(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、
二酸化炭素吸収材が収納された複数の二酸化炭素吸収部と、
複数の前記二酸化炭素吸収部のうちの一部の前記二酸化炭素吸収部へ前記アノードオフガスを供給して該アノードオフガス中の二酸化炭素を前記二酸化炭素吸収材に吸収させて再生燃料ガスを生成すると共に、他の前記二酸化炭素吸収部へ前記カソードオフガスよりも酸素濃度が低く且つシステムの運転に用いられる、前記アノードオフガス、水蒸気、及び炭化水素燃料のいずれかのガスをスイープガスとして供給して前記二酸化炭素吸収材から二酸化炭素を放出させる制御部と、
を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池は、前記二酸化炭素吸収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燃料極へ供給されて該再生燃料ガスにより発電する第２燃料電池と、を含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御部は、前記二酸化炭素吸収部からの前記再生燃料ガスを前記燃料極に供給する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記再生燃料ガスの生成に用いられる前記二酸化炭素吸収部へ供給される前の前記アノードオフガスから水蒸気を除去する水蒸気除去部、をさらに備えた、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記二酸化炭素吸収部で二酸化炭素が吸収された後の前記アノードオフガスから水蒸気を除去する水蒸気除去部、をさらに備えた、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
炭化水素燃料を改質して水素を含む前記燃料ガスを生成すると共に、前記燃料電池へ前記燃料ガスを供給する改質器、をさらに備えた、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。
【請求項７】
前記スイープガスが水蒸気の場合には、前記改質器へ前記二酸化炭素吸収部から排出された前記水蒸気が供給されて、前記炭化水素燃料を水蒸気改質する、請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記スイープガスが炭化水素燃料の場合には、前記改質器へ二酸化炭素吸収部から排出された前記炭化水素燃料が供給されて、前記炭化水素燃料を改質する、請求項６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、未反応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、２には、固体酸化物型燃料電池(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燃料から二酸化炭素を二酸化炭素吸収材で吸収し、これを燃料ガスとして再利用する技術が開示されている。また、特許文献１では、二酸化炭素吸収材の一例としてリチウム化ジルコニア(Ｌi2Ｚr０3やＬi4ＺrＯ4)が記載されている。
【０００４】
このように、使用済み燃料から二酸化炭素を除去するために二酸化炭素吸収材を用いた場合、二酸化炭素の吸収量には限りがあるため、二酸化炭素を吸収した二酸化炭素吸収材から二酸化炭素を放出させて二酸化炭素吸収材を再生する処理が必要となる。特許文献１では、燃料電池スタックのカソードから排出されるカソードオフガスを用いて二酸化炭素吸収材の再生を行っている。また、特許文献２では、乾燥空気を用いて二酸化炭素吸収材の再生を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３１３４０２号公報
【特許文献２】特表２００９−５０３７８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、カソードオフガスや乾燥空気には、酸素が比較的多く含まれており、これらの気体を二酸化炭素吸収材の再生（二酸化炭素吸収材からの二酸化炭素の放出）に用いると、特に高温条件下では、二酸化炭素吸収を行う容器内に残留する水素や一酸化炭素が燃焼する可能性がある。この燃焼により、容器内に急激な温度変化や圧力変化が生じ、二酸化炭素吸収材の性能劣化や容器の破損を招くことが懸念される。
【０００７】
本発明は上記事実を考慮して成されたもので、二酸化炭素吸収部における急激な温度変化や圧力変化を抑制しつつ、燃料電池の燃料極からのアノードオフガスを有効利用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】
【０００８】
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、二酸化炭素吸収材が収納された複数の二酸化炭素吸収部と、複数の前記二酸化炭素吸収部のうちの一部の前記二酸化炭素吸収部へ前記アノードオフガスを供給して該アノードオフガス中の二酸化炭素を前記二酸化炭素吸収材に吸収させて再生燃料ガスを生成すると共に、他の前記二酸化炭素吸収部へ前記カソードオフガスよりも酸素濃度が低く且つシステムの運転に用いられるガスをスイープガスとして供給して前記二酸化炭素吸収材から二酸化炭素を放出させる制御部と、を備えている。
【０００９】
請求項１記載の本発明に係る燃料電池システムでは、複数の二酸化炭素吸収部のうちの一部の二酸化炭素吸収部へ燃料電池から排出されたアノードオフガスを供給して、アノードオフガス中の二酸化炭素を二酸化炭素吸収材に吸収させて再生燃料ガスを生成する。これにより、アノードオフガス中の二酸化炭素濃度が低減されて、反応に寄与する水素及び一酸化炭素の濃度が高められているので、発電用の再生燃料ガスとして有効に再利用することができる。なお、本発明において、燃料電池は、単数であっても複数であってもよい。
【００１０】
一方、複数の二酸化炭素吸収部のうちの他の二酸化炭素吸収部へは、空気極から排出されるカソードオフガスよりも酸素濃度が低く且つシステムの運転に用いられるスイープガスを供給して前記二酸化炭素吸収材から二酸化炭素を放出させて二酸化炭素吸収材を再生する。
【００１１】
ここで、スイープガスとは、二酸化炭素を吸収した二酸化炭素吸収材から、二酸化炭素を放出させるためのガスをいう。本発明でのスイープガスは、酸素の含有量が比較的低いまたはゼロなので、二酸化炭素吸収部における残留水素、一酸化炭素の燃焼が抑制される。これにより、二酸化炭素吸収部に残留する水素や一酸化炭素の燃焼により、急激な温度変化や圧力変化が生じることを抑制できる。
【００１２】
請求項１記載の発明に係る燃料電池システムは、前記スイープガスは、前記アノードオフガス、水蒸気、及び炭化水素燃料のいずれかである。
【００１３】
燃料電池システムの運転に用いられ、酸素濃度がカソードオフガスよりも低いものとして、これらを有効に利用することができる。
【００１４】
請求項２記載の発明に係る燃料電池システムは、前記燃料電池が、前記二酸化炭素吸収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燃料極へ供給され、該再生燃料ガスにより発電する第２燃料電池と、を含んでいる。
【００１５】
請求項２記載の本発明に係る燃料電池システムでは、燃料電池から排出されたアノードオフガスが、二酸化炭素吸収部で二酸化炭素を吸収された後に、再生燃料ガスとして第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。
【００１６】
請求項３記載の発明に係る燃料電池システムは、前記制御部は、前記二酸化炭素吸収部からの前記再生燃料ガスを前記燃料極に供給する。
【００１７】
請求項３記載の本発明に係る燃料電池システムでは、燃料電池から排出されたアノードオフガスが、二酸化炭素吸収部で二酸化炭素を吸収された後に、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。
【００１８】
請求項４記載の発明に係る燃料電池システムは、前記再生燃料ガスの生成に用いられる前記二酸化炭素吸収部へ供給される前の前記アノードオフガスから水蒸気を除去する水蒸気除去部、をさらに備えている。
【００１９】
請求項４記載の本発明に係る燃料電池システムによれば、水蒸気を除去することで、二酸化炭素吸収部へ供給されるアノードオフガスの二酸化炭素分圧が高くなるので、二酸化炭素吸収材による二酸化炭素の吸収量を多くすることができる。
【００２０】
請求項５記載の発明に係る燃料電池システムは、前記二酸化炭素吸収部で二酸化炭素が吸収された後の前記アノードオフガスから水蒸気を除去する水蒸気除去部、をさらに備えている。
【００２１】
請求項５記載の発明に係る燃料電池システムによれば、二酸化炭素吸収部へ供給される前のアノードオフガスには、比較的高い濃度で水蒸気が含まれているので、二酸化炭素吸収材での吸収量が多くなるという効果を得ることができる。
【００２２】
請求項６記載の発明に係る燃料電池システムは、炭化水素燃料を改質して水素を含む前記燃料ガスを生成すると共に、前記燃料電池へ前記燃料ガスを供給する改質器、をさらに備えている。
【００２３】
請求項６記載の発明に係る燃料電池システムによれば、炭化水素燃料及び水蒸気を供給することにより、改質器で水素を含む燃料ガスを生成して、燃料電池システムを運転することができる。
【００２４】
請求項７記載の発明に係る燃料電池システムは、前記スイープガスが水蒸気の場合には、前記改質器へ前記二酸化炭素吸収部から排出された前記水蒸気が供給されて、前記炭化水素燃料を水蒸気改質する。
【００２５】
請求項７記載の発明に係る燃料電池システムによれば、二酸化炭素吸収材の再生に用いられた水蒸気を炭化水素燃料の水蒸気改質用に用いることができる。
【００２６】
請求項８記載の発明に係る燃料電池システムは、前記スイープガスが炭化水素燃料の場合には、前記改質器へ二酸化炭素吸収部から排出された前記炭化水素燃料が供給されて、前記炭化水素燃料を改質する。
【００２７】
請求項８記載の発明に係る燃料電池システムによれば、二酸化炭素吸収材の再生に用いられた炭化水素燃料を改質して燃料ガスを得ることができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明に係る燃料電池システムによれば、二酸化炭素吸収部における急激な温度変化や圧力変化を抑制しつつ、燃料電池の燃料極からのアノードオフガスを有効利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【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】二酸化炭素吸収材の温度と二酸化炭素吸収・放出との関係を示すグラフである。
【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実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。
【図５】第３実施形態の燃料電池システムの他の構成を示す概略構成図である。
【図６】第４実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。
【図７】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８】第５実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。
【図９】第５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１０】第６実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。
【図１１】第６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１２】第７実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。
【図１３】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。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
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。
【００３１】
〔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、水蒸気改質器１２、燃料電池スタック１４、第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４、燃焼器１８、及び制御部７０を備えている。
【００３２】
水蒸気改質器１２には原料ガス管２８の一端が接続されており、原料ガス管２８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２８には脱硫器によって硫黄化合物が吸着除去された原料ガス（炭化水素燃料）がガス源から供給される。ガス源から原料ガス管２８に供給された原料ガスは、不図示の熱交換器によって加熱された後、水蒸気改質器１２へ供給される。
【００３３】
水蒸気改質器１２には、水供給管２６の一端が接続されており、水供給管２６を介して水（水蒸気）が供給される。水蒸気改質器１２は加熱され、原料ガス管２８を介して供給された原料ガスを、水供給管２６を介して供給された水（水蒸気）を利用して水蒸気改質し、水素を含む６００℃程度の温度の燃料ガスＧ１を生成する。水蒸気改質器１２は、燃料電池スタック１４のアノード（燃料極）１４Ａと接続されている。水蒸気改質器１２で生成された燃料ガスＧ１は、燃料ガス管３２を介して燃料電池スタック１４のアノード（燃料極）１４Ａに供給される。
【００３４】
燃料電池スタック１４は固体酸化物型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。燃料電池スタック１４は本発明における燃料電池の一例であり、本実施形態では、作動温度が７００℃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（燃料極）１４Ａ、及びカソード（空気極）１４Ｂ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１４Ａ」「カソード１４Ｂ」と図示している。
【００３５】
燃料電池スタック１４のカソード１４Ｂには、酸化ガス（空気）を供給するための酸化ガス管３０を介して酸化ガス（空気）が供給される。カソード１４Ｂ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燃料電池スタック１４のアノード１４Ａに到達する。
【００３６】
（空気極反応）
１／２Ｏ２＋２ｅ− →Ｏ２−  …（１）
【００３７】
また、カソード１４Ｂには、カソード１４Ｂから排出されるカソードオフガスＧ２を案内するカソードオフガス管３１が接続されている。カソードオフガスＧ２の酸素濃度は、１０％〜１５％となっている。
【００３８】
一方、燃料電池スタック１４のアノード１４Ａ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１４Ａで生成された電子がアノード１４Ａから外部回路を通ってカソード１４Ｂ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】
燃料電池スタック１４のアノード１４Ａにはアノードオフガス管３４の一端が接続されており、アノードオフガス管３４には、アノード１４Ａ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、二酸化炭素及び水が含まれている。アノードオフガスＧ３には、酸素はほとんど含まれず、酸素濃度はゼロもしくは１％未満である。
【００４１】
なお、本発明の燃料電池としては、固体酸化物型の燃料電池(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)に限られるものではなく、例えば溶融炭酸塩型燃料電池(ＭＣＦＣ)であってもよい。
【００４２】
アノードオフガス管３４の途中には、分岐部４８が設けられ、分岐部４８において、２つに分岐されている。一方側は、吸収切替弁４０を介して第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４に各々接続されている。他方側は、放出切替弁４６を介して第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４に各々接続されている。以下、吸収切替弁４０側へ分岐される配管をアノードオフ吸収用ガス管３７と称し、放出切替弁４６側へ分岐される配管をアノードオフ放出用ガス管３８と称する。分岐部４８では、アノードオフガスＧ３が、一定の割合、例えば４：６の割合で、アノードオフ吸収用ガス管３７とアノードオフ放出用ガス管３８に分配される。
【００４３】
なお、吸収切替弁４０から第１二酸化炭素吸収部２２までのアノードオフ吸収用ガス管３７の符号を「３７−１」で示し、吸収切替弁４０から二酸化炭素吸収部２４までのアノードオフ吸収用ガス管３７の符号を「３７−２」で示す。さらに、放出切替弁４６から第１二酸化炭素吸収部２２までのアノードオフ放出用ガス管３８の符号を「３８−１」で示し、放出切替弁４６から二酸化炭素吸収部２４までのアノードオフ放出用ガス管３８の符号を「３８−２」で示す。
【００４４】
吸収切替弁４０は、アノードオフ吸収用ガス管３７を第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４の何れか一方と連通させることで、アノードオフ吸収用ガス管３７から供給されたアノードオフガスＧ３を第１二酸化炭素吸収部２２又は第２二酸化炭素吸収部２４へ択一的に供給する。供給されるアノードオフガスＧ３は、６５０℃程度とされている。吸収切替弁４０による配管の切り替えは制御部７０によって制御される。
【００４５】
放出切替弁４６は、アノードオフ放出用ガス管３８を第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４の何れか他方（アノードオフ吸収用ガス管３７と連通されていない方）と連通させることで、アノードオフ放出用ガス管３８から供給されたアノードオフガスＧ３を第１二酸化炭素吸収部２２又は第２二酸化炭素吸収部２４へ択一的に供給する。供給されるアノードオフガスＧ３は、不図示の熱交換器で７５０℃〜９５０℃に加熱されている。熱交換器での加熱には、後述する燃焼器１８からの燃焼排ガスＧ５を用いることができる。放出切替弁４６による配管の切り替えは制御部７０によって制御される。
【００４６】
第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４は、内部に二酸化炭素吸収材２３が収納されており、内部に導入されたガスに対して二酸化炭素吸収材２３による二酸化炭素の吸収又は放出が行われる。なお、二酸化炭素吸収材としては、例えば、Ｌi2ＺrＯ3、ＬiＦeＯ２、Ｌi4ＳiＯ4等のリチウム系複合酸化物及びＢa2ＴiＯ4の何れかを主成分とした材料を用いることができる。例えばＬi4ＳiＯ4の反応は以下の(４)式で表される。
【００４７】
Ｌi4ＳiＯ4＋ＣＯ2→Ｌi2ＳiＯ3＋Ｌi2ＣＯ3  …(４)
【００４８】
Ｌi4ＳiＯ4は、温度や二酸化炭素の分圧により、可逆的に反応の進行方向が変化する。ここで、図２には、二酸化炭素の分圧１５％程度のガスを、二酸化炭素吸収材２３として用いられるＬi4ＳiＯ4に供給した場合の、温度と二酸化炭素質量との関係が示されている。Ｌi4ＳiＯ4は、供給されるガスの二酸化炭素の分圧が１５％程度であっても、温度が６９０℃以上になると、二酸化炭素質量が下がり、吸収している二酸化炭素を放出する特性を有している。
【００４９】
アノードオフ吸収用ガス管３７から第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４へ供給されるアノードオフガスＧ３は、温度６５０℃程度で、二酸化炭素の濃度が比較的高い（１５％程度）。二酸化炭素吸収材２３が上記の特性を有していることにより、アノードオフ吸収用ガス管３７からアノードオフガスＧ３が供給された第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４は、二酸化炭素吸収材２３が二酸化炭素を吸収する環境条件となり、アノードオフガスＧ３に含まれる二酸化炭素が二酸化炭素吸収材２３によって吸収される。以下、第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４で二酸化炭素が吸収されたアノードオフガスＧ３を、「ＣＯ２除去オフガスＧ４」という。
【００５０】
一方、アノードオフ放出用ガス管３８から第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４へ供給されるアノードオフガスＧ３は、二酸化炭素の濃度については、アノードオフ吸収用ガス管３７と同じであるが、温度が７００℃〜９００℃程度の高温となっている。二酸化炭素吸収材２３が上記の特性を有していることにより、アノードオフ放出用ガス管３８からアノードオフガスＧ３が供給された第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４は、二酸化炭素吸収材２３が二酸化炭素を放出する環境条件となり、第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４では、二酸化炭素吸収材２３から二酸化炭素が放出される。このように、温度７００℃〜９００℃の高温で第１二酸化炭素吸収部２２又は第２二酸化炭素吸収部２４へ供給されるアノードオフガスＧ３は、二酸化炭素吸収材から二酸化炭素を放出させるスイープガスとして機能する。なお、以下、第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４から放出された二酸化炭素を含むアノードオフガスＧ３を、「ＣＯ２含有オフガスＧ７」という。
【００５１】
第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４のガス排出側には、回収ガス供給管３５の一端が接続されており、回収ガス供給管３５には、回収切替弁４２が設けられている。また、第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４のガス排出側には、さらに、二酸化炭素排出管３６の一端が接続されており、二酸化炭素排出管３６には、二酸化炭素排出切替弁４４が設けられている。
【００５２】
以下、第１二酸化炭素吸収部２２から回収切替弁４２までの回収ガス供給管３５の符号を「３５−１」で示し、第２二酸化炭素吸収部２４から回収切替弁４２までの回収ガス供給管３５の符号を「３５−２」で示す。また、第１二酸化炭素吸収部２２から二酸化炭素排出切替弁４４までの二酸化炭素排出管３６の符号を「３６−１」で示し、第２二酸化炭素吸収部２４から二酸化炭素排出切替弁４４までの二酸化炭素排出管３６の符号を「３６−２」で示す。
【００５３】
回収切替弁４２は、第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４のうちの一方（アノードオフ吸収用ガス管３７と連通された第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４）を回収ガス供給管３５と連通させる。二酸化炭素排出切替弁４４は、第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４のうちの他方（回収ガス供給管３５と連通しない方）を二酸化炭素排出管３６と連通させる。回収切替弁４２及び二酸化炭素排出切替弁４４による配管の切り替えは制御部７０によって制御される。  
【００５４】
回収ガス供給管３５の他端は、水蒸気改質器１２と接続されている。水蒸気改質器１２には、回収ガス供給管３５からＣＯ２除去オフガスＧ４が供給される。ＣＯ２除去オフガスＧ４は、水蒸気改質器１２を経てアノード１４Ａへ送られる。
【００５５】
二酸化炭素排出管３６の他端は、燃焼器１８と接続されている。燃焼器１８には、カソードオフガス管３１の他端も接続されている。燃焼器１８は、第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４のうちの一方から供給されたＣＯ２含有オフガスＧ７を、カソードオフガス管３１からのカソードオフガスＧ２と混合させて燃焼させる。燃焼器１８で得られた高温の燃焼排ガスＧ５は、水蒸気改質器１２内の触媒の加熱等、燃料電池システム１０Ａ内の他の各部にも、直接、間接的に供給される。
【００５６】
なお、吸収切替弁４０、回収切替弁４２、二酸化炭素排出切替弁４４、放出切替弁４６、及び制御部７０は、本発明における制御部の一例である。
【００５７】
次に、第１実施形態に係る燃料電池システム１０Ａの作用を説明する。まず、第１二酸化炭素吸収部２２でアノードオフガスＧ３の二酸化炭素吸収を行い、第２二酸化炭素吸収部２４で二酸化炭素吸収材２３からの二酸化炭素の放出を行う運転モードＭ１について説明する。
【００５８】
燃料電池システム１０Ａでは、水蒸気改質器１２に原料ガス及び水（水蒸気）が供給される。水蒸気改質器１２は加熱され、原料ガスを水蒸気を利用して水蒸気改質し、水素を含む６００℃程度の温度の燃料ガスＧ１を生成する。燃料ガスＧ１は、水蒸気改質器１２から燃料ガス管３２を介して燃料電池スタック１４のアノード１４Ａに供給される。一方、燃料電池スタック１４のカソード１４Ｂには酸化ガス(空気)が供給される。これにより、燃料電池スタック１４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スタック１４のアノード１４Ａからは未反応の水素、未反応の一酸化炭素、二酸化炭素及び水を含むアノードオフガスＧ３が排出される。
【００５９】
一方、制御部７０は、吸収切替弁４０、回収切替弁４２、放出切替弁４６、及び二酸化炭素排出切替弁４４を、以下のような開閉状態となるように制御する。吸収切替弁４０は、アノードオフ吸収用ガス管３７−１側が開放され、アノードオフ吸収用ガス管３７−２側が閉鎖される。回収切替弁４２は、回収ガス供給管３５−１側が開放され、回収ガス供給管３５−２側が閉鎖される。二酸化炭素排出切替弁４４は、二酸化炭素排出管３６−２側が開放され、二酸化炭素排出管３６−１側が閉鎖される。放出切替弁４６は、アノードオフ放出用ガス管３８−１側が閉鎖され、アノードオフ放出用ガス管３８−２側が開放される。
【００６０】
アノード１４Ａから排出された６５０℃程度のアノードオフガスＧ３は、分岐部４８において２つに分岐される。アノードオフ吸収用ガス管３７側へ分配されたアノードオフガスＧ３は、第１二酸化炭素吸収部２２へ供給される。第１二酸化炭素吸収部２２では、アノードオフガスＧ３に含まれている二酸化炭素が二酸化炭素吸収材２３に吸収される。二酸化炭素が除去されたＣＯ２除去オフガスＧ４は、第１二酸化炭素吸収部２２から排出され、回収ガス供給管３５を経て、水蒸気改質器１２へ供給され、燃料電池スタック１４での発電に再利用される。
【００６１】
一方、アノードオフ放出用ガス管３８側へ分配されたアノードオフガスＧ３は、熱交換器で７００℃〜９００℃に加熱され、第２二酸化炭素吸収部２４へ供給される。第２二酸化炭素吸収部２４では、二酸化炭素吸収材２３に吸収されていた二酸化炭素が放出される。放出された二酸化炭素を含むＣＯ２含有オフガスＧ７は、二酸化炭素排出管３６を経て燃焼器１８へ供給される。燃焼器１８では、供給されたＣＯ２除去オフガスＧ７をカソードオフガス管３１からのカソードオフガスＧ２と混合し、燃焼させる。燃焼器１８で得られた高温の燃焼排ガスＧ５は、水蒸気改質器１２内の触媒の加熱等、燃料電池システム１０Ａ内の各部に供給されて利用される。
【００６２】
上記の運転モードＭ１は、第１二酸化炭素吸収部２２に収納された二酸化炭素吸収材２３での二酸化炭素の吸収容量、第２二酸化炭素吸収部２４内の二酸化炭素吸収材２３の二酸化炭素の放出速度等に応じて定められた、所定の時間Ｔ１の間、継続される。所定時間Ｔ１の経過後、運転モードＭ２が実行される。運転モードＭ２では、第２二酸化炭素吸収部２４でアノードオフガスＧ３の二酸化炭素吸収が行われ、第１二酸化炭素吸収部２２で二酸化炭素吸収材２３からの二酸化炭素の放出が行われる。
【００６３】
制御部７０は、吸収切替弁４０、回収切替弁４２、放出切替弁４６、及び二酸化炭素排出切替弁４４の開閉状態を、以下のように制御する。吸収切替弁４０は、アノードオフ吸収用ガス管３７−１側が閉鎖され、アノードオフ吸収用ガス管３７−２側が開放される。回収切替弁４２は、回収ガス供給管３５−１側が閉鎖され、回収ガス供給管３５−２側が開放される。二酸化炭素排出切替弁４４は、二酸化炭素排出管３６−２側が閉鎖され、二酸化炭素排出管３６−１側が開放される。放出切替弁４６は、アノードオフ放出用ガス管３８−１側が開放され、アノードオフ放出用ガス管３８−２側が閉鎖される。
【００６４】
分岐部４８において２つに分岐され、アノードオフ吸収用ガス管３７側へ分配された６５０℃程度のアノードオフガスＧ３は、第２二酸化炭素吸収部２４へ供給される。第２二酸化炭素吸収部２４では、アノードオフガスＧ３に含まれている二酸化炭素が二酸化炭素吸収材２３に吸収される。二酸化炭素が除去されたＣＯ２除去オフガスＧ４は、第２二酸化炭素吸収部２４から排出され、回収ガス供給管３５を経て、水蒸気改質器１２へ供給され、燃料電池スタック１４での発電に再利用される。
【００６５】
一方、アノードオフ放出用ガス管３８側へ分配されたアノードオフガスＧ３は、熱交換器で７００℃〜９００℃に加熱され、第１二酸化炭素吸収部２２へ供給される。第１二酸化炭素吸収部２２では、二酸化炭素吸収材２３に吸収されていた二酸化炭素が放出される。放出された二酸化炭素を含むＣＯ２含有オフガスＧ７は、二酸化炭素排出管３６を経て燃焼器１８へ供給される。燃焼器１８では、供給されたＣＯ２除去オフガスＧ７をカソードオフガス管３１からのカソードオフガスＧ２と混合し、燃焼させる。燃焼器１８で得られた高温の燃焼排ガスＧ５は、水蒸気改質器１２内の触媒の加熱等、燃料電池システム１０Ａ内の各部に供給されて利用される。
【００６６】
上記の運転モードＭ２についても、第２二酸化炭素吸収部２４に収納された二酸化炭素吸収材２３での二酸化炭素の吸収容量、第１二酸化炭素吸収部２２に収納された二酸化炭素吸収材２３の二酸化炭素の放出速度等に応じて定められた、所定の時間Ｔ２の間、継続される。時間Ｔ２は、時間Ｔ１と同一に設定してもよいし、異なる時間を設定してもよい。所定時間Ｔ２の経過後、制御部７０によって、運転モードＭ１に切り替えられる。運転モードＭ１と運転モードＭ２を交互に繰り返すことにより、第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４において二酸化炭素の吸収、放出を交互に行って、燃料電池スタック１４での連続した発電を行うことができる。
【００６７】
本実施形態の燃料電池システム１０Ａでは、酸素の含有量がゼロ、または僅かに含有される程度であるアノードオフガスＧ３を高温にして、二酸化炭素吸収材２３から二酸化炭素を放出させるためのガスとして用いる。したがって、第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４に残留する水素や一酸化炭素の燃焼により、容器内に急激な温度変化や圧力変化が生じることを抑制できる。これにより、二酸化炭素吸収材２３や容器へのダメージが抑制され、これらの耐用年数を延ばすことができる。
【００６８】
また、本実施形態では、燃料電池スタック１４から排出されたアノードオフガスＧ３に含まれる未反応の水素及び一酸化炭素を再利用するので、燃料の利用効率を向上させることができる。さらに、再利用には、二酸化炭素吸収部２２、２４で二酸化炭素の濃度が低下された後の、ＣＯ２除去オフガスＧ４が用いられるので、ＣＯ２を除去しないアノードオフガスＧ３を再利用する場合と比較して、燃料電池スタック１４での発電効率を高めることができる。
【００６９】
なお、燃料電池システム１０Ａは請求項４、７の発明に係る燃料電池システムの一例である。また、本実施形態では、改質器１２として水蒸気改質を行うものを例に説明したが、他にも、部分酸化改質、シフト反応改質、二酸化炭素改質などを行う他の改質器により、水素と一酸化炭素を生成してもよい。
【００７０】
〔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。
【００７１】
図３には、本第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燃料電池スタック５０が設けられている点が主に相違している。本実施形態では、第１実施形態の燃料電池スタック１４と同一の燃料電池スタックを、第１燃料電池スタック１５と称する。
【００７２】
第１燃料電池スタック１５のアノード１４Ａの下流側には、分岐部４８は設けられず、アノードオフガス管３４が吸収切替弁４０を介して第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４に各々接続されている。なお、吸収切替弁４０から第１二酸化炭素吸収部２２までのアノードオフガス管３４の符号を「３４−１」で示し、吸収切替弁４０から二酸化炭素吸収部２４までのアノードオフガス管３４の符号を「３４−２」で示す。第１二酸化炭素吸収部２２又は第２二酸化炭素吸収部２４へ供給されるアノードオフガスＧ３は、６５０℃程度である。
【００７３】
回収ガス供給管３５の他端は、後述する第２燃料電池スタック５０のアノード５０Ａと接続されている。アノード５０Ａには、回収ガス供給管３５からＣＯ２除去オフガスＧ４が供給される。
【００７４】
第２燃料電池スタック５０は、第１燃料電池スタック１５と同様に、アノード５０Ａ、カソード５０Ｂを有している。アノード５０Ａには、回収ガス供給管３５の他端が接続され、第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４から排出されたＣＯ２除去オフガスＧ４がアノード５０Ａへ供給される。また、カソード５０Ｂには、カソードオフガス管３１が接続されており、カソード１４Ｂから排出されるカソードオフガスＧ２がカソード５０Ｂへ供給される。
【００７５】
第２燃料電池スタック５０のアノード５０Ａ、カソード５０Ｂでは、各々、第１燃料電池スタック１５と同様の作動原理により、発電が行われる。なお、本実施形態では、第２燃料電池スタック５０は、固体酸化物型の燃料電池スタックであるが、これに代えて、溶融炭酸塩型の燃料電池スタックを設けてもよい。
【００７６】
第２燃料電池スタック５０のアノード５０Ａの出口側には、第２アノードオフガス管５８の一端が接続されている。アノード５０Ａから排出された第２アノードオフガスＧ６は、放出切替弁４６を介して第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４と接続されている。第２アノードオフガスＧ６は、放出切替弁４６よりも上流側で、不図示の熱交換器により７５０℃〜９００℃に加熱される。
【００７７】
第２燃料電池スタック５０のカソード５０Ｂには、燃焼供給ガス管３９の一端が接続されており、燃焼供給ガス管３９の他端は燃焼器１８に接続されて、カソードオフガスＧ２が燃焼器１８へ供給される。第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４から放出されて燃焼器１８へ供給されたＣＯ２含有オフガスＧ７は、カソード５０Ｂから排出されたカソードオフガスＧ２と混合されて、燃焼器１８で燃焼される。
【００７８】
次に第２実施形態に係る燃料電池システム１０Ｂの作用を説明する。
【００７９】
第２実施形態においても、運転モードＭ１−２と運転モードＭ２−２とが交互に行われる。運転モードＭ１−２では、第１二酸化炭素吸収部２２でアノードオフガスＧ３の二酸化炭素吸収が行われ、第２二酸化炭素吸収部２４で二酸化炭素吸収材２３からの二酸化炭素の放出が行われる。運転モードＭ２−２では、第２二酸化炭素吸収部２４でアノードオフガスＧ３の二酸化炭素吸収が行われ、第１二酸化炭素吸収部２２で二酸化炭素吸収材２３からの二酸化炭素の放出が行われる。
【００８０】
運転モードＭ１−２では、アノードオフガスＧ３は、第１二酸化炭素吸収部２２へ供給される。第１二酸化炭素吸収部２２によって二酸化炭素濃度が低減されたＣＯ２除去オフガスＧ４は、回収ガス供給管３５を経て第２燃料電池スタック５０のアノード５０Ａへ供給される。カソード５０Ｂへは、第１燃料電池スタック１５のカソード５０Ｂから排出されたカソードオフガスＧ２が供給される。第２燃料電池スタック５０では、ＣＯ２除去オフガスＧ４を燃料として、発電が行われる。
【００８１】
第２燃料電池スタック５０のアノード５０Ａから排出された第２アノードオフガスＧ６は、加熱された後、放出切替弁４６を介して第２二酸化炭素吸収部２４へ供給される。第２二酸化炭素吸収部２４では、加熱された第２アノードオフガスＧ６の供給によって二酸化炭素吸収材２３の再生（二酸化炭素の放出）が行われる。
【００８２】
一方、運転モードＭ２−２では、アノードオフガスＧ３は、第２二酸化炭素吸収部２４へ供給される。第２二酸化炭素吸収部２４によって二酸化炭素濃度が低減されたＣＯ２除去オフガスＧ４は、回収ガス供給管３５を経て第２燃料電池スタック５０のアノード５０Ａへ供給される。カソード５０Ｂへは、第１燃料電池スタック１５のカソード５０Ｂから排出されたカソードオフガスＧ２が供給される。第２燃料電池スタック５０では、ＣＯ２除去オフガスＧ４を燃料として、発電が行われる。
【００８３】
第２燃料電池スタック５０のアノード５０Ａから排出された第２アノードオフガスＧ６は、加熱された後、放出切替弁４６を介して第１二酸化炭素吸収部２２へ供給される。第１二酸化炭素吸収部２２では、加熱された第２アノードオフガスＧ６の供給によって二酸化炭素吸収材２３の再生（二酸化炭素の放出）が行われる。
【００８４】
本第２実施形態に係る燃料電池システム１０Ｂでは、ＣＯ２除去オフガスＧ４に含まれる未反応の水素及び一酸化炭素を燃料ガスとして発電する第２燃料電池スタック５０を設けたので、燃料の利用効率を向上させることができる。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。
【００８５】
なお、燃料電池システム１０Ｂは請求項３、７の発明に係る燃料電池システムの一例である。
【００８６】
〔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。
【００８７】
図４には、本第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、第１燃料電池スタック１５のアノード１４Ａと吸収切替弁４０の間に水蒸気除去部５２が設けられている点が相違している。
【００８８】
水蒸気除去部５２は、水蒸気分離膜を備えており、アノード１４Ａから排出されたアノードオフガスＧ３から水蒸気を除去する。水蒸気分離膜としては、高分子系、高分子−無機分子ハイブリッド膜、ゼオライト系のものを用いることができる。水蒸気除去部５２では、水蒸気分離膜による水蒸気分離が可能な温度に、アノードオフガスＧ３が冷却される。なお、水蒸気は、水蒸気分離膜を使用しないで、温度を下げて凝縮させることにより除去してもよい。
【００８９】
水蒸気除去部５２を経て水蒸気濃度が低減されたアノードオフガスＧ３は、不図示の熱交換器で６５０℃程度に加熱され、吸収切替弁４０を経て第１二酸化炭素吸収部２２又は第２二酸化炭素吸収部２４へ送られる。第１二酸化炭素吸収部２２又は第２二酸化炭素吸収部２４で二酸化炭素濃度が低減されたＣＯ２除去オフガスＧ４は、回収ガス供給管３５を経て第２燃料電池スタック５０のアノード５０Ａへ供給され、第２燃料電池スタック５０での発電に用いられる。
【００９０】
本第３実施形態によれば、アノードオフガスＧ３に含まれる水蒸気を低減させ、反応に寄与する燃料ガス（水素や一酸化炭素）の濃度を高めた再生燃料ガスが、第２燃料電池スタック５０へ供給される。したがって、第２燃料電池スタック５０で効率よく発電を行うことができる。
【００９１】
また、第１二酸化炭素吸収部２２又は第２二酸化炭素吸収部２４へ供給するアノードオフガスＧ３の二酸化炭素濃度を高めることができるので、第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４での二酸化炭素の吸収量を多くすることができる。また、燃料電池システム１０Ｃは、その他の第２実施形態と同様の効果を奏することもできる。
【００９２】
なお、上記では、第１燃料電池スタック１５のアノード１４Ａと吸収切替弁４０の間に水蒸気除去部５２を設けたが、図５に示されるように、水蒸気除去部５２を第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４と第２燃料電池スタック５０の間に設ける燃料電池システム１０Ｄとしてもよい。このように、水蒸気除去部５２による水蒸気除去を、二酸化炭素濃度が低減されたＣＯ２除去オフガスＧ４に対して行う場合には、水蒸気除去のために冷却する冷却対象ガス、及び、冷却後に再加熱する加熱対象ガスから二酸化炭素が低減されており、加熱するガスの量が少ない。したがって、加熱に要する熱量を少なくすることができ、熱効率を向上させることができる。
【００９３】
なお、燃料電池システム１０Ｃは、請求項５記載の発明に係る燃料電池システムの一例であり、燃料電池システム１０Ｄは、請求項６記載の発明に係る燃料電池システムの一例である。
【００９４】
〔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〜第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。
【００９５】
図６には、本第４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１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４の二酸化炭素吸収材２３から二酸化炭素を放出させる気体が炭化水素燃料ガスである点が主として相違している。
【００９６】
水蒸気改質器１２には、原料ガス管２８は接続されず、後述するパージ後燃料ガス供給管６０が接続されている。パージ後燃料ガス供給管６０から水蒸気改質器１２へは、後述する二酸化炭素含有燃料ガスＧ８が供給される。
【００９７】
アノードオフガス管３４の途中に設けられた分岐部４８において、２つに分岐された一方側は、吸収切替弁４０を介して第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４に各々接続されている。他方側は、燃焼用ガス供給管６２として、燃焼器１８に接続されている。
【００９８】
放出切替弁４６には、原料ガス管２８が接続されている。原料ガス管２８からは、７００℃〜９００℃の高温の炭化水素燃料ガスＧ９が、第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４に供給される。炭化水素燃料ガスＧ９の酸素濃度は、カソードオフガスＧ２の酸素濃度よりも低く、ゼロまたは１％未満である。以下、放出切替弁４６から第１二酸化炭素吸収部２２までの原料ガス管２８の符号を「２８−１」で示し、放出切替弁４６から第２二酸化炭素吸収部２４までの原料ガス管２８の符号を「２８−２」で示す。放出切替弁４６は、原料ガス管２８を第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４の何れか他方（アノードオフガス管３４と連通されていない方）と連通させることで、原料ガス管２８から供給された炭化水素燃料ガスＧ９を第１二酸化炭素吸収部２２又は第２二酸化炭素吸収部２４へ択一的に供給する。
【００９９】
炭化水素燃料ガスＧ９が供給された第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４は、二酸化炭素吸収材２３が二酸化炭素を放出する環境条件となり、第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４では、二酸化炭素吸収材２３から二酸化炭素が放出される。以下、第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４から放出された二酸化炭素を含む炭化水素燃料ガスＧ９を、「二酸化炭素含有燃料ガスＧ８」という。
【０１００】
第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４のガス排出側には、パージ後燃料ガス供給管６０の一端が接続されており、パージ後燃料ガス供給管６０には、二酸化炭素排出切替弁４４が設けられている。以下、第１二酸化炭素吸収部２２から二酸化炭素排出切替弁４４までのパージ後燃料ガス供給管６０の符号を「６０−１」で示し、第２二酸化炭素吸収部２４から二酸化炭素排出切替弁４４までのパージ後燃料ガス供給管６０の符号を「６０−２」で示す。
【０１０１】
パージ後燃料ガス供給管６０の他端は、水蒸気改質器１２と接続されている。水蒸気改質器１２へは、パージ後燃料ガス供給管６０から二酸化炭素含有燃料ガスＧ８が供給される。
【０１０２】
水蒸気改質器１２では、供給された二酸化炭素含有燃料ガスＧ８を、水供給管２６を介して供給された水（水蒸気）を利用して水蒸気改質し、水素を含む６００℃程度の温度の燃料ガスＧ１を生成する。水蒸気改質器１２は、燃料電池スタック１４のアノード１４Ａと接続されており、燃料ガスＧ１を、燃料ガス管３２を介して燃料電池スタック１４のアノード１４Ａへ供給する。
【０１０３】
次に、第４実施形態に係る燃料電池システム１０Ａの作用を説明する。本実施形態においても、運転モードＭ１−４と運転モードＭ２−４とが交互に行われる。運転モードＭ１−４では、第１二酸化炭素吸収部２２でアノードオフガスＧ３の二酸化炭素吸収が行われ、第２二酸化炭素吸収部２４で二酸化炭素吸収材２３からの二酸化炭素の放出が行われる。運転モードＭ２−２では、第２二酸化炭素吸収部２４でアノードオフガスＧ３の二酸化炭素吸収が行われ、第１二酸化炭素吸収部２２で二酸化炭素吸収材２３からの二酸化炭素の放出が行われる。
【０１０４】
分岐部４８でアノードオフ吸収用ガス管３７側へ分配された６５０℃程度のアノードオフガスＧ３は、第１二酸化炭素吸収部２２へ供給される。第１二酸化炭素吸収部２２では、アノードオフガスＧ３に含まれている二酸化炭素が二酸化炭素吸収材２３に吸収される。二酸化炭素が除去されたＣＯ２除去オフガスＧ４は、第１二酸化炭素吸収部２２から排出され、回収ガス供給管３５を経て、水蒸気改質器１２へ供給され、燃料電池スタック１４での発電に再利用される。一方、燃焼用ガス供給管６２側へ分配されたアノードオフガスＧ３は、燃焼器１８へ供給され、カソードオフガスＧ２と混合され燃焼される。燃焼器１８で得られた高温の燃焼排ガスＧ５は、水蒸気改質器１２内の触媒の加熱等、燃料電池システム１０Ｅ内の各部に供給されて利用される。
【０１０５】
７００℃〜９００℃に加熱された炭化水素燃料ガスＧ９は、第２二酸化炭素吸収部２４へ供給される。第２二酸化炭素吸収部２４では、二酸化炭素吸収材２３に吸収されていた二酸化炭素が放出される。放出された二酸化炭素を含む二酸化炭素含有燃料ガスＧ８は、パージ後燃料ガス供給管６０を経て水蒸気改質器１２へ供給される。水蒸気改質器１２では、水（水蒸気）を利用して二酸化炭素含有燃料ガスＧ８を水蒸気改質し、水素を含む６００℃程度の温度の燃料ガスＧ１を生成する。
【０１０６】
上記の運転モードＭ１−４は、第１二酸化炭素吸収部２２に収納された二酸化炭素吸収材２３での二酸化炭素の吸収容量、第２二酸化炭素吸収部２４内の二酸化炭素吸収材２３の二酸化炭素の放出速度等に応じて定められた、所定の時間Ｔ１−４の間、継続される。所定時間Ｔ１−４の経過後、運転モードＭ２−４が実行される。運転モードＭ２−４では、第２二酸化炭素吸収部２４でアノードオフガスＧ３の二酸化炭素吸収が行われ、第１二酸化炭素吸収部２２で二酸化炭素吸収材２３からの二酸化炭素の放出が行われる。
【０１０７】
分岐部４８でアノードオフ吸収用ガス管３７側へ分配された６５０℃程度のアノードオフガスＧ３は、第２二酸化炭素吸収部２４へ供給される。第１二酸化炭素吸収部２２では、アノードオフガスＧ３に含まれている二酸化炭素が二酸化炭素吸収材２３に吸収される。二酸化炭素が除去されたＣＯ２除去オフガスＧ４は、第２二酸化炭素吸収部２４から排出され、回収ガス供給管３５を経て、水蒸気改質器１２へ供給され、燃料電池スタック１４での発電に再利用される。
【０１０８】
一方、熱交換器で７００℃〜９００℃に加熱された炭化水素燃料ガスＧ９は、第１二酸化炭素吸収部２２へ供給される。第１二酸化炭素吸収部２２では、二酸化炭素吸収材２３に吸収されていた二酸化炭素が放出される。放出された二酸化炭素を含む二酸化炭素含有燃料ガスＧ８は、パージ後燃料ガス供給管６０を経て水蒸気改質器１２へ供給される。水蒸気改質器１２では、水（水蒸気）を利用して二酸化炭素含有燃料ガスＧ８を水蒸気改質し、水素を含む６００℃程度の温度の燃料ガスＧ１を生成する。
【０１０９】
上記の運転モードＭ２−４についても、第２二酸化炭素吸収部２４に収納された二酸化炭素吸収材２３での二酸化炭素の吸収容量、第１二酸化炭素吸収部２２に収納された二酸化炭素吸収材２３の二酸化炭素の放出速度等に応じて定められた、所定の時間Ｔ２−４の間、継続される。所定時間Ｔ２−４の経過後、制御部７０によって、運転モードＭ１−４に切り替えられる。運転モードＭ１−４と運転モードＭ２−４を交互に繰り返すことにより、第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４において二酸化炭素の吸収、放出を交互に行って、燃料電池スタック１４での連続した発電を行うことができる。
【０１１０】
本実施形態の燃料電池システム１０Ｅでは、酸素の含有量がゼロまたは１％未満である炭化水素燃料ガスＧ９を高温にして、二酸化炭素吸収材２３から二酸化炭素を放出させるためのガス（スイープガス）として用いる。したがって、第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４に残留する水素や一酸化炭素の燃焼により、容器内に急激な温度変化や圧力変化が生じることを抑制できる。これにより、二酸化炭素吸収材２３や容器へのダメージが抑制され、これらの耐用年数を延ばすことができる。
【０１１１】
また、本実施形態では、燃料電池スタック１４から排出されたアノードオフガスＧ３に含まれる未反応の水素及び一酸化炭素を再利用するので、燃料の利用効率を向上させることができる。さらに、再利用には、二酸化炭素吸収部２２、２４で二酸化炭素の濃度が低下された後の、ＣＯ２除去オフガスＧ４が用いられるので、ＣＯ２を除去しないアノードオフガスＧ３を再利用する場合と比較して、燃料電池スタック１４での発電効率を高めることができる。
【０１１２】
なお、本実施形態では、改質器として、水蒸気改質器１２を用いたが、図７に示すように、改質器として、二酸化炭素改質器１２Ａを用いた燃料電池システム１０Ｆとしてもよい。この場合には、改質用の水が不要となるため、二酸化炭素改質器１２Ａに水供給管２６は接続されていない。
【０１１３】
なお、燃料電池システム１０Ｅ、１０Ｆは請求項４、請求項９の発明に係る燃料電池システムの一例である。
【０１１４】
〔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〜第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。
【０１１５】
図８には、本第５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４実施形態で説明した燃料電池システム１０Ｆと比較して、第２燃料電池スタック５０が設けられている点が主に相違している。
【０１１６】
本実施形態では、第２実施形態と同様の、第１燃料電池スタック１５及び第２燃料電池スタック５０を備えている。第２燃料電池スタック５０のアノード５０Ａには、回収ガス供給管３５の他端が接続され、第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４から排出されたＣＯ２除去オフガスＧ４は、アノード５０Ａへ供給される。また、カソード５０Ｂには、カソードオフガス管３１が接続されており、カソード１４Ｂから排出されるカソードオフガスＧ２がカソード５０Ｂへ供給される。
【０１１７】
アノード５０Ａの出口側には、第２アノードオフガス管５８の一端が接続されている。第２アノードオフガス管５８の他端は、燃焼器１８に接続されている。アノード５０Ａから排出された第２アノードオフガスＧ６は、燃焼器１８へ供給される。
【０１１８】
次に第５実施形態に係る燃料電池システム１０Ｇの作用を説明する。
【０１１９】
本実施形態においても、運転モードＭ１−５と運転モードＭ２−５とが交互に行われる。運転モードＭ１−５では、第１二酸化炭素吸収部２２でアノードオフガスＧ３の二酸化炭素吸収が行われ、第２二酸化炭素吸収部２４で二酸化炭素吸収材２３からの二酸化炭素の放出が行われる。運転モードＭ２−５では、第２二酸化炭素吸収部２４でアノードオフガスＧ３の二酸化炭素吸収が行われ、第１二酸化炭素吸収部２２で二酸化炭素吸収材２３からの二酸化炭素の放出が行われる。
【０１２０】
本実施形態では、第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４で二酸化炭素が除去された後のＣＯ２除去オフガスＧ４は、回収ガス供給管３５を経て第２燃料電池スタック５０のアノード５０Ａへ供給され、発電に供される。アノード５０Ａから排出された第２アノードオフガスＧ６は燃焼器１８へ供給され、カソード５０Ｂから排出されるカソードオフガスＧ２と混合され、燃焼される。その他の作用については、第４実施形態と同様である。
【０１２１】
本第５実施形態に係る燃料電池システム１０Ｇでは、ＣＯ２除去オフガスＧ４に含まれる未反応の水素及び一酸化炭素を燃料ガスとして発電する第２燃料電池スタック５０を設けたので、燃料の利用効率を向上させることができる。また、燃料電池システム１０Ｇは、その他の第４実施形態と同様の効果を奏することもできる。
【０１２２】
なお、本実施形態では、改質器として、水蒸気改質器１２を用いたが、図９に示すように、改質器として、二酸化炭素改質器１２Ａを用いた燃料電池システム１０Ｈとしてもよい。この場合には、改質用の水が不要となるため、二酸化炭素改質器１２Ａに水供給管２６は接続されていない。
【０１２３】
なお、燃料電池システム１０Ｇ、１０Ｈは請求項３、請求項９の発明に係る燃料電池システムの一例である。
【０１２４】
〔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〜第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。
【０１２５】
図１０には、本第６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１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４の二酸化炭素吸収材２３から二酸化炭素を放出させる気体（スイープガス）が水蒸気である点が主として相違している。
【０１２６】
水蒸気改質器１２には、水供給管２６は接続されず、後述するパージ後水蒸気供給管６４が接続されている。パージ後水蒸気供給管６４から水蒸気改質器１２へは、後述する二酸化炭素含有水蒸気Ｇ１２が供給される。
【０１２７】
アノードオフガス管３４の途中に設けられた分岐部４８において、２つに分岐された一方側は、吸収切替弁４０を介して第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４に各々接続されている。他方側は、燃焼用ガス供給管６２として、燃焼器１８に接続されている。
【０１２８】
放出切替弁４６には、水供給管２６が接続されている。水供給管２６からは、７００℃〜９００℃の高温の水蒸気Ｇ１３が、第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４に供給される。水蒸気Ｇ１３の酸素濃度は、カソードオフガスＧ２よりも低く、１％以下となっている。以下、放出切替弁４６から第１二酸化炭素吸収部２２までの水供給管２６の符号を「２６−１」で示し、放出切替弁４６から第２二酸化炭素吸収部２４までの水供給管２６の符号を「２６−２」で示す。放出切替弁４６は、水供給管２６を第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４の何れか他方（アノードオフガス管３４と連通されていない方）と連通させることで、水供給管２６から供給された水蒸気Ｇ１３を第１二酸化炭素吸収部２２又は第２二酸化炭素吸収部２４へ択一的に供給する。
【０１２９】
水蒸気Ｇ１３が供給された第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４は、二酸化炭素吸収材２３が二酸化炭素を放出する環境条件となり、第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４では、二酸化炭素吸収材２３から二酸化炭素が放出される。ここでの水蒸気Ｇ１３は、スイープガスとして機能する。なお、以下、第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４から放出された二酸化炭素を含む水蒸気Ｇ１３を、「二酸化炭素含有水蒸気Ｇ１２」という。
【０１３０】
第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４のガス排出側には、パージ後水蒸気供給管６４の一端が接続されており、パージ後水蒸気供給管６４には、二酸化炭素排出切替弁４４が設けられている。以下、第１二酸化炭素吸収部２２から二酸化炭素排出切替弁４４までのパージ後水蒸気供給管６４の符号を「６４−１」で示し、第２二酸化炭素吸収部２４から二酸化炭素排出切替弁４４までのパージ後水蒸気供給管６４の符号を「６４−２」で示す。
【０１３１】
パージ後水蒸気供給管６４の他端は、水蒸気改質器１２と接続されている。水蒸気改質器１２へは、パージ後水蒸気供給管６４から二酸化炭素含有水蒸気Ｇ１２が供給される。
【０１３２】
水蒸気改質器１２では、原料ガス管２８から供給された原料ガス（炭化水素燃料）を、二酸化炭素含有水蒸気Ｇ１２を利用して水蒸気改質し、水素を含む６００℃程度の温度の燃料ガスＧ１を生成する。水蒸気改質器１２は、燃料電池スタック１４のアノード１４Ａと接続されており、燃料ガスＧ１を、燃料ガス管３２を介して燃料電池スタック１４のアノード１４Ａへ供給する。
【０１３３】
次に、第６実施形態に係る燃料電池システム１０Ａの作用を説明する。本実施形態においても、運転モードＭ１−６と運転モードＭ２−６とが交互に行われる。運転モードＭ１−６では、第１二酸化炭素吸収部２２でアノードオフガスＧ３の二酸化炭素吸収が行われ、第２二酸化炭素吸収部２４で二酸化炭素吸収材２３からの二酸化炭素の放出が行われる。運転モードＭ２−６では、第２二酸化炭素吸収部２４でアノードオフガスＧ３の二酸化炭素吸収が行われ、第１二酸化炭素吸収部２２で二酸化炭素吸収材２３からの二酸化炭素の放出が行われる。
【０１３４】
分岐部４８でアノードオフ吸収用ガス管３７側へ分配されたアノードオフガスＧ３は、熱交換器で６５０℃程度に冷却され、第１二酸化炭素吸収部２２へ供給される。第１二酸化炭素吸収部２２では、アノードオフガスＧ３に含まれている二酸化炭素が二酸化炭素吸収材２３に吸収される。二酸化炭素が除去されたＣＯ２除去オフガスＧ４は、第１二酸化炭素吸収部２２から排出され、回収ガス供給管３５を経て、水蒸気改質器１２へ供給され、燃料電池スタック１４での発電に再利用される。一方、燃焼用ガス供給管６２側へ分配されたアノードオフガスＧ３は、燃焼器１８へ供給され、カソードオフガスＧ２と混合され燃焼される。燃焼器１８で得られた高温の燃焼排ガスＧ５は、水蒸気改質器１２内の触媒の加熱等、燃料電池システム１０Ｉ内の各部に供給されて利用される。
【０１３５】
７００℃〜９００℃に加熱された水蒸気Ｇ１３は、第２二酸化炭素吸収部２４へ供給される。第２二酸化炭素吸収部２４では、二酸化炭素吸収材２３に吸収されていた二酸化炭素が放出される。放出された二酸化炭素を含む二酸化炭素含有水蒸気Ｇ１２は、パージ後水蒸気供給管６４を経て水蒸気改質器１２へ供給される。水蒸気改質器１２では、この水蒸気を利用して、原料ガスを水蒸気改質し、水素を含む６００℃程度の温度の燃料ガスＧ１を生成する。
【０１３６】
上記の運転モードＭ１−６は、第１二酸化炭素吸収部２２に収納された二酸化炭素吸収材２３での二酸化炭素の吸収容量、第２二酸化炭素吸収部２４内の二酸化炭素吸収材２３の二酸化炭素の放出速度等に応じて定められた、所定の時間Ｔ１−６の間、継続される。所定時間Ｔ１−６の経過後、運転モードＭ２−６が実行される。運転モードＭ２−６では、第２二酸化炭素吸収部２４でアノードオフガスＧ３の二酸化炭素吸収が行われ、第１二酸化炭素吸収部２２で二酸化炭素吸収材２３からの二酸化炭素の放出が行われる。
【０１３７】
分岐部４８でアノードオフ吸収用ガス管３７側へ分配された６５０℃程度のアノードオフガスＧ３は、第２二酸化炭素吸収部２４へ供給される。第１二酸化炭素吸収部２２では、アノードオフガスＧ３に含まれている二酸化炭素が二酸化炭素吸収材２３に吸収される。二酸化炭素が除去されたＣＯ２除去オフガスＧ４は、第２二酸化炭素吸収部２４から排出され、回収ガス供給管３５を経て、水蒸気改質器１２へ供給され、燃料電池スタック１４での発電に再利用される。
【０１３８】
一方、熱交換器で７００℃〜９００℃に加熱された水蒸気Ｇ１３は、第１二酸化炭素吸収部２２へ供給される。第１二酸化炭素吸収部２２では、二酸化炭素吸収材２３に吸収されていた二酸化炭素が放出される。放出された二酸化炭素を含む二酸化炭素含有水蒸気Ｇ１３は、パージ後水蒸気供給管６４を経て水蒸気改質器１２へ供給される。水蒸気改質器１２では、この水蒸気を利用して原料ガスを水蒸気改質し、水素を含む６００℃程度の温度の燃料ガスＧ１を生成する。
【０１３９】
上記の運転モードＭ２−６についても、第２二酸化炭素吸収部２４に収納された二酸化炭素吸収材２３での二酸化炭素の吸収容量、第１二酸化炭素吸収部２２に収納された二酸化炭素吸収材２３の二酸化炭素の放出速度等に応じて定められた、所定の時間Ｔ２−６の間、継続される。所定時間Ｔ２−６の経過後、制御部７０によって、運転モードＭ１−６に切り替えられる。運転モードＭ１−６と運転モードＭ２−６を交互に繰り返すことにより、第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４において二酸化炭素の吸収、放出を交互に行って、燃料電池スタック１４での連続した発電を行うことができる。
【０１４０】
本実施形態の燃料電池システム１０Ｅでは、酸素の含有量がゼロ、または僅かに含有される程度である水蒸気Ｇ１３を高温にして、二酸化炭素吸収材２３から二酸化炭素を放出させるためのガスとして用いる。したがって、第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４に残留する水素や一酸化炭素の燃焼により、容器内に急激な温度変化や圧力変化が生じることを抑制できる。これにより、二酸化炭素吸収材２３や容器へのダメージが抑制され、これらの耐用年数を延ばすことができる。
【０１４１】
また、本実施形態では、燃料電池スタック１４から排出されたアノードオフガスＧ３に含まれる未反応の水素及び一酸化炭素を再利用するので、燃料の利用効率を向上させることができる。さらに、再利用には、二酸化炭素吸収部２２、２４で二酸化炭素の濃度が低下された後の、ＣＯ２除去オフガスＧ４が用いられるので、ＣＯ２を除去しないアノードオフガスＧ３を再利用する場合と比較して、燃料電池スタック１４での発電効率を高めることができる。
【０１４２】
なお、本実施形態では、改質器として、水蒸気改質器１２を用いたが、図１１に示すように、改質器として、二酸化炭素改質器１２Ａを用いた燃料電池システム１０Ｊとしてもよい。この場合には、改質用の水が不要となる。そこで、二酸化炭素排出切替弁４４と二酸化炭素改質器１２Ａの間に、水蒸気除去部５２を設けて二酸化炭素含有水蒸気Ｇ１２から水蒸気を除去する。水蒸気除去部５２から二酸化炭素改質器１２Ａへは、水蒸気が除去された二酸化炭素を多く含む水蒸気除去二酸化炭素ガスＧ１４が供給され、水蒸気除去二酸化炭素ガスＧ１４を用いて、原料ガスの改質が行われる。
【０１４３】
なお、燃料電池システム１０Ｉ、１０Ｊは請求項４、請求項８の発明に係る燃料電池システムの一例である。
【０１４４】
〔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〜第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。
【０１４５】
図１２には、本第７実施形態に係る燃料電池システム１０Ｋが示されている。燃料電池システム１０Ｋは、第６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燃料電池スタック５０が設けられている点が主に相違している。
【０１４６】
本実施形態では、第２実施形態と同様の、第１燃料電池スタック１５及び第２燃料電池スタック５０を備えている。第２燃料電池スタック５０のアノード５０Ａには、回収ガス供給管３５の他端が接続され、第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４から排出されたＣＯ２除去オフガスＧ４は、アノード５０Ａへ供給される。また、カソード５０Ｂには、カソードオフガス管３１が接続されており、カソード１４Ｂから排出されるカソードオフガスＧ２がカソード５０Ｂへ供給される。
【０１４７】
アノード５０Ａの出口側には、第２アノードオフガス管５８の一端が接続されている。第２アノードオフガス管５８の他端は、燃焼器１８に接続されている。アノード５０Ａから排出された第２アノードオフガスＧ６は、燃焼器１８へ供給される。
【０１４８】
次に第７実施形態に係る燃料電池システム１０Ｋの作用を説明する。
【０１４９】
本実施形態においても、運転モードＭ１−７と運転モードＭ２−７とが交互に行われる。運転モードＭ１−７では、第１二酸化炭素吸収部２２でアノードオフガスＧ３の二酸化炭素吸収が行われ、第２二酸化炭素吸収部２４で二酸化炭素吸収材２３からの二酸化炭素の放出が行われる。運転モードＭ２−７では、第２二酸化炭素吸収部２４でアノードオフガスＧ３の二酸化炭素吸収が行われ、第１二酸化炭素吸収部２２で二酸化炭素吸収材２３からの二酸化炭素の放出が行われる。
【０１５０】
本実施形態では、第１二酸化炭素吸収部２２、第２二酸化炭素吸収部２４で二酸化炭素が除去された後のＣＯ２除去オフガスＧ４は、回収ガス供給管３５を経て第２燃料電池スタック５０のアノード５０Ａへ供給され、発電に供される。アノード５０Ａから排出された第２アノードオフガスＧ６は燃焼器１８へ供給され、カソード５０Ｂから排出されるカソードオフガスＧ２と混合され、燃焼される。その他の作用については、第６実施形態と同様である。
【０１５１】
本第７実施形態に係る燃料電池システム１０Ｋでは、ＣＯ２除去オフガスＧ４に含まれる未反応の水素及び一酸化炭素を燃料ガスとして発電する第２燃料電池スタック５０を設けたので、燃料の利用効率を向上させることができる。また、燃料電池システム１０Ｋは、その他の第７実施形態と同様の効果を奏することもできる。
【０１５２】
なお、本実施形態では、改質器として、水蒸気改質器１２を用いたが、図１３に示すように、改質器として、二酸化炭素改質器１２Ａを用いた燃料電池システム１０Ｌとしてもよい。この場合には、改質用の水が不要となるので、第６実施形態と同様に、二酸化炭素排出切替弁４４と二酸化炭素改質器１２Ａの間に、水蒸気除去部５２を設けて二酸化炭素含有水蒸気Ｇ１２から水蒸気を除去する。水蒸気除去部５２から二酸化炭素改質器１２Ａへは、水蒸気が除去された二酸化炭素を多く含む水蒸気除去二酸化炭素ガスＧ１４が供給され、水蒸気除去二酸化炭素ガスＧ１４を用いて、原料ガスの改質が行われる。ここでの水蒸気は、凝縮して装置内の冷却などに用いることができる。
【０１５３】
なお、燃料電池システム１０Ｋ、１０Ｌは請求項３、請求項８の発明に係る燃料電池システムの一例である。
【符号の説明】
【０１５４】
１０Ａ〜１０Ｌ  燃料電池システム
１２   水蒸気改質器（改質器）、  １２Ａ  二酸化炭素改質器（改質器）
１４Ａ、５０Ａ  アノード（燃料極）
１４   燃料電池スタック
１５  第１燃料電池スタック、  ５０  第２燃料電池スタック
１８   燃焼器、  ２２  第１二酸化炭素吸収部
２３   第１二酸化炭素吸収材、  ２４  第２二酸化炭素吸収部
４４   二酸化炭素排出切替弁、  ４６  放出切替弁、  ５２  水蒸気除去部
７０   制御部、  Ｇ１  燃料ガス、  Ｇ３  アノードオフガス、  Ｇ５  燃焼排ガス
Ｇ９  炭化水素燃料ガス、    Ｇ１３  水蒸気
【図１】
0006470633.tif 000002
【図２】
0006470633.tif 000003
【図３】
0006470633.tif 000004
【図４】
0006470633.tif 000005
【図５】
0006470633.tif 000006
【図６】
0006470633.tif 000007
【図７】
0006470633.tif 000008
【図８】
0006470633.tif 000009
【図９】
0006470633.tif 000010
【図１０】
0006470633.tif 000011
【図１１】
0006470633.tif 000012
【図１２】
0006470633.tif 000013
【図１３】
0006470633.tif 000014