JP6986839B2

JP6986839B2 - 燃料電池システム、及び二酸化炭素分離方法

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Publication number: JP6986839B2
Application number: JP2016256053A
Authority: JP
Inventors: 俊平多久
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2016-12-28
Filing date: 2016-12-28
Publication date: 2021-12-22
Anticipated expiration: 2036-12-28
Also published as: JP2018107098A

Description

本発明は燃料電池システム、及び、この燃料電池システムで用いられる二酸化炭素分離方法に関する。

燃料電池システムにおいて、炭化水素燃料を用いる場合には、二酸化炭素が発生する。この二酸化炭素は、アノードから排出されるアノードオフガスにも含まれており、アノードオフガスから二酸化炭素を回収する方法が提案されている。例えば、特許文献１には、アノードオフガスを凝縮させて水蒸気を分離し、水蒸気が分離されたアノードオフガスを二酸化炭素分離装置へ導入し、分離膜により二酸化炭素を分離して回収する技術が開示されている。このように、二酸化炭素を分離して回収する場合、工夫が求められる。

特開平６−２０３８４５号公報

本発明は上記事実を考慮して成されたもので、アノードオフガスから二酸化炭素を効率よく分離することが目的である。

請求項１記載の発明に係る燃料電池システムは、燃料極へ供給される燃料ガスと空気極へ供給される酸素を含むガスにより発電し、前記燃料極からアノードオフガスが排出される燃料電池と、前記アノードオフガスが流入される流入部と、前記アノードオフガス中の二酸化炭素を透過させて分離する分離膜により前記流入部と区画された透過部と、を有する分離部と、スイープガスとして前記透過部へ水蒸気を供給する水蒸気供給部と、を備えている。

請求項１に係る燃料電池システムは、分離部を有している。分離部は、アノードオフガスから二酸化炭素及を分離する分離膜を備え、分離膜によって流入部と透過部に区画されている。スイープガスとしての水蒸気は透過部へ流入される。これにより、スイープガスの供給がない場合と比較して、透過部における二酸化炭素の分圧は低減される。したがって、分離膜の透過側への二酸化炭素の透過を向上させることができ、分離膜を用いて効率的にアノードオフガスから二酸化炭素を分離することができる。また、水蒸気をスイープガスとして用いることにより、透過部から送出された透過ガスから、凝縮等により水蒸気を容易に分離して、高い濃度の二酸化炭素を回収することができる。

一方、二酸化炭素が分離されたアノードオフガスは、流入部から送出される。再生燃料ガスは、例えば、燃料電池の発電に再度用いることができる。
請求項２記載の発明に係る燃料電池システムは、燃料極へ供給される燃料ガスと空気極へ供給される酸素を含むガスにより発電し、前記燃料極からアノードオフガスが排出される燃料電池と、前記アノードオフガスが流入される流入部と、前記アノードオフガス中の二酸化炭素を透過させて分離する分離膜により前記流入部と区画された透過部と、を有する分離部と、スイープガスとして前記透過部へ水蒸気を供給する水蒸気供給部と、前記透過部から排出されたガスから水蒸気を凝縮させて分離する水蒸気分離部と、前記水蒸気分離部で分離された水を前記水蒸気供給部へ戻す水循環流路と、を備えている。

請求項３記載の発明に係る燃料電池システムは、原料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器を備え、前記水蒸気供給部は、前記改質器へ水蒸気を供給する。

請求項３に係る燃料電池システムでは、改質器及び透過部の双方への水蒸気供給を水蒸気供給部が兼ねる。したがって、燃料電池システムを簡略化することができる。

請求項１記載の発明に係る燃料電池システムは、前記透過部から排出されたガスに含まれた水蒸気または該水蒸気の凝縮水を前記水蒸気供給部へ戻す水循環流路を備えた、ことを特徴とする。

請求項１に係る燃料電池システムでは、透過部から排出されたガスに含まれた水蒸気または該水蒸気の凝縮水が、水循環流路により水蒸気供給部へ戻される。したがって、燃料電池システム内で必要な水を循環させることができる。

請求項１記載の発明に係る燃料電池システムは、前記前記透過部から排出されたガスから水蒸気を分離する水蒸気分離部を備えている。

請求項１に係る燃料電池システムでは、水蒸気分離部で水蒸気を除去して、高濃度の二酸化炭素含有ガスを得ることができる。

請求項４記載の発明に係る燃料電池システムは、記水蒸気分離部は、透過部から排出された透過ガスと前記空気極へ供給される空気との間で熱交換を行う熱交換器を含んで構成されている、ことを特徴とする。

請求項４に係る燃料電池システムでは、透過部から排出された透過ガスと空気極へ供給される酸素を含むガスとの間で熱交換を行うことにより、透過部から排出されたガスに含まれる水蒸気を凝縮して二酸化炭素を含む透過ガスから分離することができる。また、空気極へ供給される空気を加熱することができ、有効に熱を利用することができる。

請求項５記載の発明に係る燃料電池システムは、前記水蒸気分離部は、透過部から排出された透過ガスと前記水蒸気分離部で凝縮により分離された水との間で熱交換を行う熱交換器を含んで構成されている、ことを特徴とする。

請求項５記載の発明に係る燃料電池システムでは、透過部から排出された透過ガスと水蒸気分離部で凝縮により分離された水との間で熱交換を行うことにより、透過部から排出されたガスに含まれる水蒸気を凝縮して二酸化炭素を含む透過ガスから分離することができる。

請求項６記載の発明に係る燃料電池システムは、前記水蒸気分離部は、透過部から排出された透過ガスと前記燃料電池システム内へ供給される液相の水との間で熱交換を行う熱交換器を含んで構成されている、ことを特徴とする。

請求項６記載の発明に係る燃料電池システムでは、透過部から排出された透過ガスと燃料電池システム内へ供給される液相の水との間で熱交換を行うことにより、透過部から排出されたガスに含まれる水蒸気を凝縮して二酸化炭素を含む透過ガスから分離することができる。

請求項７記載の発明に係る燃料電池システムは、前記分離部の上流に前記流入部へ送出する前記アノードオフガスを昇圧する昇圧装置を備えている。

請求項７に係る燃料電池システムでは、昇圧装置により流入部の二酸化炭素分圧が高くなるので、二酸化炭素の分離膜透過を促進することができる。

請求項８記載の発明に係る燃料電池システムは、前記分離膜は、水蒸気存在下で二酸化炭素の透過が向上される材料で形成されている。

請求項８に係る燃料電池システムでは、透過部へ水蒸気をスイープガスとして供給している。したがって、分離膜を水蒸気存在下で用いることができ、水蒸気存在下で二酸化炭素の透過が向上される材料で形成された分離膜を有効に利用することができる。

請求項９記載の発明に係る燃料電池システムは、前記燃料電池は、前記分離部の前記流入部へアノードオフガスを送出する第１燃料電池と、前記流入部から送出された再生燃料ガスが前記燃料ガスとして燃料極へ供給される第２燃料電池と、を含む。

請求項９に係る燃料電池システムによれば、第１燃料電池から排出されたアノードオフが、二酸化炭素を分離された再生燃料ガスとして第２燃料電池での発電に使用される。したがって、燃料電池システムでの発電効率を向上させることができる。

請求項１０記載の発明に係る燃料電池システムは、前記流入部から送出された再生燃料ガスを前記燃料ガスとして燃料極へ供給する燃料循環配管を備えている。

請求項１０に係る燃料電池システムによれば、循環配管により、二酸化炭素を分離された再生燃料ガスが燃料極へ再び供給されて発電に供される。したがって、燃料電池システムでの発電効率を向上させることができる。

なお、二酸化炭素分離方法は、燃料電池の燃料極から排出されたアノードオフガスから、分離膜を透過させて二酸化炭素を分離させる際に、スイープガスとして前記分離膜の透過側へ水蒸気を供給するものである。

この二酸化炭素分離方法によれば、スイープガスの供給がない場合と比較して、分離膜の透過側における二酸化炭素の分圧は低減される。したがって、分離膜の透過側への二酸化炭素の透過を向上させることができ、分離膜を用いて効率的にアノードオフガスから二酸化炭素を分離することができる。また、水蒸気をスイープガスとして用いることにより、透過側から送出された透過ガスから、凝縮等により水蒸気を容易に分離して、高い濃度の二酸化炭素を回収することができる。

本発明に係る燃料電池システム、二酸化炭素分離方法によれば、アノードオフガスから二酸化炭素を効率よく分離することができる。

第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。第１実施形態の変形例に係る燃料電池システムの概略構成図である。第１実施形態の他の変形例に係る燃料電池システムの概略構成図である。第１実施形態の他の変形例に係る燃料電池システムの概略構成図である。第２実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。第２実施形態の変形例に係る燃料電池システムの概略構成図である。第３実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。第４実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。第５実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。第６実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態の一例を詳細に説明する。

〔第１実施形態〕
図１には、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１０Ａが示されている。燃料電池システム１０Ａは、主要な構成として、気化器１２、改質器１４、第１燃料電池スタック１６、第２燃料電池スタック１８、分離部２０、第１熱交換器３０、第２熱交換器３２、燃焼器４０、及びタンク４２を備えている。

改質器１４には、原料ガス管Ｐ１の一端が接続されており、原料ガス管Ｐ１の他端は図示しないガス源に接続されている。ガス源からは、ブロアＢ１によりメタンが改質器１４へ送出される。なお、本実施形態では、原料ガスとしてメタンを用いるが、改質が可能なガスであれば特に限定されず、炭化水素燃料を用いることができる。炭化水素燃料としては、天然ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）、石炭改質ガス、低級炭化水素ガスなどが例示される。低級炭化水素ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭素数４以下の低級炭化水素が挙げられ、本実施形態で用いるメタンが好ましい。なお、炭化水素燃料としては、上述した低級炭化水素ガスを混合したものであってもよく、上述した低級炭化水素ガスは天然ガス、都市ガス、ＬＰガス等のガスであってもよい。

気化器１２には、水供給管Ｐ２が接続されており、ポンプＰＯ１により、水（液相）が送り込まれる。気化器１２では、水が気化される。気化には、後述する燃焼器４０の熱が用いられる。気化器１２からは、水蒸気が送出され、水蒸気を送出する水蒸気管Ｐ３は、原料ガス管Ｐ１と合流されている。

メタン及び水蒸気は原料ガス管Ｐ１で合流され、改質器１４へ供給される。改質器１４は、燃焼器４０、第１燃料電池スタック１６、及び第２燃料電池スタック１８と隣接されており、これらとの間で熱交換を行うことで加熱される。

改質器１４では、メタンを改質し、水素を含む６００℃程度の温度の燃料ガスＧ１を生成する。改質器１４は、第１燃料電池スタック１６のアノード（燃料極）１６Ａと接続されている。改質器１４で生成された燃料ガスＧ１は、燃料ガス管Ｐ４を介して第１燃料電池スタック１６のアノード１６Ａに供給される。

第１燃料電池スタック１６は固体酸化物形の燃料電池スタックであり、積層された複数の燃料電池セルを有している。第１燃料電池スタック１６は本発明における燃料電池（第１燃料電池）の一例であり、本実施形態では、作動温度が６５０℃程度とされている。個々の燃料電池セルは、電解質層１６Ｃと、当該電解質層１６Ｃの表裏面にそれぞれ積層されたアノード１６Ａ、及びカソード（空気極）１６Ｂと、を有している。

なお、第２燃料電池スタック１８についての基本構成は、第１燃料電池スタック１６と同様であり、アノード１６Ａに対応するアノード１８Ａ、カソード１６Ｂに対応するカソード１８Ｂ、及び電解質層１６Ｃに対応する電解質層１８Ｃを有している。

第１燃料電池スタック１６のカソード１６Ｂには、酸化ガス管Ｐ５から酸化ガスＧ５（空気）が供給される。酸化ガス管Ｐ５へは、ブロアＢ２により空気が導入されている。酸化ガス管Ｐ５には、第２熱交換器３２が設けられており、空気が後述する透過ガスＧ７との熱交換により加熱され、カソード１６Ｂへ供給される。

カソード１６Ｂでは、下記（１）式に示すように、酸化ガス中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。生成された酸素イオンは電解質層を通って第１燃料電池スタック１６のアノード１６Ａに到達する。

（空気極反応）
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻ →Ｏ^２− …（１）

また、カソード１６Ｂには、カソード１６Ｂから排出されるカソードオフガスＧ２を第２燃料電池スタック１８のカソード１８Ｂへ案内するカソードオフガス管Ｐ６が接続されている。

一方、第１燃料電池スタック１６のアノード１６Ａでは、下記（２）式及び（３）式に示すように、電解質層を通ってきた酸素イオンが燃料ガス中の水素及び一酸化炭素と反応し、水(水蒸気)及び二酸化炭素と電子が生成される。アノード１６Ａで生成された電子がアノード１６Ａから外部回路を通ってカソード１６Ｂに移動することで、各燃料電池セルにおいて発電される。また、各燃料電池セルは、発電時に発熱する。

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

第１燃料電池スタック１６のアノード１６Ａにはアノードオフガス管Ｐ７の一端が接続されており、アノードオフガス管Ｐ７には、アノード１６ＡからアノードオフガスＧ３が排出される。アノードオフガスＧ３には、未反応の水素、未反応の一酸化炭素、二酸化炭素及び水蒸気等が含まれている。

なお、本発明の燃料電池としては、固体酸化物形の燃料電池(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)に限られるものではなく、アノードオフガスに二酸化炭素及が含まれる他の燃料電池、例えば溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)、リン酸形燃料電池(PAFC)、高分子電解質形燃料電池(PEFC)であってもよい。

アノードオフガス管Ｐ７の他端は、後述する第１熱交換器３０、ブロアＢ３を経て分離部２０の流入部２４と接続されている。昇圧装置としてのブロアＢ３は、第１熱交換器３０の下流側に設けられ、アノードオフガス管Ｐ７を流れるアノードオフガスＧ３をブロアＢ３の下流側で昇圧する。分離部２０は、アノードオフガスＧ３から二酸化炭素を後述する分離膜２８で分離するものである。分離部２０は、流入部２４及び透過部２６を有している。流入部２４と透過部２６は、分離膜２８で区画されている。流入部２４がアノードオフガスＧ３の非透過側となり、透過部２６が透過側となる。

ここで、分離膜２８について説明する。本実施形態では、分離膜２８は二酸化炭素を透過する機能を有するものを用いる。二酸化炭素を透過する機能を有するものであれば、特に限定されないが、例えば、有機高分子膜、無機材料膜、有機高分子−無機材料複合膜、液体膜などが挙げられる。また、分離膜は、ガスの相対湿度が高いときに二酸化炭素透過性が向上する分離膜であることが好ましく、ゴム状高分子膜、イオン交換樹脂膜、アミン水溶液膜又はイオン液体膜であることがより好ましい。

有機高分子膜の材質としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン、ポリメチルペンテン等のポリオレフィン系樹脂、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン等のフッ素樹脂、ポリスチレン、酢酸セルロース、ポリウレタン、ポリアクリロニトリル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリイミド、ポリアミド、ポリエーテルイミド、ポリピロール、ポリフェニレンオキシド、ポリアニリン、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、ポリエチレングリコール、等の各種有機材料が挙げられる。また、有機高分子膜は、１種の有機材料から構成される膜であってもよく、２種以上の有機材料から構成される膜であってもよい。

また分離膜としては、より好ましくは、例えば、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、ポリビニルアルコール−ポリアクリル酸塩共重合体、ポリエチレングリコールなどの吸水性を有する有機高分子と、二酸化炭素と親和性を有し、かつ水溶性を示す二酸化炭素キャリアとを含む有機高分子膜であってもよい。

二酸化炭素キャリアとしては、無機材料及び有機材料が用いられ、例えば、無機材料としては、アルカリ金属塩（好ましくはアルカリ金属炭酸塩、アルカリ金属重炭酸塩）、アンモニア、アンモニウム塩などが挙げられ、有機材料としては、例えば、アミン、アミン塩、ポリアミン、アミノ酸などが挙げられる。なお、二酸化炭素キャリアは、無機材料膜、有機高分子−無機材料複合膜、液体膜等に含まれていてもよい。

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

なお、分離膜は、多孔質性の支持体に支持されていてもよい。支持体の材質としては、紙、セルロース、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリイミド、ポリスルホン、ポリカーボネート、金属、ガラス、セラミックなどが挙げられる。なお、支持体を設けた場合、二酸化炭素分離膜の厚さは、二酸化炭素透過性を好適に確保する点から、１００ｎｍ〜１００μｍの範囲が好ましく、より好ましくは１００ｎｍ〜５０μｍの範囲である。

また、分離膜として、例えば、特許第５３２９２０７号に記載の高分子膜、特許第４９６５９２８号に記載のＣＯ_２促進輸送膜、特許第５７４３６３９号に記載の分離膜、特許第５７３８７０４号に記載の透過膜などを用いてもよい。

アノードオフガスＧ３は、アノードオフガス管Ｐ７を経て分離部２０の流入部２４へ供給される。アノードオフガスＧ３に含まれる二酸化炭素は、分離膜２８を透過して透過部２６へ移動する。二酸化炭素の濃度が低減されて流入部２４側に残ったアノードオフガスＧ３は、再生燃料ガスＧ４となって、流入部２４から送出される。再生燃料ガス管Ｐ９は、第２燃料電池スタック１８のアノード１８Ａと接続されており、再生燃料ガスＧ４は、再生燃料ガス管Ｐ９を経て、第２燃料電池スタック１８のアノード１８Ａに供給される。

アノードオフガス管Ｐ７を流れるアノードオフガスＧ３と再生燃料ガス管Ｐ９を流れる再生燃料ガスＧ４とは、第１熱交換器３０で熱交換が行われる。第１熱交換器３０では、アノードオフガスＧ３が冷却され、再生燃料ガスＧ４が加熱される。

分離部２０の透過部２６には、スイープ用気化器４４に一端が接続されたスイープ水供給管Ｐ１４の他端が接続されている。スイープ用気化器４４は、後述するタンク４２と接続されており、ポンプＰＯ２によりタンク４２からスイープ用気化器４４へ水が送出される。スイープ用気化器４４では、送られた水（液相）が気化され、水蒸気がスイープ水供給管Ｐ１４を介してスイープガスとして透過部２６へ供給される。透過部２６へ供給される水蒸気は、略１００％の水蒸気であることが好ましい。

分離部２０の透過部２６では、水蒸気がスイープガスとして透過部２６へ流入し、透過部２６における二酸化炭素の分圧が低下する。したがって、流入部２４から分離膜２８を透過して二酸化炭素が透過部２６へ移動し易くなる。また、分離膜２８の透過側へ水蒸気を供給しているので、分離膜２８として、水蒸気存在下で二酸化炭素の透過が向上される材料を用いることで、流入部２４側から透過部２６側への二酸化炭素の透過をより向上させることができる。

二酸化炭素、水蒸気、及び、その他分離膜２８を透過したアノードオフガスＧ３中の気体は、透過ガスとして透過部２６から送出される。送出された透過ガスＧ７は、透過ガス管Ｐ１６により、第２熱交換器３２を経てタンク４２へ送出される。

タンク４２には、凝縮により液化した水、及び、水が除去された透過ガスＧ７が貯留されている。タンク４２には、二酸化炭素を回収する回収管Ｐ１８、及び、水をスイープ用気化器４４へ供給する水循環管Ｐ１９が接続されている。水循環管Ｐ１９には、ポンプＰＯ２が設けられ、他端はスイープ用気化器４４に接続されている。回収管Ｐ１８は、不図示の回収タンクに接続されていてもよいし、別のシステムへ供給するための配管に接続されていてもよい。

第２熱交換器３２では、透過ガスＧ７と空気とで熱交換が行われ、空気は加熱され、透過ガスＧ７は冷却される。冷却された透過ガスＧ７中の水蒸気は凝縮し、タンク４２へ流入して貯留される。水蒸気が分離され、二酸化炭素濃度が高くなった透過ガスＧ７は、回収管Ｐ１８から排出され回収される。

第２燃料電池スタック１８のアノード１８Ａ及びカソード１８Ｂでは、第１燃料電池スタック１６と同様の反応により発電が行われる。アノード１８Ａ及びカソード１８Ｂから排出された使用済のガスは、配管Ｐ１１、カソードオフ燃焼導入管Ｐ１２により燃焼器４０へ送出され、燃焼器４０で焼却に供される。本実施形態の燃料電池システム１０Ａは、第１燃料電池スタック１６で使用された燃料であるアノードオフガスＧ３が再生されて、燃料ガスとして第２燃料電池スタック１８で再利用される多段式の燃料電池システムとなっている。

燃焼器４０からは、燃焼排ガスＧ６が送出される。燃焼排ガスＧ６は、燃焼排ガス管Ｐ１０内を流通し、気化器１２を経て排出される。

次に、本実施形態の燃料電池システム１０Ａの動作について説明する。

燃料電池システム１０Ａにおいては、ガス源からの燃料であるメタン及びタンク４２からの水が、気化器１２へ供給される。気化器１２では、供給されたメタン及び水が混合されると共に、燃焼排ガス管Ｐ１０を流通する燃焼排ガスＧ６から熱を得て加熱され、水が気化され水蒸気となる。

メタン及び水蒸気は、気化器１２から配管Ｐ１を介して改質器１４へ送出される。改質器１４では、改質反応により、水素を含む６００℃程度の燃料ガスＧ１が生成される。燃料ガスＧ１は、燃料ガス管Ｐ４を介して第１燃料電池スタック１６のアノード１６Ａに供給される。

第１燃料電池スタック１６のカソード１６Ｂには、空気Ａが酸化ガス管Ｐ５を経て供給される。これにより、第１燃料電池スタック１６では、前述の反応により発電が行われる。上記反応により第１燃料電池スタック１６は発熱し、６５０℃程度の温度で発電が行われる。この発電に伴い燃料電池スタック１６のアノード１６Ａからは、アノードオフガスＧ３が排出される。また、カソード１６Ｂからは、カソードオフガスＧ２が排出され、カソードオフガスＧ２は、カソードオフガス管Ｐ６を通って第２燃料電池スタック１８のカソード１８Ｂへ供給される。

アノード１６Ａから排出されたアノードオフガスＧ３は、アノードオフガス管Ｐ７に導かれ、第１熱交換器３０を経て、分離部２０の流入部２４へ流入される。第１熱交換器３０では、アノードオフガスＧ３の温度は、約６５０℃からある程度温度が低下する。アノードオフガスＧ３中の二酸化炭素は、分離膜２８を透過して透過部２６側へ移動することにより分離される。流入部２４からは再生燃料ガスＧ４が送出され、第１熱交換器３０を経て、６００℃程度に昇温され、再生燃料ガス管Ｐ９により第２燃料電池スタック１８のアノード１８Ａへ供給される。

第２燃料電池スタック１８では、前述の反応により発電が行われる。上記反応により第２燃料電池スタック１８は発熱し、６５０℃程度の温度で発電が行われる。アノード１８Ａ、カソード１８Ｂでの使用済ガスは、配管Ｐ１１、Ｐ１２により各々燃焼器４０へ送出され、燃焼器４０で焼却に供される。燃焼器４０からの燃焼排ガスＧ６は、気化器１２を経て排出される。

一方、スイープ用気化器４４からは、分離部２０の透過部２６へスイープ水供給管Ｐ１４を経て水蒸気がスイープガスとして送出される。これにより、透過部２６の二酸化炭素濃度が低下する。したがって、流入部２４へ流入したアノードオフガスＧ３中の二酸化炭素の分離膜２８の透過が向上する。

透過部２６へ流入したスイープガスとしての水蒸気は、分離膜２８を透過して流入した二酸化炭素等の気体と共に、透過部２６から送出される。送出された透過ガスＧ７は、第２熱交換器３２で、酸化ガス管Ｐ５を通過する空気との間での熱交換により冷却される。これにより、透過ガスＧ７中の水蒸気が凝縮されて、透過ガスＧ７から分離される。透過ガスＧ７及び凝縮された水は、タンク４２へ送出される。透過ガスＧ７中の二酸化炭素は、タンク４２から回収管Ｐ１８へ送出され、回収される。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム１０Ａは、分離膜２８の透過側（透過部２６）へスイープガスとして水蒸気が供給されるので、スイープガスの供給がない場合と比較して、透過部２６における二酸化炭素及の分圧は低減される。これにより、流入部２４へ流入したアノードオフガスＧ３に含まれる二酸化炭素を、より多く分離膜２８を透過させて分離することができる。

また、透過部２６から、排出された透過ガスＧ７中の水蒸気を凝縮により容易に分離して、二酸化炭素濃度の高い透過ガスＧ７を回収することができる。

また、流入部２４から排出された再生燃料ガスＧ４は、二酸化炭素が低減されているので、第２燃料電池スタック１８で効率よく発電を行うことができ、燃料電池システム１０Ａの性能を向上させることができる。

なお、本実施形態では、アノードオフガス管Ｐ７にブロアＢ３を設けて流入部２４へ流入するアノードオフガスＧ３の圧力を高くしたが、ブロアＢ３は、必ずしも必要ではない。ブロアＢ３で流入部２４へ流入するアノードオフガスＧ３における二酸化炭素の分圧を高くすることにより、二酸化炭素の分離膜２８透過を、より向上させることができる。

また、本実施形態では、第２熱交換器３２で透過ガスＧ７を冷却することにより、透過ガスＧ７に含まれる水蒸気を凝縮させたが、他の方法により透過ガスＧ７に含まれる水蒸気を分離してもよい。例えば、図２に示されるように、透過ガス管Ｐ１６を流通する透過ガスＧ７と水循環管Ｐ１９を流通する水（液相）とを第２熱交換器３２Ａで熱交換により冷却してもよい。また、図３に示されるように、透過ガス管Ｐ１６を流通する透過ガスＧ７と気化器１２に水を供給する水供給管Ｐ２を流通する水（液相）とを第２熱交換器３２Ｂでの熱交換により冷却してもよい。

また、本実施形態では、タンク４２に貯留された凝縮水を水循環管Ｐ１９によりスイープ用気化器４４へ供給しているが、水循環管Ｐ１９は、必ずしも必要ではなく、他の水源からスイープ用気化器４４へ水を供給してもよい。水循環管Ｐ１９を備えることより、燃料電池システム１０Ａ内で必要な水を循環させることができる。

なお、本実施形態の水循環管Ｐ１９は、図４に示すように分岐して、一方を水供給管Ｐ２と連結させてもよい。これにより、気化器１２へ水を供給するポンプＰＯ１を、ポンプＰＯ３が兼ねることができ、ポンプＰＯ１が不要となる。

［第２実施形態］
次に、本実施形態の第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。

図５に示されるように、本実施形態の燃料電池システム１０Ｂは、気化器１２がスイープ用気化器４４を兼ねている。水蒸気管Ｐ３は、原料ガス管Ｐ１と合流されるＰ３−１と、透過部２６へ供給されるスイープ水供給管Ｐ１４−２に分岐されている。タンク４２には、水供給管Ｐ２の一端が接続されており、貯留された凝縮水はポンプＰＯ１により、気化器１２へ供給される。

気化器１２からは、水蒸気が送出され、分岐されて配管Ｐ３−１を経た水蒸気の一方は、原料ガス管Ｐ１と合流され改質器１４へ供給される。分岐されてスイープ水供給管Ｐ１４−２を経た水蒸気の他方は、透過部２６へスイープガスとして供給される。

本実施形態の燃料電池システム１０Ｂによれば、改質器１４及び透過部２６の双方への水蒸気供給を気化器１２が兼ねる。したがって、燃料電池システム１０Ｂを簡略化することができる。

なお、本実施形態では、タンク４２に貯留された凝縮水を気化器１２へ供給したが、必ずしもタンク４２内の水を使用する必要はなく、他の水源からの水を気化器１２へ供給してもよい。

また、本実施形態では、第２熱交換器３２で透過ガスＧ７を冷却することにより、透過ガスＧ７に含まれる水蒸気を凝縮させたが、他の方法により透過ガスＧ７に含まれる水蒸気を分離してもよい。例えば、図６に示されるように、透過ガス管Ｐ１６を流通する透過ガスＧ７と水供給管Ｐ２を流通する水（液相）とを第２熱交換器３２Ｃでの熱交換により冷却してもよい。

また、燃料電池システム１０Ｂにおいても、ブロアＢ３は必須の構成ではない。

燃料電池システム１０Ｂは、その他の第１実施形態と同様の効果を奏することもできる。

〔第３実施形態〕
次に本発明の第３実施形態について説明する。なお、第１、２実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。

図７には、本発明の第３実施形態に係る燃料電池システム１０Ｃが示されている。燃料電池システム１０Ｃは、第１実施形態で説明した燃料電池システム１０Ａと比較して、第２燃料電池スタック１８を有していない点が異なっている。

分離部２０に接続された再生燃料ガス管Ｐ９は、第１熱交換器３０の上流側に設けられた分岐部Ｄ１で分岐されている。分岐された一方の循環ガス管Ｐ９−１は、第１熱交換器３０を経て配管Ｐ１へ接続されている。分岐された他方の再生燃料ガス管Ｐ９−２は、燃焼器４０へ接続されている。分岐部Ｄ１では、循環ガス管Ｐ９−１と再生燃料ガス管Ｐ９−２へ再生燃料ガスＧ４が分流されている。

循環ガス管Ｐ９−１を経て改質器１４へ導入された再生燃料ガスＧ４は、メタン、及び気化器１２から供給された水蒸気と混合され、改質器１４へ供給される。再生燃料ガス管Ｐ９−２を経て燃焼器４０へ導入された再生燃料ガスＧ４は、燃焼器４０で燃焼される。なお、カソード１６Ｂから排出されたカソードオフガスＧ２は、カソードオフガス管Ｐ６を介して燃焼器４０へ導入される。

本実施形態の燃料電池システム１０Ｃは、第１燃料電池スタック１６で使用済みの燃料であるアノードオフガスＧ３が再生されて、再度、第１燃料電池スタック１６で再利用される循環式の燃料電池システムとなっている。本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

なお、本実施形態においても、水循環管Ｐ１９を分岐して、一方を水供給管Ｐ２と連結させてもよい。

〔第４実施形態〕
次に、本発明の第４実施形態について説明する。なお、第１−３実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。

図８には、本発明の第４実施形態に係る燃料電池システム１０Ｄが示されている。燃料電池システム１０Ｄは、第３実施形態で説明した燃料電池システム１０Ｃと比較して、第２実施形態と同様に、気化器１２がスイープ用気化器４４を兼ねている。水蒸気管Ｐ３は、原料ガス管Ｐ１と合流されるＰ３−１と、透過部２６へ供給されるスイープ水供給管Ｐ１４−２に分岐されている。タンク４２には、水供給管Ｐ２の一端が接続されており、貯留された凝縮水はポンプＰＯ１により、気化器１２へ供給される。

本実施形態の燃料電池システム１０Ｄによれば、改質器１４及び透過部２６の双方への水蒸気供給を気化器１２が兼ねる。したがって、燃料電池システム１０Ｄを簡略化することができる。

〔第５実施形態〕
次に、本発明の第５実施形態について説明する。なお、第１−４実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。

図９には、本発明の第５実施形態に係る燃料電池システム１０Ｅが示されている。燃料電池システム１０Ｅは、第３実施形態で説明した燃料電池システム１０Ｃと比較して、循環ガス管Ｐ９−１、及び第１熱交換器３０を有していない点が異なっている。

分離部２０に一端が接続された再生燃料ガス管Ｐ９は、燃焼器４０に他端が接続されている。アノードオフガスＧ３と再生燃料ガスＧ４との間での熱交換は行われず、再生燃料ガスＧ４は、すべて燃焼器４０へ供給され、燃焼に供される。
本実施形態の燃料電池システム１０Ｅにおいても、流入部２４へ流入したアノードオフガスＧ３に含まれる二酸化炭素について、より多く分離膜２８を透過させて分離することができる。また、透過部２６から、排出された透過ガスＧ７中の水蒸気を凝縮により分離して、二酸化炭素濃度の高い透過ガスＧ７を回収することができる。

〔第６実施形態〕
次に、本発明の第６実施形態について説明する。なお、第１−５実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。

図１０には、本発明の第６実施形態に係る燃料電池システム１０Ｆが示されている。燃料電池システム１０Ｆは、第５実施形態で説明した燃料電池システム１０Ｅと比較して、第２、４実施形態と同様に、気化器１２がスイープ用気化器４４を兼ねている。水蒸気管Ｐ３は、原料ガス管Ｐ１と合流されるＰ３−１と、透過部２６へ供給されるスイープ水供給管Ｐ１４−２に分岐されている。タンク４２には、水供給管Ｐ２の一端が接続されており、貯留された凝縮水はポンプＰＯ１により、気化器１２へ供給される。

本実施形態の燃料電池システム１０Ｅによれば、改質器１４及び透過部２６の双方への水蒸気供給を気化器１２が兼ねる。したがって、燃料電池システム１０Ｅを簡略化することができる。

さらに、本発明は、前述の第１〜４実施形態に限定されず、本発明の技術的思想内で、当業者によって、前述の各実施形態を組み合わせて実施される。また、本発明において、例えば、熱交換器の設置位置、組み合わせなどはこれらの実施形態に限定されない。また、ガス、水などの各種流体の加熱及び冷却には熱交換器以外の手段を用いてもよい。

１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆ燃料電池システム
１２気化器（水蒸気供給部）、１４改質器
１６、１８第１燃料電池スタック（燃料電池）
１６Ａアノード（燃料極）、１６Ｂカソード（空気極）
１８第２燃料電池スタック
１８Ａアノード（燃料極）、１８Ｂカソード（空気極）
２０分離部、２４流入部、２６透過部、２８分離膜
３０第１熱交換器、３２第２熱交換器（水蒸気分離部、熱交換器）
４０燃焼器、４２タンク
４４スイープ用気化器（水蒸気供給部）、Ｂ３ブロア（昇温装置）
Ｇ２カソードオフガス、Ｇ３アノードオフガス
Ｇ４再生燃料ガス、Ｇ７透過ガス
Ｐ１９水循環管、ＰＯ３ポンプ（減圧装置）
Ｐ９−１循環ガス管（燃料循環配管）

Claims

燃料極へ供給される燃料ガスと空気極へ供給される酸素を含むガスにより発電し、前記燃料極からアノードオフガスが排出される燃料電池と、
前記アノードオフガスが流入される流入部と、前記アノードオフガス中の二酸化炭素を透過させて分離する分離膜により前記流入部と区画された透過部と、を有する分離部と、
スイープガスとして前記透過部へ水蒸気を供給する水蒸気供給部と、
前記透過部から排出されたガスから水蒸気を分離する水蒸気分離部と、
前記水蒸気分離部で分離された水蒸気を前記水蒸気供給部へ戻す水循環流路と、
を備えた燃料電池システム。
燃料極へ供給される燃料ガスと空気極へ供給される酸素を含むガスにより発電し、前記燃料極からアノードオフガスが排出される燃料電池と、
前記アノードオフガスが流入される流入部と、前記アノードオフガス中の二酸化炭素を透過させて分離する分離膜により前記流入部と区画された透過部と、を有する分離部と、
スイープガスとして前記透過部へ水蒸気を供給する水蒸気供給部と、
前記透過部から排出されたガスから水蒸気を凝縮させて分離する水蒸気分離部と、
前記水蒸気分離部で分離された水を前記水蒸気供給部へ戻す水循環流路と、
を備えた燃料電池システム。
原料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器を備え、
前記水蒸気供給部は、前記改質器へ水蒸気を供給する、請求項１または請求項２に記載に記載の燃料電池システム。
前記水蒸気分離部は、前記透過部から排出された透過ガスと前記空気極へ供給される酸素を含むガスとの間で熱交換を行う熱交換器を含んで構成されている、ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
前記水蒸気分離部は、前記透過部から排出された透過ガスと前記水蒸気分離部で凝縮により分離された水との間で熱交換を行う熱交換器を含んで構成されている、ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
前記水蒸気分離部は、前記透過部から排出された透過ガスと前記燃料電池システム内へ供給される液相の水との間で熱交換を行う熱交換器を含んで構成されている、ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
前記分離部の上流に前記流入部へ送出する前記アノードオフガスを昇圧する昇圧装置を備えた、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
前記分離膜は、水蒸気存在下で二酸化炭素の透過が向上される材料で形成されている、請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池は、前記分離部の前記流入部へアノードオフガスを送出する第１燃料電池と、前記流入部から送出された再生燃料ガスが前記燃料ガスとして燃料極へ供給される第２燃料電池と、を含む、請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
前記流入部から送出された再生燃料ガスを前記燃料ガスとして燃料極へ供給する燃料循環配管を備えた、請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。