JP7102204B2

JP7102204B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP7102204B2
Application number: JP2018082050A
Authority: JP
Inventors: 立樹道幸; 達哉中島; 拓人櫛
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2018-04-23
Filing date: 2018-04-23
Publication date: 2022-07-19
Anticipated expiration: 2038-04-23
Also published as: JP2019192423A

Description

本発明は燃料電池システムに関する。

燃料電池システムにおいて、アノードから排出されるアノードオフガスを再生燃料として発電に供する場合に、アノードオフガスから水や二酸化炭素を除去することが行われる。例えば、特許文献１には、アノードオフガスから分離膜を用いて水蒸気と二酸化炭素を分離する技術が開示されている。特許文献１では、上記の分離を行う際に、分離膜の透過側にスイープガスとして原料ガスを供給している。そして、透過側から送出された原料ガスに含まれる水蒸気を水蒸気除去部で除去し、水蒸気が除去された原料ガスを改質器へ供給して改質を行っている。

特開２０１６－１８４５０１号公報

このように、スイープガスとして原料ガスを用いることにより、改質器へ水や二酸化炭素も供給することができる。しかしながら、原料ガスに含まれる水の量が多い場合には、改質反応に影響を与えたり、改質反応に使用されずに水が未反応のまま燃料電池へ供給されたりすることで、得られる起電力が低下し、発電効率が低下することも考えられる。

本発明は上記事実を考慮して成されたものであり、燃料電池システムにおいて、水を回収して再利用すると共に、燃料電池における発電効率の低下を抑制することを目的とする。

請求項１記載の発明に係る燃料電池システムは、炭化水素系の原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質部と、燃料極の前記燃料ガスと空気極の酸化ガスにより発電し、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水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前記原料ガスを供給する原料ガス供給部と、前記透過部の下流側に設けられ、前記透過部から送出された混合原料ガスと前記燃料電池へ向かう熱交換用ガスとの熱交換での凝縮により、前記混合原料ガスから水の一部を除去する水調整部と、前記水調整部で水の一部が除去された後の前記混合原料ガスを前記改質部へ供給する原料ガス供給路と、を備えている。

請求項１に係る燃料電池システムでは、分離部の透過側へスイープガスとして原料ガスが供給される。分離膜を透過することによりアノードオフガスから分離された水は、原料ガスと共に透過部から送出される。水調整部では、水を含む原料ガス（混合原料ガス）から水の一部が除去される。水調整部での水の除去は、透過部から送出された混合原料ガスと燃料電池へ向かう熱交換用ガスとの熱交換により水を凝縮させて行う。水の一部が除去された混合原料ガスは、原料ガス供給路を経て改質部へ供給される。

なお、本発明では、改質部が燃料電池と別に設けられている場合と、燃料電池の燃料極が改質部を兼ねる場合を含む。すなわち、改質部で原料ガスの改質が行われ、燃料ガスが燃料電池の燃料極へ供給される場合と、燃料電池の燃料極において原料ガスの改質が行われて燃料ガスが生成され、発電に供される場合の両方を含んでいる。

請求項１に係る燃料電池システムによれば、水調整部で原料ガスに含まれた水の一部が除去されるので、除去量を調整することにより、改質や炭素析出の防止に必要な適量の水を改質部へ供給することができる。なお、本発明に関して「除去量を調整する」とは、除去量を必要に応じて変える場合と、予め除去量を設定しておく場合の両方を含んでいる。

また、混合原料ガスと熱交換を行う熱交換用ガスは、燃料電池へ向かうので、混合原料ガスの有する熱エネルギーを有効にシステム内へ還元でき、熱エネルギーロスを低減することができる。

なお、前記熱交換用ガスは、前記空気極へ供給される前の前記酸化ガスとすることができる。

この燃料電池システムによれば、空気極へ供給される酸化ガスを加熱することができ、空気極の高温維持に寄与することができる。

また、前記熱交換用ガスは、前記透過部へ供給される前の前記原料ガスとすることができる。

この燃料電池システムによれば、透過部へ供給される原料ガスを加熱することができる。

請求項１記載の発明に係る燃料電池システムは、前記熱交換用ガスが、前記原料ガス供給路へ送出された前記混合原料ガスである。

請求項１記載の発明に係る燃料電池システムによれば、原料ガス供給路で改質部へ供給される混合原料ガスを加熱することができ、改質部の高温維持に寄与することができる。

請求項２記載の発明に係る燃料電池システムは、炭化水素系の原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質部と、燃料極の前記燃料ガスと空気極の酸化ガスにより発電し、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水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、可燃ガスを燃焼させる燃焼部と、スイープガスとして前記透過部へ前記原料ガスを供給する原料ガス供給部と、前記透過部の下流側に設けられ、前記透過部から送出された混合原料ガスと前記燃焼部から排出された後に熱交換により冷却された燃焼排ガスとの熱交換での凝縮により、前記混合原料ガスから水の一部を除去する水調整部と、前記水調整部で水の一部が除去された後の前記混合原料ガスを前記改質部へ供給する原料ガス供給路と、を備えている。

請求項２に係る燃料電池システムでは、分離部の透過側へスイープガスとして原料ガスが供給される。分離膜を透過することによりアノードオフガスから分離された水は、原料ガスと共に透過部から送出される。水調整部では、水を含む原料ガス（混合原料ガス）から水の一部が除去される。水調整部での水の除去は、透過部から送出された混合原料ガスと燃焼部から排出された後に熱交換により冷却された燃焼排ガスとの熱交換により水を凝縮させて行われる。水の一部が除去された混合原料ガスは、原料ガス供給路を経て改質部へ供給される。

請求項２に係る燃料電池システムによれば、水調整部で原料ガスに含まれた水の一部が除去されるので、除去量を調整することにより、改質や炭素析出の防止に必要な適量の水を改質部へ供給することができる。

なお、請求項２に係る発明でも、改質部が燃料電池と別に設けられている場合と、燃料電池の燃料極が改質部を兼ねる場合を含む。すなわち、改質部で原料ガスの改質が行われ、燃料ガスが燃料電池の燃料極へ供給される場合と、燃料電池の燃料極において原料ガスの改質が行われて燃料ガスが生成され、発電に供される場合の両方を含んでいる。

また、混合原料ガスと熱交換を行う燃焼排ガスは、システム内に設けられた燃焼部から排出されるので、外部の配管を設置する必要がなく簡易な構成とすることができる。

請求項３、５記載の発明に係る燃料電池システムは、炭化水素系の原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質部と、燃料極の前記燃料ガスと空気極の酸化ガスにより発電し、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水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前記原料ガスを供給する原料ガス供給部と、前記透過部の下流側に設けられ、前記透過部から送出された混合原料ガスが流入される第２流入部と、前記混合原料ガス中の水を透過させて一部を除去する第２分離膜により前記第２流入部と区画された第２透過部と、を有する水調整部と、前記水調整部で水の一部が除去された後の前記混合原料ガスを前記改質部へ供給する原料ガス供給路と、を備えている。

請求項３、５に係る燃料電池システムでは、第２分離膜により、水を含む原料ガス（混合原料ガス）から水の一部が除去されるので、凝縮により水の一部を除去する場合と比較して、混合原料ガスの温度を高く維持したまま原料供給路へ送出し、改質部へ供給することができる。したがって、混合原料ガスの有する熱エネルギーの損失を低減することができる。

なお、請求項３、５に係る発明でも、改質部が燃料電池と別に設けられている場合と、燃料電池の燃料極が改質部を兼ねる場合を含む。すなわち、改質部で原料ガスの改質が行われ、燃料ガスが燃料電池の燃料極へ供給される場合と、燃料電池の燃料極において原料ガスの改質が行われて燃料ガスが生成され、発電に供される場合の両方を含んでいる。

請求項３記載の発明に係る燃料電池システムは、前記第２透過部へスイープガスとして空気を供給する空気スイープ供給部、をさらに備えている。

請求項３に係る燃料電池システムでは、第２分離膜の透過側である第２透過部を空気でスイープして二酸化炭素を分離するので、空気の供給量を調整することにより、容易に二酸化炭素の分離量を調整することができる。

請求項４記載の発明に係る燃料電池システムは、前記空気スイープ供給部は、前記空気極へ酸化ガスとして空気を供給すること、を特徴とする。

請求項４に係る燃料電池システムでは、空気スイープ供給部は、第２透過部へスイープガスとして空気を供給すると共に、空気極へ酸化ガスとして空気を供給する供給部を兼ねる。したがって、別々に空気を供給するための機材を用意する必要がなく、機材を少なくすることができる。

請求項５に記載の発明に係る燃料電池システムは、可燃ガスを燃焼させる燃焼部と、前記第２透過部へスイープガスとして前記燃焼部から排出された燃焼排ガスを供給する排ガススイープ供給部、をさらに備えている。

請求項５に係る燃料電池システムでは、第２分離膜の透過側である第２透過部を燃焼排ガスでスイープして二酸化炭素を分離するので、燃焼排ガスの供給量を調整することにより、容易に二酸化炭素の分離量を調整することができる。

なお、燃料電池システムは、前記第２透過部から気体を吸引する吸引ポンプ、をさらに備えていてもよい。

この燃料電池システムでは、第２分離膜の透過側である第２透過部から気体を吸引して減圧し、当該減圧度を調整することにより、容易に二酸化炭素の分離量を調整することができる。

請求項６、７記載の発明に係る燃料電池システムは、前記分離膜は、さらに二酸化炭素を透過させてアノードオフガスから二酸化炭素を分離し、前記透過部よりも下流側に、前記透過部から送出された前記混合原料ガスから二酸化炭素の一部を除去する二酸化炭素調整部、を備えている。

請求項６、７記載の発明に係る燃料電池システムによれば、二酸化炭素調整部で混合原料ガスに含まれた二酸化炭素の一部が除去されるので、除去量を調整することにより、改質や炭素析出の防止に必要な適量の二酸化炭素を改質部へ供給することができる。

請求項８記載の発明に係る燃料電池システムは、前記二酸化炭素調整部は、前記水調整部よりも下流側に配置されている。

請求項８に係る燃料電池システムによれば、原料ガスから水の一部を除去した後に二酸化炭素調整部で二酸化炭素の一部を除去するので、二酸化炭素調整部へ送出されるガスの流量を減少させることができ、二酸化炭素調整部の負荷を小さくすることができる。

請求項９記載の発明に係る燃料電池システムは、前記二酸化炭素調整部は、前記水調整部よりも上流側に配置されている。

請求項９に係る燃料電池システムによれば、原料ガスから二酸化炭素の一部を除去した後に水調整部で水の一部を除去するので、水調整部へ送出されるガスの流量を減少させることができ、水調整部の負荷を小さくすることができる。また、水調整部で水の一部が除去されるまで部分において、原料ガスに多くの水が含まれているため、炭素の析出を抑制することができる。

本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池システムにおいて、水を回収して再利用すると共に、燃料電池における発電効率の低下を抑制することができる。

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２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５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７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８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９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９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９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１０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］
以下、図面を参照して本発明の第１実施形態について詳細に説明する。図１には、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０Ａの主要構成の概略が示されている。本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０Ａは、主要な構成として、原料予熱部１２、改質部１４、第１燃料電池セルスタック１６、第２燃料電池セルスタック１８、燃焼部２０、分離部５０、原料ガス供給ブロワ２４、空気供給ブロワ２８、第１熱交換部３２、凝縮水タンク２２、及び二酸化炭素調整部３０を備えている。

原料予熱部１２には、原料ガス供給管Ｐ１の一端が接続されており、原料ガス供給管Ｐ１から原料予熱部１２へ、後述する混合原料ガスが供給される。原料予熱部１２では、後述する燃焼部２０からの燃焼排ガスにより混合原料ガスが加熱される。原料予熱部１２で加熱された混合原料ガスは、配管Ｐ３を経て改質部１４へ供給される。

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。また、バイオガスを用いてもよい。

改質部１４では、原料ガスを改質し、水素及び一酸化炭素を含む燃料ガスを生成する。改質部１４は、第１燃料電池セルスタック１６の第１アノード（燃料極）１６Ａと接続されている。改質部１４で生成された燃料ガスは、燃料ガス管Ｐ４を介して第１燃料電池セルスタック１６の第１アノード１６Ａに供給される。

第１燃料電池セルスタック１６は固体酸化物形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を有している。第１燃料電池セルスタック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、電解質層と、当該電解質層の表裏面にそれぞれ積層された第１アノード１６Ａ、及び第１カソード（空気極）１６Ｂと、を有している。

なお、第２燃料電池セルスタック１８についての基本構成は、第１燃料電池セルスタック１６と同様であり、第１アノード１６Ａに対応する第２アノード１８Ａ、及び第１カソード１６Ｂに対応する第２カソード１８Ｂを有している。

第１燃料電池セルスタック１６の第１カソード１６Ｂには、空気供給管Ｐ５の一端が接続されており、空気供給管Ｐ５の他端に接続された空気供給ブロワ２８により空気が供給される。第１カソード１６Ｂでは、下記（１）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を通って第１燃料電池セルスタック１６の第１アノード１６Ａに到達する。

（空気極反応）

１／２Ｏ_２＋２ｅ^－ →Ｏ^２－ …（１）
また、第１カソード１６Ｂには、第１カソード１６Ｂから排出されるカソードオフガスを第２燃料電池セルスタック１８の第２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燃料電池セルスタック１６の第１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。第１アノード１６Ａで生成された電子が第１アノード１６Ａから外部回路を通って第１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燃料電池セルスタック１６の第１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、第１アノード１６Ａから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。

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び水素の少なくとも一方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)であってもよい。

アノードオフガス管Ｐ７の他端は、分離部５０と接続されている。分離部５０は、流入部５４及び透過部５６を有している。流入部５４と透過部５６は、分離膜５２で区画されている。流入部５４がアノードオフガスの非透過側となり、透過部５６が透過側となる。アノードオフガス管Ｐ７の他端は、流入部５４と接続されている。

ここで、分離膜５２について説明する。本実施形態では、分離膜５２は二酸化炭素及び水を透過する機能を有するものを用いる。二酸化炭素及び水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。

アノードオフガスは、アノードオフガス管Ｐ７を経て分離部５０の流入部５４へ供給される。アノードオフガスに含まれる二酸化炭素及び水は、分離膜５２を透過して透過部５６へ移動する。二酸化炭素及び水の濃度が低減された流入部５４側のアノードオフガスは、再生燃料ガスとして、流入部５４から再生燃料ガス管Ｐ９へ送出される。再生燃料ガス管Ｐ９は、第２燃料電池セルスタック１８のアノード１８Ａと接続されており、再生燃料ガスは、再生燃料ガス管Ｐ９を経て、第２燃料電池セルスタック１８のアノード１８Ａに供給される。

分離部５０の透過部５６には、入口側にスイープ用ガス管Ｐ２０の一端が接続されている。透過部５６の出口側には、スイープガス送出管Ｐ２２の一端が接続されている。透過部５６側の詳細は後述する。

第２燃料電池セルスタック１８の第２アノード１８Ａ及び第２カソード１８Ｂでは、第１燃料電池セルスタック１６と同様の反応により発電が行われる。第２アノード１８Ａ及び第２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により燃焼部２０へ送出され、燃焼部２０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燃料電池セルスタック１６で使用された燃料であるアノードオフガスが再生されて、燃料ガスとして第２燃料電池セルスタック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。

燃焼部２０からは、燃焼排ガスが送出される。燃焼排ガスは、燃焼排ガス管Ｐ１０内を流通し、原料予熱部１２での熱交換を経て排出される。

一端が分離部５０の透過部５６に接続されたスイープ用ガス管Ｐ２０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、原料ガス供給ブロワ２４により原料ガスが透過部５６へ送出される。透過部５６の出口側には、スイープガス送出管Ｐ２２の一端が接続されている。スイープガス送出管Ｐ２２の他端は、後述する第１熱交換部３２を経て凝縮水タンク２２と接続されている。原料ガスは、二酸化炭素、水蒸気、及び、その他分離膜５２を透過したアノードオフガス中の気体と共に、混合原料ガスとして透過部５６から送出される。混合原料ガスは、後述する第１熱交換部３２を経て凝縮水タンク２２へ供給される。

第１熱交換部３２では、空気供給ブロワ２８により送出された空気と透過部５６から送出された混合原料ガスとの間で熱交換が行われる。当該熱交換により、空気は加熱され、混合原料ガスは冷却される。加熱後の空気は、第１燃料電池セルスタック１６の第１カソード１６Ｂへ供給される。混合原料ガスは、冷却により水蒸気の一部が凝縮し、凝縮した水は凝縮水タンク２２に貯留される。凝縮水タンク２２の上部には、混合原料ガス管Ｐ２４の一端が接続されている。水の一部が除去された混合原料ガスは、混合原料ガス管Ｐ２４へ送出される。

混合原料ガス管Ｐ２４の他端は、二酸化炭素調整部３０の入口側と接続されている。二酸化炭素調整部３０では、混合原料ガス中の二酸化炭素の一部が除去される。二酸化炭素調整部３０は、二酸化炭素分離膜、二酸化炭素吸収材、二酸化炭素吸着材等を用いて形成することができる。二酸化炭素調整部３０における二酸化炭素の除去量は、改質部１４での改質に必要な二酸化炭素の量等を考慮して設定される。二酸化炭素調整部３０の出口側には、原料ガス供給管Ｐ１の他端が接続されている。二酸化炭素調整部３０で二酸化炭素の一部が除去された混合原料ガスは、原料ガス供給管Ｐ１へ送出され、原料予熱部１２で加熱された後、改質部１４へ供給される。

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、原料ガス供給ブロワ２４によって、原料ガスが分離部５０の透過部５６へ送出される。送出された原料ガスは、分離部５０の流入部５４側から分離膜５２を透過して透過部５６側へ移動した二酸化炭素および水をスイープし、二酸化炭素、水を含む混合原料ガスとしてスイープガス送出管Ｐ２２へ送出される。スイープガス送出管Ｐ２２を流れる混合原料ガスは、第１熱交換部３２で、空気供給ブロワ２８から第１カソード１６Ｂへ向かって供給される常温の空気と熱交換される。当該熱交換により、混合原料ガスは冷却され、混合原料ガスに含まれる水の一部が凝縮される。

混合原料ガスは、凝縮水タンク２２へ流入し、凝縮した水は凝縮水タンク２２に貯留される。凝縮により水の一部が除去された混合原料ガスは、混合原料ガス管Ｐ２４を介して二酸化炭素調整部３０へ送出される。二酸化炭素調整部３０では、混合原料ガス中の二酸化炭素の一部が除去され、その後、混合原料ガスは、原料ガス供給管Ｐ１へ送出され、原料予熱部１２で加熱された後、改質部１４へ供給される。

改質部１４では、改質反応により、水素および一酸化炭素を含む燃料ガスＧ１が生成される。燃料ガスは燃料ガス管Ｐ４を介して第１燃料電池セルスタック１６の第１アノード１６Ａに供給される。

第１燃料電池セルスタック１６の第１カソード１６Ｂには、前述したように、第１熱交換部３２で熱交換により加熱された空気が空気供給管Ｐ５を経て供給される。これにより、第１燃料電池セルスタック１６では、前述の反応により発電が行われる。この発電に伴い燃料電池セルスタック１６の第１アノード１６Ａからは、アノードオフガスが排出される。また、第１カソード１６Ｂからは、カソードオフガスが排出される。カソードオフガスは、カソードオフガス管Ｐ６を通って第２燃料電池セルスタック１８の第２カソード１８Ｂへ供給される。

第１アノード１６Ａ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Ｐ７に導かれ、分離部５０の流入部５４へ流入され、二酸化炭素および水が分離膜５２を透過して透過部５６へ移動し、アノードオフガスから分離される。透過した二酸化炭素および水は、前述のように、原料ガスによりスイープされる。二酸化炭素および水が分離されたアノードオフガスは、再生燃料ガスとして流入部５４から再生燃料ガス管Ｐ９へ送出され、第２燃料電池セルスタック１８の第２アノード１８Ａへ供給される。

第２燃料電池セルスタック１８では、前述の反応により発電が行われる。第２アノード１８Ａ、第２カソード１８Ｂでの使用済ガスは、配管Ｐ１１、Ｐ１２により各々燃焼部２０へ送出され、燃焼部２０で焼却に供される。燃焼部２０からの燃焼排ガスは、原料予熱部１２を経て排出される。

本実施形態の燃料電池システム１０Ａでは、分離部５０の透過側（透過部５６）へスイープガスとして原料ガスを供給し、原料ガスに二酸化炭素および水を混合させる。したがって、原料ガスに二酸化炭素および水を混合させるために別途供給源を用意する必要がなく、システム内で回収されたものを有効に利用することができる。また、原料ガスに混合された水の一部は、第１熱交換部３２での冷却により凝縮で除去されるので、過剰な水が原料ガスに混合されて改質部１４での改質や第１燃料電池セルスタック１６での発電の効率が低下することを抑制できる。

また、原料ガスに混合された二酸化炭素の一部は、二酸化炭素調整部３０で除去されるので、過剰な二酸化炭素が原料ガスに混合されて改質部１４での改質や第１燃料電池セルスタック１６での発電の効率が低下することを抑制できる。

なお、本実施形態では、二酸化炭素調整部３０を、凝縮水タンク２２及び第１熱交換部３２よりも下流側に配置したが、二酸化炭素調整部３０は、凝縮水タンク２２よりも上流側に配置してもよいし、さらに第１熱交換部３２よりも上流側に配置してもよい。本実施形態のように、凝縮水タンク２２よりも下流側に配置することにより、二酸化炭素調整部３０へ流入される混合原料ガスの流量を減少させることができ、二酸化炭素調整部３０の負荷を低減させることができる。

二酸化炭素調整部３０を第１熱交換部３２よりも上流側に配置する場合には、第１熱交換部３２へ流入される混合原料ガスの流量を減少させることができ、第１熱交換部３２の負荷を低減させることができる。また、混合原料ガスから二酸化炭素の一部が除去された後も水の含有量が高いので、水が除去されるまでの部分において炭素析出のリスクを低減することができる。

また、本実施形態では、第１熱交換部３２で空気が加熱されて第１カソード１６Ｂへ供給されるので、混合原料ガスから受け取った熱をシステム内で有効に用いることができる。

また、本実施形態では、二酸化炭素調整部３０を設けて、混合原料ガスから二酸化炭素の一部を除去したが、必ずしも二酸化炭素の除去を行う必要はなく、図２に示すように、二酸化炭素調整部３０を備えない構成とすることもできる。その場合には、原料ガス供給管Ｐ１が直接凝縮水タンク２２へ接続される。

さらに、本実施形態では、分離部５０の分離膜５２として、二酸化炭素および水を透過させるものを用いたが、水のみを透過させるものを分離膜５２として用いてもよい。その場合にも、図２に示す構成とすることができる。

［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。

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

分離部５０に接続された再生燃料ガス管Ｐ９は、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、燃焼部２０へ接続され、再生燃料ガスの一部は燃焼に供されている。分岐された他方の再生燃料ガス管Ｐ９－２は、燃料ガス管Ｐ４と接続されて、再生燃料ガスは第１燃料電池セルスタック１６での発電に供されている。なお、再生燃料ガス管Ｐ９－２は、配管Ｐ３と接続して再生燃料ガスを改質部１４へ供給してもよい。

本実施形態の燃料電池システム１０Ｂは、第１燃料電池セルスタック１６で使用済みの燃料であるアノードオフガスが再生されて、再度、第１燃料電池セルスタック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。

［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、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。

図４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１熱交換部３２に代えて第２熱交換部３４を備えている点が異なっている。

第２熱交換部３４には、スイープ用ガス管Ｐ２０及びスイープガス送出管Ｐ２２が配管されている。第２熱交換部３４では、スイープ用ガス管Ｐ２０を流れる原料ガスと、スイープガス送出管Ｐ２２を流れる混合原料ガスとの間での熱交換が行われる。当該熱交換により、原料ガスは加熱され、混合原料ガスは冷却される。冷却された混合原料ガスからは凝縮により水の一部が除去される。

なお、空気供給ブロワ２８から送出された空気は、熱交換を経ずに第１カソード１６Ｂへ供給される。

本実施形態の燃料電池システム１０Ｃでも、分離部５０の透過側（透過部５６）へスイープガスとして原料ガスを供給し、原料ガスに二酸化炭素および水を混合させるので、システム内で回収された二酸化炭素及び水を有効に利用することができる。また、原料ガスに混合された水の一部は、第２熱交換部３４での冷却により凝縮で除去されるので、過剰な水が原料ガスに混合されて改質部１４での改質や第１燃料電池セルスタック１６での発電の効率が低下することを抑制できる。また、原料ガスは熱交換により加熱されるので、システム内で熱を有効に利用することができる。

なお、本実施形態でも、二酸化炭素調整部３０を、凝縮水タンク２２よりも上流側に配置してもよいし、さらに第２熱交換部３４よりも上流側に配置してもよい。また、二酸化炭素調整部３０を設けない構成としてもよい。

［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。本実施形態では、第１～第３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実施形態の燃料電池システム１０Ｂと同様に、第２燃料電池セルスタック１８を有していない点が異なっている。本実施形態の燃料電池システム１０Ｄは、第１燃料電池セルスタック１６で使用済みの燃料であるアノードオフガスが再生されて、再度、第１燃料電池セルスタック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３実施形態と同様の効果を奏することができる。

［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。本実施形態では、第１～第４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６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、第２熱交換部３４に代えて第３熱交換部３６を備えている点が異なっている。

第３熱交換部３６には、混合原料ガス管Ｐ２４及びスイープガス送出管Ｐ２２が配管されている。第３熱交換部３６では、混合原料ガス管Ｐ２４を流れる混合原料ガスと、スイープガス送出管Ｐ２２を流れる混合原料ガスとの間での熱交換が行われる。当該熱交換により、二酸化炭素調整部３０へ供給される混合原料ガスは加熱され、凝縮水タンク２２へ流入する混合原料ガスは冷却される。冷却された混合原料ガスからは凝縮により水の一部が除去される。

本実施形態の燃料電池システム１０Ｅでも、分離部５０の透過側（透過部５６）へスイープガスとして原料ガスを供給し、原料ガスに二酸化炭素および水を混合させるので、システム内で回収された二酸化炭素及び水を有効に利用することができる。また、原料ガスに混合された水の一部は、第３熱交換部３４での冷却により凝縮で除去されるので、過剰な水が原料ガスに混合されて改質部１４での改質や第１燃料電池セルスタック１６での発電の効率が低下することを抑制できる。また、原料ガスは熱交換により加熱されるので、システム内で熱を有効に利用することができる。

［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。本実施形態では、第１～第５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７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実施形態の燃料電池システム１０Ｂと同様に、第２燃料電池セルスタック１８を有していない点が異なっている。本実施形態の燃料電池システム１０Ｆは、第１燃料電池セルスタック１６で使用済みの燃料であるアノードオフガスが再生されて、再度、第１燃料電池セルスタック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５実施形態と同様の効果を奏することができる。

［第７実施形態］
次に、本発明の第７実施形態について説明する。本実施形態では、第１～第６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８には、本発明の第７実施形態に係る燃料電池システム１０Ｇが示されている。燃料電池システム１０Ｇ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熱交換部３４に代えて第４熱交換部３８を備えている点が異なっている。

第４熱交換部３８には、スイープガス送出管Ｐ２２及び原料予熱部１２から排出された後の燃焼排ガス管Ｐ１０が配管されている。第４熱交換部３８では、燃焼排ガス管Ｐ１０を流れる燃焼排ガスと、スイープガス送出管Ｐ２２を流れる混合原料ガスとの間での熱交換が行われる。第４熱交換部３８へ流入する燃焼排ガスは、原料予熱部１２での熱交換後、透過部５６から送出される混合原料ガスよりも低温に冷却されている。第４熱交換部３８での熱交換により、凝縮水タンク２２へ流入する混合原料ガスは冷却される。冷却された混合原料ガスからは凝縮により水の一部が除去される。

本実施形態の燃料電池システム１０Ｇでも、分離部５０の透過側（透過部５６）へスイープガスとして原料ガスを供給し、原料ガスに二酸化炭素および水を混合させるので、システム内で回収された二酸化炭素及び水を有効に利用することができる。また、原料ガスに混合された水の一部は、第４熱交換部３８での冷却により凝縮で除去されるので、過剰な水が原料ガスに混合されて改質部１４での改質や第１燃料電池セルスタック１６での発電の効率が低下することを抑制できる。

［第８実施形態］
次に、本発明の第８実施形態について説明する。本実施形態では、第１～第７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９には、本発明の第８実施形態に係る燃料電池システム１０Ｈが示されている。燃料電池システム１０Ｈは、第７実施形態で説明した燃料電池システム１０Ｇと比較して、第２実施形態の燃料電池システム１０Ｂと同様に、第２燃料電池セルスタック１８を有していない点が異なっている。本実施形態の燃料電池システム１０Ｈは、第１燃料電池セルスタック１６で使用済みの燃料であるアノードオフガスが再生されて、再度、第１燃料電池セルスタック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７実施形態と同様の効果を奏することができる。

［第９実施形態］
次に、本発明の第９実施形態について説明する。本実施形態では、第１～第８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１０には、本発明の第９実施形態に係る燃料電池システム１０Ｉが示されている。燃料電池システム１０Ｉ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熱交換部３４、凝縮水タンク２２、及び二酸化炭素調整部３０を備えず、第２分離部６０を備えている点が異なっている。

第２分離部６０は、第１分離部５０と同様の構成を有しており、第２流入部６４及び第２透過部６６を有している。第２流入部６４と第２透過部６６は、第２分離膜６２で区画されている。第２流入部６４が混合原料ガスの非透過側となり、第２透過部６６が透過側となる。第２流入部６４の入口側には、スイープガス送出管Ｐ２２の他端が接続されている。第２流入部６４の出口側には、原料ガス供給管Ｐ１の他端が接続されている。

第２透過部６６の入口側には、空気供給管Ｐ５から分岐された空気供給管Ｐ５－２が接続されている。第２透過部６６の出口側には、スイープガス排出管Ｐ２６が接続されている。

第２分離膜６２には、二酸化炭素及び水を透過する機能を有するものが用いられる。第２分離膜６２としては、第１実施形態と同様の材料を用いることができる。

次に、本実施形態の燃料電池システム１０Ｉの動作について説明する。

燃料電池システム１０Ｉにおいては、原料ガス供給ブロワ２４によって、原料ガスが分離部５０の透過部５６へ送出される。送出された原料ガスは、分離部５０の流入部５４側から分離膜５２を透過して透過部５６側へ移動した二酸化炭素および水をスイープし、二酸化炭素、水を含む混合原料ガスとしてスイープガス送出管Ｐ２２へ送出される。

スイープガス送出管Ｐ２２を流れる混合原料ガスは、第２分離部６０の第２流入部６４へ流入し、二酸化炭素及び水の一部が第２分離膜６２を透過して第２透過部６６側へ移動する。第２分離膜６２により二酸化炭素及び水の一部が除去された混合原料ガスは、原料ガス供給管Ｐ１へ送出され、原料予熱部１２を経て改質部１４へ供給される。

一方、空気供給ブロワ２８から送出された空気は、スイープガスとして第２分離部６０の第２透過部６６へ供給される。第２透過部６６へ供給された空気は、第２流入部６４側から第２分離膜６２を透過して第２透過部６６側へ移動した二酸化炭素および水をスイープしてスイープガス排出管Ｐ２６へ送出する。

本実施形態の燃料電池システム１０Ｉでも、分離部５０の透過側（透過部５６）へスイープガスとして原料ガスを供給し、原料ガスに二酸化炭素および水を混合させるので、システム内で回収された二酸化炭素及び水を有効に利用することができる。また、原料ガスに混合された二酸化炭素及び水の一部は、第２分離部６０で除去されるので、過剰な水が原料ガスに混合されて改質部１４での改質や第１燃料電池セルスタック１６での発電の効率が低下することを抑制できる。

また、本実施形態では、水を凝縮により除去するのではなく、第２分離膜６２で分離する。したがって、混合原料ガスを冷却する必要がなく、混合原料ガスを高温のまま原料予熱部１２へ送出することができ、熱エネルギーの損失を少なくすることができる。

また、本実施形態では、第２分離部６０で、二酸化炭素及び水の両方が一部除去されるので、二酸化炭素調整部と水調整部を別々に設ける必要がなく、システム構造を簡略にすることができる。

また、本実施形態では、第２透過部６６へ供給する空気の量を調整することにより、第２分離部６０で除去する二酸化炭素及び水の量を容易に調整することができる。

なお、本実施形態では、第２分離部６０で二酸化炭素及び水の両方を一部除去したが、分離膜６２として水のみを透過させるものを用いて水のみを除去してもよい。また、分離部５０の分離膜５２について水のみを透過させるものを用いてもよい。

また、本実施形態では、空気供給ブロワ２８から空気を供給したが、スイープガス専用のブロワを用いて空気を供給してもよい。また、スイープガスとして、燃焼排ガスやその他のガスを用いてもよい。燃焼排ガスをスイープガスとして用いる場合には、図１１に示されるように、原料予熱部１２を通って熱交換した後の燃焼排ガスの燃焼排ガス管Ｐ１０を、第２透過部６６へ接続して燃焼排ガを供給することが好ましい。

また、本実施形態の第２分離部６０の第２透過部６６へスイープガスを供給せず、図１２に示されるように、第２透過部６６の出口側に接続された配管Ｐ６７に吸引ポンプ６８を設けてもよい。吸引ポンプ６８により第２透過部６６を減圧することにより、第２流入部５４側に供給された混合原料ガスの二酸化炭素及び水が第２分離膜５２を透過するように分圧差をつけることができる。この場合には、吸引ポンプ６８の出力を変えて第２透過部６６の減圧度を調整することにより、第２分離部６０で除去する二酸化炭素及び水の量を容易に調整することができる。

［第１０実施形態］
次に、本発明の第１０実施形態について説明する。本実施形態では、第１～第９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１３には、本発明の第１０実施形態に係る燃料電池システム１０Ｊが示されている。燃料電池システム１０Ｊは、第９実施形態で説明した燃料電池システム１０Ｉと比較して、第２実施形態の燃料電池システム１０Ｂと同様に、第２燃料電池セルスタック１８を有していない点が異なっている。本実施形態の燃料電池システム１０Ｊは、第１燃料電池セルスタック１６で使用済みの燃料であるアノードオフガスが再生されて、再度、第１燃料電池セルスタック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９実施形態と同様の効果を奏することができる。

なお、第１～第１０実施形態では、改質部１４で原料ガスの改質が行われ、改質後の燃料ガスが第１燃料電池セルスタック１６の第１アノード１６Ａへ供給される例について説明したが、原料ガスの改質は、第１アノード１６Ａで行われてもよい。すなわち、改質部１４を備えず、原料ガス供給管Ｐ１を直接第１アノード１６Ａへ接続して、混合原料ガスを第１アノード１６Ａへ供給し、改質部を兼ねた第１アノード１６Ａで改質を行ってもよい。

１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆ、１０Ｇ、１０Ｈ、１０Ｉ、１０Ｊ燃料電池システム
１４改質部
１６第１燃料電池セルスタック（燃料電池）
１６Ａ第１アノード（燃料極）、１６Ｂ第１カソード（空気極）
２０燃焼部、２２凝縮水タンク（水調整部）
２４原料ガス供給ブロワ（原料ガス供給部）
２８空気供給ブロワ（空気供給部）
３０二酸化炭素調整部
３２第１熱交換部（水調整部）、３４第２熱交換部（水調整部）
３６第３熱交換部（水調整部）、３８第４熱交換部（水調整部）
５０分離部、５２分離膜、５４流入部、５６透過部
６０第２分離部（水調整部）
６２第２分離膜（第２分離膜、第３分離膜）
６４第２流入部（第２流入部、第３流入部）
６６第２透過部（第２透過部、第３透過部）
Ｐ１原料ガス供給管（原料ガス供給路）

Claims

炭化水素系の原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質部と、
燃料極の前記燃料ガスと空気極の酸化ガスにより発電し、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水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前記原料ガスを供給する原料ガス供給部と、
前記透過部の下流側に設けられ、前記透過部から送出された混合原料ガスと前記燃料電池へ向かう熱交換用ガスとの熱交換での凝縮により、前記混合原料ガスから水の一部を除去する水調整部と、
前記水調整部で水の一部が除去された後の前記混合原料ガスを前記改質部へ供給する原料ガス供給路と、
を備え、
前記熱交換用ガスは、前記原料ガス供給路へ送出された前記混合原料ガスである、
燃料電池システム。
炭化水素系の原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質部と、
燃料極の前記燃料ガスと空気極の酸化ガスにより発電し、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水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、
可燃ガスを燃焼させる燃焼部と、
スイープガスとして前記透過部へ前記原料ガスを供給する原料ガス供給部と、
前記透過部の下流側に設けられ、前記透過部から送出された混合原料ガスと前記燃焼部から排出された後に熱交換により冷却された燃焼排ガスとの熱交換での凝縮により、前記混合原料ガスから水の一部を除去する水調整部と、
前記水調整部で水の一部が除去された後の前記混合原料ガスを前記改質部へ供給する原料ガス供給路と、
を備えた燃料電池システム。
炭化水素系の原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質部と、
燃料極の前記燃料ガスと空気極の酸化ガスにより発電し、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水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前記原料ガスを供給する原料ガス供給部と、
前記透過部の下流側に設けられ、前記透過部から送出された混合原料ガスが流入される第２流入部と、前記混合原料ガス中の水を透過させて一部を除去する第２分離膜により前記第２流入部と区画された第２透過部と、を有する水調整部と、
前記水調整部で水の一部が除去された後の前記混合原料ガスを前記改質部へ供給する原料ガス供給路と、
前記第２透過部へスイープガスとして空気を供給する空気スイープ供給部と、
を備えた燃料電池システム。
前記空気スイープ供給部は、前記空気極へ酸化ガスとして空気を供給すること、を特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
炭化水素系の原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質部と、
燃料極の前記燃料ガスと空気極の酸化ガスにより発電し、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水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前記原料ガスを供給する原料ガス供給部と、
前記透過部の下流側に設けられ、前記透過部から送出された混合原料ガスが流入される第２流入部と、前記混合原料ガス中の水を透過させて一部を除去する第２分離膜により前記第２流入部と区画された第２透過部と、を有する水調整部と、
前記水調整部で水の一部が除去された後の前記混合原料ガスを前記改質部へ供給する原料ガス供給路と、
可燃ガスを燃焼させる燃焼部と、
前記第２透過部へスイープガスとして前記燃焼部から排出された燃焼排ガスを供給する排ガススイープ供給部と、
を備えた燃料電池システム。
前記分離膜は、さらに二酸化炭素を透過させてアノードオフガスから二酸化炭素を分離し、
前記透過部よりも下流側に、前記透過部から送出された前記混合原料ガスから二酸化炭素の一部を除去する二酸化炭素調整部、を備えた、請求項１～請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
炭化水素系の原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質部と、
燃料極の前記燃料ガスと空気極の酸化ガスにより発電し、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水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前記原料ガスを供給する原料ガス供給部と、
前記透過部の下流側に設けられ、前記透過部から送出された混合原料ガスと前記燃料電池へ向かう熱交換用ガスとの熱交換での凝縮により、前記混合原料ガスから水の一部を除去する水調整部と、
前記水調整部で水の一部が除去された後の前記混合原料ガスを前記改質部へ供給する原料ガス供給路と、
を備え、
前記分離膜は、さらに二酸化炭素を透過させてアノードオフガスから二酸化炭素を分離し、
前記透過部よりも下流側に、前記透過部から送出された前記混合原料ガスから二酸化炭素の一部を除去する二酸化炭素調整部、を備えた、
燃料電池システム。
前記二酸化炭素調整部は、前記水調整部よりも下流側に配置されている、請求項６または請求項７に記載の燃料電池システム。
前記二酸化炭素調整部は、前記水調整部よりも上流側に配置されている、請求項６または請求項７に記載の燃料電池システム。