(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極へ供給される燃料ガスと空気極へ供給される空気により発電し、前記燃料極からアノードオフガスが排出されると共に前記空気極からカソ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から二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を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、を有し、前記アノードオフガスから二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の濃度が低減された再生燃料ガスを送出する分離部と、
可燃性気体を燃焼させる燃焼器と、
スイープガスとして前記透過部へ空気を供給する空気供給部と、
前記透過部から排出された透過部排出ガスを直接または間接的に前記燃焼器へ導入する透過ガス燃焼導入路と、
を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
前記透過ガス燃焼導入路は、前記透過部から排出された透過部排出ガスを前記空気極へ導入する酸化ガス導入路と、前記空気極から排出されたカソードオフガスを前記燃焼器へ導入するカソードオフ燃焼導入管と、を含んでいる、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記分離部の上流側に設けられ、前記アノードオフガスと前記空気供給部からの空気との間で熱交換を行う第１熱交換部、を備えた、請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第１熱交換部は、並流式で前記アノードオフガスと前記空気供給部からの空気との熱交換を行うこと、を特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記空気供給部と前記第１熱交換部との間に設けられ、前記空気供給部からの空気の温度を上昇させる空気昇温部と、
前記分離部の温度に応じて、前記空気昇温部から流出される空気の温度を制御する制御部と、
を備えた請求項３または請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記空気供給部から前記第１熱交換部へ流入される空気の流量を一定としたことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記分離部の温度に応じて、前記第１熱交換部へ流入される空気の流量を制御する制御部、を備えた請求項３〜請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記第１熱交換部よりも上流側を流通する前記アノードオフガスと、前記再生燃料ガスとの間で熱交換を行う、第２熱交換部、を更に備えた請求項３〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムにおいて、エネルギー利用効率を向上させるための構成として、単一の燃料電池スタックを用い、当該燃料電池スタックから排出された未反応の燃料ガスを循環させて再利用する循環式や、燃料電池スタックを複数設け、前段の燃料電池スタックから排出された使用済みの燃料ガス中の未反応の燃料ガスを後段の燃料電池スタックで再利用する多段式が知られている。何れの構成においても、使用済みの燃料ガスに含まれる水蒸気や二酸化炭素(ＣＯ2)を除去できれば、反応に寄与する水素及び一酸化炭素の濃度が増加することで、再利用する燃料ガスが供給される燃料電池スタックの性能向上が見込める。
【０００３】
上記に関連して特許文献１には、固体酸化物形燃料電池(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)の燃料処理プロセスにおいて、燃料電池スタックから排出された使用済みの燃料ガスから水蒸気を分離膜で分離して除去し、これを再生燃料ガスとして再利用する技術が開示されている。特許文献１では、透過側に空気を導入して透過側における水蒸気の分圧が下げられる例が示されており、これにより、分離膜での水蒸気の透過が促進されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許公開２０１３／０１０８９３６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記の分離膜は、水蒸気等の透過を目的として用いられるが、意図していないガスについても透過側へのリークが生じ得る。透過側へリークする気体には、水素や一酸化炭素などの可燃性気体も含まれ、適切に処理する必要がある。また、分離膜が損傷した際に、大量の可燃性気体が透過側へ流出することも考えられる。
【０００６】
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再生ガスを生成する際に使用する分離膜の透過側へスイープガスを供給した場合に、透過側から排出されたスイープガスを、適切に処理することができる燃料電池システムを得ることが目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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空気により発電し、前記燃料極からアノードオフガスが排出されると共に前記空気極からカソ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から二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を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、を有し、前記アノードオフガスから二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の濃度が低減された再生燃料ガスを送出する分離部と、可燃性気体を燃焼させる燃焼器と、スイープガスとして前記透過部へ空気を供給する空気供給部と、前記透過部から排出された透過部排出ガスを直接または間接的に前記燃焼器へ導入する透過ガス燃焼導入路と、を備えている。
【０００８】
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び水蒸気の少なくとも一方を分離する分離膜を備え、分離膜によって互いに区画された流入部と透過部を有している。スイープガスとしての空気は透過部へ流入される。これにより、空気の通過がない場合と比較して、透過部における二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の分圧は低減される。一方、アノードオフガスは流入部に流入される。流入部へ流入したアノードオフガスに含まれる二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方は、分離膜を透過して透過部へ流入する。これにより、アノードオフガス中の二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の濃度が低減され、再生燃料ガスとして流入部から送出される。再生燃料ガスは、再度、燃料電池の発電に用いることができる。
【０００９】
そして、透過部から排出された透過部排出ガスは、透過ガス燃焼導入路を経て直接または間接的に前記燃焼器へ導入される。したがって、分離部の流入部から分離膜を透過して水素や一酸化炭素など可燃性気体が透過部へリークしても、これらの可燃性気体は、最終的に燃焼器で燃焼に供される。これにより、透過部排出ガスを適切に処理することができる。
【００１０】
請求項２記載の発明に係る燃料電池システムは、前記透過ガス燃焼導入路は、前記透過部から排出された透過部排出ガスを前記空気極へ導入する酸化ガス導入路と、前記空気極から排出されたカソードオフガスを前記燃焼器へ導入するカソードオフ燃焼導入管と、を含んでいる。
【００１１】
請求項２係る燃料電池システムでは、透過部から排出された透過部排出ガスは、酸化ガス導入路により空気極へ導入され、空気極から排出されたカソードオフガスは、カソードオフ燃焼導入管により燃焼器へ導入される。上記構成によれば、空気極への空気の導入と分離部への空気の導入を同一の空気供給部（ブロア等）を用いて行うことができ、燃料電池システムを簡易な構成にすることができる。
【００１２】
請求項３記載の発明に係る燃料電池システムは、前記分離部の上流側に設けられ、前記アノードオフガスと前記空気供給部からの空気との間で熱交換を行う第１熱交換部、を備えている。
【００１３】
請求項３係る燃料電池システムによれば、第１熱交換部において、分離部に流入されるアノードオフガスと空気とで熱交換を行い、熱交換後のアノードオフガスと空気が分離部の流入部と透過部とへ各々流入される。したがって、例えば、空気の流量調整や温度調整により、分離部へ流入されるアノードオフガスと空気の両方について、簡易に適温に設定することができる。このように、分離部を適温に維持して分離膜の性能を発揮させることにより、アノードオフガスから二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を多く分離することができる。これにより、アノードオフガスを再利用する燃料電池スタックで効率よく発電することができ、燃料電池システムの性能を向上させることができる。
【００１４】
請求項４記載の発明に係る燃料電池システムは、前記第１熱交換部が、並流式で前記アノードオフガスと前記空気供給部からの空気との熱交換を行うこと、を特徴とする。
【００１５】
請求項４に係る燃料電池システムでは、第１熱交換部において、アノードオフガスと空気供給部からの空気とが並流式（並行流式）で熱交換されるので、分離部へ送出するアノードオフガスと空気の温度を比較的容易に同温度にすることができる。
【００１６】
請求項５記載の発明に係る燃料電池システムは、前記空気供給部と前記第１熱交換部との間に設けられ、前記空気供給部からの空気の温度を上昇させる空気昇温部と、前記分離部の温度に応じて、前記空気昇温部から流出される空気の温度を制御する制御部と、を備えている。
【００１７】
請求項５に係る燃料電池システムでは、第１熱交換部へ流入される空気は、前記分離部の温度に応じて空気昇温部で昇温される。したがって、第１熱交換部へ流入される空気の流量の調整幅を少なくして、分離部を適温に維持することができる。これにより、透過部へ流入させる空気を確保して、透過部の二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の分圧を下げることができる。
【００１８】
請求項６記載の発明に係る燃料電池システムは、前記空気供給部から前記第１熱交換部へ流入される空気の流量を一定としたことを特徴とする。
【００１９】
請求項６に係る燃料電池システムによれば、空気昇温部での空気の温度調整のみによって、分離部を適温にすることができる。
【００２０】
請求項７記載の発明に係る燃料電池システムは、前記分離部の温度に応じて、前記第１熱交換部へ流入される空気の流量を制御する制御部、を備えている。
【００２１】
請求項７に係る燃料電池システムでは、第１熱交換部へ流入される空気の流量は、分離部の温度に応じて制御される。したがって、空気の流量調整だけでも、簡単に分離部を適温にすることができる。
【００２２】
請求項８記載の発明に係る燃料電池システムは、前記第１熱交換部よりも上流側を流通する前記アノードオフガスと、前記再生燃料ガスとの間で熱交換を行う、第２熱交換部、を更に備えている。
【００２３】
請求項８に係る燃料電池システムによれば、第１熱交換部の上流側の第２熱交換部でアノードオフガスの温度が低下されるので、第１熱交換部での温度調整幅を小さくすることができる。また、分離部を経た後の再生燃料ガスが第２熱交換部で昇温されるので、再使用されるために適した温度に近くなり、システム全体の発電効率及び熱効率を向上させることができる。
【００２４】
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。
【００２５】
請求項９に係る燃料電池システムによれば、燃料電池から排出されたアノードオフガスについて、分離部で二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の濃度が低減された再生燃料ガスが、第２燃料電池の燃料極へ供給されて用いられる。これにより、多段式の燃料電池システムを実現することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明に係る燃料電池システムによれば、アノードオフガスから再生ガスを生成する際に使用する分離膜の透過側へスイープガスを供給した場合に、透過側から排出されたスイープガスを、適切に処理することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】第４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。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】第７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。
【図１１】第８実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図１２】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。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
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。
【００２９】
〔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、空気供給部４６、分離部２０、第１熱交換部３０、第２熱交換部３２、第３熱交換部３４、第４熱交換部３６、燃焼器４０、タンク４２、及び制御部４４を備えている。
【００３０】
気化器１２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Ｂによりメタンが気化器１２へ送出される。原料ガス管Ｐ１の中間部には、水を貯留するタンク４２からの水供給管Ｐ２が接続されている。タンク４２からは、ポンプＰにより、水（液相）が気化器１２へ送出される。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。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。
【００３１】
メタン及び水蒸気は、気化器１２から配管Ｐ３を介して改質器１４へ送出される。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。
【００３２】
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。
【００３３】
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、電解質層と、当該電解質層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。図１では、複数の燃料電池セルの個々のアノード、カソードをまとめて、各々「アノード１６Ａ」「カソード１６Ｂ」と図示している。
【００３４】
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、及びカソード１６Ｂに対応するカソード１８Ｂを有している。
【００３５】
第１燃料電池スタック１６のカソード１６Ｂには、後述する酸化ガス管Ｐ５を介して酸化ガスＧ５（空気）が供給される。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。
【００３６】
（空気極反応）
１／２Ｏ２＋２ｅ− →Ｏ２−  …（１）
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
（燃料極反応）
Ｈ２ ＋Ｏ２− →Ｈ２Ｏ＋２ｅ−  …(２)
ＣＯ＋Ｏ２− →ＣＯ２＋２ｅ−  …(３)
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
アノードオフガス管Ｐ７の他端は、後述する第２熱交換部３２及び第１熱交換部３０を経て分離部２０と接続されている。分離部２０は、アノードオフガスＧ３から二酸化炭素及び水蒸気を後述する分離膜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。
【００４３】
分離部２０の透過部２６には、空気供給管Ｐ８の他端が接続されている。空気供給部４６は、ブロアを含んで構成されており、空気供給部４６に空気供給管Ｐ８の一端が接続されている。空気供給部４６からは、常温の空気Ａが送出されており、空気供給部４６から空気供給管Ｐ８を通って、透過部２６へスイープガスとしての空気Ａが供給されている。空気供給部４６は、後述する制御部４４と接続されている。
【００４４】
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は二酸化炭素及び水蒸気の両方を透過する機能を有するものを用いる。なお、本実施形態では、二酸化炭素及び水蒸気の両方を透過する機能を有するものを用いるが、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を透過する機能を有するものであってもよい。二酸化炭素及び水蒸気の両方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、ガラス状高分子膜、ゴム状高分子膜、イオン交換樹脂膜、アルミナ膜、シリカ膜、炭素膜、ゼオライト膜、セラミック膜、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。
【００４５】
分離膜としては、例えば、ガラス状高分子膜、ゴム状高分子膜、イオン交換樹脂膜などの有機高分子膜が挙げられる。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。
【００４６】
また分離膜としては、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。
【００４７】
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。
【００４８】
分離膜としては、例えば、アルミナ膜、シリカ膜、炭素膜、ゼオライト膜、セラミック膜などの無機材料膜が挙げられ、無機材料膜としては、中でもゼオライト膜が好ましい。ゼオライトとしては、例えば、Ａ型、Ｙ型、Ｔ型、ＺＳＭ−５型、ＺＳＭ−３５型、モルデナイト系などが挙げられる。また、無機材料膜は、１種の無機材料から構成される膜であってもよく、２種以上の無機材料から構成される膜であってもよい。
【００４９】
分離膜は、有機高分子−無機材料複合膜であってもよい。有機高分子−無機材料複合膜としては、有機材料及び無機材料から構成される膜であれば特に限定されないが、例えば、上述した有機材料から選択される少なくとも１種の有機材料及び上述した無機材料から選択される少なくとも１種の無機材料から構成される複合膜であることが好ましい。
【００５０】
分離膜としては、例えば、アミン水溶液、イオン液体などの液体膜が挙げられる。これら液体膜は、前述の有機高分子膜、無機材料膜、有機高分子−無機材料複合膜に、アミン水溶液又はイオン液体を含浸させたものであってもよい。
【００５１】
分離膜として、アミン水溶液膜を用いた場合、オフガス中の二酸化炭素をアミン水溶液膜に化学的に吸着させた後、加熱することで二酸化炭素が分離され、アミン水溶液膜の透過側に二酸化炭素が移動する。アミン水溶液としては、モノエタノールアミンなどのアミノアルコールなどが挙げられる。
【００５２】
分離膜として、イオン液体膜を用いた場合、オフガス中の二酸化炭素がイオン液体膜に吸着し、吸着された二酸化炭素をイオン液体膜から分離することで、イオン液体膜の透過側に二酸化炭素が移動する。ここで、イオン液体は、１５０℃以下の比較的低温の融点を有する塩であり、例えば、イミダゾリウムイオン、ピリジニウムイオンなどの陽イオンと、トリフルオロメタンスルホン酸イオン、テトラフルオロホウ酸イオン、ヘキサフルオロリン酸イオンなどの陰イオンと、から構成される。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
また、分離膜としては、二酸化炭素及び水蒸気の分離機能を発揮すると共に、耐久性を維持する観点から、使用の際の適温Ｔ０が、燃料電池システム１０Ａ内の露点よりも高く、第１燃料電池スタック１６のアノード１６Ａから排出された直後のアノードオフガスＧ３の温度よりも低いものが好適に用いられる。例えば、露点が８０℃、分離膜の耐久性を考慮した最高使用温度が１３０℃であるとすると、８０℃〜１３０℃の間で、後述する適温Ｔ０を設定する。
【００５６】
二酸化炭素及び水蒸気を分離する分離膜としては、例えば、「Zi Tong et al., "Water vapor and CO2 transport through amine-containing facilitated transport membranes", Reactive & Functional Polymers (2014)に記載の膜を用いてもよい。
【００５７】
アノードオフガスＧ３は、分離部２０で二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離されることにより二酸化炭素及び水蒸気の濃度が低減されて、再生燃料ガスＧ４となって、透過部２６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。
【００５８】
一方、分離部２０の透過部２６では、空気供給管Ｐ８から供給された空気Ａが、スイープガスとして透過部２６へ流入する。これにより、透過部２６における二酸化炭素及び水蒸気の分圧が下がり、流入部２４から分離膜２８を透過して二酸化炭素及び水蒸気が透過部２６へ移動し易くなる。空気Ａは、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中の気体と共に、透過部排出ガスとして透過部２６から送出される。送出された透過部排出ガスは、酸化ガス管Ｐ５を介して酸素を含む酸化ガスＧ５としてカソード１６Ｂへ供給される。
【００５９】
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。
【００６０】
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、第３熱交換部３４、第４熱交換部３６、及び、気化器１２を経て、タンク４２へ流入される。
【００６１】
次に、燃料電池システム１０Ａにおける熱交換について説明する。燃料電池システム１０Ａは、第１熱交換部３０、第２熱交換部３２、第３熱交換部３４、及び第４熱交換部３６を備えている。
【００６２】
第１熱交換部３０は、第１燃料電池スタック１６のアノード１６Ａの下流側で分離部２０（流入部２４）の上流側（アノードオフガス管Ｐ７について）、且つ、空気供給部４６の下流側で分離部２０（透過部２６）の上流側（空気供給管Ｐ８について）に設けられている。第１熱交換部３０では、アノードオフガス管Ｐ７を流れるアノードオフガスＧ３と空気供給管Ｐ８を流れる空気Ａとの間で熱交換が行われる。当該熱交換は、並行流で行われることが好ましい。熱交換を並行流で行うことにより、分離部２０へ送出されるアノードオフガスＧ３と空気Ａの温度を比較的容易に同温度にすることができる。なお、アノードオフガスＧ３は、アノード１６Ａから送出された後、後述する第２熱交換部３２での熱交換により、アノード１６からの送出時よりも温度が低くなっている。
【００６３】
ここで、分離膜２８でアノードオフガスＧから二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離するために適した温度で、且つ分離膜２８の耐久性を維持可能な温度で、且つ露点よりも高い適温Ｔ０とすると、第１熱交換部３０から分離部２０へ流入される空気Ａ及びアノードオフガスＧ３は、適温Ｔ０に近い温度であることが好ましい。そこで、制御部４４では、第１熱交換部３０から分離部２０へ流入される空気Ａ及びアノードオフガスＧ３が適温Ｔ０に近づくように、空気供給部４６から送出される空気Ａの流量を制御する。なお、適温Ｔ０は、分離膜２８の材質等により適宜設定される。前述のように、例えば、露点が８０℃、分離膜２８の耐久性を考慮した最高使用温度が１３０℃であるとすると、適温Ｔ０は、８０℃〜１３０℃の間で設定される。
【００６４】
分離部２０には、分離部２０の温度Ｔを測定する温度センサＳＳが設けられている。制御部４４は、温度センサＳＳで測定された分離部２０の温度に基づいて、空気供給部４６から送出される空気Ａの流量を制御する。具体的には、温度Ｔが適温Ｔ０よりも低い場合には、空気供給部４６から送出する空気Ａの流量を減少させ、温度Ｔが適温Ｔ０よりも高い場合には、空気供給部４６から送出する空気Ａの流量を増加させる。燃料電池システム１０Ａの運転時に、制御部４４で常時又は間欠的に、温度Ｔに基づいて空気供給部４６から送出される空気Ａの流量をフィードバック制御することにより、分離部２０の温度を適温Ｔ０又は適温Ｔ０に近い温度に維持することができる。なお、分離部２０の温度Ｔは、分離部２０の内部の温度であってもよいし、分離膜２８が影響を受ける分離部２０の他の部分の温度であってもよい。
【００６５】
第２熱交換部３２は、第１燃料電池スタック１６のアノード１６Ａの下流側で第１熱交換部３０の上流側（アノードオフガス管Ｐ７について）、且つ、分離部２０（流入部２６）の下流側で第２燃料電池スタック１８のアノード１８Ａの上流側（再生燃料ガス管Ｐ９について）に設けられている。第２熱交換部３２では、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との間で熱交換が行われる。アノードオフガスＧ３は、通常６５０℃程度の高温であり、再生燃料ガス管Ｐ９を流れる再生燃料ガスＧ４は、分離部２０の適温Ｔ０に近い温度である。第２熱交換部３２において、アノードオフガスＧ３は温度が低下し、再生燃料ガスＧ４は温度が上昇する。
【００６６】
第３熱交換部３４は、分離部２０（流入部２６）の下流側で第１燃料電池スタック１６のカソード１６Ｂの上流側（酸化ガス管Ｐ５について）、且つ、燃焼器４０の下流側で気化器１２の上流側（燃焼排ガス管Ｐ１０について）に設けられている。第３熱交換部３４では、酸化ガス管Ｐ５を流れる酸化ガスＧ５と燃焼排ガス管Ｐ１０を流れる燃焼排ガスＧ６との間で熱交換が行われる。酸化ガス管Ｐ５を流れる酸化ガスＧ５は、分離部２０の適温Ｔ０に近い温度である。第３熱交換部３４において、カソード１６Ｂへ供給される酸化ガスＧ５は、燃焼排ガスＧ６によって昇温される。
【００６７】
第４熱交換部３６は、分離部２０の下流側で第２熱交換部３２の上流側（再生燃料ガス管Ｐ９について）、且つ、第３熱交換部３４の下流側で気化器１２の上流側（燃焼排ガス管Ｐ１０について）に設けられ、再生燃料ガス管Ｐ９を流れる再生燃料ガスＧ４と燃焼排ガス管Ｐ１０を流れる燃焼排ガスＧ６との間で熱交換が行われる。再生燃料ガス管Ｐ９を流れる再生燃料ガスＧ４は、分離部２０の適温Ｔ０に近い温度であり、第４熱交換部３６において、燃焼排ガスＧ６によって昇温される。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
メタン及び水蒸気は、気化器１２から配管Ｐ３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。
【００７１】
第１燃料電池スタック１６のカソード１６Ｂには、分離部２０の透過部２６から排出された透過部排出ガス（空気Ａと二酸化炭素及び水蒸気の混合気体）が、酸化ガスＧ５として酸化ガス管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。
【００７２】
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２熱交換部３２、第１熱交換部３０を経て、分離部２０の流入部２４へ流入される。第２熱交換部３２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し（８０℃〜１４０℃程度の低下）、第１熱交換部３０では、アノードオフガスＧ３の温度は、適温Ｔ０に近い温度まで下げられる。
【００７３】
一方、空気供給部４６からは、制御部４４による分離部２０の温度Ｔのフィードバック制御により流量が制御された空気Ａが第１熱交換部３０を介して分離部２０の透過部２６へ送出される。第１熱交換部３０では、空気Ａの温度は、適温Ｔ０に近い温度、すなわち、第１熱交換部３０で熱交換が行われた後のアノードオフガスＧ３と略同じ温度となる。
【００７４】
アノードオフガスＧ３は、第２熱交換部３２、第１熱交換部３０での熱交換を経て分離部２０の流入部２４へ流入され、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が、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４熱交換部３６、第２熱交換部３２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。
【００７５】
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、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。
【００７６】
燃焼器４０からの燃焼排ガスＧ６は、第３熱交換部３４、第４熱交換部３６、及び気化器１２を経て、燃焼排ガス管Ｐ１０によりタンク４２へ送出される。燃焼排ガスＧ６に含まれる水蒸気は、気化器１２からタンク４２までの経路やタンク４２内で冷却され、凝縮されてタンク４２に貯留される。その他の燃焼排ガスは、タンク４２から放出される。
【００７７】
一方、透過部２６へ流入したスイープガスとしての空気Ａは、分離膜２８を透過して流入した二酸化炭素、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中の気体と共に、透過部２６から送出される。送出された透過部排出ガスは、第４熱交換部３６、第３熱交換部３４を経て、酸化ガスＧ５として酸化ガス管Ｐ５によりカソード１６Ｂへ供給される。
【００７８】
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の空気Ａが供給されるので、透過部２６における二酸化炭素及び水蒸気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及び水蒸気の少なくとも一方をより多く分離膜２８を透過させて分離することができる。
【００７９】
また、分離部２０へは、適温Ｔ０に近づくように第１熱交換部３０において熱交換されたアノードオフガスＧ３及び空気Ａが流入されているので、分離部２０を適温Ｔ０に維持して分離膜２８の性能を発揮させることができる。これにより、アノードオフガスＧ３から二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を多く分離することができると共に、分離膜２８の耐久性を維持することができる。そして、アノードオフガスＧ３を再利用する第２燃料電池スタック１８へ、二酸化炭素、水蒸気が低減された再生燃料ガスＧ４が供給されるので、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。
【００８０】
また、第１熱交換部３０における熱交換は、いずれも分離部２０へ供給される気体である空気ＡとアノードオフガスＧ３との間で行われ、適温Ｔ０への調整は、空気Ａの流量を制御することで行われているので、簡易に分離部２０の温度を調整することができる。
【００８１】
なお、本実施形態では、分離部２０の温度をフィードバックして空気供給部４６から送出される空気Ａの流量を調整したが、第１熱交換部３０から送出される空気ＡやアノードオフガスＧ３の温度を測定し、この温度をフィードバックして空気供給部４６から送出される空気Ａの流量を調整してもよい。
【００８２】
また、本実施形態では、第１熱交換部３０の上流側の第２熱交換部３２でアノードオフガスＧ３の温度を低下させるので、第１熱交換部３０での温度調整幅を小さくすることができる。また、分離部２０を経た後の再生燃料ガスＧ４を第２熱交換部３２で昇温させるので、発電に適した温度に近くなり、燃料電池システム１０Ａ全体の発電効率及び熱効率を向上させることができる。
【００８３】
また、本実施形態では、分離部２０の透過部２６から排出された透過部排出ガスを、カソード１６Ｂへ導入して発電に供した後、第２燃料電池スタック１８のカソード１８Ｂへ導入して発電に供し、その後、燃焼器４０へ送出して燃焼に供する。透過部排出ガスには、分離膜２８におけるアノードオフガスＧ３からのリーク等により、水素、一酸化炭素、その他の可燃性物質が含まれることが考えられる。本実施形態の燃料電池システム１０Ａによれば、透過部排出ガスの中に含まれる水素、一酸化炭素、その他の可燃性物質を燃焼させた後、燃料電池システム１０Ａの外へ放出することができ、燃料電池システム１０Ａの安全性を向上させることができる。
【００８４】
なお、本実施形態では、透過部２６から排出された透過部排出ガスを、カソード１６Ｂへ導入したが、透過部排出ガスを直接燃焼器４０へ導入してもよい。この場合には、図２に示すように、透過部２６から燃焼器４０へ透過部排出ガスを送出する透過部排出管Ｐ１３を設けると共に、第１燃料電池スタック１６のカソード１６Ｂへ空気を導入するためのブロア５４を別途用意すればよい。
【００８５】
また、本実施形態では、分離部２０の透過部２６から排出された透過部排出ガスは、第１燃料電池スタック１６のカソード１６Ｂへ導入されているので、カソード１６Ｂへの空気の導入と第１熱交換部３０への空気の導入を同一のブロアを用いて行うことができ、燃料電池システム１０Ａを簡易な構成にすることができる。
【００８６】
〔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。なお、第１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。
【００８７】
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、空気供給部４６から送出される空気が、第１熱交換部３０へ至るまでに昇温される点が異なっている。また、空気供給部４６から送出される空気Ａの流量が一定であり、バルブ４８を通過する空気Ａ−１の流量で分離部２０へ供給される空気及びアノードオフガスＧ３の温度を調整する点が異なっている。
【００８８】
空気供給部４６に接続される空気供給管Ｐ８は、分岐部Ｂ１で空気調整管Ｐ８−１と空気昇温管Ｐ８−２に分岐され、合流部Ｂ２で合流されている。合流部Ｂ２は、第１熱交換部３０よりも上流側に設けられている。
【００８９】
空気調整管Ｐ８−１には、バルブ４８が設けられている。バルブ４８は、制御部４４に接続されている。空気昇温管Ｐ８−２は、第５熱交換部３８へ導入されている。第５熱交換部３８には、第４熱交換部３６の下流側の燃焼排ガス管Ｐ１０が導入されており、空気昇温管Ｐ８−２を通過する空気Ａ−２は、燃焼排ガス管Ｐ１０を流れる燃焼排ガスＧ６との間で熱交換を行って昇温される。空気調整管Ｐ８−１、バルブ４８、第４熱交換部３６、及び空気昇温管Ｐ８−２により、空気昇温部が形成されている。
【００９０】
制御部４４では、第１熱交換部３０から分離部２０へ流入される空気Ａ及びアノードオフガスＧ３が適温Ｔ０に近づくように、バルブ４８を通過する空気Ａ−１の流量を制御する。当該制御は、温度センサＳＳで測定された分離部２０の温度に基づいて、バルブ４８を通過する空気Ａ−１の流量を調整することにより行われる。具体的には、分離部２０の温度Ｔが適温Ｔ０よりも低い場合には、バルブ４８の開度を小さくしてバルブ４８を通過する空気Ａ−１の流量を減少させ、温度Ｔが適温Ｔ０よりも高い場合には、バルブ４８の開度を大きくしてバルブ４８を通過する空気Ａ−１の流量を増加させる。燃料電池システム１０Ｂの運転時に、制御部４４で常時又は間欠的に、温度Ｔに基づいてバルブ４８を通過する空気Ａ−１の流量をフィードバック制御することにより、分離部２０の温度を適温Ｔ０又は適温Ｔ０に近い温度に維持することができる。
【００９１】
本実施形態によれば、空気供給部４６から送出する空気Ａの流量を一定に維持しつつ、分離部２０が適温Ｔ０になるように、第１熱交換部３０での熱交換を行うことができる。空気供給部４６から送出する空気Ａの流量を一定に維持することにより、透過部２６へ供給する空気Ａの流量を確保することができる。
【００９２】
また、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。
【００９３】
〔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、第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。
【００９４】
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２実施形態で説明した燃料電池システム１０Ｂと比較して、空気供給部４６から送出される空気Ａの流量とバルブ４８を通過する空気Ａ−１の流量の双方を調整することにより、分離部２０を適温Ｔ０に近い温度に制御する点が異なっている。
【００９５】
制御部４４は、空気供給部４６及びバルブ４８と接続されている。制御部４４では、第１熱交換部３０から分離部２０へ流入される空気Ａ及びアノードオフガスＧ３が適温Ｔ０に近づくように、空気供給部４６から送出される空気Ａ、及び、バルブ４８を通過する空気Ａ−１の流量を制御する。具体的には、温度センサＳＳで測定された分離部２０の温度Ｔが適温Ｔ０よりも低い場合には、空気供給部４６のブロアの出力を低くすると共にバルブ４８の開度を小さくして、空気供給部４６から送出する空気Ａの流量、及びバルブ４８を通過する空気Ａ−１の流量を減少させる。一方、温度Ｔが適温Ｔ０よりも高い場合には、空気供給部４６のブロアの出力を高くすると共にバルブ４８の開度を大きくして、空気供給部４６から送出する空気Ａの流量、及びバルブ４８を通過する空気Ａ−１の流量を増加させる。燃料電池システム１０Ｃの運転時に、制御部４４で常時又は間欠的に、分離部２０の温度Ｔに基づいて、空気供給部４６から送出する空気Ａの流量、及びバルブ４８を通過する空気Ａ−１の流量をフィードバック制御することにより、分離部２０の温度を適温Ｔ０又は適温Ｔ０に近い温度に維持することができる。
【００９６】
本実施形態によれば、空気供給部４６から送出する空気Ａの流量、及びバルブ４８を通過する空気Ａ−１の流量の双方を調整することにより、分離部２０が適温Ｔ０になるように第１熱交換部３０での熱交換を行う。したがって、よりフレキシブルに分離部２０の温度調整を行うことができる。
【００９７】
また、燃料電池システム１０Ｃは、その他の第１、２実施形態と同様の効果を奏することもできる。
【００９８】
〔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。
【００９９】
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。
【０１００】
分離部２０に接続された再生燃料ガス管Ｐ９は、第４熱交換部３６の下流側に設けられた分岐部Ｂ３で分岐されている。分岐された一方の再生燃料ガス管Ｐ９−１は、第２熱交換部３２を経て配管Ｐ３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Ｂ３では、再生燃料ガス管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。再生燃料ガス管Ｐ９−１の第２熱交換部３２よりも上流側には、ブロア５２が設けられている。ブロア５２は、再生燃料ガス管Ｐ９−１内の再生燃料ガスＧ４を配管Ｐ３側へ向かって流通させる。
【０１０１】
再生燃料ガス管Ｐ９−１を経て改質器１４へ導入された再生燃料ガスＧ４は、気化器１２から供給された燃料ガスＧ１と混合され、アノード１６Ａ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へ導入する。
【０１０２】
本実施形態の燃料電池システム１０Ｄ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。
【０１０３】
なお、本実施形態でも、透過部２６から排出された透過部排出ガスを直接燃焼器４０へ導入してもよい。この場合には、図６に示すように、透過部２６から燃焼器４０へ透過部排出ガスを送出する透過部排出管Ｐ１３を設けると共に、第１燃料電池スタック１６のカソード１６Ｂへ空気を導入するためのブロア５４を別途用意すればよい。
【０１０４】
〔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。
【０１０５】
図７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４実施形態で説明した燃料電池システム１０Ｄと比較して、第２実施形態と同様に、空気供給部４６から送出される空気が昇温される点が異なっている。すなわち、空気供給部４６から送出される空気Ａの流量が一定であり、バルブ４８を通過する空気Ａ−１の流量で分離部２０へ供給される空気及びアノードオフガスＧ３の温度を調整する点が異なっている。
【０１０６】
空気供給部４６に接続される空気供給管Ｐ８は、分岐部Ｂ１で空気調整管Ｐ８−１と空気昇温管Ｐ８−２に分岐され、合流部Ｂ２で合流されている。合流部Ｂ２は、第１熱交換部３０よりも上流側に設けられている。
【０１０７】
空気調整管Ｐ８−１には、バルブ４８が設けられている。バルブ４８は、制御部４４に接続されている。空気昇温管Ｐ８−２は、第５熱交換部３８へ導入されている。第５熱交換部３８には、第４熱交換部３６の下流側の燃焼排ガス管Ｐ１０が導入されており、空気昇温管Ｐ８−２を通過する空気Ａ−２は、燃焼排ガス管Ｐ１０を流れる燃焼排ガスＧ６との間で熱交換を行って昇温される。
【０１０８】
制御部４４では、第２実施形態と同様に、第１熱交換部３０から分離部２０へ流入される空気Ａ及びアノードオフガスＧ３が適温Ｔ０に近づくように、バルブ４８を通過する空気Ａ−１の流量を制御する。
【０１０９】
本実施形態によれば、空気供給部４６から送出する空気Ａの流量を一定に維持しつつ、分離部２０が適温Ｔ０になるように、第１熱交換部３０での熱交換を行うことができる。空気供給部４６から送出する空気Ａの流量を一定に維持することにより、透過部２６へ供給する空気Ａの流量を確保することができる。
【０１１０】
また、燃料電池システム１０Ｅ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。
【０１１１】
〔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。
【０１１２】
図８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３実施形態と同様に、空気供給部４６から送出される空気Ａの流量とバルブ４８を通過する空気Ａ−１の流量の双方を調整することにより、分離部２０を適温Ｔ０に近い温度に制御する点が異なっている。
【０１１３】
制御部４４は、空気供給部４６及びバルブ４８と接続されている。制御部４４では、第３実施形態と同様に、第１熱交換部３０から分離部２０へ流入される空気Ａ及びアノードオフガスＧ３が適温Ｔ０に近づくように、空気供給部４６から送出される空気Ａ、及び、バルブ４８を通過する空気Ａ−１の流量を制御する。
【０１１４】
本実施形態によれば、空気供給部４６から送出する空気Ａの流量、及びバルブ４８を通過する空気Ａ−１の流量の双方を調整することにより、分離部２０が適温Ｔ０になるように第１熱交換部３０での熱交換を行う。したがって、よりフレキシブルに分離部２０の温度調整を行うことができる。
【０１１５】
また、燃料電池システム１０Ｆは、その他の第５、６実施形態と同様の効果を奏することもできる。
【０１１６】
〔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。なお、第１−６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。
【０１１７】
図９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３燃料電池スタック１７を有している点が異なっている。
【０１１８】
第３燃料電池スタック１７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１７Ａ、及びカソード１６Ｂに対応するカソード１７Ｂを有している。第３燃料電池スタック１７は、燃料電池システム１０Ｇにおいて、第１燃料電池スタック１６と並列に配置されている。なお、図７では、第２燃料電池スタック１８及び第３燃料電池スタック１７が改質器１４と離間して図示されているが、実際には、第２燃料電池スタック１８及び第３燃料電池スタック１７は、第１燃料電池スタック１６と同様に改質器１４と隣接配置され、熱交換が行われている。
【０１１９】
改質器１４に接続された燃料ガス管Ｐ４は、分岐部Ｂ４で燃料ガス管Ｐ４−２と分岐されている。燃料ガス管Ｐ４はアノード１６Ａと接続され、改質器１４からアノード１６Ａへ燃料ガスＧ１を供給する。燃料ガス管Ｐ４−２はアノード１７Ａと接続され、改質器１４からアノード１７Ａへ燃料ガスＧ１を供給する。アノード１７Ａには、アノードオフガス管Ｐ７が接続され、アノードオフガス管Ｐ７−２は、アノードオフガス管Ｐ７と第２熱交換部３２の上流側の合流部Ｂ５で合流されている。アノード１７Ａからは、使用済のアノードオフガスＧ３が送出され、アノードオフガス管Ｐ７−２、Ｐ７を経て、分離部２０の流入部２４へ流入される。
【０１２０】
カソード１７Ｂには、第３熱交換部３４の下流側で酸化ガス管Ｐ５から分岐部Ｂ６で分岐された酸化ガス管Ｐ５−２が接続されている。カソード１７Ｂへは、酸化ガス管Ｐ５−２を介して酸化ガスＧ５が供給される。カソード１７Ｂから排出された使用済みガスは、合流部Ｂ７でカソードオフガス管Ｐ６と合流されてカソード１８Ｂへ導入される。
【０１２１】
上記のように、第１燃料電池スタック１６と並列に配置された第３燃料電池スタック１７を有することにより、燃料電池システム１０Ｇの第１段目における発電は、第１燃料電池スタック１６及び第３燃料電池スタック１７で行われる。そして、第１燃料電池スタック１６及び第３燃料電池スタック１７で使用された後のアノードオフガスＧ３を、分離部２０で再生燃料ガスＧ４に再生し、二段目の第２燃料電池スタック１８での発電に供することができる。
【０１２２】
本実施形態の燃料電池システム１０Ｇによれば、一段目と二段目の燃料電池スタックの稼働率の差が小さくなり、燃料電池システム１０Ｇ１８での発電効率を高めることができる。
【０１２３】
なお、本実施形態でも、透過部２６から排出された透過部排出ガスを直接燃焼器４０へ導入してもよい。この場合には、図１０に示すように、透過部２６から燃焼器４０へ透過部排出ガスを送出する透過部排出管Ｐ１３を設けると共に、第１燃料電池スタック１６のカソード１６Ｂへ空気を導入するためのブロア５４を別途用意すればよい。
【０１２４】
〔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。なお、第１−７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。
【０１２５】
図１１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、５実施形態と同様に、空気供給部４６から送出される空気が昇温される点が異なっている。すなわち、空気供給部４６から送出される空気Ａの流量が一定であり、バルブ４８を通過する空気Ａ−１の流量で分離部２０へ供給される空気及びアノードオフガスＧ３の温度を調整する点が異なっている。
【０１２６】
空気供給部４６に接続される空気供給管Ｐ８は、分岐部Ｂ１で空気調整管Ｐ８−１と空気昇温管Ｐ８−２に分岐され、合流部Ｂ２で合流されている。合流部Ｂ２は、第１熱交換部３０よりも上流側に設けられている。
【０１２７】
空気調整管Ｐ８−１には、バルブ４８が設けられている。バルブ４８は、制御部４４に接続されている。空気昇温管Ｐ８−２は、第５熱交換部３８へ導入されている。第５熱交換部３８には、第４熱交換部３６の下流側の燃焼排ガス管Ｐ１０が導入されており、空気昇温管Ｐ８−２を通過する空気Ａ−２は、燃焼排ガス管Ｐ１０との間で熱交換を行って昇温される。
【０１２８】
制御部４４では、第２、５実施形態と同様に、第１熱交換部３０から分離部２０へ流入される空気Ａ及びアノードオフガスＧ３が適温Ｔ０に近づくように、バルブ４８を通過する空気Ａ−１の流量を制御する。
【０１２９】
本実施形態によれば、空気供給部４６から送出する空気Ａの流量を一定に維持しつつ、分離部２０が適温Ｔ０になるように、第１熱交換部３０での熱交換を行うことができる。空気供給部４６から送出する空気Ａの流量を一定に維持することにより、透過部２６へ供給する空気Ａの流量を確保することができる。
【０１３０】
また、燃料電池システム１０Ｈ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。
【０１３１】
〔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。なお、第１−８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。
【０１３２】
図１２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８実施形態で説明した燃料電池システム１０Ｈと比較して、第３、６実施形態と同様に、空気供給部４６から送出される空気Ａの流量とバルブ４８を通過する空気Ａ−１の流量の双方を調整することにより、分離部２０を適温Ｔ０に近い温度に制御する点が異なっている。
【０１３３】
制御部４４は、空気供給部４６及びバルブ４８と接続されている。制御部４４では、第３、６実施形態と同様に、第１熱交換部３０から分離部２０へ流入される空気Ａ及びアノードオフガスＧ３が適温Ｔ０に近づくように、空気供給部４６から送出される空気Ａ、及び、バルブ４８を通過する空気Ａ−１の流量を制御する。
【０１３４】
本実施形態によれば、空気供給部４６から送出する空気Ａの流量、及びバルブ４８を通過する空気Ａ−１の流量の双方を調整することにより、分離部２０が適温Ｔ０になるように第１熱交換部３０での熱交換を行う。したがって、よりフレキシブルに分離部２０の温度調整を行うことができる。
【０１３５】
また、燃料電池システム１０Ｉは、その他の第７、８実施形態と同様の効果を奏することもできる。
【０１３６】
なお、上記の第１〜第９実施形態における第２熱交換部３２〜第５熱交換部３８の配置は、上記の配置に限定されず、適宜変更しても良い。また、アノードオフガスＧ３から二酸化炭素や水蒸気を分離する手段として、例えば、水凝縮器、水蒸気吸着材、二酸化炭素吸収材、二酸化炭素吸着材などの他の手段を分離部と組み合わせて用いてもよい。
【０１３７】
また、上記の第１〜第９実施形態では、第１熱交換部３０を配置したが、分離膜２８が第１燃料電池スタック１６の作動温度（本実施形態では６５０℃程度）で、分離機能を発揮できるものであれば、第１熱交換部３０は不要である。
【０１３８】
また、上記の第１〜第９実施形態では、制御部４４で分離部２０が適温Ｔ０に近づくように空気供給部４６から流出させる空気Ａの流量や、第１熱交換部３０へ流入させる空気Ａの温度を制御したが、必ずしも制御部４４は必要ではない。例えば、予め分離部２０が適温Ｔ０に近づくための空気供給部４６から流出させる空気Ａの流量や、第１熱交換部３０へ流入させる空気Ａの温度を実験等により得て、当該得られた空気Ａの流量や第１熱交換部３０へ流入させる空気Ａの温度となるように、各部（空気供給部４６やバルブ４８）の設定をしてもよい。
【０１３９】
さらに、本発明は、前述の第１〜第９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。
【符号の説明】
【０１４０】
１０Ａ〜１０Ｉ  燃料電池システム
１６  第１燃料電池スタック（燃料電池）、  １７  第３燃料電池スタック（燃料電池）
１８  第２燃料電池スタック（燃料電池）、
１６Ａ、１７Ａ、１８Ａ  アノード（燃料極）
１６Ｂ、１７Ｂ、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熱交換部、  ３２  第２熱交換部
４６  空気供給部、  Ｐ８−１  空気調整管、４８  バルブ、３６  第４熱交換部
Ｐ８−２  空気昇温管（空気昇温部）
４０  燃焼器、  ４４  制御部、  Ｐ５  酸化ガス管（透過ガス燃焼導入路）
Ｐ６  カソードオフガス管（透過ガス燃焼導入路）
Ｐ１２  カソードオフ燃焼導入管（透過ガス燃焼導入路）
Ｐ１３  透過部排出管（透過ガス燃焼導入路）
Ｇ３  アノードオフガス、  Ｇ４  再生燃料ガス
【要約】
【課題】アノードオフガスから再生ガスを生成する際に使用する分離膜の透過側へスイープガスを供給した場合に、透過側から排出されたスイープガスを、適切に処理することができる燃料電池システムを得る。
【解決手段】燃料電池システム１０Ａは、アノードオフガスＧ３から二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離する分離部２０を有している。分離部２０の透過側である透過部２６には、空気供給部４６から空気Ａがスイープガスとして供給される。空気Ａは、分離膜２８を透過した二酸化炭素及び水蒸気と共に透過部２６から排出され、カソード１６Ｂへ導入される。カソード１６Ｂで使用された空気Ａは、カソード１８Ｂへ導入され、カソード１８Ｂで使用された後、燃焼器４０へ導入され、焼却に供される。
【選択図】図１【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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