JP7335788B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本願の開示する技術は、燃料電池システムに関する。

炭素化合物を燃料として用いる燃料電池システムでは、複数の燃料電池を多段で用いるタイプがある。たとえば、特許文献１には、第一燃料電池から排出されるオフガスから、水蒸気を気体の状態で除去する水蒸気分離膜を備え、水蒸気分離後の再生燃料ガスを用いて第二燃料電池で発電を行う多段式燃料電池システムが記載されている。

また、引用文献２には、燃料電池のアノードオフガス中の二酸化炭素を分離する分離膜を備え、透過部へのスイープガスとして水蒸気を供給するようにした燃料電池システムが記載されている。

特開２０１６－１１５４９５号公報 特開２０１８－１０７０９８号公報

特許文献１に記載の技術では、第一燃料電池のオフガスから水蒸気分離膜により水蒸気を分離した再生燃料ガスを、第二燃料電池に送っている。しかし、第二燃料電池の燃料極では水分（水蒸気の量）が不足するため、たとえば、第二燃料電池として高分子電解質膜を用いた構成では、燃料極での水分の不足により、高分子電解質膜での水素イオンの導電性が低下する。

引用文献２に記載の構成では、分離部の透過部にスイープガスとして水蒸気を供給するための装置や設備が必要で、装置の複雑化を招く。

本発明は上記事実を考慮し、複数の燃料電池を有する多段式の燃料電池システムにおいて、簡易な構造で、後段の燃料電池に、十分な量の水蒸気が送られるようにすることを目的とする。

第一態様では、炭素化合物を含み第一燃料極へ供給される燃料ガスと、酸素を含み第一空気極へ供給される酸化ガスと、により発電し、前記第一燃料極から燃料極オフガスが排出されると共に前記第一空気極から空気極オフガスが排出される第一燃料電池と、前記燃料極オフガスが流入される流入部と、前記流入部に流入された前記燃料極オフガスから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る透過部と、を備えた分離部と、前記第一空気極と前記透過部とを連通する第一連通流路と、前記分離膜により前記燃料極オフガスから前記二酸化炭素が分離され第二燃料極へ供給される再生ガスと、酸素を含み第二空気極へ供給される酸化ガスと、により発電する第二燃料電池と、を有する。

この燃料電池システムでは、第一燃料電池において、第一燃料極へ供給される燃料ガスと、第一空気極へ供給される酸化ガスと、により発電される。そして、第一燃料極から燃料極オフガスが排出されると共に第一空気極から空気極オフガスが排出される。

燃料極オフガスは、分離部の流入部に流入される。流入部に流入された燃料極オフガスから、分離膜によって二酸化炭素が分離され、再生ガスが生成される。第二燃料電池において、第二燃料極へ供給される再生ガスと、第二空気極へ供給される酸化ガスと、により発電される。

第一燃料電池の第一空気極と、分離部の透過部と、は第一連通流路により連通されており、水蒸気を多く含む空気極オフガスが透過部に送られる。低湿度のガスが透過部に送られる構成と比較して、透過部での水蒸気分圧が高くなるので、流入部から分離膜をへて透過部に透過する水分量は少なくなり、再生ガスの水蒸気量が多くなる。このように水分量が多い再生ガスが第二燃料電池の第二燃料極に送られるので、たとえば、第二燃料電池が、高分子電解質膜を有する構成の場合には、高分子電解質膜での水素イオンの導電性の低下を抑制できる。

そして、分離部の透過部に、水蒸気を多く含む気体を送るための装置や設備が不要であるので、簡易な構造となる。

第二態様では、第一態様において、前記透過部と前記第二空気極とを連通する第二連通流路、を有する。

透過部に送られた空気極オフガスが、第二連通流路によって第二燃料電池の第二燃料極へ送られるので、空気極オフガスを第二燃料極で再度利用できる。

第三態様では、第一態様において、前記透過部の外部から前記第二空気極に前記酸化ガスを供給する外部ガス供給部材、を有する。

透過部の外部から、たとえば大気が、外部ガス供給部材によって第二燃料電池の第二燃料極へ酸化ガスとして送られるので、第一燃料電池の第一空気極の状態に左右されずに、第二燃料電池の第二空気極は酸化ガスの供給を受けることができる。

本願では、簡易な構造で、後段の燃料電池に、十分な量の水蒸気が送られるようにするこが可能である。

図１は第一実施形態の燃料電池システムを示す構成図である。 図２は第二実施形態の燃料電池システムを示す構成図である。

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。

〔第一実施形態〕
図１には、本発明の第一実施形態に係る燃料電池システム１０が示されている。燃料電池システム１０は、気化器１２、改質器１４、第一燃料電池スタック１６、第二燃料電池スタック１８、分離部２０、熱交換器３０、燃焼器４０、及びタンク（図示省略）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。改質器１４では、改質反応により原料ガスが改質され、水素を含む燃料ガスＧ１が生成される。

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。

本実施形態のように、原料ガスとしてメタンを用いた場合には、改質器１４では、一例として以下の反応式（Ａ）で示す反応により水素が得られる。
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ （Ａ）
本実施形態の改質器１４では、さらに、以下の反応式（Ｂ）及び（Ｃ）で示す反応により、水素が生成されて増加されると共に、一酸化炭素量が低減される。
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２＋ＣＯ_２ （Ｂ）
ＣＯ＋（１／２）Ｏ_２→ＣＯ_２ （Ｃ）
したがって、本実施形態のように原料ガスとしてメタンを用いた場合には、改質ガスには、相対的に高濃度の水素が含まれるが、低濃度で二酸化炭素も含まれる。

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の熱エネルギーが用いられる。気化器１２からは、水蒸気が送出される。本実施形態では、気化器１２から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と隣接されており、燃焼器４０との間で熱交換を行うことで加熱される。改質器１４はさらに、第一燃料電池スタック１６及び第二燃料電池スタック１８と隣接されて、これらとの間で熱交換を行って加熱される構成でもよい。

改質器１４では、メタンを改質し、水素を含む燃料ガスＧ１を生成する。改質器１４は、第一燃料電池スタック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を介して第一燃料電池スタック１６の第一燃料極１６Ａに供給される。

第一燃料電池スタック１６は、本実施形態では固体高分子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。第一燃料電池スタック１６は本発明における燃料電池（第一燃料電池）の一例であり、本実施形態では、作動温度が１００℃程度とされている。個々の燃料電池セルは、第一電解質膜１６Ｂと、当該第一電解質膜１６Ｂの表裏面にそれぞれ積層されたアノードとしての第一燃料極１６Ａ、及びカソードとしての第一空気極１６Ｃと、を有している。

なお、第二燃料電池スタック１８についての基本構成は、第一燃料電池スタック１６と同様である。すなわち、第二燃料電池スタック１８は、第一燃料極１６Ａに対応するアノードとしての第二燃料極１８Ａ、第一空気極１６Ｃに対応するカソードとしての第二空気極１８Ｃ、及び第一電解質膜１６Ｂに対応する第二電解質膜１８Ｂを有している。

第一燃料電池スタック１６の第一空気極１６Ｃ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により、空気が第一空気極１６Ｃへ供給される。

第一空気極１６Ｃでは、下記（１）式に示すように、酸化ガスＰ５中の酸素と水素イオン及び電子が反応して水（水蒸気）が生成される。

（空気極反応）
Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ^－ →２Ｈ_２Ｏ …（１）

また、第一空気極１６Ｃには、第一空気極１６Ｃから排出されるカソードオフガスＧ２を分離部２０の透過部２６へ案内するカソードオフガス管Ｐ６が接続されている。すなわち、生成されたカソードオフガスＧ２に含まれる水蒸気は、カソードオフガス管Ｐ６を通って分離部２０の透過部２６へスイープガスとして送られる。透過部２６へ供給されるスイープガスの水蒸気の湿度は、略１００％であることが好ましい。カソードオフガス管Ｐ６は、第一連通流路の一例である。

第一燃料電池スタック１６の第一燃料極１６Ａでは、下記（２）式に示すように、燃料ガスＧ１中の水素が、水素イオンと電子とに分解される。第一燃料極１６Ａで生成された水素イオンは、第一電解質膜１６Ｂを通って、第一空気極１６Ｃに移動する。第一燃料極１６Ａで生成された電子は、第一燃料極１６Ａから外部回路を通って第一空気極１６Ｃ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。第一燃料電池スタック１６全体では、下記式（３）で示す反応が生じる。

（燃料極反応）
２Ｈ_２ →４Ｈ^＋＋４ｅ^－ …(２）
（全体反応）
２Ｈ_２＋Ｏ_２→２Ｈ_２Ｏ …(３）

第一燃料電池スタック１６の第一燃料極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、第一燃料極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、一酸化炭素、二酸化炭素及び水蒸気等が含まれている。特に、第一燃料極１６Ａにおいて、上記した燃料極反応が生じるため、アノードオフガスＧ３の水素濃度が低くなり、相対的に二酸化酸素濃度が高くなっている。

本実施形態では、第一電解質膜１６Ｂを、上記したように水素イオンが移動するため、第一電解質膜１６Ｂを構成する電解質膜は、適度な水分を有している（十分に加湿されている）ことが望まれる。本発明の燃料電池としては、固体高分子形燃料電池(PEFC :polymer electrolyte fuel cell)に限られるものではなく、このように、第一電解質膜１６Ｂが適度な水分を有していることが望まれる他の燃料電池、例えばプロトン移動形の燃料電池であればよい。

分離部２０は、流入部２４、透過部２６及び分離膜２８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。

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。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から二酸化炭素を分離膜２８で分離する。

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２８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。

なお、分離膜２８では、このように、二酸化炭素が透過するが、水蒸気も透過する。

アノードオフガスＧ３は、熱交換器３０を通った後、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となり、再生燃料ガス管Ｐ９を経て、流入部２４から送出される。再生燃料ガス管Ｐ９は、第二燃料電池スタック１８の第二燃料極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、第二燃料電池スタック１８の第二燃料極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では、第一空気極１６Ｃのカソードオフガスがスイープガスとして透過部２６へ流入する。第一空気極１６Ｃのカソードオフガスは、二酸化炭素及び水蒸気を多く含んでいる。

透過部２６では、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、透過部２６、すなわち分離膜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。

さらに、透過部２６では、水蒸気分圧が、スイープガスによって上昇しており、これにより、流入部２４から透過部２６への水蒸気の移動が抑制される。流入部２４内では、たとえば、第一空気極１６Ｃのカソードオフガスを透過部２６に送らない構成は、乾燥した空気を透過部２６に送る構成と比較して、アノードオフガスＧ３の湿度が高い状態に維持される。

分離部２０の分離膜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。

分離部２０の透過部２６には、透過ガス管Ｐ８の一端が接続されている。透過ガス管Ｐ８の他端は、第二燃料電池スタック１８の第二空気極１８Ｃに接続されている。第一空気極１６Ｃから分離部２０の透過部２６へ送られたスイープガスとしてのカソードオフガスは、透過ガス管Ｐ８を通って、第二燃料電池スタック１８の第二空気極１８Ｃへ供給される。透過ガス管Ｐ８は、第二連通流路の一例である。

第二燃料電池スタック１８の第二燃料極１８Ａ及び第二空気極１８Ｃでは、第一燃料電池スタック１６と同様の反応により発電が行われる。第二燃料極１８Ａ及び第二空気極１８Ｃから排出された使用済のガスは、燃料排ガス管Ｐ１１及び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１０は、第一燃料電池スタック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、燃料ガスとして第二燃料電池スタック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１０の動作及び作用について説明する。

燃料電池システム１０においては、ガス源からの燃料であるメタン及び図示しないタンクからの水が、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から原料ガス管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を介して第一燃料電池スタック１６の第一燃料極１６Ａに供給される。

第一燃料電池スタック１６の第一空気極１６Ｃには、空気が酸化ガス管Ｐ５を経て供給される。これにより、第一燃料電池スタック１６では、前述の反応により発電が行われる。この発電に伴い第一燃料電池スタック１６の第一燃料極１６Ａからは、アノードオフガスＧ３が排出される。

また、第一空気極１６Ｃからは、カソードオフガスＧ２が排出される。このカソードオフガスＧ２は、カソードオフガス管Ｐ６を通り、スイープガスとして分離部２０の透過部２６に送られる。

第一燃料極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。

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、アノードオフガスＧ３から分離される。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、再生燃料ガス管Ｐ９により第二燃料電池スタック１８の第二燃料極１８Ａへ供給される。

透過部２６へ流入したスイープガスとしてのカソードオフガスＧ２は、流入部２４から分離膜２８を透過して流入した二酸化炭素等の気体と共に、透過ガス管Ｐ８を経て透過ガスＧ７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、第二燃料電池スタック１８の第二空気極１８Ｃに供給される。

第二燃料電池スタック１８では、上記反応により発電が行われる。流入部２４から排出された再生燃料ガスＧ４は、二酸化炭素量が低減されているので、第二燃料電池スタック１８で効率よく発電を行うことができ、燃料電池システム１０の性能を向上させることができる。

第二燃料極１８Ａ、第二空気極１８Ｃでの使用済ガスは、燃料排ガス管Ｐ１１及びカソードオフ燃焼導入管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。

上記したように、第一燃料電池スタック１６の第一空気極１６Ｃ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を通って、分離部２０の透過部２６に送られる。カソードオフガスＧ２の湿度は、たとえばアノードオフガスＧ３の湿度よりも高い。すなわち、カソードオフガスＧ２はアノードオフガスＧ３よりも水蒸気を多く含んでいる。水蒸気を多く含むカソードオフガスＧ２がスイープガスとして、透過部２６に供給されることになる。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中の二酸化炭素は、分離膜２８をより多く透過する。

しかも、透過部２６における水蒸気分圧が、流入部２４における水蒸気分圧よりも高い。このため、流入部２４に存在しているアノードオフガスＧ３から、水蒸気成分が分離膜２８を透過して透過部２６に移動することが抑制され、流入部２４では、アノードオフガスＧ３の水蒸気量の減少が抑制される。すなわち、流入部２４から送出される再生燃料ガスＧ４では、水蒸気量の減少が抑制され、十分な水蒸気量を維持した状態で、再生燃料ガス管Ｐ９により第二燃料電池スタック１８の第二燃料極１８Ａへ供給される。したがって、第二燃料電池スタック１８の第二電解質膜１８Ｂにおいて、水素イオンの導電性の低下を抑制でき、第二燃料電池スタック１８が効率的に発電できる状態を維持できる。また、第二電解質膜１８Ｂの乾燥に伴う劣化を抑制できる。

加えて、本実施形態では、分離部２０の透過部２６に、水蒸気を多く含む気体を送るための装置や設備、たとえば、水タンク、ポンプ及び気化器等の部材が不要であるので、燃料電池システム１０の構造を簡易にできる。

〔第二実施形態〕
次に、第二実施形態について説明する。第二実施形態において、第一実施形態と同様の要素、部材等については第一実施形態と同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。

図２に示すように、第二実施形態の燃料電池システム５０では、透過ガス管Ｐ８（図１参照）は設けられておらず、これに代えて、排出ガス管Ｐ１３、酸化ガス分岐管Ｐ１４、凝縮器５２及び回収タンク５４が設けられている。

排出ガス管Ｐ１３の一端は透過部２６に接続され、他端は回収タンク５４に接続されている。排出ガス管Ｐ１３の中間部分に、凝縮器５２が設けられている。また、酸化ガス分岐管Ｐ１４は、一端が酸化ガス管Ｐ５の途中から分岐しており、他端は第二燃料電池スタック１８の第二空気極１８Ｃに接続されている。酸化ガス分岐管Ｐ１４は、外部ガス供給部材の一例である。すなわち、酸化ガス分岐管Ｐ１４は、透過部２６の外部である酸化ガス管Ｐ５から、酸化ガスＧ５を第二空気極１８Ｃに供給する部材である。

第二実施形態の燃料電池システム５０においても、第一空気極１６Ｃから排出されたカソードオフガスＧ２は、スイープガスとして分離部２０の透過部２６に送られる。透過部２６における水蒸気分圧が、流入部２４における水蒸気分圧よりも高いので、流入部２４でのアノードオフガスＧ３の水蒸気量の減少が抑制される。流入部２４から送出される再生燃料ガスＧ４は、十分な水蒸気量を維持した状態で第二燃料極１８Ａへ供給されるので、第二燃料電池スタック１８の第二電解質膜１８Ｂにおいて、水素イオンの導電性の低下を抑制できる。

そして、第二実施形態に燃料電池システム５０においても、分離部２０の透過部２６に、水蒸気を多く含む気体を送るための部材が不要であるので、燃料電池システム５０の構造を簡易にできる。

第二実施形態では、酸化ガス管Ｐ５の途中から酸化ガス分岐管Ｐ１４が分岐しているので、第二燃料電池スタック１８の第二空気極１８Ｃには、空気が酸化ガス分岐管Ｐ１４を経て供給される。

なお、酸化ガス分岐管Ｐ１４に代えて、第二燃料電池スタック１８の第二空気極１８Ｃに酸化ガスＧ５を供給するための部材を設けてもよい。

上記各実施形態では、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、二酸化炭素が分離膜２８をより多く透過する状態を実現することができる。

上記各実施形態では、第一燃料電池スタック１６及び第二燃料電池スタック１８として、ＰＥＦＣを用いている。ＰＥＦＣは、燃料電池セルスタックにおいて、他の種類の燃料電池と比較して、相対的に低温で駆動させることが可能である。したがって、上記各実施形態における熱交換器３０を省略し、アノードオフガスＧ３と再生燃料ガスＧ４との熱交換が行われない構成とすることも可能である。

上記各実施形態を適用可能な燃料電池の種類は、ＰＥＦＣに限定されず、プロトン移動形の固体酸化物形燃料電池(SOFC :Solid Oxide Fuel Cell)等の燃料電池に適用できる。ＳＯＦＣに適用した場合には、改質器１４では上記した反応式（Ａ）の反応が生じていればよい。

上記各実施形態では、燃料電池スタックが２段となった構成を例示したが、燃料電池スタックが３段以上とされた構成であってもよい。

１０ 燃料電池システム
１２ 気化器
１４ 改質器
１６ 第一燃料電池スタック
１６Ａ 第一燃料極
１６Ｂ 第一電解質膜
１６Ｃ 第一空気極
１８ 第二燃料電池スタック
１８Ａ 第二燃料極
１８Ｂ 第二電解質膜
１８Ｃ 第二空気極
２０ 分離部
２４ 流入部
２６ 透過部
２８ 分離膜
３０ 熱交換器
４０ 燃焼器
５０ 燃料電池システム
５２ 凝縮器
５４ 回収タンク
Ｂ１ ブロア
Ｂ２ ブロア
Ｂ３ ブロア
Ｐ０ 透過ガス管
Ｐ１ 原料ガス管
Ｐ２ 水供給管
Ｐ３ 水蒸気管
Ｐ４ 燃料ガス管
Ｐ５ 酸化ガス管
Ｐ６ カソードオフガス管
Ｐ７ アノードオフガス管
Ｐ８ 透過ガス管
Ｐ９ 再生燃料ガス管
Ｐ１０ 燃焼排ガス管
Ｐ１１ 燃料排ガス管
Ｐ１２ カソードオフ燃焼導入管
Ｐ１３ 排出ガス管
Ｐ１４ 酸化ガス分岐管
ＰＯ１ ポンプ

Claims (3)

1. 炭素化合物を含み第一燃料極へ供給される燃料ガスと、酸素を含み第一空気極へ供給される酸化ガスと、により発電し、前記第一燃料極から燃料極オフガスが排出されると共に前記第一空気極から空気極オフガスが排出されるプロトン移動形の第一燃料電池と、
   前記燃料極オフガスが流入される流入部と、前記流入部に流入された前記燃料極オフガスから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る透過部と、を備えた分離部と、
   前記第一空気極と前記透過部とを連通する第一連通流路と、
   前記分離膜により前記燃料極オフガスから前記二酸化炭素が分離され第二燃料極へ供給される再生ガスと、酸素を含み第二空気極へ供給される酸化ガスと、により発電するプロトン移動形の第二燃料電池と、
   を有する燃料電池システム。
2. 前記透過部と前記第二空気極とを連通する第二連通流路、を有する請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記透過部の外部から前記第二空気極に前記酸化ガスを供給する外部ガス供給部材、を有する請求項１に記載の燃料電池システム。