JP6947678B2

JP6947678B2 - Fuel cell system

Info

Publication number: JP6947678B2
Application number: JP2018069391A
Authority: JP
Inventors: 達哉中島; 立樹道幸
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2018-03-30
Filing date: 2018-03-30
Publication date: 2021-10-13
Anticipated expiration: 2038-03-30
Also published as: JP2019179707A

Description

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

下記特許文献１には、分離膜を備えた燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムは、分離膜によって燃料電池セルスタックから排出されたオフガスから、水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方を分離する。分離膜を透過した水蒸気や二酸化炭素は、燃料電池セルスタックのカソードへ供給される。 The following Patent Document 1 discloses a fuel cell system provided with a separation membrane. The fuel cell system separates at least one of water vapor and carbon dioxide from the off-gas discharged from the fuel cell stack by the separation membrane. Water vapor and carbon dioxide that have passed through the separation membrane are supplied to the cathode of the fuel cell stack.

特開２０１７−８４５４２号公報JP-A-2017-84542

上記特許文献１に記載された燃料電池システムでは、オフガスから除去された水蒸気及び二酸化炭素は、燃料電池セルスタックのカソードへ供給される。カソードでは水蒸気及び二酸化炭素を利用した反応は行なわれない。このため、水蒸気及び二酸化炭素を再利用することは難しい。 In the fuel cell system described in Patent Document 1, the water vapor and carbon dioxide removed from the off-gas are supplied to the cathode of the fuel cell stack. No reaction using water vapor and carbon dioxide is carried out at the cathode. Therefore, it is difficult to reuse water vapor and carbon dioxide.

本発明は上記事実を考慮して、オフガスから除去された水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方を再利用できる燃料電池システムを供給することを目的とする。 In view of the above facts, an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of reusing at least one of water vapor and carbon dioxide removed from off-gas.

請求項１の燃料電池システムは、原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質部と、前記改質部で生成された前記燃料ガスと酸化ガスとを反応させて発電を行なう燃料電池と、前記燃料電池から排出されたオフガスからスイープガスへ水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方を移動させる分離膜と、前記スイープガスから前記原料ガスへ前記水蒸気及び前記二酸化炭素の少なくとも一方を移動させる再分離膜と、前記水蒸気及び前記二酸化炭素の少なくとも一方を含んだ前記原料ガスを前記改質部へ供給する供給経路と、を備えている。 The fuel cell system according to claim 1 is a fuel cell that generates power by reacting a reforming unit that reforms a raw material gas to generate a fuel gas with the fuel gas generated by the reforming unit and an oxidizing gas. And a separation film that moves at least one of water vapor and carbon dioxide from the off-gas discharged from the fuel cell to the sweep gas, and re-separation that moves at least one of the water vapor and carbon dioxide from the sweep gas to the raw material gas. It includes a film and a supply path for supplying the raw material gas containing at least one of the water vapor and the carbon dioxide to the reforming unit.

請求項１の燃料電池システムによると、分離膜によって、燃料電池から排出されたオフガスから、水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方がスイープガスへ移動する。また、再分離膜によって、スイープガスから、水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方が原料ガスへ移動する。さらに、供給経路によって、水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方が原料ガスと共に改質部へ供給される。このため、オフガスから除去された水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方を改質原料として再利用できる。なお「改質部」とは、燃料電池と別体に設けられた改質器のほか、燃料電池内で改質反応が行われる部分の双方を指すものとする。 According to the fuel cell system of claim 1, the separation membrane transfers at least one of water vapor and carbon dioxide from the off-gas discharged from the fuel cell to the sweep gas. In addition, the re-separation membrane transfers at least one of water vapor and carbon dioxide from the sweep gas to the raw material gas. Further, by the supply route, at least one of steam and carbon dioxide is supplied to the reforming part together with the raw material gas. Therefore, at least one of water vapor and carbon dioxide removed from the off-gas can be reused as a reforming raw material. The "reforming unit" refers to both the reformer provided separately from the fuel cell and the portion where the reforming reaction is performed in the fuel cell.

請求項２の燃料電池システムは、請求項１の燃料電池システムにおいて、前記水蒸気及び前記二酸化炭素の少なくとも一方が除去された前記スイープガスをシステム外へ排出する排気経路又はシステム内へ再供給する再供給経路と、を備えている。 In the fuel cell system of claim 1, the fuel cell system of claim 2 resupplies the sweep gas from which at least one of the water vapor and the carbon dioxide has been removed into an exhaust path or a system for discharging the sweep gas to the outside of the system. It has a supply route.

請求項２の燃料電池システムによると、スイープガスから除去されなかった水蒸気及び二酸化炭素が、排気経路によって気体のままシステム外へ排出されるか、再供給経路によってシステム内へ再供給される。このため水蒸気を凝縮する凝縮タンクや凝縮水を排出するドレン管が必要ない。 According to the fuel cell system of claim 2, the water vapor and carbon dioxide not removed from the sweep gas are discharged out of the system as a gas by the exhaust path or resupplied into the system by the resupply path. Therefore, there is no need for a condensation tank that condenses water vapor or a drain pipe that discharges condensed water.

さらに、オフガスから除去された水蒸気が改質器へ供給される場合は、改質のために水(液相)を気化させる熱が不要である。このため気化器を備えた構成と比較して燃料電池システムの熱効率を高くすることができる。 Further, when the steam removed from the off-gas is supplied to the reformer, the heat for vaporizing the water (liquid phase) is not required for reforming. Therefore, the thermal efficiency of the fuel cell system can be increased as compared with the configuration provided with the vaporizer.

請求項３の燃料電池システムは、請求項２の燃料電池システムにおいて、前記再分離膜の非透過側の圧力を制御する圧力制御機構を備えている。 The fuel cell system according to claim 3 includes a pressure control mechanism for controlling the pressure on the non-permeable side of the re-separation membrane in the fuel cell system according to claim 2.

請求項３の燃料電池システムは、再分離膜の非透過側の圧力を制御する圧力制御機構を備えている。これにより再分離膜の非透過側の圧力を高めて、原料ガスへ水蒸気又は二酸化炭素を移動しやすくできる。 The fuel cell system of claim 3 includes a pressure control mechanism that controls the pressure on the non-permeable side of the re-separation membrane. As a result, the pressure on the non-permeable side of the re-separation membrane can be increased to facilitate the transfer of water vapor or carbon dioxide to the raw material gas.

請求項４の燃料電池システムは、請求項３の燃料電池システムにおいて、前記スイープガスを前記分離膜の透過側へ供給するスイープガス供給経路と、前記分離膜と前記再分離膜との間に配置され前記スイープガスが流れる中間経路と、前記スイープガス供給経路、前記中間経路、及び、前記排気経路又は前記再供給経路に設けられた流量計測部と、前記流量計測部の測定値に基づき前記圧力制御機構を制御する制御装置と、を備えている。 The fuel cell system according to claim 4 is arranged between the sweep gas supply path for supplying the sweep gas to the permeation side of the separation membrane and the separation membrane and the re-separation membrane in the fuel cell system according to claim 3. The pressure is based on the measured values of the intermediate path through which the sweep gas flows, the flow rate measuring unit provided in the sweep gas supply path, the intermediate path, the exhaust path or the resupply path, and the flow rate measuring unit. It is equipped with a control device for controlling the control mechanism.

請求項４の燃料電池システムによると、流量計測部によって、分離膜の透過側へ供給されたスイープガスの流量と、再分離膜の非透過側へ供給されたスイープガスの流量と、再分離膜の非透過側を通過後のスイープガスの流量とを測定できる。制御装置は、分離膜へ供給されたスイープガスの流量と再分離膜へ供給されたスイープガスの流量とを比較することで、再分離膜へ供給されたスイープガス（分離膜を通過後のスイープガス）に含まれる水蒸気又は二酸化炭素の量を把握できる。さらに、再分離膜へ供給されたスイープガスの流量と再分離膜を通過後のスイープガスの流量とを比較することで、原料ガスに含まれる水蒸気又は二酸化炭素の量を判断できる。 According to the fuel cell system of claim 4, the flow rate measuring unit transfers the flow rate of the sweep gas supplied to the permeation side of the separation membrane, the flow rate of the sweep gas supplied to the non-permeation side of the re-separation membrane, and the re-separation membrane. It is possible to measure the flow rate of the sweep gas after passing through the non-permeable side of the. The control device compares the flow rate of the sweep gas supplied to the separation membrane with the flow rate of the sweep gas supplied to the re-separation membrane, so that the sweep gas supplied to the re-separation membrane (sweep after passing through the separation membrane). The amount of water vapor or carbon dioxide contained in the gas) can be grasped. Further, by comparing the flow rate of the sweep gas supplied to the re-separation membrane with the flow rate of the sweep gas after passing through the re-separation membrane, the amount of water vapor or carbon dioxide contained in the raw material gas can be determined.

再分離膜の非透過側に投入される前のスイープガス流量と通過後のスイープガスの流量の差を確認することで、透過側へ移動した水蒸気又は二酸化炭素の量を把握できる。原料ガスに対して必要な水蒸気又は二酸化炭素の量が決まっている場合において、例えば、再分離膜を通過後のスイープガス流量が、再分離膜に投入される前のスイープガス流量から本来減るべき水蒸気又は二酸化炭素量を差し引いた流量より少ないときは、制御装置は、移動した水蒸気又は二酸化炭素の量が多いと判断する。そこで制御装置は、圧力制御機構を制御して、再分離膜を介した原料ガスへの水蒸気又は二酸化炭素の移動を抑制することができる。 By confirming the difference between the flow rate of the sweep gas before being charged into the non-permeable side of the re-separation membrane and the flow rate of the sweep gas after passing through, the amount of water vapor or carbon dioxide transferred to the permeation side can be grasped. When the amount of water vapor or carbon dioxide required for the raw material gas is determined, for example, the flow rate of sweep gas after passing through the re-separation membrane should be reduced from the flow rate of sweep gas before being charged into the re-separation membrane. If the flow rate is less than the amount of water vapor or carbon dioxide subtracted, the control device determines that the amount of water vapor or carbon dioxide transferred is large. Therefore, the control device can control the pressure control mechanism to suppress the movement of water vapor or carbon dioxide to the raw material gas through the re-separation membrane.

請求項５の燃料電池システムは、請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、前記原料ガスを前記再分離膜の透過側へ供給する原料ガス供給経路と、前記供給経路及び前記原料ガス供給経路に設けられた原料ガス流量計測部と、前記原料ガス流量計測部の測定値に基づき前記圧力制御機構を制御する制御装置と、を備えている。 In the fuel cell system according to claim 3, the fuel cell system according to claim 5 has a raw material gas supply path for supplying the raw material gas to the permeation side of the re-separation membrane, and the supply path and the raw material gas supply path. It is provided with a raw material gas flow rate measuring unit and a control device for controlling the pressure control mechanism based on the measured values of the raw material gas flow rate measuring unit.

請求項５の燃料電池システムによると、原料ガス流量計測部によって、再分離膜の透過側へ供給された原料ガスの流量と、再分離膜の透過側を通過後の原料ガスの流量とを測定できる。制御装置は、再分離膜へ供給された原料ガスの流量と再分離膜を通過後の原料ガスの流量とを比較することで、原料ガスに含まれる水蒸気又は二酸化炭素の量を判断できる。
According to the fuel cell system of claim 5, the raw material gas flow rate measuring unit measures the flow rate of the raw material gas supplied to the permeation side of the reseparation membrane and the flow rate of the raw material gas after passing through the permeation side of the reseparation membrane. can. The control device can determine the amount of water vapor or carbon dioxide contained in the raw material gas by comparing the flow rate of the raw material gas supplied to the re-separation membrane with the flow rate of the raw material gas after passing through the re-separation membrane.

再分離膜を通過後の原料ガス流量が、再分離膜に投入される前の原料ガス流量に本来増えるべき水蒸気又は二酸化炭素量を加えた流量より多い場合、制御装置は、移動した水蒸気又は二酸化炭素の量が多いと判断する。そこで制御装置は、圧力制御機構を制御して、再分離膜を介した原料ガスへの水蒸気又は二酸化炭素の移動を抑制することができる。 When the flow rate of the raw material gas after passing through the re-separation membrane is larger than the flow rate of the raw material gas before being charged into the re-separation membrane plus the amount of water vapor or carbon dioxide that should be increased, the control device determines the transferred water vapor or carbon dioxide. Judge that the amount of carbon is large. Therefore, the control device can control the pressure control mechanism to suppress the movement of water vapor or carbon dioxide to the raw material gas through the re-separation membrane.

請求項６の燃料電池システムは、請求項２〜５の何れか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記再供給経路は、前記水蒸気及び前記二酸化炭素の少なくとも一方が除去された前記スイープガスを前記酸化ガスとして前記燃料電池へ供給する。 The fuel cell system according to claim 6 is the fuel cell system according to any one of claims 2 to 5, wherein the resupply path uses the sweep gas from which at least one of the water vapor and the carbon dioxide has been removed. It is supplied to the fuel cell as the oxidation gas.

請求項６の燃料電池システムによると、水蒸気及び前記二酸化炭素の少なくとも一方が除去されたスイープガスが、再供給経路によって燃料電池へ再供給される。このため、酸化ガスを減らすことができる。また、システム外への排気箇所を減らすことができる。 According to the fuel cell system of claim 6, the sweep gas from which at least one of water vapor and carbon dioxide has been removed is resupplied to the fuel cell by a resupply path. Therefore, the oxidation gas can be reduced. In addition, the number of exhaust points to the outside of the system can be reduced.

請求項７の燃料電池システムは、請求項２〜５の何れか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記再供給経路は、前記水蒸気及び前記二酸化炭素の少なくとも一方が除去された前記スイープガスを前記分離膜の透過側へ供給する。 The fuel cell system according to claim 7 is the fuel cell system according to any one of claims 2 to 5, wherein the resupply path uses the sweep gas from which at least one of the water vapor and the carbon dioxide has been removed. It is supplied to the permeation side of the separation membrane.

請求項７の燃料電池システムによると、水蒸気及び前記二酸化炭素の少なくとも一方が除去されたスイープガスが、再供給経路によって分離膜の透過側へ再供給される。このため、スイープガスがシステム外に排出される量を減らすことができる。また、スイープガスに残った水蒸気、二酸化炭素を再利用できる。 According to the fuel cell system of claim 7, the sweep gas from which at least one of water vapor and carbon dioxide has been removed is resupplied to the permeation side of the separation membrane by the resupply path. Therefore, the amount of sweep gas discharged to the outside of the system can be reduced. In addition, the water vapor and carbon dioxide remaining in the sweep gas can be reused.

請求項８の燃料電池システムは、請求項１〜５の何れか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池から排出されたオフガスを燃焼する燃焼器を備え、前記分離膜の透過側へ供給される前記スイープガスは、前記燃焼器から排出された排出ガスとされている。 The fuel cell system according to claim 8 is the fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, further comprising a combustor for burning off gas discharged from the fuel cell, and moving to the permeation side of the separation membrane. The sweep gas supplied is said to be the exhaust gas discharged from the combustor.

請求項８の燃料電池システムによると、燃焼器から排出された排出ガスがスイープガスとして利用される。これにより、システム外への排出ガスの排出量を低減できる。また、別途スイープガスを供給しなくてもよい。 According to the fuel cell system of claim 8, the exhaust gas discharged from the combustor is used as the sweep gas. As a result, the amount of exhaust gas discharged to the outside of the system can be reduced. Further, it is not necessary to separately supply the sweep gas.

請求項９の燃料電池システムは、原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質部と、
前記改質部で生成された前記燃料ガスと酸化ガスとを反応させて発電を行なう燃料電池と、前記燃料電池の燃料極から排出されたオフガスからスイープガスへ水蒸気を移動させる分離膜と、前記スイープガスから前記原料ガスへ前記水蒸気を移動させる再分離膜と、前記水蒸気を含んだ前記原料ガスを前記改質部へ供給する供給経路と、前記水蒸気が除去された前記スイープガスをシステム外へ排出する排気経路又はシステム内へ再供給する再供給経路と、前記再分離膜の非透過側の圧力を制御する圧力制御機構と、前記スイープガスを前記分離膜の透過側へ供給するスイープガス供給経路と、前記分離膜と前記再分離膜との間に配置され前記スイープガスが流れる中間経路と、前記スイープガス供給経路、前記中間経路、及び、前記排気経路又は前記再供給経路に設けられた水蒸気量計測部と、前記水蒸気量計測部の測定値に基づき前記圧力制御機構を制御する制御装置と、を備えている。 The fuel cell system according to claim 9 includes a reforming unit that reforms the raw material gas to generate the fuel gas.
A fuel cell that generates power by reacting the fuel gas generated in the reforming section with an oxidation gas, a separation film that moves water vapor from the off gas discharged from the fuel electrode of the fuel cell to the sweep gas, and the above. A re-separation film that moves the water vapor from the sweep gas to the raw material gas, a supply path for supplying the raw material gas containing the water vapor to the reforming unit, and the sweep gas from which the water vapor has been removed are taken out of the system. An exhaust path for discharging or a resupply path for resupplying into the system, a pressure control mechanism for controlling the pressure on the non-permeable side of the reseparation membrane, and a sweep gas supply for supplying the sweep gas to the permeation side of the separation membrane. The path, the intermediate path arranged between the separation film and the re-separation film and through which the sweep gas flows, the sweep gas supply path, the intermediate path, and the exhaust path or the resupply path are provided. It includes a water vapor amount measuring unit and a control device that controls the pressure control mechanism based on the measured value of the water vapor amount measuring unit.

請求項９の燃料電池システムによると、水蒸気量計測部によって、分離膜の透過側へ供給されたスイープガスに含まれる水蒸気量と、再分離膜の非透過側へ供給されたスイープガスに含まれる水蒸気量と、再分離膜の非透過側を通過後のスイープガスに含まれる水蒸気量とを測定できる。制御装置は、分離膜へ供給されたスイープガスに含まれる水蒸気量と再分離膜へ供給されたスイープガスに含まれる水蒸気量とを比較することで、再分離膜へ供給されたスイープガス（分離膜を通過後のスイープガス）に含まれる水蒸気量を把握できる。さらに、再分離膜へ供給されたスイープガスに含まれる水蒸気量と再分離膜を通過後のスイープガスに含まれる水蒸気量とを比較することで、原料ガスに含まれる水蒸気量を判断できる。 According to the fuel cell system of claim 9, the amount of water vapor contained in the sweep gas supplied to the permeation side of the separation membrane and the sweep gas supplied to the non-permeation side of the re-separation membrane by the water vapor amount measuring unit are included. The amount of water vapor and the amount of water vapor contained in the sweep gas after passing through the non-permeable side of the re-separation membrane can be measured. The control device compares the amount of water vapor contained in the sweep gas supplied to the separation membrane with the amount of water vapor contained in the sweep gas supplied to the re-separation membrane, thereby supplying the sweep gas (separation) to the re-separation membrane. The amount of water vapor contained in the sweep gas after passing through the membrane) can be grasped. Further, the amount of water vapor contained in the raw material gas can be determined by comparing the amount of water vapor contained in the sweep gas supplied to the re-separation membrane with the amount of water vapor contained in the sweep gas after passing through the re-separation membrane.

再分離膜の非透過側に投入される前のスイープガスに含まれる水蒸気量と通過後のスイープガスに含まれる水蒸気量の差を確認することで、透過側へ移動した水蒸気量を把握できる。原料ガスに対して必要な水蒸気量が決まっている場合において、例えば、再分離膜を通過後のスイープガスに含まれる水蒸気量が、再分離膜に投入される前のスイープガスに含まれる水蒸気量から本来減るべき水蒸気量を差し引いた水蒸気量より少ないときは、制御装置は、移動した水蒸気量が多いと判断する。そこで制御装置は、圧力制御機構を制御して、再分離膜を介した原料ガスへの水蒸気の移動を抑制することができる。 By confirming the difference between the amount of water vapor contained in the sweep gas before being charged into the non-permeated side of the re-separation membrane and the amount of water vapor contained in the sweep gas after passing through, the amount of water vapor transferred to the permeated side can be grasped. When the amount of water vapor required for the raw material gas is determined, for example, the amount of water vapor contained in the sweep gas after passing through the re-separation membrane is the amount of water vapor contained in the sweep gas before being charged into the re-separation membrane. When the amount of water vapor is less than the amount of water vapor obtained by subtracting the amount of water vapor that should be reduced from the amount of water vapor, the control device determines that the amount of water vapor that has moved is large. Therefore, the control device can control the pressure control mechanism to suppress the movement of water vapor to the raw material gas through the re-separation membrane.

請求項１０の燃料電池システムは、請求項９に記載の燃料電池システムにおいて、前記原料ガスを前記再分離膜の透過側へ供給する原料ガス供給経路と、前記供給経路及び前記原料ガス供給経路に設けられた原料ガス流量計測部と、前記原料ガス流量計測部の測定値に基づき前記圧力制御機構を制御する制御装置と、を備えている。 In the fuel cell system according to claim 9, the fuel cell system according to claim 10 has a raw material gas supply path for supplying the raw material gas to the permeation side of the re-separation membrane, and the supply path and the raw material gas supply path. It is provided with a raw material gas flow rate measuring unit and a control device for controlling the pressure control mechanism based on the measured values of the raw material gas flow rate measuring unit.

請求項１０の燃料電池システムによると、原料ガス流量計測部によって、再分離膜の透過側へ供給された原料ガスの流量と、再分離膜の透過側を通過後の原料ガスの流量とを測定できる。制御装置は、再分離膜へ供給された原料ガスの流量と再分離膜を通過後の原料ガスの流量とを比較することで、原料ガスに含まれる水蒸気量を判断できる。 According to the fuel cell system of claim 10, the raw material gas flow rate measuring unit measures the flow rate of the raw material gas supplied to the permeation side of the reseparation membrane and the flow rate of the raw material gas after passing through the permeation side of the reseparation membrane. can. The control device can determine the amount of water vapor contained in the raw material gas by comparing the flow rate of the raw material gas supplied to the re-separation membrane with the flow rate of the raw material gas after passing through the re-separation membrane.

再分離膜を通過後の原料ガス流量が、再分離膜に投入される前の原料ガス流量に本来増えるべき水蒸気量を加えた流量より多い場合、制御装置は、移動した水蒸気量が多いと判断する。そこで制御装置は、圧力制御機構を制御して、再分離膜を介した原料ガスへの水蒸気の移動を抑制することができる。 If the flow rate of the raw material gas after passing through the re-separation membrane is larger than the flow rate of the raw material gas before being charged into the re-separation membrane plus the amount of water vapor that should be increased, the control device determines that the amount of water vapor that has moved is large. do. Therefore, the control device can control the pressure control mechanism to suppress the movement of water vapor to the raw material gas through the re-separation membrane.

請求項１１の燃料電池システムは、請求項９又は請求項１０に記載の燃料電池システムにおいて、前記再供給経路は、前記水蒸気が除去された前記スイープガスを前記酸化ガスとして前記燃料電池へ供給する。 The fuel cell system according to claim 11 is the fuel cell system according to claim 9 or 10. The resupply path supplies the sweep gas from which the water vapor has been removed to the fuel cell as the oxidation gas. ..

請求項１１の燃料電池システムによると、水蒸気が除去されたスイープガスが、再供給経路によって燃料電池へ再供給される。このため、酸化ガスを減らすことができる。また、システム外への排気箇所を減らすことができる。 According to the fuel cell system of claim 11, the sweep gas from which water vapor has been removed is resupplied to the fuel cell by the resupply path. Therefore, the oxidation gas can be reduced. In addition, the number of exhaust points to the outside of the system can be reduced.

請求項１２の燃料電池システムは、請求項９又は請求項１０に記載の燃料電池システムにおいて、前記再供給経路は、前記水蒸気が除去された前記スイープガスを前記分離膜の透過側へ供給する。 The fuel cell system according to claim 12 is the fuel cell system according to claim 9 or 10. The resupply path supplies the sweep gas from which the water vapor has been removed to the permeation side of the separation membrane.

請求項１２の燃料電池システムによると、水蒸気が除去されたスイープガスが、再供給経路によって分離膜の透過側へ再供給される。このため、スイープガスがシステム外に排出される量を減らすことができる。また、スイープガスに残った水蒸気を再利用できる。 According to the fuel cell system of claim 12, the sweep gas from which water vapor has been removed is resupplied to the permeation side of the separation membrane by the resupply path. Therefore, the amount of sweep gas discharged to the outside of the system can be reduced. In addition, the water vapor remaining in the sweep gas can be reused.

請求項１３の燃料電池システムは、請求項９又は請求項１０に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池から排出されたオフガスを燃焼する燃焼器を備え、前記分離膜の透過側へ供給される前記スイープガスは、前記燃焼器から排出された排出ガスとされている。 The fuel cell system according to claim 13 includes a combustor that burns off gas discharged from the fuel cell in the fuel cell system according to claim 9 or 10, and is supplied to the permeation side of the separation membrane. The sweep gas is considered to be the exhaust gas discharged from the combustor.

請求項１３の燃料電池システムによると、燃焼器から排出された排出ガスがスイープガスとして利用される。これにより、システム外への排出ガスの排出量を低減できる。また、別途スイープガスを供給しなくてもよい。 According to the fuel cell system of claim 13, the exhaust gas discharged from the combustor is used as the sweep gas. As a result, the amount of exhaust gas discharged to the outside of the system can be reduced. Further, it is not necessary to separately supply the sweep gas.

請求項１４の燃料電池システムは、請求項９〜１３の何れか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記水蒸気量計測部は露点計である。 The fuel cell system according to claim 14 is the fuel cell system according to any one of claims 9 to 13, wherein the water vapor amount measuring unit is a dew point meter.

請求項１４の燃料電池システムによると、水蒸気量を露点計で計測する。このため、例えば湿度計等を用いる場合と比較して計測精度を高くできる。 According to the fuel cell system of claim 14, the amount of water vapor is measured by a dew point meter. Therefore, the measurement accuracy can be improved as compared with the case of using, for example, a hygrometer.

本発明に係る燃料電池システムによると、オフガスから除去された水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方を再利用できる。 According to the fuel cell system according to the present invention, at least one of water vapor and carbon dioxide removed from off-gas can be reused.

本発明の第１実施形態における燃料電池システムの全体構成の一例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of the whole structure of the fuel cell system in 1st Embodiment of this invention. 本発明の第２実施形態における燃料電池システムの全体構成の一例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of the whole structure of the fuel cell system in 2nd Embodiment of this invention.

［第１実施形態］
＜燃料電池システム＞
図１に示すように、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１０は、改質器１４、燃焼器１６、第１燃料電池セルスタック２２、第２燃料電池セルスタック２４、燃料再生器２６、流量計６４、６７、流量調整機構６６、熱交換器７２、水蒸気分離器７４、圧力制御機構としての昇圧ブロワ８２及び背圧弁８４を備えている。 [First Embodiment]
<Fuel cell system>
As shown in FIG. 1, the fuel cell system 10 according to the first embodiment of the present invention includes a reformer 14, a combustor 16, a first fuel cell stack 22, a second fuel cell stack 24, and a fuel regenerator. 26, a flow meter 64, 67, a flow adjustment mechanism 66, a heat exchanger 72, a steam separator 74, a pressure booster 82 as a pressure control mechanism, and a back pressure valve 84 are provided.

（改質器）
改質器１４は、原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する。改質器１４には、原料ガス及び水蒸気を供給する供給管Ｐ１７が接続されている。これにより原料ガス及び水蒸気が供給管Ｐ１７を通じて改質器１４に供給される。 (Reformer)
The reformer 14 steam reforms the raw material gas to generate a reformed gas. A supply pipe P17 for supplying raw material gas and steam is connected to the reformer 14. As a result, the raw material gas and steam are supplied to the reformer 14 through the supply pipe P17.

改質器１４において原料ガスの一例であるメタンを水蒸気改質させた場合、以下の（１）式の反応により一酸化炭素及び水素が生成される。
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ_２・・・（１） When methane, which is an example of a raw material gas, is steam reformed in the reformer 14, carbon monoxide and hydrogen are produced by the reaction of the following formula (1).
CH ₄ + H ₂ O → CO + 3H ₂ ... (1)

さらに、一酸化炭素をシフト改質させた場合、以下の（２）式の反応により水素及び二酸化炭素が生成される。
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２＋ＣＯ_２・・・（２） Further, when carbon monoxide is shift-reformed, hydrogen and carbon dioxide are produced by the reaction of the following formula (2).
CO + H ₂ O → H ₂ + CO ₂ ... (2)

なお、本実施形態では、原料ガスの一例としてメタンが採用されているが、改質が可能なガスであれば特に限定されず、炭化水素燃料を用いることができる。炭化水素燃料としては、天然ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）、石炭改質ガス、低級炭化水素ガスなどが例示される。低級炭化水素ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、又はブタン等の炭素数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、又はＬＰガス、バイオガス等のガスであってもよい。さらに、原料ガスは、これらの混合ガスであってもよい。 In the present embodiment, methane is adopted as an example of the raw material gas, but the gas is not particularly limited as long as it can be reformed, and a hydrocarbon fuel can be used. Examples of the hydrocarbon fuel include natural gas, LP gas (liquefied petroleum gas), coal reforming 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 is a gas such as natural gas, city gas, LP gas, or biogas. May be good. Further, the raw material gas may be a mixed gas thereof.

改質器１４には、改質ガス供給管Ｐ４の一端が接続されている。改質ガス供給管Ｐ４の他端は、第１燃料電池セルスタック２２におけるアノード（燃料極、不図示）に接続されている。これにより、改質器１４にて生成された改質ガスが、改質ガス供給管Ｐ４を通じて第１燃料電池セルスタック２２に供給される。改質ガスには、未反応のメタン、改質器１４で生成された二酸化炭素、水素、一酸化炭素及び水蒸気等が含まれている。 One end of the reforming gas supply pipe P4 is connected to the reformer 14. The other end of the reformed gas supply pipe P4 is connected to an anode (fuel electrode, not shown) in the first fuel cell stack 22. As a result, the reformed gas generated in the reformer 14 is supplied to the first fuel cell stack 22 through the reformed gas supply pipe P4. The reformed gas contains unreacted methane, carbon dioxide, hydrogen, carbon monoxide, steam and the like produced by the reformer 14.

（燃料電池セルスタック）
第１燃料電池セルスタック２２は例えば固体酸化物系の燃料電池セルスタックであり、積層された複数の燃料電池セル（不図示）を有している。個々の燃料電池セルは、電解質層と、電解質層の表裏面にそれぞれ積層されたカソード及びアノードと、を有する。なお、第１燃料電池セルスタック２２は溶解炭酸塩型の燃料電池セルスタックとしてもよい。 (Fuel cell cell stack)
The first fuel cell stack 22 is, for example, a solid oxide-based fuel cell stack, and has a plurality of stacked fuel cell cells (not shown). Each fuel cell has an electrolyte layer and cathodes and anodes laminated on the front and back surfaces of the electrolyte layer, respectively. The first fuel cell stack 22 may be a molten carbonate type fuel cell stack.

第１燃料電池セルスタック２２のカソードには、酸化ガスが流れる管である酸化ガス管Ｐ５の一端が接続されている。カソードには、酸化ガス管Ｐ５を介して酸化ガス（例えば空気）が供給される。カソードでは、以下の（３）式に示すように、酸化ガス中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。生成された酸素イオンは電解質層を通ってアノードに到達する。 One end of the oxide gas pipe P5, which is a pipe through which the oxide gas flows, is connected to the cathode of the first fuel cell stack 22. Oxidizing gas (for example, air) is supplied to the cathode via the oxidizing gas pipe P5. At the cathode, as shown in the following equation (3), oxygen in the oxidizing gas reacts with electrons to generate oxygen ions. The generated oxygen ions reach the anode through the electrolyte layer.

１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２− ・・・（３） 1 / 2O ₂ + 2e ⁻ → O ^2-・・・ (3)

一方、アノードでは、以下の（４）式及び（５）式に示すように、電解質層を通ってきた酸素イオンが改質ガス中の燃料ガスである水素及び一酸化炭素と反応し、水(水蒸気)、二酸化炭素及び電子が生成される。アノードで生成された電子がアノードから外部回路を通ってカソードに移動することで、各燃料電池セルにおいて発電される。なお、各燃料電池セルは、発電時に発熱する。 On the other hand, at the anode, as shown in the following equations (4) and (5), oxygen ions that have passed through the electrolyte layer react with hydrogen and carbon monoxide, which are fuel gases in the reformed gas, and water ( Water vapor), carbon dioxide and electrons are generated. Electrons generated at the anode move from the anode to the cathode through an external circuit to generate electricity in each fuel cell. Each fuel cell cell generates heat during power generation.

Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ ・・・(４) _{^{_{H 2 + O 2- → H 2}}} O + 2e - ··· (4)

ＣＯ＋Ｏ^２−→ＣＯ_２＋２ｅ⁻ ・・・(５) ^{_{CO + O 2- → CO 2 +}} 2e - ··· (5)

第１燃料電池セルスタック２２のアノードには、アノードオフガスが流れる管であるアノードオフガス管Ｐ６の一端が接続されており、アノードオフガス管Ｐ６にはアノードオフガスが排出される。アノードオフガスには、未反応の水素、未反応の一酸化炭素、二酸化炭素、及び水蒸気等が含まれている。 One end of the anode off-gas pipe P6, which is a pipe through which the anode-off gas flows, is connected to the anode of the first fuel cell stack 22, and the anode-off gas is discharged to the anode-off gas pipe P6. The anode off-gas contains unreacted hydrogen, unreacted carbon monoxide, carbon dioxide, water vapor and the like.

第１燃料電池セルスタック２２のカソードには、カソードオフガスが流れる管であるカソードオフガス管Ｐ７の一端が接続されており、カソードオフガス管Ｐ７にはカソードオフガスが排出される。カソードオフガスには、未反応の酸化ガスなどが含まれている。 One end of the cathode off gas pipe P7, which is a pipe through which the cathode off gas flows, is connected to the cathode of the first fuel cell stack 22, and the cathode off gas is discharged to the cathode off gas pipe P7. The cathode off gas contains unreacted oxidizing gas and the like.

アノードオフガス管Ｐ６の他端は、燃料再生器２６の流入部２６Ａに接続され、カソードオフガス管Ｐ７の他端は、第２燃料電池セルスタック２４のカソード（不図示）に接続されている。 The other end of the anode off-gas pipe P6 is connected to the inflow portion 26A of the fuel regenerator 26, and the other end of the cathode off-gas pipe P7 is connected to the cathode (not shown) of the second fuel cell stack 24.

第２燃料電池セルスタック２４の構成は第１燃料電池セルスタック２２と同様であり詳細の説明は省略するが、上述したように、第２燃料電池セルスタック２４のカソードには、カソードオフガス管Ｐ７の一端が接続されている。また、第２燃料電池セルスタック２４のアノードには、後述する再生ガス管Ｐ８の一端が接続されている。なお、カソードオフガス管Ｐ７は、第２燃料電池セルスタック２４のカソードではなく、燃焼器１６へ接続してもよい。この場合、第２燃料電池セルスタック２４のカソードには、例えば第１燃料電池セルスタック２２と並列して酸化ガスを供給するなど、別途酸化ガス管を接続して酸化ガスを供給する。 The configuration of the second fuel cell stack 24 is the same as that of the first fuel cell stack 22, and detailed description thereof will be omitted. However, as described above, the cathode of the second fuel cell stack 24 has a cathode off gas pipe P7. One end of is connected. Further, one end of the regenerated gas pipe P8, which will be described later, is connected to the anode of the second fuel cell stack 24. The cathode off gas pipe P7 may be connected to the combustor 16 instead of the cathode of the second fuel cell stack 24. In this case, the cathode of the second fuel cell stack 24 is separately connected with an oxidation gas pipe to supply the oxidation gas, for example, by supplying the oxidation gas in parallel with the first fuel cell stack 22.

さらに、第２燃料電池セルスタック２４のカソードには、カソードオフガスが流れる管であるカソードオフガス管Ｐ１１の一端が接続されており、カソードオフガス管Ｐ１１には、カソードオフガスが排出される。カソードオフガスには、未反応の酸化ガスなどが含まれており、カソードオフガスは、カソードオフガス管Ｐ１１を介して燃焼器１６へ供給される。 Further, one end of the cathode off gas pipe P11, which is a pipe through which the cathode off gas flows, is connected to the cathode of the second fuel cell stack 24, and the cathode off gas is discharged to the cathode off gas pipe P11. The cathode-off gas includes unreacted oxidizing gas and the like, and the cathode-off gas is supplied to the combustor 16 via the cathode-off gas pipe P11.

第２燃料電池セルスタック２４のアノードには、アノードオフガスが流れる管であるアノードオフガス管Ｐ１３の一端が接続されており、アノードオフガス管Ｐ１３には、アノードオフガスが排出される。アノードオフガスには、未反応の水素、未反応の一酸化炭素、二酸化炭素、及び水蒸気等が含まれており、アノードオフガスはアノードオフガス管Ｐ１３を介して燃焼器１６へ供給される。 One end of the anode off-gas pipe P13, which is a pipe through which the anode-off gas flows, is connected to the anode of the second fuel cell stack 24, and the anode-off gas is discharged to the anode-off gas pipe P13. The anode-off gas contains unreacted hydrogen, unreacted carbon monoxide, carbon dioxide, water vapor, and the like, and the anode-off gas is supplied to the combustor 16 via the anode-off gas pipe P13.

（燃料再生器）
燃料再生器２６は、流入部２６Ａと透過部２６Ｂとを備えており、流入部２６Ａ及び透過部２６Ｂは、分離膜２６Ｃにより区画されている。 (Fuel regenerator)
The fuel regenerator 26 includes an inflow portion 26A and a transmission portion 26B, and the inflow portion 26A and the transmission portion 26B are partitioned by a separation membrane 26C.

第１燃料電池セルスタック２２のアノードから排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス管Ｐ６を介して流入部２６Ａに流入する。 The anode off gas discharged from the anode of the first fuel cell stack 22 flows into the inflow portion 26A via the anode off gas pipe P6.

透過部２６Ｂには、酸化ガス管Ｐ５から分岐したスイープガス供給管Ｐ９から供給された空気が、スイープガスとして流入する。これにより、透過部２６Ｂにおける水蒸気の分圧が下がり、水蒸気が流入部２６Ａから分離膜２６Ｃを透過して透過部２６Ｂへ移動し易くなる。透過部２６Ｂには中間管Ｐ１６の一端が接続されている。スイープガスは、分離膜２６Ｃを透過したアノードオフガス中の水蒸気と共に、透過部排出ガス（本発明におけるスイープガスの一例）として透過部２６Ｂから中間管Ｐ１６へ排出される。なお、スイープガス供給管Ｐ９は、必ずしも酸化ガス管Ｐ５から分岐させる必要はなく、酸化ガス管Ｐ５から独立して設けてもよい。 The air supplied from the sweep gas supply pipe P9 branched from the oxide gas pipe P5 flows into the permeation portion 26B as a sweep gas. As a result, the partial pressure of water vapor in the permeation portion 26B is lowered, and the water vapor easily permeates through the separation membrane 26C from the inflow portion 26A and moves to the permeation portion 26B. One end of the intermediate tube P16 is connected to the transmission portion 26B. The sweep gas is discharged from the permeation portion 26B to the intermediate pipe P16 as a permeation portion exhaust gas (an example of the sweep gas in the present invention) together with the water vapor in the anode off gas that has permeated through the separation membrane 26C. The sweep gas supply pipe P9 does not necessarily have to be branched from the oxide gas pipe P5, and may be provided independently of the oxide gas pipe P5.

なお、以下の説明においては、流入部２６Ａを「分離膜２６Ｃの非透過側」と称す場合がある。また、透過部２６Ｂを「分離膜２６Ｃの透過側」と称す場合がある。 In the following description, the inflow portion 26A may be referred to as "the non-permeable side of the separation membrane 26C". Further, the transmission portion 26B may be referred to as "the transmission side of the separation membrane 26C".

スイープガス供給管Ｐ９の途中箇所には、燃料再生器２６へ供給する空気の流量を測定して調整できる流量調整機構６６が設けられている。流量調整機構６６は、例えば流量調整弁を用いて構成される。 A flow rate adjusting mechanism 66 capable of measuring and adjusting the flow rate of the air supplied to the fuel regenerator 26 is provided in the middle of the sweep gas supply pipe P9. The flow rate adjusting mechanism 66 is configured by using, for example, a flow rate adjusting valve.

流入部２６Ａにおいて水蒸気等が除去されたガスは、再生ガスとして再生ガス管Ｐ８を介して第２燃料電池セルスタック２４のアノードへ流入する。 The gas from which water vapor and the like have been removed in the inflow section 26A flows into the anode of the second fuel cell stack 24 as regenerated gas via the regenerated gas pipe P8.

（燃焼器）
燃焼器１６は、第２燃料電池セルスタック２４のカソード及びアノードから供給された使用済みのガスを焼却に供する。燃焼器１６には、排気管Ｐ１２の一端が接続されており、燃焼後の排出ガスは排気管Ｐ１２へ排出される。 (Combustor)
The combustor 16 uses the used gas supplied from the cathode and the anode of the second fuel cell stack 24 for incineration. One end of the exhaust pipe P12 is connected to the combustor 16, and the exhaust gas after combustion is discharged to the exhaust pipe P12.

（熱交換器）
熱交換器７２は、燃焼器１６から排気管Ｐ１２へ排出された高温の排出ガスと、後述する水蒸気分離器７４から供給管Ｐ１４へ排出された水蒸気を含む原料ガスとを熱交換し、原料ガスの温度を昇温させる。熱交換器７２には供給管Ｐ１７の一端が接続されており、供給管Ｐ１７へ原料ガスが排出される。供給管Ｐ１７の他端は改質器１４に接続されている。燃焼器１６で熱交換された排出ガスは、排気管Ｐ１２からシステム外へ排出される。 (Heat exchanger)
The heat exchanger 72 exchanges heat between the high-temperature exhaust gas discharged from the combustor 16 to the exhaust pipe P12 and the raw material gas containing water vapor discharged from the steam separator 74 to the supply pipe P14, which will be described later, to exchange the raw material gas. Raise the temperature of the gas. One end of the supply pipe P17 is connected to the heat exchanger 72, and the raw material gas is discharged to the supply pipe P17. The other end of the supply pipe P17 is connected to the reformer 14. The exhaust gas heat-exchanged by the combustor 16 is discharged from the exhaust pipe P12 to the outside of the system.

（水蒸気分離器）
水蒸気分離器７４は、燃料再生器２６から排出される透過部排出ガスの流路に配置されている。 (Steam separator)
The steam separator 74 is arranged in the flow path of the permeate exhaust gas discharged from the fuel regenerator 26.

水蒸気分離器７４は、燃料再生器２６と同様に、流入部７４Ａと透過部７４Ｂとを備えており、流入部７４Ａ及び透過部７４Ｂは、分離膜７４Ｃにより区画されている。なお、分離膜７４Ｃは、本発明における再分離膜の一例である。 Like the fuel regenerator 26, the steam separator 74 includes an inflow portion 74A and a permeation portion 74B, and the inflow portion 74A and the permeation portion 74B are partitioned by a separation membrane 74C. The separation membrane 74C is an example of the re-separation membrane in the present invention.

燃料再生器２６の透過部２６Ｂから排出された透過部排出ガスは、中間管Ｐ１６を介して水蒸気分離器７４の流入部７４Ａ（分離膜７４Ｃの非透過側）に流入する。また、水蒸気分離器７４の透過部７４Ｂ（分離膜７４Ｃの透過側）には、原料ガス管Ｐ１５から供給された原料ガスが、スイープガスとして流入する。これにより、透過部７４Ｂにおける水蒸気の分圧が下がり、流入部７４Ａから分離膜７４Ｃを透過して水蒸気などが透過部７４Ｂへ移動し易くなる。 The permeation exhaust gas discharged from the permeation portion 26B of the fuel regenerator 26 flows into the inflow portion 74A (non-permeation side of the separation membrane 74C) of the steam separator 74 via the intermediate pipe P16. Further, the raw material gas supplied from the raw material gas pipe P15 flows into the permeation portion 74B (permeation side of the separation membrane 74C) of the steam separator 74 as a sweep gas. As a result, the partial pressure of water vapor in the permeation portion 74B is lowered, and the water vapor or the like permeates through the separation membrane 74C from the inflow portion 74A and easily moves to the permeation portion 74B.

透過部７４Ｂには供給管Ｐ１４の一端が接続されている。これにより、水蒸気を含んだ原料ガスが、供給管Ｐ１４、熱交換器７２、供給管Ｐ１７を介して改質器１４へ送出される。また、流入部７４Ａにおいて水蒸気が除去されたガスは、流入部排出ガスとして、流入部７４Ａから排気管Ｐ１０へ排出される。排気管Ｐ１０へ排出された流入部排出ガス（本発明におけるスイープガスの一例）は、システム外へ排出される。 One end of the supply pipe P14 is connected to the transmission portion 74B. As a result, the raw material gas containing water vapor is sent to the reformer 14 via the supply pipe P14, the heat exchanger 72, and the supply pipe P17. Further, the gas from which water vapor has been removed in the inflow section 74A is discharged from the inflow section 74A to the exhaust pipe P10 as an inflow section exhaust gas. The inflow part exhaust gas discharged to the exhaust pipe P10 (an example of the sweep gas in the present invention) is discharged to the outside of the system.

（制御装置）
制御装置６８は、流量計６４、６７、流量調整機構６６、昇圧ブロワ８２及び背圧弁８４と電気的に接続されている。 (Control device)
The control device 68 is electrically connected to the flow meters 64 and 67, the flow rate adjusting mechanism 66, the booster 82, and the back pressure valve 84.

流量計６４は、排気管Ｐ１０に設けられており、水蒸気分離器７４の流入部７４Ａから排出された流入部排出ガスの流量を測定できる。 The flow meter 64 is provided in the exhaust pipe P10, and can measure the flow rate of the inflow portion exhaust gas discharged from the inflow portion 74A of the steam separator 74.

流量計６７は、燃料再生器２６と水蒸気分離器７４の間（水蒸気分離器７４の上流側）の中間管Ｐ１６に設けられており、燃料再生器２６から排出されたスイープガス、換言すると水蒸気分離器７４へ供給されるスイープガスの流量を測定できる。 The flow meter 67 is provided in the intermediate pipe P16 between the fuel regenerator 26 and the steam separator 74 (upstream side of the steam separator 74), and separates the sweep gas discharged from the fuel regenerator 26, in other words, the steam separator. The flow rate of the sweep gas supplied to the vessel 74 can be measured.

流量調整機構６６は、スイープガス供給管Ｐ９に設けられており、スイープガス供給管Ｐ９から燃料再生器２６へ供給されるスイープガス（空気）の流量を測定及び調整できる。なお、流量計６４、６７、流量調整機構６６は本発明における流量計測部の一例である。 The flow rate adjusting mechanism 66 is provided in the sweep gas supply pipe P9, and can measure and adjust the flow rate of the sweep gas (air) supplied from the sweep gas supply pipe P9 to the fuel regenerator 26. The flow meters 64 and 67 and the flow rate adjusting mechanism 66 are examples of the flow rate measuring unit in the present invention.

昇圧ブロワ８２は、中間管Ｐ１６において流量計６７と水蒸気分離器７４の間に設けられている。昇圧ブロワ８２は、燃料再生器２６の透過部２６Ｂから排出された透過部排出ガスを昇圧させて、水蒸気分離器７４へ送出する。 The step-up blower 82 is provided between the flow meter 67 and the steam separator 74 in the intermediate pipe P16. The step-up blower 82 boosts the permeation exhaust gas discharged from the permeation portion 26B of the fuel regenerator 26 and sends it to the steam separator 74.

背圧弁８４は、排気管Ｐ１０において、流量計６４より上流側に設けられている。背圧弁８４は、排気管Ｐ１０を加圧して、水蒸気分離器７４から排気管Ｐ１０へ排出される流入部排出ガスの流量を調整する。 The back pressure valve 84 is provided on the exhaust pipe P10 on the upstream side of the flow meter 64. The back pressure valve 84 pressurizes the exhaust pipe P10 to adjust the flow rate of the inflow portion exhaust gas discharged from the steam separator 74 to the exhaust pipe P10.

制御装置６８は、流量計６４、６７、流量調整機構６６が測定した流入部排出ガス及びスイープガスの流量情報を得ることができる。また、制御装置６８は、流量調整機構６６を制御して、燃料再生器２６へ供給されるスイープガスの流量を調整できる。さらに、制御装置６８は、水蒸気分離器７４の上流側及び下流側に配置された昇圧ブロワ８２及び背圧弁８４を制御して、水蒸気分離器７４における流入部７４Ａの圧力を任意の大きさに設定できる。 The control device 68 can obtain the flow rate information of the inflow portion exhaust gas and the sweep gas measured by the flow meters 64 and 67 and the flow rate adjusting mechanism 66. Further, the control device 68 can control the flow rate adjusting mechanism 66 to adjust the flow rate of the sweep gas supplied to the fuel regenerator 26. Further, the control device 68 controls the step-up blower 82 and the back pressure valve 84 arranged on the upstream side and the downstream side of the steam separator 74, and sets the pressure of the inflow portion 74A in the steam separator 74 to an arbitrary size. can.

＜作用・効果＞
第１実施形態に係る燃料電池システム１０では、分離膜２６Ｃによって、第１燃料電池セルスタック２２から排出されたオフガスからスイープガスへ、水蒸気が移動する。また、分離膜７４Ｃによって、燃料再生器２６から排出された透過部排出ガスから原料ガスへ、水蒸気が移動する。さらに、供給管Ｐ１４、Ｐ１７によって、原料ガスと共に、水蒸気が改質器１４へ供給される。このため、第１燃料電池セルスタック２２から排出されたアノードオフガスから除去された水蒸気を改質原料として再利用できる。 <Action / effect>
In the fuel cell system 10 according to the first embodiment, the separation membrane 26C moves water vapor from the off-gas discharged from the first fuel cell stack 22 to the sweep gas. Further, the separation membrane 74C moves water vapor from the permeate exhaust gas discharged from the fuel regenerator 26 to the raw material gas. Further, steam is supplied to the reformer 14 together with the raw material gas by the supply pipes P14 and P17. Therefore, the water vapor removed from the anode off gas discharged from the first fuel cell stack 22 can be reused as a reforming raw material.

また、アノードオフガスから除去された水蒸気は、凝縮せず気体のまま改質器１４へ供給されるため、改質のために水(液相)を気化させる熱が不要である。このため、気化器を備えた構成と比較してシステム内で必要な熱が減るため発電効率が高い。また、気化器が必要ないため、システムの構成を簡略化できる。 Further, since the water vapor removed from the anode off-gas is supplied to the reformer 14 as a gas without condensing, heat for vaporizing water (liquid phase) is not required for reforming. For this reason, the heat required in the system is reduced as compared with the configuration provided with the vaporizer, and the power generation efficiency is high. Moreover, since a vaporizer is not required, the system configuration can be simplified.

さらに、スイープガス及び燃料再生器２６から排出された透過部排出ガスから除去されなかった水蒸気は、流入部排出ガスと共に、排気管Ｐ１０から気体のままシステム外へ排出される。このため水蒸気を凝縮する凝縮タンクや凝縮水を排出するドレン管が必要ない。このため、システムの構成を簡略化し、ドレン管の配管工事を省略することができる。 Further, the water vapor that has not been removed from the sweep gas and the permeation portion exhaust gas discharged from the fuel regenerator 26 is discharged to the outside of the system as a gas from the exhaust pipe P10 together with the inflow portion exhaust gas. Therefore, there is no need for a condensation tank that condenses water vapor or a drain pipe that discharges condensed water. Therefore, the system configuration can be simplified and the piping work for the drain pipe can be omitted.

また、燃料電池システム１０では、制御装置６８が、水蒸気分離器７４の上流側に配置された昇圧ブロワ８２と水蒸気分離器７４の下流側に配置された背圧弁８４とを制御する。これにより水蒸気分離器７４における流入部７４Ａの圧力を高めて、原料ガスへ水蒸気を移動しやすくできる。さらに、透過側の水蒸気濃度を制御することで非透過側から透過側へ移動する水蒸気量も制御することできる。 Further, in the fuel cell system 10, the control device 68 controls the booster 82 arranged on the upstream side of the steam separator 74 and the back pressure valve 84 arranged on the downstream side of the steam separator 74. As a result, the pressure of the inflow portion 74A in the steam separator 74 can be increased to facilitate the movement of steam to the raw material gas. Further, by controlling the water vapor concentration on the permeation side, the amount of water vapor moving from the non-permeation side to the permeation side can also be controlled.

また、燃料電池システム１０では、流量調整機構６６、流量計６４及び流量計６７によって、燃料再生器２６へ供給されたスイープガスの流量と、水蒸気分離器７４へ供給されたスイープガスの流量と、水蒸気分離器７４から排出された流入部排出ガスの流量とを測定できる。 Further, in the fuel cell system 10, the flow rate of the sweep gas supplied to the fuel regenerator 26 and the flow rate of the sweep gas supplied to the steam separator 74 by the flow rate adjusting mechanism 66, the flow meter 64, and the flow meter 67 are displayed. The flow rate of the inflow portion exhaust gas discharged from the steam separator 74 can be measured.

これにより制御装置６８は、燃料再生器２６へ供給されたスイープガスの流量と水蒸気分離器７４へ供給されたスイープガスの流量とを比較することで、水蒸気分離器７４へ供給されたスイープガス（燃料再生器２６を通過後のスイープガス）に含まれる水蒸気量を把握できる。さらに、水蒸気分離器７４へ供給されたスイープガスの流量と水蒸気分離器７４を通過後のスイープガスの流量とを比較することで、原料ガスに含まれる水蒸気量を判断できる。 As a result, the control device 68 compares the flow rate of the sweep gas supplied to the fuel regenerator 26 with the flow rate of the sweep gas supplied to the steam separator 74, so that the sweep gas supplied to the steam separator 74 ( The amount of water vapor contained in the sweep gas) after passing through the fuel regenerator 26 can be grasped. Further, by comparing the flow rate of the sweep gas supplied to the water vapor separator 74 with the flow rate of the sweep gas after passing through the water vapor separator 74, the amount of water vapor contained in the raw material gas can be determined.

水蒸気分離器７４の非透過側（流入部７４Ａ）に投入される前のスイープガス流量と通過後のスイープガスの流量の差を確認することで、透過側（透過部７４Ｂ）へ移動した水蒸気量を把握できる。原料ガスに対して必要な水蒸気量が決まっている場合において、例えば、水蒸気分離器７４を通過後のスイープガス流量が、水蒸気分離器７４に投入される前のスイープガス流量から本来減るべき水蒸気量を差し引いた流量より少ないときは、制御装置６８は、移動した水蒸気量が多いと判断する。そこで制御装置６８は、圧力制御機構（昇圧ブロワ８２及び背圧弁８４）を制御して、水蒸気分離器７４を介した原料ガスへの水蒸気の移動を抑制することができる。 The amount of water vapor transferred to the permeation side (permeation part 74B) by checking the difference between the flow rate of the sweep gas before being charged into the non-permeation side (inflow part 74A) of the water vapor separator 74 and the flow rate of the sweep gas after passing through. Can be grasped. When the amount of water vapor required for the raw material gas is determined, for example, the amount of water vapor that should be reduced from the flow rate of the sweep gas after passing through the water vapor separator 74 from the flow rate of the sweep gas before being charged into the water vapor separator 74. When the flow rate is less than the deducted flow rate, the control device 68 determines that the amount of water vapor transferred is large. Therefore, the control device 68 can control the pressure control mechanism (step-up blower 82 and back pressure valve 84) to suppress the movement of water vapor to the raw material gas via the water vapor separator 74.

なお、昇圧ブロワ８２による昇圧作用は、昇圧ブロワ８２と背圧弁８４とで挟まれた位置に配置された流入部７４Ａに作用するが、燃料再生器２６における透過部２６Ｂには作用しない。つまり、水蒸気分離器７４における流入部７４Ａの圧力を高めても、透過部２６Ｂの圧力は高くならない。このため、燃料再生器２６の流入部２６Ａから透過部２６Ｂへの水蒸気の移動が妨げられることはない。 The boosting action of the booster blower 82 acts on the inflow portion 74A arranged at a position sandwiched between the booster blower 82 and the back pressure valve 84, but does not act on the transmission portion 26B in the fuel regenerator 26. That is, even if the pressure of the inflow portion 74A in the steam separator 74 is increased, the pressure of the permeation portion 26B does not increase. Therefore, the movement of water vapor from the inflow portion 26A of the fuel regenerator 26 to the permeation portion 26B is not hindered.

なお、燃料電池システム１０では、供給管Ｐ１４、Ｐ１７から供給された水蒸気が、改質器１４の改質反応によって消費される［（１）式及び（２）式］。また、第１燃料電池セルスタック２２、第２燃料電池セルスタック２４の発電によって水が生成される［（４）式］。電流値が高い場合、改質器１４で生成された水素の大部分が発電によって消費されるため、改質器１４において消費される水量と比較して、第１燃料電池セルスタック２２及び第２燃料電池セルスタック２４で生成される水量のほうが多い。このため、改質反応及び発電反応を通して、システム内の水は増加する。 In the fuel cell system 10, the steam supplied from the supply pipes P14 and P17 is consumed by the reforming reaction of the reformer 14 [Equation (1) and (2)]. Further, water is generated by the power generation of the first fuel cell stack 22 and the second fuel cell stack 24 [Equation (4)]. When the current value is high, most of the hydrogen generated by the reformer 14 is consumed by the power generation, so that the first fuel cell stack 22 and the second fuel cell stack 22 and the second are compared with the amount of water consumed by the reformer 14. The amount of water produced by the fuel cell stack 24 is larger. Therefore, the water in the system increases through the reforming reaction and the power generation reaction.

発電反応によって生成された水蒸気の一部は、分離膜２６Ｃ、７４Ｃを介して供給管Ｐ１４へ供給され、システム内を循環する。供給管Ｐ１４へ供給された水蒸気は、再度改質反応によって消費される。別の一部は気体のまま排気管Ｐ１０からシステム外へ排出される。その他の水蒸気は、排気管Ｐ１２からシステム外へ排出される。 A part of the water vapor generated by the power generation reaction is supplied to the supply pipe P14 via the separation membranes 26C and 74C and circulates in the system. The steam supplied to the supply pipe P14 is consumed again by the reforming reaction. Another part is discharged from the exhaust pipe P10 as a gas to the outside of the system. Other water vapor is discharged from the exhaust pipe P12 to the outside of the system.

なお、システム内の水蒸気を減らすためには、排気管Ｐ１０からシステム外へ排出する水蒸気量を増やせばよい。具体的には、制御装置６８によって流量調整機構６６を制御して、燃料再生器２６へ供給されるスイープガスの流量を増やす。これにより、燃料再生器２６の流入部２６Ａのアノードオフガスから透過部２６Ｂへの水蒸気の移動量が増え、排気管Ｐ１０からシステム外へ排出できる水蒸気量が増える。このとき、昇圧ブロワ８２及び背圧弁８４は稼動させず、水蒸気分離器７４における流入部７４Ａの圧力を高めないことが好適である。これにより原料ガスへの水蒸気の移動を抑制して、排気管Ｐ１０からシステム外への水蒸気の排出量を増やす。 In order to reduce the amount of water vapor in the system, the amount of water vapor discharged from the exhaust pipe P10 to the outside of the system may be increased. Specifically, the flow rate adjusting mechanism 66 is controlled by the control device 68 to increase the flow rate of the sweep gas supplied to the fuel regenerator 26. As a result, the amount of water vapor transferred from the anode off gas of the inflow portion 26A of the fuel regenerator 26 to the permeation portion 26B increases, and the amount of water vapor that can be discharged from the exhaust pipe P10 to the outside of the system increases. At this time, it is preferable that the step-up blower 82 and the back pressure valve 84 are not operated and the pressure of the inflow portion 74A in the steam separator 74 is not increased. As a result, the movement of water vapor to the raw material gas is suppressed, and the amount of water vapor discharged from the exhaust pipe P10 to the outside of the system is increased.

なお、第１実施形態に係る燃料電池システム１０においては、水蒸気分離器７４における流入部７４Ａには排気管Ｐ１０が接続され、水蒸気が排気管Ｐ１０からシステム外へ排出されるものとしたが、本発明の実施形態はこれに限らない。 In the fuel cell system 10 according to the first embodiment, the exhaust pipe P10 is connected to the inflow portion 74A of the steam separator 74, and steam is discharged from the exhaust pipe P10 to the outside of the system. The embodiment of the invention is not limited to this.

例えば流入部７４Ａには、図１に破線で示す再供給管Ｐ２０の一端を接続してもよい。再供給管Ｐ２０の他端は、酸化ガス管Ｐ５に接続されている。このため、水蒸気分離器７４から排出された流入部排出ガスは、第１燃料電池セルスタック２２のカソードに供給され、酸化ガスとして再利用される。 For example, one end of the resupply pipe P20 shown by the broken line in FIG. 1 may be connected to the inflow portion 74A. The other end of the resupply pipe P20 is connected to the oxide gas pipe P5. Therefore, the inflow portion exhaust gas discharged from the steam separator 74 is supplied to the cathode of the first fuel cell stack 22 and reused as an oxidation gas.

あるいは流入部７４Ａには、図１に破線で示す再供給管Ｐ２２の一端を接続してもよい。再供給管Ｐ２２の他端は、スイープガス供給管Ｐ９に接続されている。このため、水蒸気分離器７４から排出された流入部排出ガスは、燃料再生器２６における透過部２６Ｂに供給され、スイープガスとして再利用される。 Alternatively, one end of the resupply pipe P22 shown by the broken line in FIG. 1 may be connected to the inflow portion 74A. The other end of the resupply pipe P22 is connected to the sweep gas supply pipe P9. Therefore, the inflow portion exhaust gas discharged from the steam separator 74 is supplied to the permeation portion 26B in the fuel regenerator 26 and reused as a sweep gas.

なお、水蒸気分離器７４から排出された流入部排出ガスをスイープガスとして再利用する場合、分流して一部をシステム系外に排出することが望ましい。流入部７４Ａに水蒸気が残っていると、スイープガスに含まれる水蒸気量が次第に増加するからである。 When the inflow part exhaust gas discharged from the steam separator 74 is reused as a sweep gas, it is desirable to divide the gas and discharge a part of the exhaust gas to the outside of the system system. This is because if water vapor remains in the inflow portion 74A, the amount of water vapor contained in the sweep gas gradually increases.

［第２実施形態］
＜燃料電池システム＞
図２に示す第２実施形態に係る燃料電池システム１１は、図１に示す燃料電池システム１０の排気管Ｐ１２に代えて、再供給管Ｐ２４が設けられている。また、図１に示すスイープガス供給管Ｐ９が設けられていない。
再供給管Ｐ２４の一端は燃焼器１６に接続され、他端は燃料再生器２６の透過部２６Ｂに接続されている。これにより、燃焼器１６から排出された排出ガスが、熱交換器７２で冷却された後、スイープガスとして燃料再生器２６の透過部２６Ｂに供給される。
なお、第２実施形態において、第１実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成については同一の符号を用いてその説明を省略する。また、第１実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成による同一の効果についても説明を省略する。 [Second Embodiment]
<Fuel cell system>
The fuel cell system 11 according to the second embodiment shown in FIG. 2 is provided with a resupply pipe P24 in place of the exhaust pipe P12 of the fuel cell system 10 shown in FIG. Further, the sweep gas supply pipe P9 shown in FIG. 1 is not provided.
One end of the resupply pipe P24 is connected to the combustor 16, and the other end is connected to the transmission portion 26B of the fuel regenerator 26. As a result, the exhaust gas discharged from the combustor 16 is cooled by the heat exchanger 72 and then supplied as sweep gas to the permeation portion 26B of the fuel regenerator 26.
In the second embodiment, the same reference numerals are used for the same configuration as the fuel cell system 10 according to the first embodiment, and the description thereof will be omitted. Further, the same effect of the same configuration as the fuel cell system 10 according to the first embodiment will not be described.

＜作用・効果＞
第２実施形態に係る燃料電池システム１１では、燃焼器１６から排出された排出ガスが再供給管Ｐ２４によって燃料再生器２６の透過部２６Ｂに供給される。このため、排出ガスはスイープガスとして再利用される。また、排出ガスに含まれる水蒸気は、再度水蒸気分離器７４へ供給されて再利用される。さらに、再供給管Ｐ２４を設けることで、システム外への排気箇所を、排気管Ｐ１０に集約できる。 <Action / effect>
In the fuel cell system 11 according to the second embodiment, the exhaust gas discharged from the combustor 16 is supplied to the transmission portion 26B of the fuel regenerator 26 by the resupply pipe P24. Therefore, the exhaust gas is reused as sweep gas. Further, the water vapor contained in the exhaust gas is supplied to the water vapor separator 74 again and reused. Further, by providing the resupply pipe P24, the exhaust points to the outside of the system can be integrated into the exhaust pipe P10.

なお、第２実施形態に係る燃料電池システム１１においては、燃焼器１６から排出された排出ガスを全て燃料再生器２６の透過部２６Ｂに供給しているが、本発明の実施形態はこれに限らない。たとえば再供給管Ｐ２４に、図２に破線で示す分岐流路Ｐ２６を設けて、燃焼器１６から排出された排出ガスの一部をシステム外へ排出する構成としてもよい。分岐流路Ｐ２６を設けることで、分岐流路Ｐ２６を設けない構成と比較して、燃料再生器２６に対するスイープガスの供給量を調整し易くできる。 In the fuel cell system 11 according to the second embodiment, all the exhaust gas discharged from the combustor 16 is supplied to the transmission portion 26B of the fuel regenerator 26, but the embodiment of the present invention is limited to this. No. For example, the resupply pipe P24 may be provided with a branch flow path P26 shown by a broken line in FIG. 2, and a part of the exhaust gas discharged from the combustor 16 may be discharged to the outside of the system. By providing the branch flow path P26, it is possible to easily adjust the amount of sweep gas supplied to the fuel regenerator 26 as compared with the configuration in which the branch flow path P26 is not provided.

なお、第１実施形態に係る燃料電池システム１０及び第２実施形態に係る燃料電池システム１１においては、改質器１４は水蒸気改質によって燃料ガスを生成し、分離膜２６Ｃ、７４Ｃは水蒸気を分離する構成としたが、本発明の実施形態はこれに限らない。 In the fuel cell system 10 according to the first embodiment and the fuel cell system 11 according to the second embodiment, the reformer 14 generates fuel gas by steam reforming, and the separation membranes 26C and 74C separate the steam. However, the embodiment of the present invention is not limited to this.

例えば改質器１４は二酸化炭素改質によって燃料ガスを生成し、分離膜２６Ｃ、７４Ｃは二酸化炭素を分離する構成としてもよい。この場合、第１燃料電池セルスタック２２から排出されたアノードオフガスに含まれる二酸化炭素を再利用することができる。 For example, the reformer 14 may generate fuel gas by carbon dioxide reforming, and the separation membranes 26C and 74C may be configured to separate carbon dioxide. In this case, the carbon dioxide contained in the anode off-gas discharged from the first fuel cell stack 22 can be reused.

あるいは、改質器１４は水蒸気改質及び二酸化炭素改質によって燃料ガスを生成し、分離膜２６Ｃ、７４Ｃは水蒸気及び二酸化炭素を分離する構成としてもよい。この場合、第１燃料電池セルスタック２２から排出されたアノードオフガスに含まれる水蒸気及び二酸化炭素を再利用することができる。 Alternatively, the reformer 14 may generate fuel gas by steam reforming and carbon dioxide reforming, and the separation membranes 26C and 74C may be configured to separate steam and carbon dioxide. In this case, the water vapor and carbon dioxide contained in the anode off-gas discharged from the first fuel cell stack 22 can be reused.

さらに、改質器１４が水蒸気改質によって燃料ガスを生成し分離膜２６Ｃ、７４Ｃが水蒸気及び二酸化炭素を分離する構成や、改質器１４が二酸化炭素改質によって燃料ガスを生成し分離膜２６Ｃ、７４Ｃが水蒸気及び二酸化炭素を分離する構成としてもよい。 Further, the reformer 14 generates fuel gas by steam reforming and the separation membranes 26C and 74C separate steam and carbon dioxide, and the reformer 14 generates fuel gas by carbon dioxide reforming and separate membranes 26C. , 74C may be configured to separate steam and carbon dioxide.

またさらに、改質器１４が水蒸気改質及び二酸化炭素改質によって燃料ガスを生成し分離膜２６Ｃ、７４Ｃが水蒸気を分離する構成や、改質器１４が水蒸気改質及び二酸化炭素改質によって燃料ガスを生成し分離膜２６Ｃ、７４Ｃが二酸化炭素を分離する構成とすることもできる。 Furthermore, the reformer 14 is configured to generate fuel gas by steam reforming and carbon dioxide reforming, and the separation films 26C and 74C separate the steam, and the reformer 14 is fueled by steam reforming and carbon dioxide reforming. It is also possible to form a structure in which gas is generated and the separation films 26C and 74C separate carbon dioxide.

すなわち、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池から排出されたアノードオフガスに含まれる水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方を再利用することができる構成とされていればよい。 That is, the fuel cell system according to the present invention may be configured to be able to reuse at least one of water vapor and carbon dioxide contained in the anode off gas discharged from the fuel cell.

また、第１実施形態に係る燃料電池システム１０及び第２実施形態に係る燃料電池システム１１は、流量計６４、流量調整機構６６及び制御装置６８を備えているが、本発明の実施形態はこれに限らない。流量計６４や流量調整機構６６によってスイープガスの流量を制御しなくても、第１燃料電池セルスタック２２から排出されたアノードオフガスに含まれる水蒸気を、分離膜２６Ｃ、７４Ｃを介して改質器１４へ供給し、再利用できる。 Further, the fuel cell system 10 according to the first embodiment and the fuel cell system 11 according to the second embodiment include a flow meter 64, a flow rate adjusting mechanism 66, and a control device 68. Not limited to. Even if the flow rate of the sweep gas is not controlled by the flow meter 64 or the flow rate adjusting mechanism 66, the water vapor contained in the anode off gas discharged from the first fuel cell stack 22 is reformed via the separation membranes 26C and 74C. It can be supplied to 14 and reused.

さらに、第１実施形態に係る燃料電池システム１０及び第２実施形態に係る燃料電池システム１１は、昇圧ブロワ８２及び背圧弁８４を備えているが、本発明の実施形態はこれに限らない。昇圧ブロワ８２及び背圧弁８４によって水蒸気分離器７４における流入部７４Ａの圧力を高めなくても、原料ガスへ水蒸気を移動させることができる。 Further, the fuel cell system 10 according to the first embodiment and the fuel cell system 11 according to the second embodiment include a booster blower 82 and a back pressure valve 84, but the embodiment of the present invention is not limited to this. The step-up blower 82 and the back pressure valve 84 can transfer steam to the raw material gas without increasing the pressure of the inflow portion 74A in the steam separator 74.

また、上記各実施形態においては、燃料電池セルスタックを２段で構成しているが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば３段以上の任意の段数の燃料電池セルスタックを用いてもよい。 Further, in each of the above embodiments, the fuel cell stack is composed of two stages, but the embodiment of the present invention is not limited to this. For example, a fuel cell stack having an arbitrary number of stages of three or more stages may be used.

また、上記各実施形態に係る燃料電池システムは、第１燃料電池セルスタック２２及び第２燃料電池セルスタック２４を備えた多段式の燃料電池システムとされているが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば図１に示す第２燃料電池セルスタック２４、カソードオフガス管Ｐ１１及びアノードオフガス管Ｐ１３を省略し、再生ガス管Ｐ８を改質ガス供給管Ｐ４へ接続し、カソードオフガス管Ｐ７を燃焼器１６に接続した循環式の燃料電池システムとしてもよい。 Further, the fuel cell system according to each of the above embodiments is a multi-stage fuel cell system including the first fuel cell stack 22 and the second fuel cell stack 24, but the embodiment of the present invention is the same. Not limited to. For example, the second fuel cell stack 24, the cathode off gas pipe P11 and the anode off gas pipe P13 shown in FIG. 1 are omitted, the regenerated gas pipe P8 is connected to the reformed gas supply pipe P4, and the cathode off gas pipe P7 is connected to the combustor 16. It may be a connected circulating fuel cell system.

また、上記各実施形態においては、燃料ガスを生成するための改質器１４を設けているが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば改質器１４を設けず、第１燃料電池セルスタック２２へ水蒸気と原料ガスとを供給してもよい。この場合、第１燃料電池セルスタック２２において改質反応を行なう。このように、本発明における「改質部」とは、燃料電池と別体に設けられた改質器１４のほか、燃料電池内で改質反応が行われる部分の双方を指すものとする。 Further, in each of the above embodiments, a reformer 14 for generating fuel gas is provided, but the embodiment of the present invention is not limited to this. For example, steam and raw material gas may be supplied to the first fuel cell stack 22 without providing the reformer 14. In this case, the reforming reaction is carried out in the first fuel cell stack 22. As described above, the "reforming unit" in the present invention refers to both the reformer 14 provided separately from the fuel cell and the portion where the reforming reaction is performed in the fuel cell.

また、上記各実施形態においては、流量調整機構６６、流量計６７及び流量計６４によって、燃料再生器２６へ供給されるスイープガス（空気）の流量、燃料再生器２６から排出されたスイープガス（水蒸気分離器７４へ供給されたスイープガス）の流量及び水蒸気分離器７４から排出された流入部排出ガスの流量を測定しているが、本発明の実施形態はこれに限らない。 Further, in each of the above embodiments, the flow rate of the sweep gas (air) supplied to the fuel regenerator 26 by the flow rate adjusting mechanism 66, the flow meter 67, and the flow meter 64, and the sweep gas discharged from the fuel regenerator 26 ( The flow rate of the sweep gas supplied to the steam separator 74 and the flow rate of the inflow portion exhaust gas discharged from the steam separator 74 are measured, but the embodiment of the present invention is not limited to this.

例えば、流量計６７及び流量計６４に代えてそれぞれ露点計（水蒸気量計測部）を設け、流量調整機構６６及び２箇所（中間管Ｐ１６、排気管Ｐ１０）の露点計によって、燃料再生器２６へ供給されるスイープガスに含まれる水蒸気量、燃料再生器２６から排出されたスイープガス（水蒸気分離器７４へ供給されたスイープガス）に含まれる水蒸気量及び水蒸気分離器７４から排出された流入部排出ガスに含まれる水蒸気量を測定してもよい。
For example, instead of the flow meter 67 and the flow meter 64, a dew point meter (water vapor amount measuring unit) is provided, respectively, and the flow adjustment mechanism 66 and the dew point meters at two locations (intermediate pipe P16, exhaust pipe P10) are used to reach the fuel regenerator 26. The amount of water vapor contained in the supplied sweep gas, the amount of water vapor contained in the sweep gas discharged from the fuel regenerator 26 (the sweep gas supplied to the water vapor separator 74), and the discharge of the inflow portion discharged from the water vapor separator 74. The amount of water vapor contained in the gas may be measured.

なお、露点計は必ずしも流量計６７及び流量計６４の代わりに用いる必要はなく、露点計と流量計６７及び流量計６４とを併用してもよい。このようにすることで水蒸気量をより正確に把握することができる。 The dew point meter does not necessarily have to be used in place of the flow meter 67 and the flow meter 64, and the dew point meter, the flow meter 67, and the flow meter 64 may be used in combination. By doing so, the amount of water vapor can be grasped more accurately.

またさらに、流量計６７及び流量計６４に代えて又は加えて、原料ガス管Ｐ１５及び供給管Ｐ１４に流量計（原料ガス流量計測部）を設けてもよい。これにより制御装置６８は、水蒸気分離器７４へ供給された原料ガスの流量と水蒸気分離器７４を通過後の原料ガスの流量とを比較して、原料ガスに含まれる水蒸気量を判断できる。 Further, instead of or in addition to the flow meter 67 and the flow meter 64, a flow meter (raw material gas flow rate measuring unit) may be provided in the raw material gas pipe P15 and the supply pipe P14. As a result, the control device 68 can compare the flow rate of the raw material gas supplied to the steam separator 74 with the flow rate of the raw material gas after passing through the steam separator 74 to determine the amount of water vapor contained in the raw material gas.

水蒸気分離器７４の透過側（透過部７４Ｂ）に投入される前の原料ガス流量と通過後の原料ガスの流量の差を確認することで、非透過側（流入部７４Ａ）から移動した水蒸気量を把握できる。原料ガスに対して必要な水蒸気量が決まっている場合において、例えば、水蒸気分離器７４を通過後の原料ガス流量が、水蒸気分離器７４に投入される前の原料ガス流量に本来増えるべき水蒸気量を加えた流量より多いときは、制御装置６８は、移動した水蒸気量が多いと判断する。そこで制御装置６８は、圧力制御機構（昇圧ブロワ８２及び背圧弁８４）を制御して、水蒸気分離器７４を介した原料ガスへの水蒸気の移動を抑制することができる。 By checking the difference between the flow rate of the raw material gas before being charged into the permeation side (permeation portion 74B) of the steam separator 74 and the flow rate of the raw material gas after passing through, the amount of water vapor transferred from the non-permeation side (inflow portion 74A). Can be grasped. When the amount of water vapor required for the raw material gas is determined, for example, the amount of water vapor that should be increased by the flow rate of the raw material gas after passing through the water vapor separator 74 to the flow rate of the raw material gas before being charged into the water vapor separator 74. When the flow rate is higher than the sum of the above, the control device 68 determines that the amount of water vapor transferred is large. Therefore, the control device 68 can control the pressure control mechanism (step-up blower 82 and back pressure valve 84) to suppress the movement of water vapor to the raw material gas via the water vapor separator 74.

なお、流量計６７及び流量計６４に代えて又は加えて、原料ガス管Ｐ１５及び供給管Ｐ１４に露点計を設けてもよい。これらの露点計を用いても、水蒸気分離器７４へ供給された原料ガスに含まれる水蒸気量及び水蒸気分離器７４を通過後の原料ガスに含まれる水蒸気量を判断できる。このように、本発明は様々な態様で実施することができる。 In addition, instead of or in addition to the flow meter 67 and the flow meter 64, a dew point meter may be provided in the raw material gas pipe P15 and the supply pipe P14. Even if these dew point meters are used, the amount of water vapor contained in the raw material gas supplied to the water vapor separator 74 and the amount of water vapor contained in the raw material gas after passing through the water vapor separator 74 can be determined. As described above, the present invention can be carried out in various aspects.

１０、１１燃料電池システム
１４改質器
１６燃焼器
２２第１燃料電池セルスタック（燃料電池）
２６Ｃ分離膜
６４流量計（流量計測部）
６６流量調整機構（流量計測部）
６７流量計（流量計測部）
６８制御装置
７４Ｃ分離膜（再分離膜）
８２昇圧ブロワ（圧力調整機構）
８４背圧弁（圧力調整機構）
Ｐ９スイープガス供給管（スイープガス供給経路）
Ｐ１０排気管（排気経路）
Ｐ１６中間管（中間経路）
Ｐ２０再供給管（再供給経路）
Ｐ２２再供給管（再供給経路）
Ｐ１４、Ｐ１７供給管（供給経路）
Ｐ１５原料ガス管（原料ガス供給経路） 10, 11 Fuel cell system 14 Reformer 16 Combustor 22 1st fuel cell cell stack (fuel cell)
26C Separation Membrane 64 Flowmeter (Flowmeter)
66 Flow rate adjustment mechanism (flow rate measurement unit)
67 Flow meter (flow measurement unit)
68 Control device 74C Separation membrane (re-separation membrane)
82 Boost blower (pressure adjustment mechanism)
84 Back pressure valve (pressure adjustment mechanism)
P9 Sweep gas supply pipe (sweep gas supply path)
P10 Exhaust pipe (exhaust path)
P16 Intermediate pipe (intermediate route)
P20 resupply pipe (resupply route)
P22 Resupply pipe (resupply route)
P14, P17 Supply pipe (supply route)
P15 Raw material gas pipe (raw material gas supply route)

Claims

A reforming unit that reforms the raw material gas to generate fuel gas,
A fuel cell that generates electricity by reacting the fuel gas generated in the reforming section with the oxidizing gas,
A separation membrane that moves at least one of water vapor and carbon dioxide from the off-gas discharged from the fuel electrode of the fuel cell to the sweep gas.
A re-separation membrane that transfers at least one of the water vapor and the carbon dioxide from the sweep gas to the raw material gas.
A supply path for supplying the raw material gas containing at least one of the steam and carbon dioxide to the reforming unit, and
Fuel cell system with.

The fuel cell system according to claim 1, further comprising an exhaust path for discharging the sweep gas from which at least one of the water vapor and the carbon dioxide has been removed to the outside of the system or a resupply path for resupplying the sweep gas into the system.

The fuel cell system according to claim 2, further comprising a pressure control mechanism for controlling the pressure on the non-permeable side of the re-separation membrane.

A sweep gas supply path for supplying the sweep gas to the permeation side of the separation membrane,
An intermediate path in which the sweep gas flows, which is arranged between the separation membrane and the re-separation membrane,
The sweep gas supply path, the intermediate path, and the flow rate measuring unit provided in the exhaust path or the resupply path,
A control device that controls the pressure control mechanism based on the measured value of the flow rate measuring unit, and
The fuel cell system according to claim 3.

A raw material gas supply path for supplying the raw material gas to the permeation side of the re-separation membrane, and
The raw material gas flow rate measuring unit provided in the supply path and the raw material gas supply path, and
A control device that controls the pressure control mechanism based on the measured value of the raw material gas flow rate measuring unit, and
The fuel cell system according to claim 3.

The fuel cell system according to any one of claims 2 to 5, wherein the resupply path supplies the sweep gas from which at least one of the water vapor and the carbon dioxide has been removed to the fuel cell as the oxidation gas. ..

The fuel cell system according to any one of claims 2 to 5, wherein the resupply path supplies the sweep gas from which at least one of the water vapor and the carbon dioxide has been removed to the permeation side of the separation membrane.

It is equipped with a combustor that burns off-gas discharged from the fuel cell.
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, wherein the sweep gas supplied to the permeation side of the separation membrane is an exhaust gas discharged from the combustor.

A reforming unit that reforms the raw material gas to generate fuel gas,
A fuel cell that generates electricity by reacting the fuel gas generated in the reforming section with the oxidizing gas,
A separation membrane that moves water vapor from the off-gas discharged from the fuel electrode of the fuel cell to the sweep gas,
A re-separation membrane that transfers the water vapor from the sweep gas to the raw material gas,
A supply path for supplying the raw material gas containing water vapor to the reforming unit, and
An exhaust path for discharging the sweep gas from which the water vapor has been removed to the outside of the system or a resupply path for resupplying the sweep gas into the system.
A pressure control mechanism that controls the pressure on the non-permeable side of the re-separation membrane,
A sweep gas supply path for supplying the sweep gas to the permeation side of the separation membrane,
An intermediate path in which the sweep gas flows, which is arranged between the separation membrane and the re-separation membrane,
The sweep gas supply path, the intermediate path, and the water vapor amount measuring unit provided in the exhaust path or the resupply path,
A control device that controls the pressure control mechanism based on the measured value of the water vapor amount measuring unit, and
Fuel cell system with.

A raw material gas supply path for supplying the raw material gas to the permeation side of the re-separation membrane, and
The raw material gas flow rate measuring unit provided in the supply path and the raw material gas supply path, and
A control device that controls the pressure control mechanism based on the measured value of the raw material gas flow rate measuring unit, and
9. The fuel cell system according to claim 9.

The fuel cell system according to claim 9 or 10, wherein the resupply path supplies the sweep gas from which the water vapor has been removed to the fuel cell as the oxidation gas.

The fuel cell system according to claim 9 or 10, wherein the resupply path supplies the sweep gas from which the water vapor has been removed to the permeation side of the separation membrane.

It is equipped with a combustor that burns off-gas discharged from the fuel cell.
The fuel cell system according to claim 9, wherein the sweep gas supplied to the permeation side of the separation membrane is an exhaust gas discharged from the combustor.

The fuel cell system according to any one of claims 9 to 13, wherein the water vapor amount measuring unit is a dew point meter.