JP7319137B2 - 二酸化炭素濃縮型燃料電池発電システム - Google Patents

Description

本願の開示する技術は、二酸化炭素濃縮型の燃料電池発電システムに関する。

炭素化合物を燃料として用いる燃料電池発電システムでは、燃料電池セルスタックの燃料極から排出される燃料極オフガスに二酸化炭素が含まれるが、二酸化炭素以外の成分、たとえば反応生成物である水や未反応の水素、一酸化炭素等も混在している。燃料極オフガスから二酸化炭素を回収するために、たとえば特許文献１には、燃料極オフガスを酸素燃焼させ、さらに水蒸気を凝縮により除去して二酸化炭素を回収する技術が開示されている。

特開２０１２－１６４４２３号公報

燃料極オフガスを燃焼させて二酸化炭素を濃縮する場合には、燃焼用の酸素を得るための酸素ガス発生装置や製造した酸素との燃焼反応装置（酸素燃焼装置）が必要である。そして、酸素ガス発生装置を用いるための各種の機器類や、酸素を貯留しておく酸素タンクも必要となり、設備の大型化や複雑化と、各種構成機器のメンテナンス多発化や故障のリスク要因となる。

本発明は上記事実を考慮し、簡易な設備で、燃料電池発電システムの燃料極オフガスにおいて二酸化炭素を濃縮することを目的とする。

第一態様では、炭素化合物を含み燃料極へ供給される燃料ガスと、酸素を含み空気極へ供給される酸化剤ガスと、により発電し、前記燃料極から燃料極オフガスが排出される燃料電池と、酸素含有ガスが供給されて前記酸素含有ガスの酸素が吸着される酸素吸着材を有し、供給された前記燃料極オフガスが前記酸素吸着材に吸着された前記酸素で酸化反応される吸着器と、を備える。

この燃料電池発電システムでは、燃料電池が、燃料極と空気極とを備えている。そして、この燃料電池では、燃料極へ供給される燃料ガスと、空気極へ供給される酸化剤ガスと、により発電が行われる。発電により、燃料極からは、燃料極オフガスが排出される。

さらにこの燃料電池発電システムでは、吸着器が酸素吸着材を有している。酸素吸着材には、供給される酸素含有ガスの酸素が吸着される。ここで、吸着器に、燃料極オフガスが供給されると、この燃料極オフガスは、酸素吸着材に吸着された酸素で酸化反応される。すなわち、吸着器は、酸化反応器を兼ねている。これにより、燃料極オフガスに含まれる一酸化炭素が二酸化炭素に変換され、二酸化炭素濃度が高くなる。また、燃料極オフガスに含まれる水素は、水蒸気に変換されるので、たとえば凝縮により容易に除去可能となる。

このように、燃料極オフガスにおける二酸化炭素の濃縮にあたって、酸素ガス発生装置と酸素燃焼装置が不要であり、簡単な設備で、燃料電池発電システムの燃料極オフガスから二酸化炭素を濃縮できる。

第二態様では、第一態様において、前記酸素吸着材が、酸素の吸着機能とともに、放出した酸素の酸化反応を促進する酸化触媒機能を兼ね備えている。

酸素吸着材が酸化触媒機能を兼ね備えており、放出した酸素による酸化反応を促進するので、燃料極オフガスを速やかに酸化させることができる。

第三態様では、第一態様において、前記酸素吸着材が、４００℃以上８００℃以下で前記酸素を吸着する。

４００℃以上８００℃以下の温度では、酸素吸着材が効率的に酸素を吸着できる。

第四態様では、第三態様において、前記酸素吸着材を加熱する加熱装置を有する。

加熱装置により酸素吸着材を加熱することで、酸素吸着材を、４００℃以上８００℃以下の温度とし、効率的に酸素を酸素吸着材に吸着させる状態とすることができる。

第五態様では、第一態様において、前記酸素吸着材が、０℃以上４０℃以下で前記酸素を吸着する。

０℃以上４０℃以下の温度範囲では、たとえば、吸着器の周囲の大気をそのまま利用して、大気中の酸素を酸素吸着材に吸着させることが可能である。

第六態様では、第一～第五のいずれか１つの態様において、前記空気極から排出される空気極オフガスが前記酸素含有ガスとして前記吸着器に供給される。

空気極から排出される空気極オフガスを、酸素含有ガスとして有効に利用し、この空気極オフガスに含まれる酸素を、酸素吸着材に吸着させることができる。

第七態様では、第一～第六のいずれか１つの態様において、前記酸素含有ガスから前記酸素が前記酸素吸着材に吸着された後の吸着残ガスを、前記燃料極オフガスが前記酸化反応された酸化後ガスとは別に外部に排出する排出経路を有する。

酸素含有ガスから酸素が酸素吸着材に吸着された後の吸着残ガスは排出経路によって外部に排出される。酸素含有ガスを継続的に酸素吸着材に送ることで、多くの酸素を酸素吸着材に吸着させることができる。しかも、この吸着残ガスは、燃料極オフガスが酸化反応された酸化後ガスとは別に外部に排出されるので、酸素含有ガスから酸素が酸素吸着材に吸着されているときに、酸化後ガスを不用意に外部に排出することを抑制できる。

第八態様では、第一～第七のいずれか１つの態様において、前記吸着器で生成された水蒸気を液化する凝縮器を備える。

燃料極オフガスに含まれる水素は、吸着器での酸化反応により水蒸気となるが、この水蒸気を、凝縮器により液相の水に変換できるので、容易に燃料極オフガスから水蒸気を除去できる。

第九態様では、第一～第八のいずれか１つの態様において、前記燃料電池が、前記燃料ガスが供給される第一燃料極と、前記酸化剤ガスが供給される第一空気極と、を含み、前記第一燃料極から第一燃料極オフガスが排出される第一燃料電池と、前記第一燃料極オフガスが供給される第二燃料極と、前記酸化剤ガスが供給される第二空気極と、を含み、前記第二燃料極から第二燃料極オフガスが排出される第二燃料電池と、を備え、前記第二燃料極オフガスが前記吸着器に供給される。

この燃料電池発電システムでは、燃料電池が、第一燃料電池と第二燃料電池とを備えている、第一燃料電池では、第一燃料極に供給された燃料ガスと、第一空気極に供給された酸化剤ガスとにより発電が行われる。第一燃料極からは、第一燃料極オフガスが排出される。

第二燃料電池では、第二燃料極に供給された第一燃料極と、第二空気極に供給された酸化剤ガスとにより発電が行われる。第二燃料極からは第二燃料極オフガスが排出される。このように、第一燃料電池で発電が行われるだけでなく、第一燃料電池から排出された第一燃料極オフガスを用いて、第二燃料電池でも発電が行われるので、発電効率が高くなる。

なお、第二空気極に供給される酸化剤ガスとしては、第一燃料電池の第一空気極から排出された第一空気極オフガスであってもよいし、大気から取り込まれた空気であってもよい。

第二燃料極オフガスは、吸着器に供給されるので、第二燃料極オフガスを酸素吸着材に吸着された酸素で酸化反応させることができる。

第十態様では、第九態様において、前記第二空気極から排出される第二空気極オフガスが前記酸素含有ガスとして前記吸着器に供給される。

第二空気極から排出される第二空気極オフガスを酸素含有ガスとして有効に利用し、この第二空気極オフガスに含まれる酸素を、酸素吸着材に吸着させることができる。

第十一態様では、第九又は第十態様において、前記第一燃料極オフガスから二酸化炭素を分離し、前記二酸化炭素が分離されたガスを前記第二燃料極へ供給する分離装置を備え、前記分離装置で第一燃料極オフガスから分離された二酸化炭素を含有するガスが前記燃料極オフガスとして前記吸着器に供給される。

分離装置では、第一燃料極オフガスから二酸化炭素を分離し、この二酸化炭素が分離されたガスが第二燃料極へ供給される。分離装置で第一燃料極オフガスから分離された二酸化炭素を含有するガスには水素や一酸化炭素が含まれるが、このガスが燃料極オフガスとして吸着器に供給される。すなわち、分離装置で生じ第二燃料極へ供給されなかった残余のガスにおいて、二酸化炭素濃度を高めることができる。

第十二態様では、第一～第十一のいずれか１つの態様において、前記吸着器に対し、前記酸素含有ガスと前記燃料極オフガスのいずれか一方が選択的に供給されるように前記酸素含有ガスと前記燃料極オフガスの流路を切り替える切替部材を有する。

切替部材により、酸素含有ガスと燃料極オフガスのいずれか一方が選択的に供給されるので、酸素含有ガスの供給により、酸素吸着材に酸素を吸着させることができる。また、燃料極オフガスの供給により、この燃料極オフガスを酸素吸着材に吸着された酸素で酸化反応させることができる。

第十三態様では、第十二態様において、前記吸着器が、前記燃料極オフガスの流れに対し並列で配置された第一吸着器及び第二吸着器を含み、前記切替部材が、前記第一吸着器及び前記第二吸着器の一方への前記燃料極オフガスの供給と、前記第一吸着器及び前記第二吸着器の他方への前記酸素含有ガスの供給と、を交互に切り替える。

切替部材により、第一吸着器及び第二吸着器の一方への燃料極オフガスの供給と、第一吸着器及び第二吸着器の他方への酸素含有ガスの供給と、を交互に切り替えることができる。たとえば、第一吸着器に燃料極オフガスを供給しながら、第二吸着器に、酸素含有ガスを供給することができる。そして、これとは逆に、第二吸着器に燃料極オフガスを供給しながら、第一吸着器に酸素含有ガスを供給することができる。このように、第一吸着器と第二吸着器とで動作を交互に入れ替えることで、第一吸着器又は第二吸着器の酸素吸着材に吸着された酸素で連続的に、燃料極オフガスを酸化反応させることができる。

本願では、簡易な設備で、燃料電池発電システムの燃料極オフガスにおいて二酸化炭素を濃縮できる。

図１は第一実施形態の燃料電池発電システムを示す構成図である。 図２は第一実施形態の燃料電池発電システムのブロック図である。 図３は第一実施形態の燃料電池発電システムのバルブ開閉状態の一例を示す図である。 図４は第一実施形態の燃料電池発電システムのバルブ開閉状態の図３とは異なる例を示す図である。 図５は第二実施形態の燃料電池発電システムを示す構成図である。 図６は第二実施形態の変形例の燃料電池発電システムを示す構成図である。 図７は第三実施形態の燃料電池発電システムを示す構成図である。 図８は、吸着器の状態を切り替える時間と、酸化後ガスの二酸化炭素濃度との関係を示すグラフである。 図９は第一実施形態の燃料電池発電システムにおける制御を示すフローチャートである。

第一実施形態の燃料電池発電システム１２について、図面を参照して説明する。

図１に示すように、燃料電池発電システム１２は、改質器１４、第一燃料電池１６、第二燃料電池２６、分離装置１８、吸着器２０、凝縮器２２、および冷凍機２４を有している。

第一燃料電池１６は、本実施形態では、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）である。具体的には、第一燃料電池１６は、第一電解質層１６Ｂと、この第一電解質層１６Ｂの一方の面に積層された第一燃料極１６Ａと、他方の面に積層された第一空気極１６Ｃとを有している。

なお、第二燃料電池２６の基本構成は、第一燃料電池１６と同様であり、第一電解質層１６Ｂに対応する第二電解質層２６Ｂ、第一燃料極１６Ａに対応する第二燃料極２６Ａ、第一空気極１６Ｃに対応する第二空気極２６Ｃ、を有している。

改質器１４には、燃料ガス管４０の一端が接続されており、燃料ガス管４０の他端は、第一燃料電池１６の第一燃料極１６Ａに接続されている。これにより、第一燃料電池１６の第一燃料極１６Ａに、燃料ガス管４０を介して、改質器１４が接続されている。

改質器１４には、燃料源及び水蒸気が導入されるようになっている。そして、改質器１４は、導入された燃料源を、水素を多く含む改質ガス（燃料ガス）に改質する。たとえば、改質器１４に導入する燃料源としてメタンを用いる場合、改質器１４では、下記（１）式に示すように、燃料源のガスであるメタンが水蒸気改質され、水素と一酸化炭素が生成される。また、下記（２）式に示すように、生成された一酸化炭素と水とのシフト反応により二酸化炭素と水素が生成される。

ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ …（１）
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２ …（２）
この改質ガスが、燃料ガス管４０を通じて、第一燃料電池１６の第一燃料極１６Ａに送られる。

本実施形態では、改質器１４に導入する燃料源として上記したようにメタンを用いているが、改質により水素を生成可能なガスであれば特に限定されず、炭化水素燃料を用いることができる。炭化水素燃料としては、天然ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）、バイオガス、石炭改質ガス、低級炭化水素ガスなどが例示される。低級炭化水素ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭素数４以下の低級炭化水素が挙げられ、本実施形態で用いるメタンが好ましい。なお、炭化水素燃料としては、上述した低級炭化水素ガスを混合したものであってもよく、上述した低級炭化水素ガスは天然ガス、都市ガス、ＬＰガス等のガスであってもよい。原料ガスに不純物が含まれる場合、脱硫器等が必要になるが、図では省略されている。

そして、第一燃料極１６Ａにおいて、下記（３）式に示すように、水素と酸素イオンとから、水と電子とが生成される。

（燃料極反応）
Ｈ_２＋Ｏ^２－→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ^－…（３）
電子は、外部回路（図示省略）を通って第１空気極へ移動する。これにより、第一燃料電池１６において発電される。

第一燃料電池１６の第一空気極１６Ｃには、空気管４２が接続されており、この空気管４２を通して、酸化剤ガスとしての空気が第一空気極１６Ｃに供給される。

本実施形態では、空気管４２の途中に圧縮装置２８が設けられている。圧縮装置２８は、大気を圧縮することで、第一空気極１６Ｃに供給する空気を昇圧する。

第一空気極１６Ｃでは、下記（４）式に示すように、空気管４２を通じて供給された空気中の酸素と、外部回路を通って第一燃料極１６Ａから移動した電子とが反応し、酸素イオンが生成される。

（空気極反応）
（１／２）Ｏ_２＋２ｅ^－→Ｏ^２－ …（４）
第一燃料極１６Ａには、第一燃料極オフガス管４４Ｆの一端が接続されている。第一燃料極オフガス管４４Ｆの他端は、分離装置１８に接続されている。

第一燃料極１６Ａから排出される第一燃料極オフガスには、第一燃料極１６Ａにおいて未反応の水素の他に二酸化炭素、水蒸気、一酸化炭素等が含まれる。分離装置１８は、本実施形態では、供給された第一燃料極オフガスから、少なくとも二酸化炭素を分離する分離膜を有している。実際には、分離装置１８では、第一燃料極オフガスにおいて、二酸化炭素、水蒸気、一酸化炭素等と、水素とを分離する。

分離装置１８には、リサイクルガス管４６の一端が接続されている。リサイクルガス管４６の他端は、第二燃料電池２６の第二燃料極２６Ａに接続されている。分離装置１８で第一燃料極オフガスから少なくとも二酸化炭素が分離されたガス（水素を含有している）が、リサイクル燃料ガスとして、リサイクルガス管４６を通じて第二燃料電池２６の第二燃料極２６Ａに送られる。

第一燃料電池１６の第一空気極１６Ｃには、第一空気極オフガス管４８Ｆの一端が接続されている。第一空気極オフガス管４８Ｆの他端は、第二燃料電池２６の第二空気極２６Ｃに接続されている。第一燃料電池１６の第一空気極１６Ｃから排出された第一空気極オフガスは、第一空気極オフガス管４８Ｆを通って、第二燃料電池２６の第二空気極２６Ｃに送られる。第二燃料電池２６では、第一燃料電池１６と同様の発電反応が行われる。

吸着器２０は、第一酸素吸着塔３０Ｆと、第二酸素吸着塔３０Ｓを備えている。第一酸素吸着塔３０Ｆと、第二酸素吸着塔３０Ｓとは、後述するように処理対象ガスの流れ方向（矢印Ｆ１方向）に対し並列で設けられている。

分離装置１８には、分離ガス管５０の一端が接続されている。分離ガス管５０は、中間の分岐部５２において、分離ガス分岐管５０Ｐ、５０Ｑに分岐されており、それぞれ、第一酸素吸着塔３０Ｆ及び第二酸素吸着塔３０Ｓに接続されている。分離ガス分岐管５０Ｐ、５０Ｑにはそれぞれ、第一分離ガス開閉弁７２Ｆ、第二分離ガス開閉弁７２Ｓが設けられている。図２に示すように、第一分離ガス開閉弁７２Ｆ、第二分離ガス開閉弁７２Ｓの開閉は、制御装置６０によって制御される。

第二燃料極２６Ａには、第二燃料極オフガス管４４Ｓの一端が接続されている。第二燃料極オフガス管４４Ｓの他端は、分離ガス管５０において、一端から分岐部５２までの間の位置（合流部５４）で接続されている。分離装置１８から排出された分離ガスと、第二燃料極２６Ａから排出された第二燃料極オフガスとは、合流部５４で合流する。分離ガス管５０と、第二燃料極オフガス管４４Ｓとは、吸着器２０によって酸化処理される対象のガス（処理対象ガス）が流れる配管であり、以下では、処理対象ガス管５６ということがある。

第二空気極２６Ｃには、第二空気極オフガス管４８Ｓの一端が接続されている。第二空気極オフガス管４８Ｓは、中間の分岐部５８において、第二空気極オフガス分岐管５８Ｐ、５８Ｑに分岐され、それぞれ、第一酸素吸着塔３０Ｆ及び第二酸素吸着塔３０Ｓに接続されている。第二空気極オフガス分岐管５８Ｐ、５８Ｑにはそれぞれ、第一酸素導入開閉弁７４Ｆ、第二酸素導入開閉弁７４Ｓが設けられている。図２に示すように、第一酸素導入開閉弁７４Ｆ、第二酸素導入開閉弁７４Ｓの開閉は、制御装置６０によって制御される。

第一酸素吸着塔３０Ｆには、第一濃度センサ３２Ｆを介して、第一凝縮管６４Ｆと第一開放管６６Ｆとが接続されている。本実施形態では第一濃度センサ３２Ｆ側の１本の管が分岐されて、第一凝縮管６４Ｆと第一開放管６６Ｆとが構成されている。

第一凝縮管６４Ｆには第一凝縮器２２Ｆが設けられている。第一開放管６６Ｆは、他端側で大気開放されている。第一開放管６６Ｆからは、酸素含有ガス中の酸素が第一酸素吸着塔３０Ｆの酸素吸着材に吸着された後のガス、すなわち窒素の濃度が高められた窒素富化ガスが排出される。

第一濃度センサ３２Ｆは、処理対象ガスが第一酸素吸着塔３０Ｆで酸化されて排出されるガス（酸化後ガス）の各成分、具体的には、少なくとも二酸化炭素、酸素、水素及び一酸化炭素の濃度を検出する。そして、検出データを制御装置に送信する。

第一凝縮管６４Ｆ及び第一開放管６６Ｆにはそれぞれ、第一凝縮器開閉弁７６Ｆ、第一開放管開閉弁７８Ｆが設けられている。図２に示すように、第一凝縮器開閉弁７６Ｆ、第一開放管開閉弁７８Ｆの開閉は制御装置６０によって制御される。

第二酸素吸着塔３０Ｓには、第二濃度センサ３２Ｓを介して、第二凝縮管６４Ｓと第二開放管６６Ｓとが接続されている。

第二凝縮管６４Ｓには第二凝縮器２２Ｓが設けられている。第二開放管６６Ｓは、他端側で大気開放されている。第二開放管６６Ｓからは、酸素含有ガス中の酸素が第二酸素吸着塔３０Ｓの酸素吸着材に吸着された後のガス、すなわち窒素の濃度が高められた窒素富化ガスが排出される。

本実施形態では、第一凝縮管６４Ｆと第一開放管６６Ｆとは、第一濃度センサ３２Ｆよりも下流側で１本の管が分岐されることにより構成されている。同様に、第二凝縮管６４Ｓと第二開放管６６Ｓとは、第二濃度センサ３２Ｓよりも下流側で１本の管が分岐されることにより構成されている。

第二濃度センサ３２Ｓは、第二酸素吸着塔３０Ｓからの酸化後ガスの各成分、具体的には、少なくとも二酸化炭素、酸素、水素及び一酸化炭素の濃度を検出する。そして検出データを制御装置に送信する。

第二凝縮管６４Ｓ及び第二開放管６６Ｓにはそれぞれ、第二凝縮器開閉弁７６Ｓ、第二開放管開閉弁７８Ｓが設けられている。図に示すように、第二凝縮器開閉弁７６Ｓ、第二開放管開閉弁７８Ｓの開閉は制御装置６０によって制御される。

以下において、単に「バルブ８０」というときは、これらの第一分離ガス開閉弁７２Ｆ、第二分離ガス開閉弁７２Ｓ、第一酸素導入開閉弁７４Ｆ、第二酸素導入開閉弁７４Ｓ、第一凝縮器開閉弁７６Ｆ、第一開放管開閉弁７８Ｆ、第二凝縮器開閉弁７６Ｓ、第二開放管開閉弁７８Ｓを意味する。これらのバルブ８０は、切替部材の一例である。

第一酸素吸着塔３０Ｆ及び第二酸素吸着塔３０Ｓはそれぞれ、加熱装置３４Ｆ、３４Ｓを有している。加熱装置３４Ｆ、３４Ｓは制御装置６０によって制御され、第一酸素吸着塔３０Ｆ及び第二酸素吸着塔３０Ｓの酸素吸着材における酸素の吸着及び脱着が効率的になされるように、第一酸素吸着塔３０Ｆ及び第二酸素吸着塔３０Ｓを加熱する。

第一凝縮器２２Ｆ及び第二凝縮器２２Ｓには、冷媒管６８Ｆ、６８Ｓを介して冷凍機２４が接続されている。冷凍機２４からの冷媒供給により、第一凝縮器２２Ｆ及び第二凝縮器２２Ｓを冷却し、内部の気体を凝縮することができる。第一凝縮器２２Ｆ及び第二凝縮器２２Ｓの電力は、たとえば、第一燃料電池１６や第二燃料電池２６から供給されてもよいし、これらの燃料電池とは別の外部電源から供給されてもよい。第一凝縮器２２Ｆ及び第二凝縮器２２Ｓが第一燃料電池１６や第二燃料電池２６から電力供給を受ける構成では、外部電源が不要である。

第一凝縮器２２Ｆ及び第二凝縮器２２Ｓの下流側には、それぞれ、図示しない回収タンクが設けられている。第一凝縮器２２Ｆ及び第二凝縮器２２Ｓからは、酸化後ガスの二酸化炭素濃度がさらに高められた二酸化炭素富化ガスが排出される。この二酸化炭素富化ガスが、回収タンクで回収される。

空気管４２と第二燃料極オフガス管４４Ｓとは、バイパス管７０によって連通されている。空気管４２に導入された空気を、バイパス管７０を通ることで、第一空気極１６Ｃ及び第二空気極２６Ｃを経ることなく、第一酸素吸着塔３０Ｆ及び第二酸素吸着塔３０Ｓに送ることが可能である。

第一酸素吸着塔３０Ｆ及び第二酸素吸着塔３０Ｓには、導入された気体の酸素分圧によって、酸素を可逆的に吸着又は脱着する酸素吸着材が収容されている。具体的には、この酸素吸着材は、導入された気体の酸素分圧が所定値以上である場合に、酸素を吸着する。また、酸素分圧が所定値以下である場合には、吸着している酸素を脱着する。

本実施形態では、第一酸素吸着塔３０Ｆ及び第二酸素吸着塔３０Ｓに収容された酸素吸着材として、４００℃以上８００℃以下の温度、すなわち常温よりも高温の温度域において、酸素を吸着する効率が高い酸素吸着材が用いられている。ただし、高温吸着材としては、４００℃未満や８００℃超でも酸素吸着は可能である。

次に、本実施形態の作用を説明する。

第一燃料電池１６では、第一燃料極１６Ａに供給された水素を含む燃料ガス（改質ガス）と、第一空気極１６Ｃに供給された酸素を含む空気と、により、発電が行われる。そして、第一燃料極１６Ａで発生した第一燃料極オフガスが分離装置１８に送られる。

分離装置１８では、第一燃料極オフガスから水素を分離し、この水素は、リサイクル燃料ガスとして、リサイクルガス管４６を通じて第二燃料電池２６の第二燃料極２６Ａに送られる。

第一燃料電池１６の第一空気極１６Ｃからは、第一空気極オフガスが、第一空気極オフガス管４８Ｆを通じて第二燃料電池２６の第二空気極２６Ｃに送られる。

第二燃料電池２６では、第二燃料極２６Ａに供給された水素を含むリサイクル燃料ガスと、第二空気極２６Ｃに供給された酸素を含む第一空気極オフガスと、により発電が行われる。

このように、本実施形態では、第一燃料電池１６の第一燃料極オフガスと第一空気極オフガスとを、第二燃料電池２６で再度用いることで、第一燃料電池１６と第二燃料電池２６の二段階で発電を行える。したがって、一段階で発電を行う構成と比較して、効率的な発電が可能である。

第二燃料極２６Ａで発生した第二燃料極オフガスは、第二燃料極オフガス管４４Ｓを通じて、分離ガス管５０内の分離ガスと合流する。第二空気極２６Ｃの空気極オフガスは、第二空気極オフガス管４８Ｓを通じて、第一酸素吸着塔３０Ｆまたは第二酸素吸着塔３０Ｓに供給可能な状態となる。

制御装置６０は、第一濃度センサ３２Ｆ及び第二濃度センサ３２Ｓで検出した気体の濃度成分に基づいて、各バルブ８０の開閉を制御する。これにより、第一酸素吸着塔３０Ｆ及び第二酸素吸着塔３０Ｓのいずれか一方では、酸素吸着材に酸素が吸着され、他方では、酸素吸着材から酸素が脱着される。

第二燃料極オフガス及び分離ガスには、未燃焼の成分である水素や一酸化炭素（以下、これら未燃焼のガス成分を単に「未燃成分」という）が残存している。酸素吸着材から酸素が脱着されると、この脱着された酸素により、これらの未燃成分を速やかに酸化させることができる。これは、未燃成分が酸素と接触する環境が、各未燃成分の自着火温度より高く、かつ酸素吸着材の成分が、未燃成分と酸素の酸化反応を促進する触媒としての機能を兼ね備えているためである。すなわち、本実施形態では、酸化剤ガスである酸素を、第二空気極オフガスから、処置対象ガス（第二燃料極オフガス及び分離ガスに）に作用させて、未燃成分を、酸素吸着材から脱着された酸素により、その場で速やかに酸化させることができる。

ここで、これらのバルブ８０の開閉状態には、図３に示す第一状態と、図４に示す第二状態と、がある。

図３に示す第一状態では、第一酸素吸着塔３０Ｆは、酸素吸着状態である。具体的には、第一分離ガス開閉弁７２Ｆ及び第一凝縮器開閉弁７６Ｆが閉弁され、第一酸素導入開閉弁７４Ｆ及び第一開放管開閉弁７８Ｆが開弁されている。したがって、第一酸素吸着塔３０Ｆには、酸素含有ガスである第二空気極オフガス又は空気が供給される。そして、この酸素含有ガス中の酸素分圧により、第一酸素吸着塔３０Ｆの酸素吸着材に酸素が吸着される。酸素吸着材で吸着しきれなかった酸素は、第一開放管６６Ｆから窒素富化ガスとして大気中に排出される。このため、酸素含有ガスを継続的に第一酸素吸着塔３０Ｆの酸素吸着材に送って、多くの酸素を酸素吸着材に吸着させることができる。

このとき、第一凝縮器開閉弁７６Ｆは閉弁されている。したがって、第一酸素吸着塔３０Ｆから、たとえば酸化後ガスが第一凝縮管６４Ｆを通って不用意に排出されることはない。さらに、第一分離ガス開閉弁７２Ｆも閉弁されているので、処理対象ガスが第一酸素吸着塔３０Ｆに供給されたり、第一酸素吸着塔３０Ｆ及び第一凝縮管６４Ｆを通って排出されたりすることもない。

また、この第一状態では、第二酸素吸着塔３０Ｓは、酸素脱着状態である。具体的には、第二分離ガス開閉弁７２Ｓ及び第二凝縮器開閉弁７６Ｓが開弁され、第二酸素導入開閉弁７４Ｓ及び第二開放管開閉弁７８Ｓが閉弁されている。したがって、第二酸素吸着塔３０Ｓには、第二燃料電池２６の第二燃料極２６Ａ及び分離装置１８から、処理対象ガスが供給される。

この処理対象ガス（第二燃料極オフガス及び分離ガス）には、二酸化炭素の他に、水蒸気、水素、一酸化炭素等の未燃成分が含まれている。水素は、第二酸素吸着塔３０Ｓの酸素吸着材から脱離された酸素との酸化反応により、水蒸気になる。第二凝縮器開閉弁７６Ｓが開弁されているので、水蒸気は第二凝縮器２２Ｓにより凝縮されて液相の水となる。また、一酸化炭素は、同じく第二酸素吸着塔３０Ｓの酸素吸着材から脱離された酸素との酸化反応により、二酸化炭素になる。

このように、第一状態は、第一酸素吸着塔３０Ｆにおいて酸素吸着材に酸素を吸着させると共に、第二酸素吸着塔３０Ｓにおいて酸素吸着材から酸素を脱離させ、処理対象ガスの未燃成分を酸化させて、二酸化炭素濃度を高めることができる状態である。

これに対し、図４に示す第二状態では、第一状態と比較して、第一酸素吸着塔３０Ｆ及び第二酸素吸着塔３０Ｓの動作が入れ替わっている。すなわち、第一酸素吸着塔３０Ｆは、酸素脱着状態である。具体的には、第一分離ガス開閉弁７２Ｆ及び第二凝縮器開閉弁７６Ｓが開弁され、第一酸素導入開閉弁７４Ｆ及び第一開放管開閉弁７８Ｆが閉弁されている。したがって、第一酸素吸着塔３０Ｆには、第二燃料電池２６の第二燃料極２６Ａから第二燃料極オフガスが供給され、分離装置１８から分離ガスが供給される。これらの処理対象ガスに含まれる水素は、第二酸素吸着塔３０Ｓの酸素吸着材から脱着された酸素との酸化反応により、水蒸気になる。第二凝縮器開閉弁７６Ｓが開弁されているので、水蒸気は第二凝縮器２２Ｓにより凝縮されて液相の水となる。また、処理対象ガスに含まれる一酸化炭素は、同じく第二酸素吸着塔３０Ｓの酸素吸着材から脱離された酸素との酸化反応により、二酸化炭素になる。

この第二状態では、第二酸素吸着塔３０Ｓは、酸素吸着状態である。具体的には、第二分離ガス開閉弁７２Ｓ及び第二凝縮器開閉弁７６Ｓが閉弁され、第二酸素導入開閉弁７４Ｓ及び第二開放管開閉弁７８Ｓが開弁されている。したがって、第二酸素吸着塔３０Ｓには、酸素含有ガスである空気が供給され、この空気中の酸素分圧により、第一酸素吸着塔３０Ｆの酸素吸着材に酸素が吸着される。酸素吸着材で吸着しきれなかった酸素は、第二開放管６６Ｓから大気中に排出されるので、酸素含有ガスを継続的に第二酸素吸着塔３０Ｓの酸素吸着材に送って、多くの酸素を酸素吸着材に吸着させることができる。

このように、第二状態は、第二酸素吸着塔３０Ｓにおいて酸素吸着材に酸素を吸着させると共に、第一酸素吸着塔３０Ｆにおいて酸素吸着材から酸素を脱離させ、処理対象ガスの二酸化炭素濃度を高めることができる状態である。

以上の説明からわかるように、本実施形態では、第一酸素吸着塔３０Ｆ及び第二酸素吸着塔３０Ｓに吸着された酸素を用いて、処理対象ガスの二酸化炭素濃度を高めることができる。

そして、処理対象ガスにおいて二酸化炭素の濃度を高めるにあたって必要な酸素を、各バルブ８０の開閉を制御すれば得ることができ、酸素ガス発生装置は不要である。すなわち、本実施形態では、簡単な設備で、燃料電池発電システム１２において処理対象ガスの二酸化炭素の濃度を高めることができる。

本実施形態では、第一酸素吸着塔３０Ｆと第二酸素吸着塔３０Ｓとが上記したように交互に酸素脱着状態と酸素吸着状態とを採る。１回の酸素脱着状態と酸素吸着状態とを続いて行う処理を１サイクルとし、この１サイクルを繰り返すことで、処理対象ガスの二酸化炭素濃度を高めて回収する動作を連続的に行わせることができる。

上記では、分離装置１８として、二酸化炭素分離膜を有する構造を例示したが、分離装置としては、これに代えて、たとえば、水凝縮器を用いることも可能である。

分離装置１８として水凝縮器を用いた構成では、分離装置１８では、液相の水が生成されるが、これ以外の成分は第二燃料電池２６の第二燃料極２６Ａに供給される。したがって、分離装置１８から吸着器２０へ気体を供給する管（分離ガス管５０において、分離装置１８側の一端から、合流部５４までの部分）は、二酸化炭素濃度を高めるために吸着器２０へ気体を送る観点からは不要である。すなわち、分離装置１８として水凝縮器を用いた構成では、第二燃料極２６Ａの第二燃料極オフガスのみ処理対象ガスとして吸着器２０に供給されるようになっていればよい。

また、上記では、第一酸素吸着塔３０Ｆ及び第二酸素吸着塔３０Ｓの酸素吸着材として、４００℃以上８００℃以下の温度範囲で酸素を吸着する効果を高く発揮する高温吸着材を用いた構成を例示したが、たとえば、０℃以上８０℃未満の温度範囲で酸素を吸着する効果を高く発揮する低温吸着材を用いつつ、第一酸素吸着塔３０Ｆ及び第二酸素吸着塔３０Ｓの上流に設置するバルブ８０の上流側に熱交換器や冷却装置（一例としては放熱フィン）を設置すれば、分離ガス開閉弁や酸素導入開閉弁を常温で使用可能なバルブとすることができ、より簡易な構成とすることができる。第一酸素吸着塔３０Ｆ及び第二酸素吸着塔３０Ｓの上流に設置するバルブ８０とは、本実施形態の場合、第一分離ガス開閉弁７２Ｆ、第二分離ガス開閉弁７２Ｓと第一酸素導入開閉弁７４Ｆ、第二酸素導入開閉弁７４Ｓが該当する。

高温吸着材としては、たとえば、構造式がＡ_ｘＡ’_ｘ’Ｂ_ｙＢ’_ｙ’Ｏ_３－ｚ（但し、0.8≦ｘ＋ｘ’≦1、ｙ+ｙ’＝１、0.05≦ｚ≦0.3）で表されるペロブスカイト型酸化物を挙げることができる。ここで、Ａはランタノイド元素またはアルカリ土類金属元素であり、Ａ’はランタノイド元素、アルカリ土類金属元素、アルカリ金属元素の群のうちいずれかの元素ドーパントであり、Ｂはチタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）の群から選択される１または複数の元素であり、Ｂ’はチタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）の群から選択される１または複数の元素であり、かつ、Ｂとは異なる元素である。

本実施形態では、第一酸素吸着塔３０Ｆ及び第二酸素吸着塔３０Ｓがそれぞれ、加熱装置３４Ｆ、３４Ｓを有しているので、酸素吸着材として高温吸着材を用いた構成において、酸素吸着材を高温に維持して、酸素吸着効果を高く発揮させることが可能である。このように高温吸着材における酸素吸着濃度が高くなると、脱離時の酸素濃度も高くなる。

また、酸素吸着材がペレット状である場合、酸素吸着材が容器に収容された状態で生じる隙間においては、第二燃料極オフガスが膨張した状態、すなわち、酸素以外の気体（主には窒素）の分子数密度が少ない状態で存在する。したがって、酸素吸着材が酸素を脱着した場合には、酸素濃度が高い状態を実現できる。

上記実施形態では、第一酸素吸着塔３０Ｆ及び第二酸素吸着塔３０Ｓがいずれも、それぞれ加熱装置３４Ｆ、３４Ｓを有しているので、酸素吸着材の酸素吸着効果を高く発揮させる構造を容易にかつ確実に実現できる。

本実施形態では、第一燃料電池１６及び第二燃料電池２６として、ＳＯＦＣを用いている。ＳＯＦＣには、高温の燃料極オフガスや空気極オフガスを発生するものが多いので、酸素吸着材として高温吸着材を用いた構成において、高温吸着材の温度を高く維持する点で好ましく適用できる。このように、オフガスの温度が高温である燃料電池としては、ＳＯＦＣの他に、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ：Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）を挙げることができる。

酸素吸着材として高温吸着材を用い、高温の第二空気極オフガスや処理対象ガスを第一酸素吸着塔３０Ｆ及び第二酸素吸着塔３０Ｓに供給する場合には、第一分離ガス開閉弁７２Ｆ、第一酸素導入開閉弁７４Ｆ、第二分離ガス開閉弁７２Ｓ、第二酸素導入開閉弁７４Ｓに、高温での使用が可能なバルブを用いればよい。

酸素吸着材として高温吸着材を用いた場合であっても、これらのバルブ８０として、常温で使用可能なバルブを用いることが可能である。この場合には、たとえば、これらのバルブ８０における気体の流れ方向の上流側に冷却装置（一例としては放熱フィン）を設けると共に、これらのバルブ８０の下流側（第一酸素吸着塔３０Ｆ及び第二酸素吸着塔３０Ｓよりは上流側）に、昇温装置（加熱装置）を設ければよい。すなわち、上流側の冷却装置によって、一旦気体をバルブ８０の使用可能温度域まで冷却した状態でバルブ８０を通過させ、バルブ８０通過後に昇温装置で高温吸着材が効果的に作動する温度まで昇温すればよい。

さらには、第一酸素吸着塔３０Ｆや第二酸素吸着塔３０Ｓの下流側（第一凝縮器開閉弁７６Ｆ、第一開放管開閉弁７８Ｆ、第二凝縮器開閉弁７６Ｓ、第二開放管開閉弁７８Ｓの上流側）に冷却装置を設ければ、第一酸素吸着塔３０Ｆや第二酸素吸着塔３０Ｓから排出される酸化後ガスが高温の場合でも、常温で使用可能なバルブ８０を用いた構造にできる。

これに対し、酸素吸着材として常温吸着材を用いることも可能である。常温吸着材とは、たとえば、０℃以上４０℃以下の範囲で、酸素を吸着する効率が高い酸素吸着材である。ただし、常温吸着材としては、０℃未満や４０℃超でも酸素吸着は可能である。このような常温吸着材を用いた構成では、第一酸素吸着塔３０Ｆや第二酸素吸着塔３０Ｓに加熱装置を設ける必要がないので、構造の簡素化を図ること可能である。また、各バルブ８０にも耐熱性が要求されないので、低コストのバルブ８０を使用することが可能である。さらに、大気の酸素分圧は、第二燃料極オフガスの酸素分圧よりも高い場合が多く、この場合には、第一酸素吸着塔３０Ｆ及び第二酸素吸着塔３０Ｓの酸素吸着材への酸素吸着をより効率的に行える。

常温吸着材としては、たとえば、活性炭等の細孔を利用した物理吸着による吸着材を挙げることができる。

また、図１等に示したように、バイパス管７０を有する構造であれば、第二燃料電池２６の第二空気極２６Ｃで生じた第二空気極オフガスに代えて、あるいは併用して、外気から第一燃料電池１６及び第二燃料電池２６をバイパスした空気を第一酸素吸着塔３０Ｆ及び第二酸素吸着塔３０Ｓに供給することも可能である。

酸素吸着材として適用可能な高温吸着材には、それ自体として、酸素や一酸化炭素との酸化反応を促進する触媒作用がある酸素吸着材がある。上記したペロブスカイト型酸化物はその一例である。この場合には、酸素吸着材に吸着された酸素を脱離により処理対象ガスに供給することで、水素や一酸化炭素との酸化反応を生じさせて水蒸気や二酸化炭素に変換できる。

これに対し、酸素吸着材として、上記した触媒作用を有さない酸素吸着材を用いることも可能である。

図５には、第二実施形態の燃料電池発電システム２１２として、触媒作用を有さない第一酸素吸着塔２３０Ｆ及び第二酸素吸着塔２３０Ｓを用いた例が示されている。第二実施形態及びその変形例において、第一実施形態と同様の要素、部材等については、同一符号を付して、詳細な説明を省略する。

第二実施形態の燃料電池発電システム２１２では、第一酸素吸着塔２３０Ｆ及び第二酸素吸着塔２３０Ｓの下流側に、それぞれ、第一反応器２３４Ｆ及び第二反応器２３４Ｓが設けられている。第一酸素吸着塔２３０Ｆ及び第二酸素吸着塔２３０Ｓは触媒作用を有さないが、第一反応器２３４Ｆ及び第二反応器２３４Ｓにおいて、処理対象ガスの水素や一酸化炭素に対し、第一酸素吸着塔２３０Ｆ、第二酸素吸着塔２３０Ｓから脱着された酸素により、酸化反応を生じさせることができる。

なお、図５に示す例では、第一反応器２３４Ｆが第一酸素吸着塔２３０Ｆと第一濃度センサ３２Ｆの間に配置され、第二反応器２３４Ｓが第二酸素吸着塔２３０Ｓと第二濃度センサ３２Ｓの間に配置された例である。

これに対し、図６に示す変形例の燃料電池発電システム２９２のように、第一反応器２３４Ｆが第一濃度センサ３２Ｆの下流側に配置され、第二反応器２３４Ｓが第二濃度センサ３２Ｓの下流側に配置された構成でもよい。

図５に示す第二実施形態では、第一濃度センサ３２Ｆ及び第二濃度センサ３２Ｓにおいて、それぞれ、第一反応器２３４Ｆ及び第二反応器２３４Ｓで酸化反応が生じた後の気体に対し、未燃成分の濃度を検出できる。これに対し、図６に示す第二実施形態の変形例では、第一反応器２３４Ｆ及び第二反応器２３４Ｓにおける酸化反応が生じる前段階の気体に対し、未燃成分の濃度を検出することができる。

次に、第三実施形態について説明する。第三実施形態において、第一実施形態と同様の要素、部材等については同一符号を付して、詳細な説明を省略する。

図７に示すように、第三実施形態の燃料電池発電システム３１２では、吸着器３２０が、第一還流管３１６Ｆ及び第二還流管３１６Ｓを有している。第一還流管３１６Ｆの一端は、第一凝縮管６４Ｆに接続され、第一還流管３１６Ｆの他端は、処理対象ガス管５６の分岐管（分離ガス分岐管５０Ｑ）に接続されている。第二還流管３１６Ｓの一端は、第二凝縮管６４Ｓに接続され、第二還流管３１６Ｓの他端は、処理対象ガス管５６の分岐管（分離ガス分岐管５０Ｐ）に接続されている。

第一還流管３１６Ｆ及び第二還流管３１６Ｓにはそれぞれ、第一還流管開閉弁３１４Ｆ及び第二還流管開閉弁３１４Ｓが設けられている。第一還流管開閉弁３１４Ｆ及び第二還流管開閉弁３１４Ｓの開閉は、制御装置６０（第三実施形態では図示省略、第一実施形態として示した図２参照）によって制御される。

このような構成とされた第三実施形態の燃料電池発電システム３１２では、第一還流管開閉弁３１４Ｆ及び第二還流管開閉弁３１４Ｓを閉弁状態に維持すれば、第一還流管３１６Ｆ及び第二還流管３１６Ｓには気体が流れないので、第一実施形態の燃料電池発電システム１２と同様の動作を実行できる。

さらに、第三実施形態の燃料電池発電システム３１２では、たとえば、第一酸素吸着塔３０Ｆからの酸化後ガスの各成分濃度を第一濃度センサ３２Ｆで検出し、未燃成分濃度（水素濃度あるいは一酸化炭素濃度）が予め設定された閾値を超えた場合には、第一還流管開閉弁３１４Ｆ、第二分離ガス開閉弁７２Ｓ及び第二凝縮器開閉弁７６Ｓを開弁すると共に、第二酸素導入開閉弁７４Ｓ及び第二開放管開閉弁７８Ｓを閉弁する。これにより、第一酸素吸着塔３０Ｆからの酸化後ガス（未燃成分濃度が高いガス）を、第二酸素吸着塔３０Ｓに送り、あらためて酸化処理することが可能である。特に、この状態では、第二酸素吸着塔３０Ｓの酸素吸着材には、多くの酸素が吸着されている（たとえば飽和状態にあることが多い）ので、この酸素により、未燃ガスに対する実質的な酸素との接触時間を長く確保し、未燃成分をあらためて酸化処理することで、二酸化炭素濃度を高めることができる。

なお、第二酸素吸着塔３０Ｓからの酸化後ガスの各成分濃度を第二濃度センサ３２Ｓで検出し、未燃成分濃度の閾値が高い場合には、第二還流管開閉弁３１４Ｓ、第一分離ガス開閉弁７２Ｆ及び第一凝縮器開閉弁７６Ｆを開弁すると共に、第一酸素導入開閉弁７４Ｆ及び第一開放管開閉弁７８Ｆを閉弁する。第二酸素吸着塔３０Ｓからの酸化後ガスを、第二酸素吸着塔３０Ｓの酸素であらためて酸化処理できる。

上記では、酸素吸着塔を、第二燃料極オフガス及び分離ガスの流れ方向に対し、並列で複数（第一酸素吸着塔３０Ｆ及び第二酸素吸着塔３０Ｓの２つ）配置した例を挙げた。これにより、複数の酸素吸着塔で、酸素の吸着と、酸素の脱着とを交互に行うことで、連続的な処理を可能としている。このような連続的な処理を行うことが可能であれば、並列で設けられる酸素吸着塔は３つ以上であってもよい。

また、酸素吸着塔が、１つのみ設けられる構成であってもよい。この場合には、酸素吸着塔の上流側に、処理対象ガスを一時的に貯留する処理対象ガスタンクと、空気極オフガスを一時的に貯留する空気極オフガスタンクとを並列に設け、これらのタンクの前後に開閉弁を設ける構成とすればよい。

具体的には、たとえば、処理対象ガスタンクに処理対象ガスを貯留しつつ、空気極オフガスタンクから空気（酸素を含有している）を酸素吸着塔に送って酸素吸着材に酸素を吸着させる状態と、処理対象オフガスタンクから処理対象ガスを酸素吸着塔に送って処理対象ガスを酸化させつつ、空気極オフガスタンクに空気を貯留する状態と、を交互に切り替えるようにすればよい。

また、上記では、複数（第一燃料電池１６及び第二燃料電池２６）の燃料電池を備えた構成を例示したが、燃料電池を１つとしてもよい。燃料電池を１つとした構成では、分離装置１８が不要であり、構造を簡素化できる。また、分離対象ガスとしては、1つの燃料電池の燃料極から排出される燃料極オフガスが該当するので、この燃料極オフガスを吸着器２０に送る。また、酸素含有ガスとしては、空気又は、１つの燃料電池の空気極から排出された空気極オフガスが該当するので、この空気極オフガスを吸着器２０に送ればよい。

上記各実施形態において、吸着器の状態を切り替えるタイミング、具体的には、第一酸素吸着塔３０Ｆと第二酸素吸着塔３０Ｓとで、酸素脱着状態と酸素吸着状態とを切り替えるタイミングは、第一濃度センサ３２Ｆ及び第二濃度センサ３２Ｓの検出値に基づいて決定することが可能である。

図８には、一例として、第一酸素吸着塔３０Ｆの状態に関し、酸素脱着状態から酸素吸着状態へ切り替えるタイミングと、排出される気体の二酸化炭素濃度との関係が示されている。

図８に示すタイミングＴ２の範囲で第一酸素吸着塔３０Ｆを酸素脱着状態から酸素吸着状態に切り替えると、処理対象ガス中の水素や一酸化炭素を酸化するために、酸素吸着材に吸着されていた酸素を概ね使い切った時点で、酸素吸着状態に切り替えることになる。したがって、第一酸素吸着塔３０Ｆから排出される酸化後ガスにおいては、二酸化炭素濃度として高い値が得られる。

これに対して、タイミングＴ２より早いタイミングＴ１の範囲で、第一酸素吸着塔３０Ｆを酸素脱着状態から酸素吸着状態に切り替えると、酸素吸着材の酸素が脱着され切っていない状態で、あらたに空気が送り込まれるため、空気中の酸素を漏れなく酸素吸着材で吸着することができない。すなわち、酸素吸着状態において、第一酸素吸着塔３０Ｆから排出される気体には酸素が混入してしまう。このため、酸素吸着状態と酸素脱着状態とを繰り返し行った場合のトータルでの二酸化炭素濃度は低くなる。

タイミングＴ２より遅いタイミングＴ３の範囲で、第一酸素吸着塔３０Ｆを酸素脱着状態から酸素吸着状態に切り替えると、酸素吸着材に吸着されていた酸素を使い切った状態で、さらに処理対象ガスが送られるため、これらのガス中の水素や一酸化炭素を酸化させることができない。第一酸素吸着塔３０Ｆから排出される気体には水素や一酸化炭素が混入してしまい、やはり二酸化炭素濃度は低くなる。

このように、第一酸素吸着塔３０Ｆ及び第二酸素吸着塔３０Ｓの状態を切り替えるタイミングは、処理対象ガスに含まれる水素や一酸化炭素を、より多く（好ましくは完全に）酸化させるために必要かつ十分な量の酸素を酸素吸着材から供給できるように調整される。

第一酸素吸着塔３０Ｆ及び第二酸素吸着塔３０Ｓの状態を切り替えるにあたっては、第一濃度センサ３２Ｆ及び第二濃度センサ３２Ｓにおける検出値を基に、たとえば、以下の３つのケースのように切り替えることができる。

＜ケース１＞
ケース１は、第一酸素吸着塔３０Ｆ及び第二酸素吸着塔３０Ｓから排出される気体（酸化後ガス）の未燃成分濃度と、第一酸素吸着塔３０Ｆ及び第二酸素吸着塔３０Ｓに供給される気体の酸素濃度と、がいずれも一定である場合である。ケース１は、上記各実施形態のいずれの燃料電池発電システムにも適用可能である。

このケース１の場合は、１サイクルあたりの必要酸素量を第一酸素吸着塔３０Ｆ及び第二酸素吸着塔３０Ｓに供給できるように第一状態及び第二状態における各バルブ８０の開閉を制御する。なお、この必要酸素量は、たとえば、第一凝縮管６４Ｆや第二凝縮管６４Ｓに流量計を設け、この流量計で検出した酸化後ガスの積算流量から知ることができる。

＜ケース２＞
ケース２は、第一酸素吸着塔３０Ｆ及び第二酸素吸着塔３０Ｓから排出される酸化後ガスの未燃成分濃度と、第一酸素吸着塔３０Ｆ及び第二酸素吸着塔３０Ｓに供給される気体の酸素濃度と、のいずれか一方もしくは両方が変化する場合である。ケース２も、上記各実施形態のいずれの燃料電池発電システムにも適用可能である。

ケース２では、処理対象ガス及び第二空気極オフガスの少なくとも一方の組成が変化するので、ケース１と異なり、第一酸素吸着塔３０Ｆや第二酸素吸着塔３０Ｓからの酸化後ガスの積算流量から、必要酸素量を知ることが難しい。このような場合に、第一濃度センサ３２Ｆ及び第二濃度センサ３２Ｓで検出した酸素濃度や未燃成分濃度から、酸化後ガス中の二酸化炭素濃度の最大化、あるいは、未燃成分濃度の最小化を図るように、バルブ８０の開閉を行う制御である。

この場合、制御装置６０は、図９に示すフローに従ってバルブ８０の開閉を制御する。このフローは、一例として、バルブ８０を最初に第二状態（第一酸素吸着塔３０Ｆが酸素脱着状態、第二酸素吸着塔３０Ｓが酸素吸着状態）とし、次に第一状態（第一酸素吸着塔３０Ｆが酸素吸着状態、第二酸素吸着塔３０Ｓが酸素脱着状態）とする場合である。

制御装置６０は、ステップＳ１０２において、第一酸素吸着塔３０Ｆを、酸素脱着状態とする。具体的には、第一分離ガス開閉弁７２Ｆ及び第一凝縮器開閉弁７６Ｆを開弁し、第一酸素導入開閉弁７４Ｆ及び第一開放管開閉弁７８Ｆを閉弁する。これにより、第一酸素吸着塔３０Ｆに処理対象ガスが投入される。第一酸素吸着塔３０Ｆの酸素吸着材から脱離された酸素による酸化反応で、処理対象ガス中の未燃成分が酸化される。酸化後ガス中の水蒸気は第一凝縮器２２Ｆで凝縮される。

なお、制御装置６０は、このときに、第二酸素吸着塔３０Ｓを酸素吸着状態とする。具体的には、第二分離ガス開閉弁７２Ｓ及び第二凝縮器開閉弁７６Ｓを閉弁し、第二酸素導入開閉弁７４Ｓ及び第二開放管開閉弁７８Ｓを開弁する。これにより、第二酸素吸着塔３０Ｓには第二空気極オフガスが投入され、第二酸素吸着塔３０Ｓの酸素吸着材に酸素が吸着される。第二酸素吸着塔３０Ｓの酸素吸着材で吸着しきれなかった酸素は、第二開放管６６Ｓから外部に排出される。

次に、ステップＳ１０４では、制御装置６０は、第一濃度センサ３２Ｆの検出値から、酸化後ガス中の酸素濃度、水素濃度、及び一酸化炭素濃度を計測する。

そして、ステップＳ１０６において、制御装置６０は、酸素濃度比が、所定の範囲に入っているか否かを判断する。この酸素濃度比とは、酸素濃度／（水素濃度＋一酸化炭素濃度）の値である。そして、この酸素濃度比が所定範囲に入っていると判断すれば、ステップＳ１０２に戻る。

これに対し、制御装置６０は、ステップＳ１０６において、酸素濃度比が所定の範囲内に入っていないと判断した場合は、第一酸素吸着塔３０Ｆの酸素吸着材からの酸素の脱離は終了しており、以降は酸化後ガス中の水素濃度や一酸化炭素濃度が過多になると想定されるので、第一酸素吸着塔３０Ｆを、酸素吸着状態に切り替えると共に、第二酸素吸着塔３０Ｓを酸素脱着状態に切り替える。具体的には、ステップＳ１０８において、第一分離ガス開閉弁７２Ｆ及び第一凝縮器開閉弁７６Ｆを閉弁し、第一酸素導入開閉弁７４Ｆ及び第一開放管開閉弁７８Ｆを開弁する。これにより、第一酸素吸着塔３０Ｆに第二空気極オフガスが投入され、酸素吸着材に吸着される。第一酸素吸着塔３０Ｆの酸素吸着材で吸着しきれなかった酸素は、第一開放管６６Ｆから外部に排出される。

次に制御装置６０は、ステップＳ１１０において、第二濃度センサ３２Ｓの検出値から、酸化後ガスの酸素濃度を検出し、第二酸素吸着塔３０Ｓからの酸素の排出が終了したか否かを判断する。たとえば、ステップＳ１０４と同様に酸素濃度比を計測し、この酸素濃度比が所定値よりも低い場合に、酸素の排出が終了したと判断できる。

制御装置６０は、ステップＳ１１０において酸素の排出が終了していないと判断した場合は、ステップＳ１０８に戻る。これに対し、ステップＳ１１０において、酸素の吸着が終了したと判断した場合は、ステップＳ１０２に戻り、第一酸素吸着塔３０Ｆを、酸素脱着状態とすると共に、第二酸素吸着塔３０Ｓを酸素吸着状態とする。

以降は、同様の処理を繰り返すことで、処理対象ガスにおいて二酸化炭素濃度を高める動作を連続的に行うことが可能である。

＜ケース３＞
ケース３は、第一濃度センサ３２Ｆ及び第二濃度センサ３２Ｓにおける未燃成分の濃度を、常時、あるいは所定のタイミングで検出しつつ、各バルブ８０（第一還流管開閉弁３１４Ｆ及び第二還流管開閉弁３１４Ｓを含む）の状態を切り替える場合である。ケース３は、上記各実施形態のうち、第三実施形態の燃料電池発電システム３１２に適用可能である。

この場合、第一酸素吸着塔３０Ｆからの酸化後ガスの各成分濃度を第一濃度センサ３２Ｆで検出する。制御装置６０は、未燃成分濃度が予め設定された閾値を超えた場合には、第一還流管開閉弁３１４Ｆ、第二分離ガス開閉弁７２Ｓ及び第二凝縮器開閉弁７６Ｓを開弁すると共に、第二酸素導入開閉弁７４Ｓ及び第二開放管開閉弁７８Ｓを閉弁する。第一酸素吸着塔３０Ｆからの酸化後ガスの未燃成分濃度が高いが、このガスを第二酸素吸着塔３０Ｓであらためて酸化処理することが可能である。同様に、第二酸素吸着塔３０Ｓからの酸化後ガスの各成分濃度を第二濃度センサ３２Ｓで検出し、未燃成分濃度の値が閾値を超えている場合に、第二還流管開閉弁３１４Ｓ、第一分離ガス開閉弁７２Ｆ及び第一凝縮器開閉弁７６Ｆを開弁すると共に、第一酸素導入開閉弁７４Ｆ及び第一開放管開閉弁７８Ｆを閉弁する。第二酸素吸着塔３０Ｓからの酸化後ガスを、第二酸素吸着塔３０Ｓの酸素であらためて酸化処理できる。

１２ 燃料電池発電システム
１４ 改質器
１６ 第一燃料電池
１６Ａ 第一燃料極
１６Ｂ 第一電解質層
１６Ｃ 第一空気極
１８ 分離装置
２０ 吸着器
２２ 凝縮器
２２Ｆ 第一凝縮器
２２Ｓ 第二凝縮器
２６ 第二燃料電池
２６Ａ 第二燃料極
２６Ｂ 第二電解質層
２６Ｃ 第二空気極
３０Ｆ 第一酸素吸着塔
３０Ｓ 第二酸素吸着塔
３２Ｆ 第一濃度センサ
３２Ｓ 第二濃度センサ
３４Ｆ、３４Ｓ 加熱装置
４０ 燃料ガス管
４２ 空気管
４４Ｆ 第一燃料極オフガス管
４４Ｓ 第二燃料極オフガス管
４６ リサイクルガス管
４８Ｆ 第一空気極オフガス管
４８Ｓ 第二空気極オフガス管
５０ 分離ガス管
５０Ｐ 分離ガス分岐管
５０Ｑ 分離ガス分岐管
５２ 分岐部
５４ 合流部
５６ 処理対象ガス管
５８ 分岐部
５８Ｐ 第二空気極オフガス分岐管
６０ 制御装置
６４Ｆ 第一凝縮管
６４Ｓ 第二凝縮管
６６Ｆ 第一開放管（排出経路の一例）
６６Ｓ 第二開放管（排出経路の一例）
６８Ｆ 冷媒管
７０ バイパス管
７２Ｆ 第一分離ガス開閉弁
７２Ｓ 第二分離ガス開閉弁
７４Ｆ 第一酸素導入開閉弁
７４Ｓ 第二酸素導入開閉弁
７６Ｆ 第一凝縮器開閉弁
７６Ｓ 第二凝縮器開閉弁
７８Ｆ 第一開放管開閉弁
７８Ｓ 第二開放管開閉弁
８０ バルブ（切替部材の一例）
２１２ 燃料電池発電システム
２３０Ｆ 第一酸素吸着塔
２３０Ｓ 第二酸素吸着塔
２３４Ｆ 第一反応器
２３４Ｓ 第二反応器
２９２ 燃料電池発電システム
３１２ 燃料電池発電システム
３１４Ｆ 第一還流管開閉弁
３１４Ｓ 第二還流管開閉弁
３１６Ｆ 第一還流管
３１６Ｓ 第二還流管
３２０ 吸着器

Claims (13)

1. 炭素化合物を含み燃料極へ供給される燃料ガスと、酸素を含み空気極へ供給される酸化剤ガスと、により発電し、前記燃料極から燃料極オフガスが排出される燃料電池と、
   酸素吸着塔を備え、酸素含有ガスが供給されて前記酸素含有ガスの酸素が吸着される酸素吸着材を前記酸素吸着塔内に有し前記酸素吸着塔内で前記酸素吸着材により酸素の吸着と脱着が行われると共に、前記酸素吸着塔内に供給された前記燃料極オフガスが前記酸素吸着材に吸着された前記酸素で酸化反応される吸着器と、
   を備える二酸化炭素濃縮型燃料電池発電システム。
2. 前記酸素吸着材が、酸素の吸着機能とともに、放出した酸素の酸化反応を促進する酸化触媒機能を兼ね備えていることを特徴とする、請求項１に記載の二酸化炭素濃縮型燃料電池発電システム。
3. 前記酸素吸着材が、４００℃以上８００℃以下で前記酸素を吸着する請求項１に記載の二酸化炭素濃縮型燃料電池発電システム。
4. 前記酸素吸着材を加熱する加熱装置を有する請求項３に記載の二酸化炭素濃縮型燃料電池発電システム。
5. 前記酸素吸着材が、０℃以上４０℃以下で前記酸素を吸着する請求項１に記載の二酸化炭素濃縮型燃料電池発電システム。
6. 前記空気極から排出される空気極オフガスが前記酸素含有ガスとして前記吸着器に供給される請求項１～請求項５のいずれか１項に記載の二酸化炭素濃縮型燃料電池発電システム。
7. 前記酸素含有ガスから前記酸素が前記酸素吸着材に吸着された後の吸着残ガスを、前記燃料極オフガスが前記酸化反応された酸化後ガスとは別に外部に排出する排出経路を有する請求項１～請求項６のいずれか１項に記載の二酸化炭素濃縮型燃料電池発電システム。
8. 前記吸着器で生成された水蒸気を液化する凝縮器を備える請求項１～請求項７のいずれか１項に記載の二酸化炭素濃縮型燃料電池発電システム。
9. 前記燃料電池が、
   前記燃料ガスが供給される第一燃料極と、前記酸化剤ガスが供給される第一空気極と、を含み、前記第一燃料極から第一燃料極オフガスが排出される第一燃料電池と、
   前記第一燃料極オフガスが供給される第二燃料極と、前記酸化剤ガスが供給される第二空気極と、を含み、前記第二燃料極から第二燃料極オフガスが排出される第二燃料電池と、
   を備え、
   前記第二燃料極オフガスが前記吸着器に供給される請求項１～請求項８のいずれか１項に記載の二酸化炭素濃縮型燃料電池発電システム。
10. 前記第二空気極から排出される第二空気極オフガスが前記酸素含有ガスとして前記吸着器に供給される請求項９に記載の二酸化炭素濃縮型燃料電池発電システム。
11. 前記第一燃料極オフガスから二酸化炭素を分離し、前記二酸化炭素が分離されたガスを前記第二燃料極へ供給する分離装置を備え、
    前記分離装置で第一燃料極オフガスから分離された二酸化炭素を含有するガスが前記燃料極オフガスとして前記吸着器に供給される請求項９又は請求項１０に記載の二酸化炭素濃縮型燃料電池発電システム。
12. 前記吸着器に対し、前記酸素含有ガスと前記燃料極オフガスのいずれか一方が選択的に供給されるように前記酸素含有ガスと前記燃料極オフガスの流路を切り替える切替部材を有する請求項１～請求項１１のいずれか１項に記載の二酸化炭素濃縮型燃料電池発電システム。
13. 前記吸着器が、前記燃料極オフガスの流れに対し並列で配置された第一吸着器及び第二吸着器を含み、
    前記切替部材が、前記第一吸着器及び前記第二吸着器の一方への前記燃料極オフガスの供給と、前記第一吸着器及び前記第二吸着器の他方への前記酸素含有ガスの供給と、を交互に切り替える請求項１２に記載の二酸化炭素濃縮型燃料電池発電システム。