydrogen permeable membrane 36 on the side of the air electrode channel 29A, the oxygen flowing through the air electrode channel 29A moves to the air electrode channel 29A. The generation of water vapor is promoted by the bonding with hydrogen ions. Therefore, the hydrogen partial pressure of the air electrode channel 29A can be maintained low, and hydrogen ion permeation from the fuel electrode channel 27A to the air electrode channel 29A can be promoted.

また、本実施形態の燃料電池システム10Aでは、水素透過部34は、燃料電池セルスタック12A内に設けられている。このように、燃料電池セルスタック12A内に設けることにより、水素透過部34を簡易な構成にすることができる。 Further, in the fuel cell system 10A of the present embodiment, the hydrogen permeation part 34 is provided inside the fuel cell stack 12A. By thus providing the fuel cell stack 12A in the fuel cell stack 12A, the hydrogen permeable portion 34 can have a simple structure.

また、本実施形態では、燃料流路26Aと空気流路28Aとを区画する円筒基体30の端部に水素透過部34を積層している。したがって、容易に水素透過部34を形成することができる。さらに、一体的に形成された円筒基体30に 水素透過部34を設けることにより、別部材を用意して水素透過部を設ける場合と比較して、起動、停止による温度変化や、長期運転に伴う、シール性や耐久性を高めることができる。 Further, in the present embodiment, the hydrogen permeable portion 34 is laminated on the end portion of the cylindrical substrate 30 that divides the fuel flow passage 26A and the air flow passage 28A. Therefore, the hydrogen permeable portion 34 can be easily formed. Further, by providing the hydrogen permeable portion 34 on the integrally formed cylindrical substrate 30, the temperature change due to start-up and stop and long-term operation are associated with the case where a separate member is prepared and the hydrogen permeable portion is provided. The sealability and durability can be improved.

また、本実施形態では、電流制御器18により、水素透過部34の燃料極流路27A側と空気極流路29A側との間に電流を流す。これより、燃料極流路27Aから空気極流路29Aへの水素イオンの透過を促進することができる。なお、本実施形態では、濃度計15において二酸化炭素濃度を計測したが、濃度計15において水素濃度を計測してもよいし、二酸化炭素と水素の両方の濃度を各々計測して、電流制御器18へ送出し、供給電流の制御用の情報として用いてもよい。 Further, in the present embodiment, the current controller 18 causes a current to flow between the fuel electrode passage 27A side and the air electrode passage 29A side of the hydrogen permeation section 34. As a result, the permeation of hydrogen ions from the fuel electrode channel 27A to the air electrode channel 29A can be promoted. In the present embodiment, the carbon dioxide concentration is measured by the densitometer 15, but the hydrogen concentration may be measured by the densitometer 15, or the concentrations of both carbon dioxide and hydrogen may be measured respectively to obtain the current controller. It may also be sent to 18 and used as information for controlling the supply current.

また、電流制御器18からの電流供給は、燃料電池セルスタック12Aで発電した電力を用いるので、直流電流をそのまま利用することができ、外部からの交流電流を直流電流に変換して利用する場合と比較して、効率がよい。なお、電流制御器18による水素透過部34への電流供給は必ずしも必要ではない。 Further, since the electric current generated from the fuel cell stack 12A is used for the current supply from the current controller 18, the direct current can be used as it is, and when the alternating current from the outside is converted to the direct current and used. Is more efficient than The current supply to the hydrogen permeation section 34 by the current controller 18 is not always necessary.

また、本実施形態では、凝縮器14により燃料極オフガスから水蒸気を除去しているので、二酸化炭素回収部16で回収する気体の二酸化炭素濃度を高くすることができる。 なお、本実施形態では、凝縮器14を用いたが、その他の手段、例えば、二酸化炭素分離膜で二酸化炭素を分離してもよいし、PSA装置により二酸化炭素を分離してもよい。 Further, in this embodiment, since the condenser 14 removes water vapor from the fuel electrode off-gas, the carbon dioxide concentration of the gas recovered by the carbon dioxide recovery unit 16 can be increased. Although the condenser 14 is used in the present embodiment, carbon dioxide may be separated by other means, for example, a carbon dioxide separation membrane, or carbon dioxide may be separated by a PSA device.

また、本実施形態では、燃料極流路27Aを流れるガスと空気極流路29Aを流れるガスが並行流である。したがって、燃料流路26Aの上流側に対応する空気流路28A部分において、酸素濃度の高い空気が供給され、燃料電池セルスタック12Aの発電効率を維持することができる。また、同程度の発電効率を維持するために空気供給管P3から送出する空気量を少なくすることができる。 Further, in the present embodiment, the gas flowing through the fuel electrode passage 27A and the gas flowing through the air electrode passage 29A are in parallel flow. Therefore, air having a high oxygen concentration is supplied to the air flow path 28A corresponding to the upstream side of the fuel flow path 26A, and the power generation efficiency of the fuel cell stack 12A can be maintained. In addition, the amount of air sent from the air supply pipe P3 can be reduced in order to maintain the same level of power generation efficiency.

なお、空気流路28Aへの空気の供給は、燃料流路26Aの下流側に対応する側から行って、空気の流れと燃料ガスの流れを対向流としてもよい。この場合には、燃料電池セルスタック12Aの筒軸方向における温度分布を、並行流の場合と比較して小さくすることができる。 The air may be supplied to the air passage 28A from the side corresponding to the downstream side of the fuel passage 26A, and the air flow and the fuel gas flow may be counter flows. In this case, the temperature distribution in the cylinder axis direction of the fuel cell stack 12A can be made smaller than in the case of parallel flow.

また、本実施形態では、燃料電池セルスタック12Aを、水素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池としているので、発電反応において空気極24A側で水蒸気が生成される。したがって、燃料極流路27Aを流れるガスの水蒸気含有量を減少させることができ、凝縮器14で除去する水の量をさらに少なくすることができる。 Further, in the present embodiment, since the fuel cell stack 12A is the hydrogen ion conductive type solid oxide fuel cell, water vapor is generated on the air electrode 24A side in the power generation reaction. Therefore, the water vapor content of the gas flowing through the fuel electrode passage 27A can be reduced, and the amount of water removed by the condenser 14 can be further reduced.

なお、燃料電池セルスタック12Aは、酸素イオン移動型の固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)を用いてもよい。この場合には、図4に示すように、改質器13を設け、燃料流路26Aの上流側で燃料ガスを水蒸気改質して、改質ガス管P1−1から燃料流路26Aへ改質ガスを供給する。燃料極22A及び空気極24Aでは、以下のように反応が生じる。 The fuel cell stack 12A may be an oxygen ion transfer type solid oxide fuel cell (SOFC). In this case, as shown in FIG. 4, the reformer 13 is provided, the fuel gas is steam-reformed on the upstream side of the fuel passage 26A, and the reformed gas pipe P1-1 is changed to the fuel passage 26A. Supply quality gas. The following reactions occur at the fuel electrode 22A and the air electrode 24A.

空気極24Aでは、下記(5)式に示すように、空気中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。生成された酸素イオンは電解質層20Aを通って燃料電池セルスタック12Aの燃料極22Aに到達する。 At the air electrode 24A, oxygen in the air reacts with electrons to generate oxygen ions, as shown in the following formula (5). The generated oxygen ions reach the fuel electrode 22A of the fuel cell stack 12A through the electrolyte layer 20A.

(空気極反応)
1/2O+2e →O2− …(5)
(Air electrode reaction)
1/2O 2 +2e →O 2 (5)

一方、燃料電池セルスタック12Aの燃料極22Aでは、下記(6)式及び(7)式に示すように、電解質層20Aを通ってきた酸素イオンが燃料ガス中の水素及び一酸化炭素と反応し、水蒸気及び二酸化炭素と電子が生成される。燃料極22Aで生成された電子が燃料極22Aから外部回路を通って空気極24Aに移動することで、発電される。 On the other hand, in the fuel electrode 22A of the fuel cell stack 12A, oxygen ions that have passed through the electrolyte layer 20A react with hydrogen and carbon monoxide in the fuel gas as shown in the following formulas (6) and (7). , Water vapor and carbon dioxide and electrons are generated. Electrons generated at the fuel electrode 22A move from the fuel electrode 22A to an air electrode 24A through an external circuit, thereby generating power.

(燃料極反応)
+O2− →HO+2e …(6)
CO+O2− →CO+2e …(7)
(Fuel electrode reaction)
H 2 + O 2- → H 2 O + 2e - ... (6)
CO+O 2 − →CO 2 +2e (7)

この固体酸化物形燃料電池では、燃料極22Aで水蒸気が生成されることから、水素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池と比較して、燃料極オフガスに含まれる水蒸気量が多い。 In this solid oxide fuel cell, since water vapor is generated at the fuel electrode 22A, the amount of water vapor contained in the fuel electrode off-gas is larger than that in the hydrogen ion conductive solid oxide fuel cell.

〔第2実施形態〕
次に、本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態では、第1実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, the same parts as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.

本実施形態の燃料電池システム10Bは、第1実施形態の水素透過部34に代えて、酸素透過部64を有している。また、本実施形態では、濃度計15で二酸化炭素及び酸素の濃度を各々計測し、電流制御器18へ出力している。その他の構成は第1実施形態と同様である。 The fuel cell system 10B of the present embodiment has an oxygen permeable portion 64 instead of the hydrogen permeable portion 34 of the first embodiment. Further, in the present embodiment, the concentrations of carbon dioxide and oxygen are measured by the densitometer 15 and output to the current controller 18. Other configurations are similar to those of the first embodiment.

図5に示されるように、円筒基体30の一端部には酸素透過部64が形成されている。図6に示されるように、酸素透過部64は、円筒基体30の外表面に酸素透過膜66が環状に積層され、円筒基体30の内表面に酸化触媒68が環状に積層されて形成されている。 As shown in FIG. 5, an oxygen permeable portion 64 is formed at one end of the cylindrical substrate 30. As shown in FIG. 6, the oxygen permeable portion 64 is formed by annularly stacking an oxygen permeable film 66 on the outer surface of the cylindrical substrate 30 and annularly stacking an oxidation catalyst 68 on the inner surface of the cylindrical substrate 30. There is.

酸素透過膜66としては、LSCF(La、Sr、Co、Fe及び酸素からなる化合物)、BSCF(Ba、Sr、Co、Fe及び酸素からなる化合物)等を含む混合導電性セラミックスや、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)などの酸素イオン導電性セラミックス、で形成することができる。酸化触媒68としては、ニッケル(Ni)やルテニウム(Ru)等を用いることができる。 As the oxygen permeable film 66, mixed conductive ceramics including LSCF (compound composed of La, Sr, Co, Fe and oxygen), BSCF (compound composed of Ba, Sr, Co, Fe and oxygen) and the like, and yttria stabilization It can be formed of oxygen ion conductive ceramics such as zirconia (YSZ). As the oxidation catalyst 68, nickel (Ni), ruthenium (Ru), or the like can be used.

酸素透過部64は、電気配線E2を介して電流制御器18と接続されている。電流制御器18は、燃料電池セルスタック12Bで発電された電力を用い、電気配線E2を介して、酸素透過膜66と酸化触媒68との間に電流を流す。電流制御器18から供給する電流は、濃度計15からの二酸化炭素濃度情報及び酸素濃度情報に基づいて行われる。すなわち、濃度計15で計測される二酸化炭素濃度が高くなり、酸素濃度が低くなるようにフィードバック制御される。 The oxygen permeation portion 64 is connected to the current controller 18 via the electric wiring E2. The current controller 18 uses the electric power generated by the fuel cell stack 12B to pass a current between the oxygen permeable film 66 and the oxidation catalyst 68 via the electric wiring E2. The current supplied from the current controller 18 is based on the carbon dioxide concentration information and the oxygen concentration information from the densitometer 15. That is, feedback control is performed so that the carbon dioxide concentration measured by the densitometer 15 increases and the oxygen concentration decreases.

なお、本実施形態では、濃度計15において二酸化炭素濃度及び酸素濃度を計測したが、二酸化炭素濃度のみを計測してフィードバック制御してもよいし、二酸化炭素以外の酸素、水素、一酸化炭素、メタンのいずれか1つ、または複数を計測してフィードバック制御してもよい。 Although the carbon dioxide concentration and the oxygen concentration are measured by the densitometer 15 in the present embodiment, feedback control may be performed by measuring only the carbon dioxide concentration, or oxygen other than carbon dioxide, hydrogen, carbon monoxide, Feedback control may be performed by measuring any one or more of methane.

次に、燃料電池システム10Bの動作について説明する。 Next, the operation of the fuel cell system 10B will be described.

燃料ガス供給管P1から燃料流路26Aへ水蒸気含有の燃料ガスが供給され、空気供給管P3から空気流路28Aへ空気が供給される。燃料流路26Aでは、燃料ガスが水蒸気改質され、水素と一酸化炭素が生成される。また、生成された一酸化炭素と水蒸気とのシフト反応により二酸化炭素と水素が生成される。そして、各燃料電池セル32において、前述の発電反応が生じ、発電が行われる。 Fuel gas containing water vapor is supplied from the fuel gas supply pipe P1 to the fuel flow passage 26A, and air is supplied from the air supply pipe P3 to the air flow passage 28A. In the fuel flow path 26A, the fuel gas is steam reformed to generate hydrogen and carbon monoxide. Further, carbon dioxide and hydrogen are produced by the shift reaction between the produced carbon monoxide and water vapor. Then, in each of the fuel cells 32, the above-described power generation reaction occurs and power generation is performed.

燃料流路26Aにおいては、改質及び発電反応により徐々に燃料成分を減少させつつ、燃料ガスが上流から下流へ向かって流れる。そして、下流端の燃料極流路27Aへは、主として二酸化炭素、水蒸気、一酸化炭素、水素が流れる。空気流路28Aにおいて、空気は、発電反応により酸素成分を徐々に減少させつつ下流側の空気極流路29Aへ流れる。空気極流路29Aにおいて、酸素はイオン化して酸素透過膜66を燃料極流路27A側へ透過する。そして、酸化触媒68により、燃料極流路27A内の一酸化炭素、水素、メタンとの結合が促進され、二酸化炭素と水蒸気が生成される。 In the fuel flow path 26A, the fuel gas flows from the upstream side to the downstream side while gradually reducing the fuel component by the reforming and power generation reaction. Then, mainly carbon dioxide, water vapor, carbon monoxide, and hydrogen flow into the fuel electrode channel 27A at the downstream end. In the air flow passage 28A, the air flows to the air electrode flow passage 29A on the downstream side while gradually reducing the oxygen component due to the power generation reaction. In the air electrode channel 29A, oxygen is ionized and permeates the oxygen permeable film 66 toward the fuel electrode channel 27A. Then, the oxidation catalyst 68 promotes the binding of carbon monoxide, hydrogen, and methane in the fuel electrode channel 27A, and carbon dioxide and water vapor are generated.

燃料極流路27Aでは、このように、水素、一酸化炭素、メタンの濃度が低下し、二酸化炭素と水蒸気の濃度が高くなる。燃料極オフガスは、凝縮器14で水が除去された後、濃度計15で二酸化炭素濃度、酸素濃度を計測され、二酸化炭素回収部16へ供給されて、二酸化炭素が回収される。 In the fuel electrode channel 27A, the concentrations of hydrogen, carbon monoxide, and methane thus decrease, and the concentrations of carbon dioxide and water vapor increase. After water is removed by the condenser 14, the carbon dioxide concentration and oxygen concentration of the fuel electrode off-gas are measured by the densitometer 15 and are supplied to the carbon dioxide recovery unit 16 to recover carbon dioxide.

空気極流路29Aからは、空気極オフガス路P4へ空気極オフガスが送出される。空気極オフガスは、凝縮器14で水が除去された後、外部へ排出される。 The air electrode off-gas is sent from the air electrode flow path 29A to the air electrode off-gas passage P4. The air electrode off-gas is discharged to the outside after water is removed by the condenser 14.

本実施形態の燃料電池システム10Bによれば、酸素透過部64で空気極流路29Aからの酸素が燃料極流路27A側へ移動し、燃料極オフガス中の一酸化炭素、水素、メタンが、二酸化炭素と水蒸気に酸化される。これにより、燃料極オフガスから高濃度の二酸化炭素を回収することができる。 According to the fuel cell system 10B of the present embodiment, oxygen from the air electrode channel 29A moves to the fuel electrode channel 27A side in the oxygen permeation section 64, and carbon monoxide, hydrogen, and methane in the fuel electrode off-gas Oxidized to carbon dioxide and water vapor. As a result, a high concentration of carbon dioxide can be recovered from the fuel electrode off gas.

また、本実施形態の燃料電池システム10Bでは、酸素透過部64を、燃料電池セルスタック12B内に設けるので、酸素透過部64を簡易な構成にすることができる。 Further, in the fuel cell system 10B of the present embodiment, the oxygen permeable portion 64 is provided in the fuel cell stack 12B, so that the oxygen permeable portion 64 can have a simple configuration.

また、本実施形態でも、燃料流路26Aと空気流路28Aとを区画する円筒基体30の端部に酸素透過部64を積層している。したがって、容易に酸素透過部64を形成することができる。 Also in the present embodiment, the oxygen permeation portion 64 is laminated on the end portion of the cylindrical substrate 30 that divides the fuel flow passage 26A and the air flow passage 28A. Therefore, the oxygen permeable portion 64 can be easily formed.

〔第3実施形態〕
次に、本発明の第3実施形態について説明する。本実施形態では、第1実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, the same parts as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.

本実施形態の燃料電池システム10Cは、使用する燃料電池セルスタックのみ第1実施形態異なり、その他の構成は第1実施形態と同様である。本実施形態の燃料電池セルスタック12Bは、水素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池(PCFC)であり、図7に示すように、縦縞形円筒型タイプのものである。 The fuel cell system 10C of the present embodiment differs from the first embodiment only in the fuel cell stack to be used, and other configurations are the same as in the first embodiment. The fuel cell stack 12B of the present embodiment is a hydrogen ion conductive type solid oxide fuel cell (PCFC), and as shown in FIG. 7, is a vertical striped cylindrical type.

燃料電池セルスタック12Cは、円筒基体40、燃料電池セル42、水素透過部44を備えている。円筒基体40は有底円筒状とされ、複数本(本実施形態では6本)が平行に隣接配置されている。各々の円筒基体40には、管状の空気管41が挿入されている。空気管41の挿入先端は、円筒基体40の底部40Aから離間した位置に配置されている。 The fuel cell stack 12C includes a cylindrical substrate 40, a fuel cell 42, and a hydrogen permeable portion 44. The cylindrical substrate 40 has a bottomed cylindrical shape, and a plurality of (six in the present embodiment) are arranged in parallel. A tubular air tube 41 is inserted into each cylindrical base 40. The insertion tip of the air tube 41 is arranged at a position separated from the bottom portion 40A of the cylindrical substrate 40.

図8にも示されるように、各々の円筒基体40の側面外側には、電解質層20B、燃料極22Bがこの順で環状に積層されている。また、電解質層20B及び燃料極22Bが積層された部分の円筒基体40自体が空気極24Bを構成しており、燃料極22B、電解質層20B、空気極24Bにより燃料電池セル42が形成されている。燃料電池セル42は、各円筒基体40の、底部40A側の端部から筒軸方向に沿って形成されている。隣り合う燃料電池セル42同志は、燃料電池セル32同士は、不図示のコネクタで直列に電気接続されており、電気配線E1を介して電流制御器18と接続されている。 As shown in FIG. 8, an electrolyte layer 20B and a fuel electrode 22B are annularly laminated in this order on the outer side surface of each cylindrical substrate 40. Further, the cylindrical substrate 40 itself in the portion where the electrolyte layer 20B and the fuel electrode 22B are laminated constitutes the air electrode 24B, and the fuel cell 22 is formed by the fuel electrode 22B, the electrolyte layer 20B and the air electrode 24B. .. The fuel cell 42 is formed along the cylinder axis direction from the end of the cylindrical base 40 on the bottom 40A side. The fuel cells 32 adjacent to each other are electrically connected in series with each other by the unillustrated connectors, and are connected to the current controller 18 via the electric wiring E1.

円筒基体40の筒内(空気管41の筒外)は、空気流路28Bとなり、円筒基体40の筒外は、燃料流路26Bとなる。燃料流路26Bは、外周壁39で外周を囲まれており、外周壁39と円筒基体40の外周間に燃料流路26Bが形成されている。 The inside of the cylinder of the cylindrical base 40 (outside the cylinder of the air pipe 41) becomes the air flow path 28B, and the outside of the cylinder of the cylindrical base 40 becomes the fuel flow path 26B. The fuel flow passage 26B is surrounded by an outer peripheral wall 39, and the fuel flow passage 26B is formed between the outer peripheral wall 39 and the outer periphery of the cylindrical base 40.

円筒基体40の開放側端部(底部40Aと反対側の端部)には、水素透過部44が形成されている。水素透過部44は、円筒基体40の外表面に、イオン化触媒層35、水素透過膜36、プロトン酸化触媒層37がこの順で環状に積層されて形成されている。水素透過部44は、電気配線E2を介して電流制御器18と接続されている。 A hydrogen permeable portion 44 is formed at the open end (the end opposite to the bottom 40A) of the cylindrical substrate 40. The hydrogen permeable portion 44 is formed by annularly laminating the ionization catalyst layer 35, the hydrogen permeable membrane 36, and the proton oxidation catalyst layer 37 in this order on the outer surface of the cylindrical substrate 40. The hydrogen permeable portion 44 is connected to the current controller 18 via the electric wiring E2.

図7、8に示されるように、燃料流路26Bには、水素透過部44が形成されている端部と反対側の端部側に、燃料ガス供給管P1が接続されており、燃料流路26Aに燃料ガスと水蒸気が供給される。空気供給管P3は、空気管41に接続されており、円筒基体40の底部40A側から空気流路28Bに燃料ガスと並行流で空気が供給される。 As shown in FIGS. 7 and 8, in the fuel flow path 26B, the fuel gas supply pipe P1 is connected to the end portion side opposite to the end portion where the hydrogen permeation portion 44 is formed, and the fuel flow Fuel gas and water vapor are supplied to the passage 26A. The air supply pipe P3 is connected to the air pipe 41, and air is supplied from the bottom portion 40A side of the cylindrical substrate 40 to the air flow path 28B in parallel with the fuel gas.

燃料流路26Bの水素透過部44が形成されている端部側には、燃料極オフガス路P5が接続されている。空気極オフガス路P4は、燃料極オフガス路P5と同じ端部側の空気流路28Aに接続されている。 A fuel electrode off-gas passage P5 is connected to the end of the fuel flow passage 26B where the hydrogen permeation portion 44 is formed. The air electrode off-gas passage P4 is connected to the air passage 28A on the same end side as the fuel electrode off-gas passage P5.

なお、本実施形態の燃料電池セルスタック12Cでは、燃料流路26Bの燃料極22Bよりも下流側を燃料極流路27Bと称し、空気流路28Bの空気極24Bよりも下流側を空気極流路29Bと称する。燃料極流路27B及び空気極流路29Bは、円筒基体40により区画されており、燃料電池セルスタック12C内に設けられている。 In the fuel cell stack 12C of this embodiment, the downstream side of the fuel electrode 22B of the fuel flow path 26B is referred to as the fuel electrode flow path 27B, and the downstream side of the air flow path 28B of the air electrode 24B is the air pole flow. It is called path 29B. The fuel electrode channel 27B and the air electrode channel 29B are partitioned by the cylindrical base 40 and are provided in the fuel cell stack 12C.

次に、燃料電池システム10Cの動作について説明する。 Next, the operation of the fuel cell system 10C will be described.

燃料ガス供給管P1から燃料流路26Bへ水蒸気含有の燃料ガスが供給され、空気供給管P3から空気管41を経て空気流路28Bへ空気が供給される。燃料流路26Bでは、燃料ガスが水蒸気改質され、水素と一酸化炭素が生成される。また、生成された一酸化炭素と水蒸気とのシフト反応により二酸化炭素と水素が生成される。そして、各燃料電池セル42において、前述の発電反応が生じ、発電が行われる。 Fuel gas containing water vapor is supplied from the fuel gas supply pipe P1 to the fuel flow passage 26B, and air is supplied from the air supply pipe P3 to the air flow passage 28B via the air pipe 41. In the fuel flow path 26B, the fuel gas is steam reformed to generate hydrogen and carbon monoxide. Further, carbon dioxide and hydrogen are produced by the shift reaction between the produced carbon monoxide and water vapor. Then, in each fuel battery cell 42, the above-described power generation reaction occurs, and power generation is performed.

燃料流路26Bにおいては、改質及び発電反応により徐々に燃料成分を減少させつつ、燃料ガスが上流から下流へ向かって流れる。そして、下流端の燃料極流路27Bへは、主として二酸化炭素、水蒸気、一酸化炭素、水素が流れる。燃料極流路27Bでは、イオン化触媒層35で水素のイオン化が促進され、イオン化された水素(水素イオン)が水素透過膜36を透過して、プロトン酸化触媒層37側へ移動する。移動した水素イオンは、プロトン酸化触媒層37により、空気極流路29B内の酸素による酸化が促進され、水蒸気となる。 In the fuel flow path 26B, the fuel gas flows from the upstream to the downstream while gradually reducing the fuel component by the reforming and power generation reaction. Then, mainly carbon dioxide, water vapor, carbon monoxide, and hydrogen flow into the fuel electrode channel 27B at the downstream end. In the fuel electrode channel 27B, ionization of hydrogen is promoted in the ionization catalyst layer 35, and the ionized hydrogen (hydrogen ions) permeates the hydrogen permeable membrane 36 and moves to the proton oxidation catalyst layer 37 side. The moved hydrogen ions are oxidized by oxygen in the air electrode channel 29B by the proton oxidation catalyst layer 37 to become steam.

燃料極流路27Bでは、水素が空気極流路29B側へ移動することにより水素含有率が減少するため、一酸化炭素と水蒸気とのシフト反応が進み、二酸化炭素と水素が生成される。そして、生成された水素は、前述のように、燃料極流路27B側から空気極流路29B側へ移動する。 In the fuel electrode channel 27B, the hydrogen content rate decreases as hydrogen moves to the air electrode channel 29B side, so the shift reaction between carbon monoxide and water vapor proceeds, and carbon dioxide and hydrogen are generated. Then, the generated hydrogen moves from the fuel electrode channel 27B side to the air electrode channel 29B side as described above.

燃料極流路27Bからは、燃料極オフガス路P5へ燃料極オフガスが送出される。燃料極オフガスは、凝縮器14で水が除去された後、回収路P6を経て二酸化炭素回収部16へ供給され、二酸化炭素が回収される。 From the fuel electrode flow passage 27B, the fuel electrode off gas is sent to the fuel electrode off gas passage P5. After the water is removed by the condenser 14, the fuel electrode off-gas is supplied to the carbon dioxide recovery unit 16 through the recovery path P6, and the carbon dioxide is recovered.

空気極流路29Bからは、空気極オフガス路P4へ空気極オフガスが送出される。空気極オフガスは、凝縮器14で水が除去された後、外部へ排出される。 The air electrode off-gas is sent from the air electrode flow path 29B to the air electrode off-gas passage P4. The air electrode off-gas is discharged to the outside after water is removed by the condenser 14.

本実施形態の燃料電池システム10Cによっても、水素透過部44で水素が燃料極流路27B側から空気極流路29B側へ移動するので、燃料極オフガスに残留する水素を少なくし、二酸化炭素濃度を高くすることができる。当該水素の移動は、水素透過膜を用いて行うので、燃料流路26Bへ酸素を供給する必要がない。 Also in the fuel cell system 10C of the present embodiment, hydrogen moves in the hydrogen permeation section 44 from the fuel electrode channel 27B side to the air electrode channel 29B side, so that the hydrogen remaining in the fuel electrode off-gas is reduced and the carbon dioxide concentration is reduced. Can be higher. Since the movement of hydrogen is performed using the hydrogen permeable membrane, it is not necessary to supply oxygen to the fuel flow passage 26B.

また、本実施形態の燃料電池システム10Cでも、水素透過部44は、燃料電池セルスタック12B内に設けられているので、水素透過部44を簡易な構成にすることができる。 Further, also in the fuel cell system 10C of the present embodiment, the hydrogen permeable portion 44 is provided inside the fuel cell stack 12B, so that the hydrogen permeable portion 44 can have a simple structure.

また、本実施形態でも、燃料流路26Bと空気流路28Bとを区画する円筒基体40の端部に水素透過部44を積層しているので、容易に水素透過部44を形成することができる。 Also in this embodiment, since the hydrogen permeable portion 44 is laminated on the end portion of the cylindrical substrate 40 that divides the fuel flow passage 26B and the air flow passage 28B, the hydrogen permeable portion 44 can be easily formed. ..

また、本実施形態でも、電流制御器18により、水素透過部44の燃料極流路27B側と空気極流路29B側との間に電流を流すので、燃料極流路27Bから空気極流路29Bへの水素イオンの透過を促進することができる。なお、電流制御器18による水素透過部44への電流供給は必ずしも必要ではない。 In the present embodiment as well, the current controller 18 causes a current to flow between the fuel electrode passage 27B side and the air electrode passage 29B side of the hydrogen permeation section 44, so that the fuel electrode passage 27B is connected to the air electrode passage 27B. Permeation of hydrogen ions into 29B can be promoted. The current supply to the hydrogen permeation part 44 by the current controller 18 is not always necessary.

また、本実施形態でも、燃料極流路27Bを流れるガスと空気極流路29Bを流れるガスが並行流であるので、燃料流路26Bの上流側に対応する空気流路28B部分において、酸素濃度の高い空気が供給され、燃料電池セルスタック12Cの発電効率を維持することができる。 Also in this embodiment, since the gas flowing through the fuel electrode passage 27B and the gas flowing through the air electrode passage 29B are in parallel flow, the oxygen concentration in the air passage 28B portion corresponding to the upstream side of the fuel passage 26B is reduced. The air having a high temperature is supplied, and the power generation efficiency of the fuel cell stack 12C can be maintained.

なお、空気流路28Bへの空気の供給は、燃料流路26Bの下流側に対応する側から行って、空気の流れと燃料ガスの流れを対向流としてもよい。 The air may be supplied to the air passage 28B from the side corresponding to the downstream side of the fuel passage 26B, and the air flow and the fuel gas flow may be counter flows.

また、本実施形態では、燃料電池セルスタック12Bを、水素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池としているので、発電反応において空気極24B側で水蒸気が生成される。したがって、燃料極流路27Bを流れるガスの水蒸気含有量を減少させることができ、凝縮器14で除去する水の量を少なくすることができる。 Further, in the present embodiment, since the fuel cell stack 12B is a hydrogen ion conductive type solid oxide fuel cell, water vapor is generated on the air electrode 24B side in the power generation reaction. Therefore, the water vapor content of the gas flowing through the fuel electrode passage 27B can be reduced, and the amount of water removed by the condenser 14 can be reduced.

なお、燃料電池セルスタック12Cは、酸素イオン移動型の固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)を用いてもよい。 The fuel cell stack 12C may be an oxygen ion transfer type solid oxide fuel cell (SOFC).

〔第4実施形態〕
次に、本発明の第3実施形態について説明する。本実施形態では、第1、第2実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
[Fourth Embodiment]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, the same parts as those in the first and second embodiments are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.

本実施形態の燃料電池システム10Dは、第3実施形態の水素透過部44に代えて、酸素透過部74を有している。また、本実施形態では、濃度計15で二酸化炭素及び酸素の濃度を各々計測し、電流制御器18へ出力している。その他の構成は第3実施形態と同様である。 The fuel cell system 10D of the present embodiment has an oxygen permeable portion 74 instead of the hydrogen permeable portion 44 of the third embodiment. Further, in the present embodiment, the concentrations of carbon dioxide and oxygen are measured by the densitometer 15 and output to the current controller 18. Other configurations are similar to those of the third embodiment.

図9に示されるように、円筒基体40の一端部には酸素透過部74が形成されている。図10に示されるように、酸素透過部74は、円筒基体40の内表面に酸素透過膜66が環状に積層され、円筒基体40の外表面に酸化触媒68が環状に積層されて形成されている。 As shown in FIG. 9, an oxygen permeable portion 74 is formed at one end of the cylindrical substrate 40. As shown in FIG. 10, the oxygen permeable portion 74 is formed by the oxygen permeable film 66 being annularly laminated on the inner surface of the cylindrical substrate 40 and the oxidation catalyst 68 being annularly laminated on the outer surface of the cylindrical substrate 40. There is.

酸素透過部74は、電気配線E2を介して電流制御器18と接続されている。電流制御器18は、燃料電池セルスタック12Dで発電された電力を用い、電気配線E2を介して、酸素透過膜66と酸化触媒68との間に電流を流す。電流制御器18から供給する電流については、第2実施形態と同様にフィードバック制御される。 The oxygen permeation part 74 is connected to the current controller 18 via the electric wiring E2. The current controller 18 uses the electric power generated by the fuel cell stack 12D to pass a current between the oxygen permeable film 66 and the oxidation catalyst 68 via the electric wiring E2. The current supplied from the current controller 18 is feedback-controlled as in the second embodiment.

次に、燃料電池システム10Dの動作について説明する。 Next, the operation of the fuel cell system 10D will be described.

燃料ガス供給管P1から燃料流路26Bへ水蒸気含有の燃料ガスが供給され、空気供給管P3から空気流路28Bへ空気が供給される。燃料流路26Bでは、燃料ガスが水蒸気改質され、水素と一酸化炭素が生成される。また、生成された一酸化炭素と水蒸気とのシフト反応により二酸化炭素と水素が生成される。そして、各燃料電池セル32において、前述の発電反応が生じ、発電が行われる。 Fuel gas containing water vapor is supplied from the fuel gas supply pipe P1 to the fuel flow passage 26B, and air is supplied from the air supply pipe P3 to the air flow passage 28B. In the fuel flow path 26B, the fuel gas is steam reformed to generate hydrogen and carbon monoxide. Further, carbon dioxide and hydrogen are produced by the shift reaction between the produced carbon monoxide and water vapor. Then, in each of the fuel cells 32, the above-described power generation reaction occurs and power generation is performed.

燃料流路26Bにおいては、改質及び発電反応により徐々に燃料成分を減少させつつ、燃料ガスが上流から下流へ向かって流れる。そして、下流端の燃料極流路27Bへは、主として二酸化炭素、水蒸気、一酸化炭素、水素が流れる。空気流路28Bにおいて、空気は、発電反応により酸素成分を徐々に減少させつつ下流側の空気極流路29Bへ流れる。空気極流路29Bにおいて、酸素はイオン化して酸素透過膜66を燃料極流路2BA側へ透過する。そして、酸化触媒68により、燃料極流路27B内の一酸化炭素、水素、メタンとの結合が促進され、二酸化炭素と水蒸気が生成される。 In the fuel flow path 26B, the fuel gas flows from the upstream to the downstream while gradually reducing the fuel component by the reforming and power generation reaction. Then, mainly carbon dioxide, water vapor, carbon monoxide, and hydrogen flow into the fuel electrode channel 27B at the downstream end. In the air flow path 28B, the air flows to the air electrode flow path 29B on the downstream side while gradually reducing the oxygen component due to the power generation reaction. In the air electrode channel 29B, oxygen is ionized and permeates the oxygen permeable membrane 66 to the fuel electrode channel 2BA side. Then, the oxidation catalyst 68 promotes the binding of carbon monoxide, hydrogen, and methane in the fuel electrode channel 27B, and carbon dioxide and water vapor are generated.

燃料極流路27Bでは、このように、水素、一酸化炭素、メタンの濃度が低下し、二酸化炭素と水蒸気の濃度が高くなる。燃料極オフガスは、凝縮器14で水が除去された後、濃度計15で二酸化炭素濃度、酸素濃度を計測され、二酸化炭素回収部16へ供給されて、二酸化炭素が回収される。 In the fuel electrode channel 27B, the concentrations of hydrogen, carbon monoxide, and methane thus decrease, and the concentrations of carbon dioxide and water vapor increase. After water is removed by the condenser 14, the carbon dioxide concentration and oxygen concentration of the fuel electrode off-gas are measured by the densitometer 15 and are supplied to the carbon dioxide recovery unit 16 to recover carbon dioxide.

空気極流路29Bからは、空気極オフガス路P4へ空気極オフガスが送出される。空気極オフガスは、凝縮器14で水が除去された後、外部へ排出される。 The air electrode off-gas is sent from the air electrode flow path 29B to the air electrode off-gas passage P4. The air electrode off-gas is discharged to the outside after water is removed by the condenser 14.

本実施形態の燃料電池システム10Dによれば、酸素透過部74で空気極流路29Bからの酸素が燃料極流路27B側へ移動し、燃料極オフガス中の一酸化炭素、水素、メタンが、二酸化炭素と水蒸気に酸化される。これにより、燃料極オフガスから高濃度の二酸化炭素を回収することができる。 According to the fuel cell system 10D of the present embodiment, oxygen from the air electrode flow passage 29B moves to the fuel electrode flow passage 27B side in the oxygen permeation portion 74, and carbon monoxide, hydrogen, and methane in the fuel electrode off-gas, Oxidized to carbon dioxide and water vapor. As a result, a high concentration of carbon dioxide can be recovered from the fuel electrode off gas.

また、本実施形態の燃料電池システム10Dでも、酸素透過部74を、燃料電池セルスタック12D内に設けるので、酸素透過部74を簡易な構成にすることができる。 Further, also in the fuel cell system 10D of the present embodiment, the oxygen permeable portion 74 is provided in the fuel cell stack 12D, so that the oxygen permeable portion 74 can have a simple structure.

また、本実施形態でも、燃料流路26Bと空気流路28Bとを区画する円筒基体40の端部に酸素透過部74を積層している。したがって、容易に酸素透過部74を形成することができる。 Also in this embodiment, the oxygen permeation portion 74 is laminated on the end portion of the cylindrical substrate 40 that divides the fuel flow passage 26B and the air flow passage 28B. Therefore, the oxygen permeable portion 74 can be easily formed.

10A、10B、10C、10D 燃料電池システム
12A、12B、12C、12D 燃料電池セルスタック(燃料電池ユニット)
14 凝縮器
16 二酸化炭素回収部
18 電流制御器(電流供給部)
22A、22B 燃料極
24A、24B 空気極
27A、27B 燃料極流路
28A、28B 空気流路
29A、29B 空気極流路
30、40 円筒基体
32、42 燃料電池セル
34、44 水素透過部
35 イオン化触媒層
36 水素透過膜
37 プロトン酸化触媒層(水素イオン化触媒)
64、74 酸素透過部
66 酸素透過膜
68 酸化触媒
10A, 10B, 10C, 10D Fuel cell system 12A, 12B, 12C, 12D Fuel cell stack (fuel cell unit)
14 Condenser 16 Carbon dioxide recovery unit 18 Current controller (current supply unit)
22A, 22B Fuel electrode 24A, 24B Air electrode 27A, 27B Fuel electrode channel 28A, 28B Air channel 29A, 29B Air electrode channel 30, 40 Cylindrical base 32, 42 Fuel cell 34, 44 Hydrogen permeation part 35 Ionization catalyst Layer 36 Hydrogen permeable membrane 37 Proton oxidation catalyst layer (hydrogen ionization catalyst)
64, 74 Oxygen permeable portion 66 Oxygen permeable membrane 68 Oxidation catalyst

Claims (9)

炭素化合物を燃料として発電する円筒型固体酸化物形の燃料電池ユニットであって、
筒状とされ、燃料極、電解質膜、及び空気極が積層された燃料電池セルを有する円筒基体と、
前記円筒基体の筒内と筒外のいずれか一方に位置し炭素化合物を含む燃料ガスが流通する燃料流路と、
前記円筒基体の筒内と筒外のいずれか他方に位置し酸素を含む酸化剤ガスが流通する空気流路と、
前記燃料極よりも下流において前記円筒基体に積層され、前記燃料流路の前記燃料極よりも下流側に位置して二酸化炭素回収部へ気体を送出する燃料極流路と前記空気流路と連通する空気極流路との間でのイオン移動により前記燃料極流路の水素を減じる水素除去部と、
を備えた、燃料電池ユニット。
A cylindrical solid oxide fuel cell unit for generating electricity using a carbon compound as a fuel,
A cylindrical base having a fuel cell in which a fuel electrode, an electrolyte membrane, and an air electrode are laminated in a tubular shape;
A fuel flow path in which the fuel gas containing a carbon compound is located in either one of the inside and the outside of the cylindrical base,
An air flow path in which the oxidant gas containing oxygen is located, which is located in the other of the inside and the outside of the cylinder of the cylindrical substrate,
Communicating with the air flow passage and the fuel flow passage, which is laminated on the cylindrical substrate downstream of the fuel electrode, is located on the downstream side of the fuel flow passage in the fuel flow passage, and delivers gas to the carbon dioxide recovery unit. A hydrogen removing section for reducing hydrogen in the fuel electrode channel by ion movement between the air electrode channel and
A fuel cell unit equipped with.
前記水素除去部は、前記燃料極流路側から前記空気極流路側へ水素イオンを透過させる水素イオン透過膜を有している、請求項1に記載の燃料電池ユニット。 The fuel cell unit according to claim 1, wherein the hydrogen removing unit has a hydrogen ion permeable membrane that allows hydrogen ions to permeate from the fuel electrode channel side to the air electrode channel side. 前記水素イオン透過膜の前記空気極流路側に水素イオン酸化触媒が積層されている、請求項2に記載の燃料電池ユニット。 The fuel cell unit according to claim 2, wherein a hydrogen ion oxidation catalyst is laminated on the hydrogen ion permeable membrane on the air electrode channel side. 前記水素除去部は、前記空気極流路側から前記燃料極流路側へ酸素イオンを透過させる酸素イオン透過膜を有している、請求項1に記載の燃料電池ユニット。 The fuel cell unit according to claim 1, wherein the hydrogen removing unit has an oxygen ion permeable membrane that allows oxygen ions to permeate from the air electrode channel side to the fuel electrode channel side. 前記酸素イオン透過膜の前記燃料極流路側に酸化触媒が積層されている、請求項4に記載の燃料電池ユニット。 The fuel cell unit according to claim 4, wherein an oxidation catalyst is laminated on the oxygen ion permeable membrane on the fuel electrode channel side. 前記燃料極流路を流れる気体と前記空気極流路を流れる気体が、並行流である、請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の燃料電池ユニット。 The fuel cell unit according to claim 1, wherein the gas flowing through the fuel electrode channel and the gas flowing through the air electrode channel are parallel flows. 請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の燃料電池ユニットと、
前記燃料極流路から排出される燃料極オフガスを回収する前記二酸化炭素回収部と、
を備えた、燃料電池システム。
A fuel cell unit according to any one of claims 1 to 6,
It said carbon dioxide recovery unit for recovering the fuel electrode off-gas discharged from the fuel electrode flow path,
A fuel cell system equipped with.
前記水素除去部の前記燃料極流路側と前記空気極流路側との間に電流を流す、電流供給部、を備えた、請求項7に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 7, further comprising: a current supply unit that causes a current to flow between the fuel electrode channel side and the air electrode channel side of the hydrogen removing unit. 前記燃料極流路の前記水素除去部よりも下流側、且つ前記二酸化炭素回収部よりも上流側に設けられた凝縮器、を備えた、請求項7または請求項8に記載の燃料電池システム。 9. The fuel cell system according to claim 7, further comprising a condenser provided downstream of the hydrogen removal unit of the fuel electrode channel and upstream of the carbon dioxide recovery unit.
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