(57)【要約】【課題】燃料電池システムにおける発電効率を向上させつつ、外部へ排出するガスの温度を効果的に低下させることができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】第１熱交換部３０では、燃焼器２２から排出されシステム系外へ排出される直前の燃焼排ガスＧ１０と、燃料再生器２４から送出され第２燃料電池セルスタック１８へ供給される再生燃料ガスＧ４との間で熱交換が行われる。【選択図】図１
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【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燃料電池と、
前記アノードオフガスが流入され、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除去して再生燃料ガスとし、該再生燃料ガスを送出する燃料再生器と、  前記燃料電池から排出されたアノードオフガスを燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器から排出されシステム系外へ排出される直前の燃焼排ガスと、前記燃料再生器から送出又は前記燃料再生器へ送出され前記燃料電池へ向かって供給される供給流体と、の間で熱交換する熱交換部と、
を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
前記熱交換部へ送出される前記供給流体は、１５℃〜２００℃の範囲内であること、を特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記供給流体は、前記燃料再生器から送出された前記再生燃料ガスである、請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料再生器は、分離膜により区画された透過部と非透過部を有し、スイープガスとして前記透過部へ供給する空気が前記供給流体である、請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料再生器は、分離膜により区画された透過部と非透過部を有し、スイープガスとして前記透過部へ供給する原料ガスが前記供給流体である、請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池は、前記燃料再生器へ前記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５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記再生燃料ガスを燃料ガスとして前記燃料電池の前記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５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】
燃料電池システムでは、燃料電池システム内で発生した熱を、水蒸気改質反応の熱、供給ガス、水などで回収し、排出されるガスなどの熱を、ある程度の温度まで低下させ、燃料電池システムの系外へ排出する必要がある。また、燃料電池セルスタックが高温で稼働するものについては、燃料電池システムの内部を高温に維持することが重要である。
【０００３】
例えば、特許文献１では、コジェネレーションシステムにおいて、燃料電池装置で発生した熱を給湯用の水と熱交換することにより回収し、熱交換後の湯を貯湯槽に貯留し、需要に応じて湯を供給する技術が開示されている。また、特許文献１では、貯湯槽の水が高温の場合に、系外の上水を用いて貯湯槽を介さずに高温ガスとの間で熱交換を行う技術も開示されている。
【０００４】
特許文献１の燃料電池システムにおいては、回収後の熱が湯として燃料電池システムの系外に排出されている。しかしながら、燃料電池システムの用途や種類によっては、熱としての利用ではなく、発電効率を高めることが求められる。また、燃料電池セルスタックのアノードから排出されたアノードオフガスを発電の再利用に供する場合には、燃焼に供されるアノードオフガス量が再利用しない場合と比較して少ないため、特に熱をシステム系外へ排出せずに、システム系内で最大限に利用することが求められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１２１７３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記事実を考慮して成されたもので、燃料電池システムにおける発電効率を向上させつつ、外部へ排出するガスの温度を効果的に低下させることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１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燃料電池と、前記アノードオフガスが流入され、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除去して再生燃料ガスとし、該再生燃料ガスを送出する燃料再生器と、前記燃料電池から排出されたアノードオフガスを燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器から排出されシステム系外へ排出される直前の燃焼排ガスと、前記燃料再生器から送出又は前記燃料再生器へ送出され前記燃料電池へ向かって供給される供給流体と、の間で熱交換する熱交換部と、を備えている。
【０００８】
請求項１に係る燃料電池システムは、燃料電池、及び燃焼器を備えている。燃焼器は、燃料電池から排出されたアノードオフガスを燃焼させて、熱を発生させる。燃焼器から排出される燃焼排ガスは、システム系外へ排出される直前に、熱交換部において、供給流体との間で熱交換が行われる。供給流体は、燃料再生器から送出されて燃料電池セルスタックへ向かって供給されるか、又は、燃料再生器へ送出されて燃料再生から燃料電池へ向かって供給される。
ここで、「燃料電池セルスタックへ向かって供給される」とは、直接的に燃焼電池セルスタックに供給される場合に限らず、他の処理部（改質器、気化器、熱交換器、ＣＯ選択酸化器等）を介して燃料電池セルスタックへ供給される場合も含んでいる。
【０００９】
二酸化炭素や水蒸気を除去する燃料再生器においては、除去機能を発揮させるために、燃料再生器へ送出されるガス、燃料再生器から送出されるガスが、比較的低温にされる。また、二酸化炭素や水蒸気を分離するために、燃料再生器へ常温の流体を供給する場合もある。したがって、供給流体との熱交換により燃焼排ガスの温度を低下させることができる。
【００１０】
また、熱交換により加熱された供給流体は、燃料電池へ向かうシステム系内へ供給されるので、熱はシステム外部へ放出されず、内部温度を維持するための余計な燃料の投入を抑えて発電効率を向上させることができる。
【００１１】
なお、「システム系外へ排出される直前の熱交換部」とは、システム系外へ排出される前の最終の熱交換部であることを意味し、システム系内において当該熱交換部より下流側では熱交換が積極的に行われないことを意味する。
【００１２】
請求項２の発明に係る燃料電池システムは、前記熱交換部へ送出される前記供給流体は、１５℃〜２００℃の範囲内であること、を特徴とする。
【００１３】
システム系外へ排出される直前の燃焼排ガスと熱交換する供給流体の温度を１５℃〜２００℃の範囲内にすることにより、理想的には、燃焼排ガスを１５℃〜２００℃でシステム系外へ排出させることができる。
【００１４】
請求項３の発明に係る燃料電池システムは、前記供給流体は、前記燃料再生器から送出された前記再生燃料ガスである。
【００１５】
請求項３に係る燃料電池システムによれば、システム系外へ排出される燃焼排ガスを冷却できると共に、再生燃料ガスを加熱することができる。
【００１６】
請求項４の発明に係る燃料電池システムは、前記燃料再生器は、分離膜により区画された透過部と非透過部を有し、スイープガスとして前記透過部へ供給する空気が前記供給流体である。
【００１７】
請求項４に係る燃料電池システムによれば、システム系外へ排出される燃焼排ガスを冷却できると共に、システム系内へ供給される空気を加熱することができる。
【００１８】
請求項５の発明に係る燃料電池システムは、前記燃料再生器は、分離膜により区画された透過部と非透過部を有し、スイープガスとして前記透過部へ供給する原料ガスが前記供給流体である。
【００１９】
請求項５に係る燃料電池システムによれば、システム系外へ排出される燃焼排ガスを冷却できると共に、システム系内へ供給される原料ガスを加熱することができる。
【００２０】
請求項６の発明に係る燃料電池システムは、前記燃料電池は、前記燃料再生器へ前記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。
【００２１】
請求項６に係る燃料電池システムでは、第１燃料電池から排出されたアノードオフガスが、燃料再生器で再生燃料ガスとされた後に第２燃料電池の燃料極へ供給されて用いられる、多段式の燃料電池システムが実現される。
【００２２】
請求項７の発明に係る燃料電池システムは、前記再生燃料ガスを燃料ガスとして前記燃料電池の前記燃料極へ供給する燃料循環配管、を備えている。
【００２３】
請求項７に係る燃料電池システムでは、第１燃料電池から排出されたアノードオフガスが、燃料再生器で再生燃料ガスとされた後に再生燃料ガスとして燃料極へ供給されて用いられる、循環式の燃料電池システムが実現される。
【発明の効果】
【００２４】
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ける発電効率を向上させつつ、外部へ排出するガスの温度を効果的に低下させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【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３】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４】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５】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６】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。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
［第１実施形態］
以下、図面を参照して本発明の第１実施形態を詳細に説明する。
【００２７】
図１には、本実施形態に係る燃料電池システム１０Ａの概略構成が示されている。本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、気化器１２、改質器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、空気予熱器２０、燃焼器２２、燃料再生器２４を備え、これらは筐体１１内に収容されている。また、第１熱交換部３０及び第２熱交換部３２を備えている。本実施形態に係る燃料電池システム１０Ａは、燃料電池セルスタックを複数有し、前段の燃料電池セルスタックから排出されたガスが後段の燃料電池セルスタックへ供給されて発電に使用される、多段式の燃料電池システムである。
【００２８】
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。原料ガス管Ｐ１には、ブロアＢ１が設けられており、ブロアＢ１により原料ガスであるメタンＧ０が気化器１２へ送出される。また、気化器１２には、水供給管Ｐ２の一端が接続されており、水供給管Ｐ２の他端は不図示の水源に接続されている。水供給管Ｐ２には、ポンプＰが設けられており、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２２からの燃焼排ガスＧ１０の熱が用いられる。
【００２９】
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。
【００３０】
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、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。なお、本実施形態では、水蒸気改質により水素を生成する例で説明するが、二酸化炭素改質により水素を生成してもよい。改質器１４には、燃料ガス管Ｐ４の一端が接続されている。燃料ガス管Ｐ４の他端は、第１燃料電池セルスタック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を介してアノード１６Ａに供給される。
【００３１】
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(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)、積層された複数の燃料電池セルを有している。燃料電池セルスタック１６は、作動温度が６５０℃程度に設定されている。
【００３２】
燃料電池セルスタック１６の個々の燃料電池セルは、電解質膜と、当該電解質膜の表裏面にそれぞれ積層されたアノード（燃料極）１６Ａ、及びカソード（空気極）１６Ｂと、を有している。
【００３３】
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、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。
【００３４】
第１燃料電池セルスタック１６のカソード１６Ｂには、空気供給管Ｐ５の一端が接続されている。空気供給管Ｐ５の他端には、ブロアＢ２が接続されている。空気供給管Ｐ５の中間部には空気予熱器２０が設けられている。ブロアＢ２から送出された空気Ｇ５は、空気供給管Ｐ５によって、空気予熱器２０を経由し、カソード１６Ｂへ供給される。空気予熱器２０では、後述する燃焼器２２からの燃焼排ガスＧ１０により空気Ｇ５が加熱される。
【００３５】
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膜を通って燃料電池セルスタック１６のアノード１６Ａに到達する。
【００３６】
（空気極反応）
１／２Ｏ２＋２ｅ− →Ｏ２−  …（１）
【００３７】
カソード１６Ｂからは、カソードオフガスＧ２が排出される。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燃料電池セルスタック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、燃料電池セルスタック１６のアノード１６Ａでは、下記（２）式及び（３）式に示すように、電解質膜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、各燃料電池セルスタックにおいて発電される。また、各燃料電池セルスタックは、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】
アノード１６Ａには、アノードオフガス管Ｐ７−１の一端が接続されている。アノード１６Ａからアノードオフガス管Ｐ７−１へ、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】
アノードオフガス管Ｐ７−１の他端は、後述する第２熱交換部３２を経て燃料再生器２４と接続されている。燃料再生器２４の出口側には、再生燃料管Ｐ７−２の一端が接続されている。再生燃料管Ｐ７−２の他端は、後述する第１熱交換部３０、及び第２熱交換部３２を経て第２燃料電池セルスタック１８のアノード１８Ａと接続されている。
【００４２】
燃料再生器２４では、アノードオフガスＧ３から、二酸化炭素及び水の少なくとも一方が除去され、再生燃料ガスＧ４が再生燃料管Ｐ７−２へ送出される。燃料再生器２４では、例えば、分離膜、吸着剤、凝縮器などを用いて二酸化炭素及び水の少なくとも一方を除去することができる。燃料再生器２４で二酸化炭素及び水の少なくとも一方が除去された再生燃料ガスＧ４は、再生燃料管Ｐ７−２を通り、第１熱交換部３０、及び第２熱交換部３２を経て、第２燃料電池セルスタック１８のアノード１８Ａへ送出され、発電に供される。第２燃料電池セルスタック１８のアノード１８Ａからは、アノードオフガスＧ３−３がアノードオフガス管Ｐ７−３を通って燃焼器２２へ送出される。
【００４３】
第１熱交換部３０へ送出される再生燃料ガスＧ４は、燃料再生器２４の種類等により異なるが、凝縮器であれば常温〜１００℃未満となる。なお、第１熱交換部３０へ送出される再生燃料ガスＧ４の温度は、燃焼排ガスＧ１０に必要な降温を確保するために、１５℃〜２００℃の範囲内であることが好ましい。
【００４４】
カソード１８Ｂには、カソードオフガス管Ｐ９の一端が接続されている。カソードオフガス管Ｐ９の他端は、燃焼器２２と接続されており、カソードオフガスＧ９は燃焼器２２へ送出される。カソード１８Ｂからは、カソードオフガスＧ９−２がカソードオフガス管Ｐ９−２を通って燃焼器２２へ送出される。
【００４５】
燃焼器２２では、第２燃料電池セルスタック１８のアノード１８Ａから排出されたアノードオフガスＧ３−３が燃焼される。燃焼器２２の出口側には、燃焼排ガス管Ｐ１０の一端が接続されている。燃焼排ガスＧ１０は、空気予熱器２０を経由して気化器１２に導入され、第１熱交換部３０での熱交換後に筐体１１の外部に排出されている。本実施形態では、筐体１１内がシステム系内、筐体１１外がシステム系外である。
【００４６】
燃焼排ガスＧ１０は、空気予熱器２０において、常温の空気Ｇ５と熱交換が行われる。その後、燃焼排ガスＧ１０は、気化器１２へ送出され、気化器１２において、水及びメタンと熱交換が行われる。燃焼排ガスＧ１０は、気化器１２において熱交換が行われた後、第１熱交換部３０を経て筐体１１の外部（燃料電池システム１０Ａの系外）に排出される。
【００４７】
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。
【００４８】
ブロアＢ２により所定の空気吐出量で送出された空気Ｇ５は、空気予熱器２０を経てカソード１６Ｂへ供給され、発電に供される。その後、カソードオフガスＧ９−１としてカソードオフガス管Ｐ６を経てカソード１８Ｂへ送出される。そして、カソード１８Ｂで発電に供された後、カソードオフガスＧ９−２として燃焼器２２へ送出される。
【００４９】
一方、ブロアＢ１により所定の吐出量で送出されたメタンＧ０は、原料ガス管Ｐ１を経て気化器１２へ供給される。また、ポンプＰにより所定の吐出量で送出された水（液相）は、水供給管Ｐ２を経て気化器１２へ供給される。気化器１２へ供給された水及びメタンは、燃焼排ガスＧ１０との熱交換により加熱される。これにより水は気化され、加熱されたメタンと水蒸気は、配管Ｐ３を経て改質器１４へ送出される。そして、改質器１４で燃料ガスＧ１へ改質され、燃料ガス管Ｐ４を経てアノード１６Ａへ供給され、発電に供される。アノード１６Ａからは、未反応の水素等の燃料を含むアノードオフガスＧ３が排出され、アノードオフガス管Ｐ７−１を経て燃料再生器２４へ送出される。
【００５０】
アノードオフガスＧ３は、燃料再生器２４の上流側に設けられた第２熱交換部３２において、再生燃料ガスＧ４との間で熱交換される。アノードオフガスＧ３は降温され、再生燃料ガスＧ４は昇温される。
【００５１】
燃料再生器２４では、アノードオフガスＧ３から、二酸化炭素及び水の少なくとも一方が除去される。燃料再生器２４で二酸化炭素及び水の少なくとも一方が除去された再生燃料ガスＧ４は、再生燃料管Ｐ７−２を通り、第１熱交換部３０、及び第２熱交換部３２を経て、第２燃料電池セルスタック１８のアノード１８Ａへ送出され、発電に供される。アノード１８Ａからは、アノードオフガスＧ３−３がアノードオフガス管Ｐ７−３を通って燃焼器２２へ送出される。
【００５２】
燃焼器２２では、アノードオフガスＧ３−３が燃焼に供され、燃焼による熱で改質器１４が加熱される。燃焼器２２からは、燃焼排ガスＧ１０が燃焼排ガス管Ｐ１０へ送出され、空気予熱器２０において、空気Ｇ５との間で熱交換が行われる。空気Ｇ５は昇温され、燃焼排ガスＧ１０は降温される。燃焼排ガスＧ１０は、次に、気化器１２へ送出され、メタン及び水との間で熱交換が行われる。メタン及び水は昇温され、燃焼排ガスＧ１０は降温される。さらに、燃焼排ガスＧ１０は、第１熱交換部３０へ送られ、燃料再生器２４から送出された再生燃料ガスＧ４との間で熱交換が行われる。再生燃料ガスＧ４は昇温され、燃焼排ガスＧ１０は降温される。第１熱交換部３０で冷却された後、燃焼排ガスＧ１０は、燃料電池システム１０Ａの系外へ排出される。第１熱交換部３０は、燃焼排ガスＧ１０が燃料電池システム１０Ａの系外へ排出される直前の熱交換部である。すなわち、第１熱交換部３０が最終の熱交換部であり、燃焼排ガスＧ１０は、第１熱交換部３０よりも下流側では、積極的に熱交換が行われずに燃料電池システム１０Ａの系外へ排出される。
【００５３】
本実施形態では、燃料電池システム１０Ａの系外へ排出される直前の燃焼排ガスＧ１０が、燃料再生器２４から送出された再生燃料ガスＧ４と熱交換される。再生燃料ガスＧ４は、燃料再生器２４の上流側においてアノードオフガスＧ３として一旦第２熱交換部３２で熱交換が行われており、アノード１６Ａから排出された直後のアノードオフガスＧ３よりも温度が低い（燃料再生器２４を凝縮器とした場合には、常温〜１００℃未満）。したがって、燃焼排ガスＧ１０の温度を低下させることができる。
【００５４】
また、熱交換により加熱された再生燃料ガスＧ４は、第２燃料電池セルスタック１８へ向かうシステム系内へ供給されるので、燃焼排ガスＧ１０の熱はシステム外部へ放出されず、発電効率を向上させることができる。
【００５５】
なお、本実施形態では、第１熱交換部３０を燃料再生器２４の下流側に配置したが、第１熱交換部３０を燃料再生器２４の上流側に設置してもよい。この場合には、第２熱交換部３２において熱交換された後のアノードオフガスＧ３と燃焼排ガスＧ１０とで熱交換が行われる。
【００５６】
また、本実施形態では、燃焼排ガスＧ１０がシステム系外に排出される直前の熱交換器が気化器１２ではない。したがって、予めシステム系外へ排出される燃焼排ガスＧ１０の温度（系外排出温度）を設定し、当該系外排出温度になるように逆算して気化器１２の温度を設定する場合に、気化器１２の温度を高く設定することができる。これにより、改質水を安定して気化させることができる。また、気化器１２の温度が高くなることにより、改質器１４との温度差が小さくなり、隣接して配置することによる熱ロスを少なくすることできる。
【００５７】
［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、その詳細な説明を省略する。
【００５８】
図２に示されるように、本実施形態の燃料電池システム１０Ｂは、第２燃料電池セルスタック１８を有していない点が第１実施形態と異なっている。
【００５９】
再生燃料ガスＧ４が流通する再生燃料ガス管Ｐ７−２は、第２熱交換部３２の下流側で、燃料循環配管Ｐ７−４と、アノードオフガス管Ｐ７−３に分岐されている。なお、燃料循環配管Ｐ７−４とアノードオフガス管Ｐ７−３とは、アノードオフガス管Ｐ７−１の第２熱交換部３２よりも上流側で分岐させてもよい。アノードオフガス管Ｐ７−３は、燃焼器２２へ導入されている。燃料循環配管Ｐ７−４は、アノード１６Ａの入り口側へ接続されている。再生燃料ガスＧ４の一部は、アノード１６Ａへ送出されて第１燃料電池セルスタック１６における発電に供される。再生燃料ガスＧ４の残りは、燃焼器２２へ送出されて燃焼に供される。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２２へ導入される。
【００６０】
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Ｇ３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。
【００６１】
［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、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、その詳細な説明を省略する。
【００６２】
本実施形態の燃料電池システム１０Ｃは、図３に示されるように、燃料再生器２４に代えて、分離部２６を備えている。
【００６３】
分離部２６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後述する分離膜２８で分離するものである。分離部２６は、流入部２５及び透過部２７を有している。流入部２５と透過部２７は、分離膜２８で区画されている。流入部２５がアノードオフガスＧ３の非透過側となり、透過部２７が透過側となる。
【００６４】
ここで、分離膜２８について説明する。分離膜２８は、前述のように二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離するものであればよいが、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。
【００６５】
アノードオフガスＧ３は、アノードオフガス管Ｐ７−１を経て分離部２６の流入部２５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２７へ移動する。二酸化炭素の濃度が低減されて流入部２５側に残ったアノードオフガスＧ３は、再生燃料ガスＧ４として、流入部２５から送出される。再生燃料ガス管Ｐ７−２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Ｇ４は、再生燃料ガス管Ｐ７−２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。
【００６６】
第２熱交換部３２では、アノードオフガス管Ｐ７−１を流れるアノードオフガスＧ３と再生燃料ガス管Ｐ７−２を流れる再生燃料ガスＧ４とで熱交換が行われる。第２熱交換部３２では、アノードオフガスＧ３が降温され、再生燃料ガスＧ４が昇温される。
【００６７】
分離部２６の透過部２７には、空気供給管Ｐ５−０の一端が接続されている。空気供給管Ｐ５−０の他端には、ブロアＢ２が接続されており、スイープ用の常温（１５℃〜４０℃）の空気Ｇ５が透過部２７に送出されている。透過部２７よりも上流側でブロアＢ２よりも下流側には、第３熱交換部３４が設けられている。
【００６８】
第３熱交換部３４では、気化器１２から排出されて燃料電池システム１０Ｃの系外へ排出される直前の燃焼排ガスＧ１０と、常温の空気Ｇ５との間で熱交換が行われる。第３熱交換部３４において、空気Ｇ５は昇温され、燃焼排ガスＧ１０は降温される。第３熱交換部３４は、燃焼排ガスＧ１０が燃料電池システム１０Ｃの系外へ排出される直前の熱交換部である。
【００６９】
透過部２７には、空気供給管Ｐ５の他端が接続されており、透過部２７から送出された空気Ｇ５が空気予熱器２０へ送出される。
【００７０】
本実施形態では、燃料電池システム１０Ｃの系外へ排出される直前の燃焼排ガスＧ１０が、分離部２６におけるスイープ用の空気Ｇ５と熱交換されて冷却される。したがって、燃焼排ガスＧ１０の温度を低下させることができる。
【００７１】
また、第３熱交換部３４において熱交換により加熱された空気Ｇ５は、分離部２６の透過部２７、空気予熱器２０を経て、第１燃料電池セルスタック１６のカソード１６Ｂへ供給されて発電に供される。したがって、燃焼排ガスＧ１０の熱はシステム外部へ放出されず、システム内部を高温に保つための余計な燃料が不要になり、発電効率を向上させることができる。
【００７２】
なお、本実施形態では、第３熱交換部３４を透過部２７の上流側に配置したが、第３熱交換部３４を透過部２７の下流側に設置してもよい。
【００７３】
［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１〜３実施形態と同様の部分については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００７４】
本実施形態の燃料電池システム１０Ｄは、第２燃料電池セルスタック１８を有していない点が第３実施形態と異なり、再生燃料ガス管Ｐ７−２が、第２実施形態と同様に、第２熱交換部３２の下流側で、燃料循環配管Ｐ７−４と、アノードオフガス管Ｐ７−３に分岐されている。本実施形態の燃料電池システム１０Ｄは、第２実施形態の燃料電池システム１０Ｂと同様に、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Ｇ３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。
【００７５】
［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１〜４実施形態と同様の部分については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００７６】
本実施形態の燃料電池システム１０Ｅは、透過部２７へ供給されるスイープ用のガスが、原料ガスである点が第３実施形態の燃料電池システム１０Ｃと異なっている。
【００７７】
分離部２６の透過部２７の入口側には、原料ガス管Ｐ１−０の一端が接続されている。原料ガス管Ｐ１−０の他端には、不図示のガス源が接続されている。原料ガス管Ｐ１−０には、ブロアＢ１が設けられ、ブロアＢ１によりスイープ用ガスとしてのメタンＧ０が透過部２７へ送出される。メタンの温度は、常温（１５℃〜４０℃）程度である。透過部２７の出口側には、原料ガス管Ｐ１の他端が接続されており、透過部２７から送出された原料ガスが気化器１２へ送出される。
【００７８】
第４熱交換部３６では、気化器１２から排出されて燃料電池システム１０Ｃの系外へ出される直前の燃焼排ガスＧ１０と、メタンとの間で熱交換が行われる。第４熱交換部３６において、メタンは昇温され、燃焼排ガスＧ１０は降温される。第４熱交換部３６は、燃焼排ガスＧ１０が燃料電池システム１０Ｅの系外へ排出される直前の熱交換部である。
【００７９】
本実施形態では、燃料電池システム１０Ｅの系外へ排出される直前の燃焼排ガスＧ１０が、分離部２６におけるスイープ用のメタンと熱交換されて冷却される。したがって、燃焼排ガスＧ１０の温度を低下させることができる。
【００８０】
また、第４熱交換部３６において熱交換により加熱されたメタンは、分離部２６の透過部２７、気化器１２を経て、第１燃料電池セルスタック１６のアノード１６Ａへ供給されて発電に供される。したがって、燃焼排ガスＧ１０の熱はシステム外部へ放出されず、発電効率を向上させることができる。
【００８１】
なお、本実施形態では、第４熱交換部３６を透過部２７の上流側に配置したが、第４熱交換部３６を透過部２７の下流側に設置してもよい。
【００８２】
［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１〜５実施形態と同様の部分については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００８３】
本実施形態の燃料電池システム１０Ｆは、第２燃料電池セルスタック１８を有していない点が第５実施形態と異なり、再生燃料ガス管Ｐ７−２が、第２、４実施形態と同様に、第２熱交換部３２の下流側で、燃料循環配管Ｐ７−４と、アノードオフガス管Ｐ７−３に分岐されている。本実施形態の燃料電池システム１０Ｆは、第２実施形態の燃料電池システム１０Ｂと同様に、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Ｇ３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。
【００８４】
なお、本実施形態では、分離膜２８として水素透過膜を用いてもよい。この場合、アノードオフガスＧ３中の水素を透過させ、透過側のスイープガスである原料ガスと共に水素をアノード１８Ａへ供給する。非透過側から排出されたガスは、燃焼器２２へ供給される。
【００８５】
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、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。
【符号の説明】
【００８６】
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆ  燃料電池システム
１６、１８  燃料電池セルスタック（燃料電池）
１６Ａ、１８Ａ  アノード（燃料極）、１６Ｂ、１８Ｂ  カソード（空気極）
２２  燃焼器、  ２４  燃料再生器、  ２５  流入部（非透過部）
２６  分離部（燃料再生器）、  ２７  透過部、  ２８  分離膜
３０  第１熱交換部（熱交換部）、  ３４  第３熱交換器（熱交換部）
３６  第４熱交換部（熱交換部）、Ｇ０  メタン（供給流体、原料ガス）
Ｇ１  燃料ガス、  Ｇ３  アノードオフガス、  Ｇ４  再生燃料ガス（供給流体）
Ｇ５  空気（供給流体）、  Ｇ１０  燃焼排ガス
Ｐ７−４  燃料循環配管、  Ｐ７  再生燃料管
【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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