(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスにより発電する第１の燃料電池と、
互いの間で熱交換可能とされ、二酸化炭素吸収材によって二酸化炭素の吸収又は放出を行う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、一部の前記二酸化炭素吸収部で前記第１の燃料電池の燃料極からの排ガスに含まれる二酸化炭素を吸収させ、二酸化炭素を保持している他の前記二酸化炭素吸収部で二酸化炭素を放出させる制御部と、
を含み、
複数の前記二酸化炭素吸収部が熱的に接続されている燃料電池システム。
【請求項２】
前記二酸化炭素吸収部は、内部に導入されたガスが第１方向に往復しながら前記第１方向と交差する第２方向へ進行するガス流路が設けられており、複数の前記二酸化炭素吸収部は、前記ガス流路におけるガスの進行方向が並行となる向きで、前記第１方向及び前記第２方向に各々沿った面同士が接触されて熱的に接続されている請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
接続された前記二酸化炭素吸収部内のガスの圧力を低下させる減圧部を更に備え、
前記制御部は、二酸化炭素を吸収する一部の前記二酸化炭素吸収部に前記第１の燃料電池の燃料極からの排ガスを供給させ、二酸化炭素を放出する他の前記二酸化炭素吸収部を前記減圧部と接続する請求項１又は請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御部は、二酸化炭素を吸収する一部の前記二酸化炭素吸収部に前記第１の燃料電池の燃料極からの排ガスを供給させ、二酸化炭素を放出する他の前記二酸化炭素吸収部に前記第１の燃料電池の空気極からの排ガスを供給させる請求項１又は請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御部は、二酸化炭素を吸収する一部の前記二酸化炭素吸収部に前記第１の燃料電池の燃料極からの排ガスを供給させ、二酸化炭素を放出する他の前記二酸化炭素吸収部に前記第１の燃料電池によって加熱された空気を供給させ、
前記一部の前記二酸化炭素吸収部に供給される前記第１の燃料電池の燃料極からの排ガスの温度と、前記他の前記二酸化炭素吸収部に供給される前記第１の燃料電池によって加熱された空気の温度と、が相違するように、前記第１の燃料電池の燃料極からの排ガス及び前記第１の燃料電池によって加熱された空気の少なくとも一方の温度を変化させる熱交換部を更に備えた請求項１又は請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記第１の燃料電池から排出され、前記二酸化炭素吸収部で二酸化炭素が吸収されたガスを前記燃料ガスとして前記第１の燃料電池へ供給する第１配管と、
前記第１配管を経由して前記第１の燃料電池へ供給されるガスの圧力を増加させる加圧部と、
を更に含む請求項１〜請求項５の何れか１項記載の燃料電池システム。
【請求項７】
燃料ガスにより発電する第２の燃料電池と、
前記第１の燃料電池から排出され、前記二酸化炭素吸収部で二酸化炭素が吸収されたガスを前記燃料ガスとして前記第２の燃料電池へ供給する第２配管と、
を更に含む請求項１〜請求項５の何れか１項記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記二酸化炭素吸収材は、Ｌi2ＺrＯ3、Ｌi4ＺrＯ4、ＬiＦeＯ2、Ｌi4ＳiＯ4、Ｌi2ＳiＯ3、ＬiＮiＯ2、Ｌi2ＴiＯ3、及びＢa2ＴiＯ4の何れかを主成分とした材料である請求項１〜請求項７の何れか１項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には、固体酸化物型燃料電池(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)スタックからのアノードオフガスを、熱交換器で冷却した後に二酸化炭素除去器に供給し、二酸化炭素吸収材によって二酸化炭素を選択的に除去する構成が開示されており、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】
また、特許文献２には、改質器、ＳＯＦＣ、第１のＣＯ2ガス吸収装置及び第２のＣＯ2ガス吸収装置を備え、第１のＣＯ2ガス吸収装置がＣＯ2ガスの放出を行っている間は第２のＣＯ2ガス吸収装置でＣＯ2ガスの吸収を行い、第１のＣＯ2ガス吸収装置がＣＯ2ガスの吸収を行っている間は第２のＣＯ2ガス吸収装置でＣＯ2ガスの放出を行うように構成した燃料電池システムが開示されている。また、二酸化炭素吸収材の一例として、Ｌi2Ｚr０3、ＬiＦeＯ2、ＬiＮi０2、Ｌi2Ｔi０3、Ｌi2Ｓi０3、Ｌi4Ｓi０4等のリチウム化合物、Ｂa2ＴiＯ4等のバリウム化合物が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３１９８９号公報
【特許文献２】特開２０１１−１８１４８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記で例示した二酸化炭素吸収材による二酸化炭素の吸収は発熱反応であり、二酸化炭素の吸収に伴って温度が上昇するので、温度が過度に上昇すると二酸化炭素の吸収が生ずる温度域から外れることで二酸化炭素吸収材が二酸化炭素を吸収しなくなる。同様に、二酸化炭素吸収材からの二酸化炭素の放出は吸熱反応であり、二酸化炭素の放出に伴って温度が低下するので、温度が過度に低下すると二酸化炭素の放出が生ずる温度域から外れることで二酸化炭素吸収材が二酸化炭素を放出しなくなる。また、二酸化炭素の吸収又は放出に伴って二酸化炭素吸収材に温度の偏りが生ずると、二酸化炭素吸収材に熱応力が発生して機械的損傷が生じ、二酸化炭素の吸収又は放出の性能が低下する可能性がある。
【０００７】
このように、二酸化炭素吸収材による二酸化炭素の吸収や放出は二酸化炭素吸収材の温度変化を伴い、この温度変化により、二酸化炭素吸収材が吸収又は放出可能な二酸化炭素の全量を吸収又は放出する前に二酸化炭素の吸収又は放出が止まってしまったり、二酸化炭素の吸収又は放出の性能が低下することで、二酸化炭素吸収材を有効利用できないことがある、という課題があった。
【０００８】
本発明は上記事実を考慮して成されたもので、二酸化炭素吸収材の利用効率を向上させることで、燃料電池の燃料極からの排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】
【０００９】
請求項１記載の発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスにより発電する第１の燃料電池と、互いの間で熱交換可能とされ、二酸化炭素吸収材によって二酸化炭素の吸収又は放出を行う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、一部の前記二酸化炭素吸収部で前記第１の燃料電池の燃料極からの排ガスに含まれる二酸化炭素を吸収させ、二酸化炭素を保持している他の前記二酸化炭素吸収部で二酸化炭素を放出させる制御部と、を含み、複数の前記二酸化炭素吸収部が熱的に接続されている。
【００１０】
請求項１記載の発明では、二酸化炭素吸収材によって二酸化炭素の吸収又は放出を行う二酸化炭素吸収部が複数設けられており、当該複数の二酸化炭素吸収部は互いの間で熱交換可能とされており、複数の二酸化炭素吸収部が熱的に接続されている。そして、請求項１記載の発明では、複数の二酸化炭素吸収部のうち、一部の二酸化炭素吸収部で第１の燃料電池の燃料極からの排ガスに含まれる二酸化炭素を吸収させ、二酸化炭素を保持している他の二酸化炭素吸収部で二酸化炭素を放出させる。
【００１１】
これにより、第１の燃料電池の燃料極からの排ガスに含まれる二酸化炭素を吸収する一部の二酸化炭素吸収部では、二酸化炭素の吸収に伴って発熱し、二酸化炭素を保持している他の二酸化炭素吸収部では、二酸化炭素の放出に伴って吸熱するが、一部の二酸化炭素吸収部と他の二酸化炭素吸収部との間で熱交換が行われることで、双方の二酸化炭素吸収部の温度変化が抑制される。従って、二酸化炭素吸収材の温度が過度に上昇又は低下することを防止でき、二酸化炭素吸収材の温度の偏りも低減できるので、個々の二酸化炭素吸収部に設けられた二酸化炭素吸収材の利用効率を向上させることができ、燃料電池の燃料極からの排ガスを有効に利用することができる。
【００１２】
また、ガスが流通するためのガス流路が二酸化炭素吸収部に設けられている場合、二酸化炭素吸収部に設けられた二酸化炭素吸収材のうち、二酸化炭素の吸収又は放出が生じている部位は、二酸化炭素の吸収又は放出の進行に伴い、前記ガス流路におけるガスの進行方向に沿って変化する。これを考慮すると、請求項１記載の発明において、二酸化炭素吸収部に、内部に導入されたガスが第１方向に往復しながら第１方向と交差する第２方向へ進行するガス流路が設けられている場合、例えば請求項２に記載したように、複数の二酸化炭素吸収部は、ガス流路におけるガスの進行方向が並行となる向きで、前記第１方向及び前記第２方向に各々沿った面同士が接触されて熱的に接続されていることが好ましい。
【００１３】
これにより、二酸化炭素の吸収を行っている二酸化炭素吸収部の二酸化炭素吸収材のうち二酸化炭素の吸収が生じている部位と、二酸化炭素の放出を行っている二酸化炭素吸収部の二酸化炭素吸収材のうち二酸化炭素の放出が生じている部位と、の距離を小さくすることができ、複数の二酸化炭素吸収部の間での熱交換の効率を向上させることができる。
【００１４】
また、請求項１又は請求項２記載の発明において、二酸化炭素吸収部における二酸化炭素の吸収又は放出を圧力によって切り替える(圧力スイング吸着法：ＰＳＡ(Pressure Swing Adsorption))ことは、例えば請求項３に記載したように、接続された二酸化炭素吸収部内のガスの圧力を低下させる減圧部を更に備え、制御部が、二酸化炭素を吸収する一部の二酸化炭素吸収部に第１の燃料電池の燃料極からの排ガスを供給させ、二酸化炭素を放出する他の二酸化炭素吸収部を減圧部と接続することによって実現できる。
【００１５】
また、請求項１又は請求項２記載の発明において、二酸化炭素吸収部における二酸化炭素の吸収又は放出を圧力によって切り替えることは、例えば請求項４に記載したように、二酸化炭素を放出する他の二酸化炭素吸収部に第１の燃料電池の空気極からの排ガスを供給させることによっても実現できる。この場合、請求項３に記載の減圧部を省略することができ、構成をより簡略化することができる。
【００１６】
また、請求項１又は請求項２記載の発明において、二酸化炭素吸収部における二酸化炭素の吸収又は放出を温度によって切り替える(温度スイング吸着法：ＴＳＡ(Temperature Swing Adsorption))ことは、例えば請求項５に記載したように、制御部が、二酸化炭素を吸収する一部の二酸化炭素吸収部に第１の燃料電池の燃料極からの排ガスを供給させ、二酸化炭素を放出する他の二酸化炭素吸収部に第１の燃料電池によって加熱された空気を供給させ、一部の二酸化炭素吸収部に供給される第１の燃料電池の燃料極からの排ガスの温度と、他の二酸化炭素吸収部に供給される第１の燃料電池によって加熱された空気の温度と、が相違するように、第１の燃料電池の燃料極からの排ガス及び第１の燃料電池によって加熱された空気の少なくとも一方の温度を熱交換部によって変化させることによって実現できる。
【００１７】
また、請求項１〜請求項５の何れか１項記載の発明において、例えば請求項６に記載したように、第１の燃料電池から排出され、二酸化炭素吸収部で二酸化炭素が吸収されたガスを燃料ガスとして第１の燃料電池へ供給する第１配管と、第１配管を経由して第１の燃料電池へ供給されるガスの圧力を増加させる加圧部と、を更に設けてもよい。この場合、第１の燃料電池から排出されたガスが、二酸化炭素吸収部で二酸化炭素が吸収された後に、燃料ガスとして第１の燃料電池へ供給されて再利用される、循環式の燃料電池システムが実現される。
【００１８】
また、請求項１〜請求項５の何れか１項記載の発明において、例えば請求項７に記載したように、燃料ガスにより発電する第２の燃料電池と、第１の燃料電池から排出され、二酸化炭素吸収部で二酸化炭素が吸収されたガスを燃料ガスとして前記第２の燃料電池へ供給する第２配管と、を更に設けてもよい。この場合、第１の燃料電池から排出されたガスが、二酸化炭素吸収部で二酸化炭素が吸収された後に、燃料ガスとして第２の燃料電池へ供給されて再利用される、多段式の燃料電池システムが実現される。
【００１９】
また、請求項１〜請求項７の何れか１項記載の発明において、二酸化炭素吸収材としては、例えば請求項８に記載したように、Ｌi2ＺrＯ3、Ｌi4ＺrＯ4、ＬiＦeＯ2、Ｌi4ＳiＯ4、Ｌi2ＳiＯ3、ＬiＮiＯ2、Ｌi2ＴiＯ3、及びＢa2ＴiＯ4の何れかを主成分とした材料を適用することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明は、二酸化炭素吸収材の利用効率を向上させることで、燃料電池の燃料極からの排ガスを有効利用できる、という効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【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】(Ａ)は二酸化炭素吸収部の一例を示す斜視図、(Ｂ) は二酸化炭素吸収部の一例の内部構造を示す平面図である。
【図３】圧力スイング吸着法を適用した二酸化炭素吸収部において、(Ａ)は熱交換なしの場合、(Ｂ)は熱交換ありの場合の温度分布の一例を各々示す線図である。
【図４】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５】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７】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８】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９】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１０】温度スイング吸着法を適用した二酸化炭素吸収部において、(Ａ)は熱交換なしの場合、(Ｂ)は熱交換ありで外部加熱／冷却なしの場合、(Ｃ)は熱交換をありで外部加熱／冷却ありの場合の温度分布の一例を各々示す線図である。
【図１１】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１２】(Ａ)は二酸化炭素吸収部の他の例を示す斜視図、(Ｂ) は二酸化炭素吸収部の他の例の内部構造を示す平面図である。
【図１３】二酸化炭素吸収部の他の例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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。
【００２３】
〔第１実施形態〕
図１には、本第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、第１の熱交換器１２、改質器１４、第１のＳＯＦＣスタック１６、ブロワ１８、第２の熱交換器２０、二酸化炭素吸収部２２,２４、減圧ポンプ２６及び制御部７０を備えている。
【００２４】
改質器１４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。また、原料ガス管２８の途中には第１の熱交換器１２が設けられており(原料ガス管２８は第１の熱交換器１２の二次側に接続されている)、ガス源から原料ガス管２８に供給された原料ガスは、第１の熱交換器１２によって加熱された後、改質器１４へ供給される。
【００２５】
改質器１４は、水供給管３０の一端が接続されており、水供給管３０を介して水が供給される。改質器１４は、図示しない燃焼器によって加熱され、原料ガス管２８を介して供給された原料ガスを、水供給管３０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を生成する。改質器１４で生成された燃料ガスは、改質器１４と第１のＳＯＦＣスタック１６とを接続する燃料ガス管３２を介して第１のＳＯＦＣスタック１６の燃料極に供給される。
【００２６】
第１のＳＯＦＣスタック１６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。第１のＳＯＦＣスタック１６は本発明における第１の燃料電池スタックの一例であり、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燃料極(アノード)及び空気極(カソード)と、を有している。なお、図１では、第１のＳＯＦＣスタック１６の空気極に酸化性ガス(空気)が供給するための酸化性ガス管と、第１のＳＯＦＣスタック１６の空気極からの空気極排ガスを案内する空気極排ガス管の図示を省略している。
【００２７】
第１のＳＯＦＣスタック１６の空気極(カソード)には酸化性ガス(空気)が供給される。第１のＳＯＦＣスタック１６の空気極では、下記(１)式に示すように、酸化性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のＳＯＦＣスタック１６の燃料極に到達する。
（空気極反応）
１／２Ｏ２＋２ｅ− →Ｏ２−  …(１)
【００２８】
一方、第１のＳＯＦＣスタック１６の燃料極では、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。燃料極で生成された電子が燃料極から外部回路を通って空気極に移動することで、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。
（燃料極反応）
Ｈ２ ＋Ｏ２− →Ｈ２Ｏ＋２ｅ−  …(２)
ＣＯ＋Ｏ２−→ＣＯ２＋２ｅ−  …(３)
【００２９】
第１のＳＯＦＣスタック１６には燃料極排ガス管３４の一端が接続されており、燃料極排ガス管３４には、第１のＳＯＦＣスタック１６の燃料極から700℃程度の温度の燃料極排ガスが排出される。燃料極排ガスは、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んでいる。なお、燃料電池はＳＯＦＣ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。
【００３０】
燃料極排ガス管３４の途中にはブロワ１８が設けられており、燃料極排ガス管３４に排出された燃料極排ガスは、ブロワ１８によって下流側へ送出される。燃料極排ガス管３４は、ブロワ１８によりも下流側で回収ガス管３６と排ガス管３８とに分岐されており、燃料極排ガス管３４に排出された燃料極排ガスは、一定の分配割合で回収ガス管３６と排ガス管３８とに分配される。
【００３１】
排ガス管３８の途中には第１の熱交換器１２が設けられており(排ガス管３８は第１の熱交換器１２の一次側に接続されている)、排ガス管３８へ分配された燃料極排ガスは、第１の熱交換器１２で原料ガスの加熱に用いられた後、燃料電池システム１０Ａの系外へ排出される。
【００３２】
一方、回収ガス管３６は第１の切替部４０を介して二酸化炭素吸収部２２,２４に各々接続されており、回収ガス管３６の途中には第２の熱交換器２０が設けられている。回収ガス管３６へ分配された700℃程度の温度の燃料極排ガスは、第２の熱交換器２０で650℃程度の温度まで冷却された後、第１の切替部４０へ供給される。第１の切替部４０は、回収ガス管３６を二酸化炭素吸収部２２,２４の何れか一方と連通させることで、回収ガス管３６から供給された燃料極排ガスを二酸化炭素吸収部２２又は二酸化炭素吸収部２４へ択一的に案内する。第１の切替部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。
【００３３】
図２(Ａ)に示すように、二酸化炭素吸収部２２,２４は、外形形状が扁平な直方体状とされており、二酸化炭素吸収部２２,２４の底面同士が接触されて熱的に接続され、二酸化炭素吸収部２２,２４の間で熱交換可能とされている。図２(Ｂ)に示すように、二酸化炭素吸収部２２,２４の内部は中空で、直方体状の幅方向に沿って延びかつ先端部が切欠かれた複数の隔壁５０によって仕切られており、二酸化炭素吸収部２２,２４の内部に導入されたガスが、直方体状の幅方向に往復しながら直方体状の長さ方向へ徐々に進行するガス流路５２が形成されている。また、二酸化炭素吸収部２２,２４は、より詳しくは、ガス流路５２におけるガスの進行方向(直方体状の長さ方向)が並行となる向きで熱的に接続されている(本明細書ではこの配置を「並行流型」と称する)。
【００３４】
ガス流路５２は二酸化炭素吸収材５４で充填されており、二酸化炭素吸収部２２,２４の内部に導入されたガスに対して二酸化炭素吸収材５４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５４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。
Ｌi4ＳiＯ4＋ＣＯ2→Ｌi2ＳiＯ3＋Ｌi2ＣＯ3  …(４)
【００３５】
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し、温度が500〜600℃では二酸化炭素を吸収し、温度が650℃以上では二酸化炭素を放出する。また、Ｌi4ＳiＯ4による二酸化炭素の吸収・放出は二酸化炭素の分圧の影響を受け、温度が650℃でも二酸化炭素を多く含む雰囲気下(例えば二酸化炭素の濃度が10％以上)では二酸化炭素を吸収し、温度が650℃でも二酸化炭素の分圧が低い雰囲気下(例えば二酸化炭素の濃度が0％)では二酸化炭素を放出する。なお、上記で挙げたＬi4ＳiＯ4以外の材料についても、500〜700℃の温度範囲で二酸化炭素を吸収又は放出する特性を有している。
【００３６】
二酸化炭素吸収材５４が上記の特性を有していることにより、二酸化炭素吸収部２２,２４のうち、第１の切替部４０を介して回収ガス管３６と連通された二酸化炭素吸収部では、二酸化炭素の濃度が比較的高い燃料極排ガスが供給されることで二酸化炭素吸収材５４が二酸化炭素を吸収する環境条件となり、燃料極排ガスに含まれる二酸化炭素が二酸化炭素吸収材５４によって吸収される。
【００３７】
二酸化炭素吸収部２２,２４のガス排出側には第２の切替部４２が設けられている。第２の切替部４２には、回収ガス供給管４４及び二酸化炭素排出管４６の一端が各々接続されており、回収ガス供給管４４の他端は原料ガス管２８のうち改質器１４と第１の熱交換器１２との間に接続されており、二酸化炭素排出管４６の途中には減圧ポンプ２６が設けられている。第２の切替部４２は、二酸化炭素吸収部２２,２４のうち回収ガス管３６と連通されている一方の二酸化炭素吸収部を回収ガス供給管４４と連通させると共に、他方の二酸化炭素吸収部を二酸化炭素排出管４６と連通させる。第２の切替部４２による配管の切り替えは制御部７０によって制御される。なお、第１の切替部４０、第２の切替部４２及び制御部７０は本発明における制御部の一例である。
【００３８】
これにより、二酸化炭素吸収部２２,２４のうち、回収ガス管３６及び回収ガス供給管４４と連通されて二酸化炭素を吸収している一方の二酸化炭素吸収部では、当該二酸化炭素吸収部によって二酸化炭素の濃度が低下された状態の650℃程度の温度の排ガスが、回収ガス供給管４４を経由して改質器１４に供給され、再利用される。また、二酸化炭素吸収部２２,２４のうち二酸化炭素排出管４６と連通された他方の二酸化炭素吸収部は、減圧ポンプ２６によって減圧されることで二酸化炭素吸収材５４が二酸化炭素を放出する環境条件となり、二酸化炭素吸収材５４から放出された二酸化炭素は、二酸化炭素排出管４６を介して燃料電池システム１０Ａの系外へ排出される。
【００３９】
上記のように、本第１実施形態に係る燃料電池システム１０Ａは、二酸化炭素吸収部２２,２４における二酸化炭素の吸収又は放出を二酸化炭素の分圧を変化させることで切り替える圧力スイング吸着法(ＰＳＡ)で動作する。なお、燃料電池システム１０Ａにおいて、第２の熱交換器２０は本発明における熱交換部の一例であり、回収ガス供給管４４は本発明における第１配管の一例であり、ブロワ１８は本発明における加圧部の一例であり、減圧ポンプ２６は本発明における減圧部の一例である。
【００４０】
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。燃料電池システム１０Ａでは、改質器１４から燃料ガス管３２を介して第１のＳＯＦＣスタック１６の燃料極に燃料ガスが供給されると共に、第１のＳＯＦＣスタック１６の空気極には酸化性ガス(空気)が供給される。これにより、第１のＳＯＦＣスタック１６では燃料ガス及び酸化性ガスが反応して発電が行われ、この発電に伴い第１のＳＯＦＣスタック１６の燃料極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燃料極排ガスが排出される。
【００４１】
また、制御部７０は、第１の切替部４０により、回収ガス管３６を二酸化炭素吸収部２２,２４の何れか一方と連通させ、第２の切替部４２により、二酸化炭素吸収部２２,２４のうち、回収ガス管３６と連通された一方の二酸化炭素吸収部を回収ガス供給管４４と連通させると共に、他方の二酸化炭素吸収部を二酸化炭素排出管４６と連通させる。
【００４２】
これにより、回収ガス管３６及び回収ガス供給管４４と連通された一方の二酸化炭素吸収部では、回収ガス管３６を介して燃料極排ガスが供給され、供給された燃料極排ガスに含まれる二酸化炭素が二酸化炭素吸収材５４によって吸収される。そして、二酸化炭素の濃度が低下された排ガスは、回収ガス供給管４４を経由して改質器１４に供給され、再利用される。また、二酸化炭素排出管４６と連通された他方の二酸化炭素吸収部では、二酸化炭素吸収材５４から二酸化炭素が放出され、放出された二酸化炭素は二酸化炭素排出管４６を介して燃料電池システム１０Ａの系外へ排出される。
【００４３】
ここで、二酸化炭素吸収材５４による二酸化炭素の吸収は発熱反応であるので、二酸化炭素吸収部２２,２４のうち、燃料極排ガスに含まれる二酸化炭素を二酸化炭素吸収材５４によって吸収している二酸化炭素吸収部(図３(Ａ)の例では二酸化炭素吸収部２４)では、図３(Ａ)に「ＣＯ2吸収側」と表記して示すように、二酸化炭素吸収材５４のうち二酸化炭素を吸収している部分で温度が上昇する。なお、図３(Ａ)に示す線図の横軸は、ガス流路５２に沿った位置である。この温度上昇が過度になると、二酸化炭素吸収材５４の温度が二酸化炭素の吸収が生ずる温度域から外れることで、二酸化炭素吸収材５４が吸収可能な二酸化炭素の全量が吸収される前に、二酸化炭素の吸収が停止する可能性がある。
【００４４】
また、二酸化炭素吸収材５４からの二酸化炭素の放出は吸熱反応であるので、二酸化炭素吸収部２２,２４のうち、二酸化炭素吸収材５４から二酸化炭素を放出している二酸化炭素吸収部(図３(Ａ)の例では二酸化炭素吸収部２２)では、図３(Ａ)に「ＣＯ2放出側」と表記して示すように、二酸化炭素吸収材５４のうち二酸化炭素を放出している部分で温度が低下する。この温度低下が過度になると、二酸化炭素吸収材５４の温度が二酸化炭素の放出が生ずる温度域から外れることで、二酸化炭素吸収材５４に吸収されていた二酸化炭素の全量が放出される前に、二酸化炭素の放出が停止する可能性がある。
【００４５】
これに対し、本第１実施形態に係る燃料電池システム１０Ａでは、二酸化炭素吸収部２２,２４の底面同士が接触されて熱的に接続され、二酸化炭素吸収部２２,２４の間で熱交換可能とされている。これにより、一方の二酸化炭素吸収部で二酸化炭素の吸収により温度が上昇し、他方の二酸化炭素吸収部で二酸化炭素の放出により温度が低下すると、両者の間で熱交換が行われることにより、図３(Ｂ)に示すように、双方の二酸化炭素吸収部の温度変化が抑制される。従って、二酸化炭素吸収部の温度が過度に上昇又は低下することで二酸化炭素の吸収又は放出が停止することを防止することができ、二酸化炭素吸収部２２,２４に設けられた二酸化炭素吸収材５４の利用効率を向上させることができる。
【００４６】
そして、本第１実施形態において、二酸化炭素吸収部２２又は二酸化炭素吸収部２４によって二酸化炭素の濃度が低下された排ガスは、回収ガス供給管４４を介して改質器１４に供給されて再利用される。従って、本第１実施形態に係る燃料電池システム１０Ａは、第１のＳＯＦＣスタック１６の燃料極より排出された排ガスに含まれる未反応の水素及び未反応の一酸化炭素を有効に利用することができ、燃料の利用効率を向上させることができる。
【００４７】
また、燃料電池システム１０Ａでは、二酸化炭素吸収部２２,２４が、ガス流路５２におけるガスの進行方向(直方体状の長さ方向)が並行となる向きで熱的に接続されている。これにより、図３(Ｂ)にも示すように、二酸化炭素の吸収を行っている二酸化炭素吸収部(図３(Ｂ)の例では二酸化炭素吸収部２４)の二酸化炭素吸収材５４のうち二酸化炭素の吸収が生じている部位と、二酸化炭素の放出を行っている二酸化炭素吸収部(図３(Ｂ)の例では二酸化炭素吸収部２２)の二酸化炭素吸収材５４のうち二酸化炭素の放出が生じている部位と、の距離が小さくなる。従って、二酸化炭素吸収部２２,２４の間での熱交換の効率を向上させることができる。
【００４８】
また、燃料電池システム１０Ａでは、第１のＳＯＦＣスタック１６の燃料極から排出され、排ガス管３８へ分配されて燃料電池システム１０Ａの系外へ排出される排ガスと、原料ガス管２８を介して改質器１４に供給される原料ガスとの間で熱交換を行うための第１の熱交換器１２を設けているので、第１のＳＯＦＣスタック１６から排ガス管３８を介して排ガスとして排出された熱が、改質器１４に供給される原料ガスの加熱に利用されることで、燃料電池システム１０Ａのエネルギー利用効率を向上させることができる。
【００４９】
更に、本第１実施形態に係る燃料電池システム１０Ａでは、第１のＳＯＦＣスタック１６の燃料極から排出された燃料極排ガスが通過する第２の熱交換器２０が設けられ、二酸化炭素吸収部２２,２４は、第２の熱交換器２０よりも燃料極排ガスの下流側に設けられているので、第２の熱交換器２０を通過して温度が低下した燃料極排ガスが二酸化炭素吸収部２２又は二酸化炭素吸収部２４に供給されることで、二酸化炭素吸収材５４による二酸化炭素の吸収に適した温度の燃料極排ガスを二酸化炭素吸収部２２又は二酸化炭素吸収部２４に供給することができる。
【００５０】
なお、制御部７０は、二酸化炭素吸収部２２,２４のうちの一方が回収ガス管３６及び回収ガス供給管４４と連通し、他方が二酸化炭素排出管４６と連通するように、第１の切替部４０及び第２の切替部４２を切り替えてから、一定時間(例えば、回収ガス管３６及び回収ガス供給管４４と連通された二酸化炭素吸収部が吸収可能な二酸化炭素の全量を吸収するのに要する時間)が経過すると、二酸化炭素吸収部２２,２４のうちの一方が二酸化炭素排出管４６と連通し、他方が回収ガス管３６及び回収ガス供給管４４と連通するように第１の切替部４０及び第２の切替部４２を切り替える。
【００５１】
これにより、それ迄は二酸化炭素の吸収を行っていた二酸化炭素吸収部では二酸化炭素の放出が行われる一方、それ迄は二酸化炭素の放出を行っていた二酸化炭素吸収部では二酸化炭素の吸収が行われることになり、二酸化炭素吸収部２２,２４によって二酸化炭素の連続的な吸収及び放出が実現される。
【００５２】
なお、上記では、第１のＳＯＦＣスタック１６の燃料極から排出された燃料極排ガスが第２の熱交換器２０に供給され、第２の熱交換器２０を通過して温度が低下した燃料極排ガスが二酸化炭素吸収部２２又は二酸化炭素吸収部２４に供給される構成を説明したが、これに限定されるものではない。一例として、図４に示す燃料電池システム１０Ｂのように、第１のＳＯＦＣスタック１６の作動温度が650℃程度であれば燃料極排ガスの冷却が不要となるので、第２の熱交換器２０を省略することも可能である。更に、第１のＳＯＦＣスタック１６の作動温度が600℃以下であれば燃料極排ガスの加熱が必要となるので、第２の熱交換器２０により加熱する構成とすることも可能である。なお、燃料電池システム１０Ａ,１０Ｂは請求項３及び請求項６記載の発明に係る燃料電池システムの一例である。
【００５３】
また、上記では、二酸化炭素吸収部２２,２４のうち二酸化炭素の放出を行わせる二酸化炭素吸収部を、途中に減圧ポンプ２６が設けられた二酸化炭素排出管４６と連通させる構成を説明したが、これに限定されるものでもない。一例として、図５に示す燃料電池システム１０Ｃのように、第１のＳＯＦＣスタック１６の空気極に酸化性ガス(空気)を供給するための酸化性ガス管５８と、第１のＳＯＦＣスタック１６の空気極からの空気極排ガスを第１の切替部４０へ案内する空気極排ガス管６０を設け、制御部７０が、二酸化炭素の放出を行わせる二酸化炭素吸収部に、空気極排ガス管６０及び第１の切替部４０を介して空気極排ガスが供給されるように制御してもよい。
【００５４】
この場合、二酸化炭素吸収部２２,２４のうち空気極排ガス管６０と連通されて空気極排ガスが供給された二酸化炭素吸収部は、空気極排ガスが二酸化炭素を殆ど含まないために二酸化炭素を放出するので、図５に示すように減圧ポンプ２６を省略することが可能となる。なお、燃料電池システム１０Ｃは燃料電池システム１０Ｂと同様に、第１のＳＯＦＣスタック１６の作動温度が650℃程度であるので、第２の熱交換器２０も省略されている。上記の燃料電池システム１０Ｃは請求項４及び請求項６記載の発明に係る燃料電池システムの一例である。
【００５５】
〔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。
【００５６】
図６には、本第２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、ブロワ１８が省略されており、一端が第１のＳＯＦＣスタック１６に接続された燃料極排ガス管３４の他端が第１の切替部４０に接続され、第２の熱交換器２０が燃料極排ガス管３４の途中に設けられている点で相違している。なお、燃料電池システム１０Ｄは、圧力スイング吸着法(ＰＳＡ)で動作する点は燃料電池システム１０Ａと同じである。
【００５７】
また、燃料電池システム１０Ｄは、燃料電池システム１０Ａと比較して、第２のＳＯＦＣスタック５６が設けられており、一端が第２の切替部４２に接続された回収ガス供給管４４の他端が第２のＳＯＦＣスタック５６に接続され、排ガス管３８も第２のＳＯＦＣスタック５６に接続されている点でも相違している。これにより、第１のＳＯＦＣスタック１６から排出され、二酸化炭素吸収部２２又は二酸化炭素吸収部２４によって二酸化炭素濃度が低減された排ガスは、回収ガス供給管４４を介して第２のＳＯＦＣスタック５６の燃料極に供給される。
【００５８】
なお、第２のＳＯＦＣスタック５６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。また、燃料電池システム１０Ｄにおいて、第２の熱交換器２０は本発明における熱交換部の一例であり、回収ガス供給管４４は本発明における第２配管の一例であり、減圧ポンプ２６は本発明における減圧部の一例であり、第２のＳＯＦＣスタック５６は本発明における第２の燃料電池スタックの一例である。
【００５９】
次に本第２実施形態の作用を説明する。本第２実施形態において、二酸化炭素吸収部２２又は二酸化炭素吸収部２４によって二酸化炭素濃度が低減された排ガスは、回収ガス供給管４４を介して第２のＳＯＦＣスタック５６の燃料極に供給され、再利用される。従って、本第２実施形態に係る燃料電池システム１０Ｄは、第１のＳＯＦＣスタック１６の燃料極より排出された排ガスに含まれる未反応の水素及び未反応の一酸化炭素を有効に利用することができ、燃料の利用効率を向上させることができる。なお、その他の効果は第１実施形態と同様であるので、説明を省略する。
【００６０】
なお、上記では、第１のＳＯＦＣスタック１６の燃料極から排出された燃料極排ガスが第２の熱交換器２０に供給され、第２の熱交換器２０を通過して温度が低下した燃料極排ガスが二酸化炭素吸収部２２又は二酸化炭素吸収部２４に供給される構成を説明したが、これに限定されるものではない。一例として、図７に示す燃料電池システム１０Ｅのように、第１のＳＯＦＣスタック１６の作動温度が650℃程度であれば燃料極排ガスの冷却が不要となるので、第２の熱交換器２０を省略することも可能である。なお、燃料電池システム１０Ｄ,１０Ｅは請求項３及び請求項７記載の発明に係る燃料電池システムの一例である。
【００６１】
また、上記では、二酸化炭素吸収部２２,２４のうち二酸化炭素の放出を行わせる二酸化炭素吸収部を、途中に減圧ポンプ２６が設けられた二酸化炭素排出管４６と連通させる構成を説明したが、これに限定されるものでもない。一例として、図８に示す燃料電池システム１０Ｆのように、第１のＳＯＦＣスタック１６の空気極に酸化性ガス(空気)を供給するための酸化性ガス管５８と、第１のＳＯＦＣスタック１６の空気極からの空気極排ガスを第１の切替部４０へ案内する空気極排ガス管６０を設け、制御部７０が、二酸化炭素の放出を行わせる二酸化炭素吸収部に、空気極排ガス管６０及び第１の切替部４０を介して空気極排ガスが供給されるように制御してもよい。
【００６２】
この場合、二酸化炭素吸収部２２,２４のうち空気極排ガス管６０と連通されて空気極排ガスが供給された二酸化炭素吸収部は、空気極排ガスが二酸化炭素を殆ど含まないために二酸化炭素を放出するので、図８に示すように減圧ポンプ２６を省略することが可能となる。なお、燃料電池システム１０Ｆは燃料電池システム１０Ｅと同様に、第１のＳＯＦＣスタック１６の作動温度が650℃程度であるので、第２の熱交換器２０も省略されている。上記の燃料電池システム１０Ｆは請求項４及び請求項７記載の発明に係る燃料電池システムの一例である。
【００６３】
また、圧力スイング吸着法(ＰＳＡ)で動作する燃料電池システムにおいて、燃料電池システム１０Ｂ,１０Ｃ,１０Ｅ,１０Ｆのように、第２の熱交換器２０を省略して燃料極排ガスを冷却せずに第１の切替部４０へ供給することに代えて、第１のＳＯＦＣスタック１６の作動温度によっては、第２の熱交換器２０によって燃料極排ガスを加熱して第１の切替部４０へ供給する構成を採用することも可能である。ＳＯＦＣスタックの作動温度は600〜1000℃の範囲であることが一般的であるが、作動温度が450℃程度のＳＯＦＣスタックも存在している(例えば、独立行政法人産業技術研究所、” 450℃の低温で発電できるマイクロ固体酸化物形燃料電池”、[online]、[平成２７年３月２３日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.aist.go.jp/aist_j/new_reserch/nr20110117.html＞)。
【００６４】
このように、作動温度が比較的低いＳＯＦＣスタックを用いる等の場合には、第２の熱交換器２０によって燃料極排ガスを加熱して第１の切替部４０へ供給する構成も十分に考えられる。また、燃料電池システム１０Ｃ,１０Ｆのように、第１のＳＯＦＣスタック１６の空気極からの空気極排ガスを第１の切替部４０へ案内する構成において、第１のＳＯＦＣスタック１６の作動温度が比較的低い場合には、空気極排ガスも熱交換器によって加熱して第１の切替部４０へ供給するようにしてもよい。
【００６５】
〔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。
【００６６】
図９には、本第３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、減圧ポンプ２６が省略されている。また、図９には、図１では図示が省略されていた、第１のＳＯＦＣスタック１６の空気極に酸化性ガス(空気)を供給するための酸化性ガス管５８と、第１のＳＯＦＣスタック１６の空気極からの空気極排ガスを案内する空気極排ガス管６０と、が示されている。図９に示すように、空気極排ガス管６０は、一端が第１のＳＯＦＣスタック１６の空気極に接続され、他端が第１の切替部４０に接続されている。
【００６７】
図９に示すように、第１のＳＯＦＣスタック１６の空気極から第１の切替部４０へは、空気極排ガス管６０を介して700℃程度の温度の空気極排ガスが供給される。一方、第１のＳＯＦＣスタック１６の燃料極から第１の切替部４０へは、燃料極排ガス管３４及び回収ガス管３６を介し、第２の熱交換器２０によって600℃程度の温度に冷却された燃料極排ガスが供給される。制御部７０は、回収ガス管３６が二酸化炭素吸収部２２,２４の一方と連通し、空気極排ガス管６０が二酸化炭素吸収部２２,２４の他方と連通するように第１の切替部４０を切り替える。これにより、燃料極排ガスが二酸化炭素吸収部２２,２４の一方へ供給され、空気極排ガスが二酸化炭素吸収部２２,２４の他方へ供給される。
【００６８】
なお、燃料電池システム１０Ｇにおいて、ブロワ１８は本発明における加圧部の一例であり、第２の熱交換器２０は本発明における熱交換部の一例であり、回収ガス供給管４４は本発明における第１配管の一例である。
【００６９】
先に説明したように、二酸化炭素吸収材５４として適用可能な材料の一種であるＬi4ＳiＯ4は、温度が500〜600℃では二酸化炭素を吸収し、温度が650℃以上では二酸化炭素を放出する。従って、燃料電池システム１０Ｇでは、二酸化炭素吸収部２２,２４のうち燃料極排ガスが供給された二酸化炭素吸収部で二酸化炭素の吸収が生じ、空気極排ガスが供給された二酸化炭素吸収部で二酸化炭素の放出が生じる。このように、燃料電池システム１０Ｇは、二酸化炭素吸収部２２,２４における二酸化炭素の吸収又は放出を、温度を変化させることで切り替える温度スイング吸着法(ＴＳＡ)で動作する。なお、制御部７０は、二酸化炭素吸収部２２,２４のうち回収ガス管３６と連通された一方の二酸化炭素吸収部が回収ガス供給管４４と連通し、空気極排ガス管６０と連通された他方の二酸化炭素吸収部が二酸化炭素排出管４６と連通するように第２の切替部４２を切り替える。
【００７０】
次に、第３実施形態に係る燃料電池システム１０Ｇの作用を説明する。二酸化炭素吸収部２２,２４のうち、燃料極排ガスに含まれる二酸化炭素を二酸化炭素吸収材５４によって吸収している二酸化炭素吸収部(図１０(Ａ)の例では二酸化炭素吸収部２２)では、図１０(Ａ)に「ＣＯ2吸収側」と表記して示すように、二酸化炭素吸収材５４のうち二酸化炭素を吸収している部分で温度が上昇し、二酸化炭素吸収材５４に温度の偏りが生ずる。また、二酸化炭素吸収部２２,２４のうち、二酸化炭素吸収材５４から二酸化炭素を放出している二酸化炭素吸収部(図１０(Ａ)の例では二酸化炭素吸収部２４)では、図１０(Ａ)に「ＣＯ2放出側」と表記して示すように、二酸化炭素吸収材５４のうち二酸化炭素を放出している部分で温度が低下し、二酸化炭素吸収材５４に温度の偏りが生ずる。上記のように二酸化炭素吸収材５４に温度の偏りが生ずると、二酸化炭素吸収材５４および隔壁５０に熱応力が発生して機械的損傷を与える可能性が高くなる。特に二酸化炭素吸収材５４に機械的損傷が与えられると、材料の粉化やその沈降により、二酸化炭素を吸収又は放出する性能が低下する。
【００７１】
これに対し、本第３実施形態に係る燃料電池システム１０Ｇでは、二酸化炭素吸収部２２,２４の底面同士が接触されて熱的に接続され、二酸化炭素吸収部２２,２４の間で熱交換可能とされている。これにより、一方の二酸化炭素吸収部で二酸化炭素の吸収により温度が上昇し、他方の二酸化炭素吸収部で二酸化炭素の放出により温度が低下すると、両者の間で熱交換が行われることにより、図１０(Ｂ)に示すように、二酸化炭素吸収部２２,２４の二酸化炭素吸収材５４の温度の偏りが小さくなる。従って、二酸化炭素吸収材５４による二酸化炭素の吸収又は放出の性能低下が抑制され、二酸化炭素吸収部２２,２４に設けられた二酸化炭素吸収材５４の利用効率を保つことができる。なお、その他の効果は第１実施形態と同様であるので、説明を省略する。上記の燃料電池システム１０Ｇは請求項５及び請求項６記載の発明に係る燃料電池システムの一例である。
【００７２】
〔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。
【００７３】
図１１には、本第４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２実施形態で説明した燃料電池システム１０Ｄ(図６参照)と比較して、減圧ポンプ２６が省略されている。また、図１１には、図６では図示が省略されていた、第１のＳＯＦＣスタック１６の空気極に酸化性ガス(空気)が供給するための酸化性ガス管５８と、第１のＳＯＦＣスタック１６の空気極からの空気極排ガスを案内する空気極排ガス管６０と、が示されている。図１１に示すように、空気極排ガス管６０は、一端が第１のＳＯＦＣスタック１６の空気極に接続され、他端が第１の切替部４０に接続されている。
【００７４】
図１１に示すように、第１のＳＯＦＣスタック１６の空気極から第１の切替部４０へは、空気極排ガス管６０を介して700℃程度の温度の空気極排ガスが供給される。一方、第１のＳＯＦＣスタック１６の燃料極から第１の切替部４０へは、燃料極排ガス管３４を介し、第２の熱交換器２０によって600℃程度の温度に冷却された燃料極排ガスが供給される。制御部７０は、燃料極排ガス管３４が二酸化炭素吸収部２２,２４の一方と連通し、空気極排ガス管６０が二酸化炭素吸収部２２,２４の他方と連通するように第１の切替部４０を切り替える。これにより、燃料極排ガスは二酸化炭素吸収部２２,２４の一方へ供給され、空気極排ガスは二酸化炭素吸収部２２,２４の他方へ供給される。
【００７５】
従って、燃料電池システム１０Ｈは、第３実施形態で説明した燃料電池システム１０Ｇと同様に温度スイング吸着法(ＴＳＡ)で動作する。また、制御部７０は、二酸化炭素吸収部２２,２４のうち燃料極排ガス管３４と連通された一方の二酸化炭素吸収部が回収ガス供給管４４と連通し、空気極排ガス管６０と連通された他方の二酸化炭素吸収部が二酸化炭素排出管４６と連通するように第２の切替部４２を切り替える。これにより、第１のＳＯＦＣスタック１６から排出され、二酸化炭素吸収部２２又は二酸化炭素吸収部２４によって二酸化炭素濃度が低減された排ガスは、回収ガス供給管４４を介して第２のＳＯＦＣスタック５６の燃料極に供給される。
【００７６】
なお、燃料電池システム１０Ｈにおいて、第２の熱交換器２０は本発明における熱交換部の一例であり、回収ガス供給管４４は本発明における第２配管の一例であり、第２のＳＯＦＣスタック５６は本発明における第２の燃料電池スタックの一例である。
【００７７】
次に本第４実施形態の作用を説明する。本第４実施形態において、二酸化炭素吸収部２２又は二酸化炭素吸収部２４によって二酸化炭素濃度が低減された排ガスは、回収ガス供給管４４を介して第２のＳＯＦＣスタック５６の燃料極に供給され、再利用される。従って、本第４実施形態に係る燃料電池システム１０Ｈは、第１のＳＯＦＣスタック１６の燃料極より排出された排ガスに含まれる未反応の水素及び未反応の一酸化炭素を有効に利用することができ、燃料の利用効率を向上させることができる。なお、その他の効果は第３実施形態と同様であるので、説明を省略する。上記の燃料電池システム１０Ｈは請求項５及び請求項７記載の発明に係る燃料電池システムの一例である。
【００７８】
なお、第３実施形態及び第４実施形態では、二酸化炭素吸収部２２,２４における二酸化炭素の吸収又は放出を、温度を変化させることで切り替える温度スイング吸着法(ＴＳＡ)で動作する態様において、二酸化炭素吸収部２２,２４の間で熱交換を行うことで、二酸化炭素吸収部２２,２４の二酸化炭素吸収材５４の温度の偏りが小さくする例を説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、二酸化炭素吸収部２２,２４の間で熱交換を行うことで、二酸化炭素吸収部２２,２４の二酸化炭素吸収材５４の平均温度の差が小さくなることが望ましくない等の場合は、例として図１０(Ｃ)に示すように、二酸化炭素吸収部２２と熱交換を行う熱交換部６４及び二酸化炭素吸収部２４と熱交換を行う熱交換部６６を設けてもよい。
【００７９】
そして、二酸化炭素吸収部２２,２４のうち、低温(例えば600℃程度の温度)の燃料極排ガスが供給されて二酸化炭素の吸収を行う二酸化炭素吸収部(図１０(Ｃ)の例では二酸化炭素吸収部２２)に対しては、熱交換部６４に冷却用の低温の熱交換媒体を供給することで、二酸化炭素吸収部２２の二酸化炭素吸収材５４の平均温度を低下させるようにしてもよい。また、二酸化炭素吸収部２２,２４のうち、高温(例えば700℃程度の温度)の空気極排ガスが供給されて二酸化炭素の吸収を行う二酸化炭素吸収部(図１０(Ｃ)の例では二酸化炭素吸収部２４)に対しては、熱交換部６６に加熱用の高温の熱交換媒体を供給することで、二酸化炭素吸収部２４の二酸化炭素吸収材５４の平均温度を上昇させるようにしてもよい。これにより、例として図１０(Ｃ)に示すように、二酸化炭素吸収部２２,２４の二酸化炭素吸収材５４の平均温度の差を拡大することができる。
【００８０】
なお、図１０(Ｃ)に示す態様において、冷却用の低温の熱交換媒体としては、例えば、ＳＯＦＣスタック(第１のＳＯＦＣスタック１６または第２のＳＯＦＣスタック５６)の空気極へ供給する空気、原料ガス及び改質器１４に供給する水の何れか、或いは、これらの何れかによって冷却された熱交換媒体を適用することができる。ＳＯＦＣスタックの空気極へ供給する空気、原料ガス及び改質器１４に供給する水は、何れも予熱が必要であるので、上記のように冷却に用いることで燃料電池システムの熱効率が向上する可能性があり、好ましい。また、加熱用の高温の熱交換媒体としては、例えば、ＳＯＦＣスタックの燃料極からの排ガス(例えば第１のＳＯＦＣスタック１６からの燃料極排ガスの一部、或いは第２のＳＯＦＣスタック５６からの燃料極排ガス)を空気と混合して燃焼させることで得られる高温の燃焼ガスを適用することができる。
【００８１】
また、第３実施形態及び第４実施形態では、請求項５に記載の「第１の燃料電池によって加熱された空気」の一例として、第１のＳＯＦＣスタック１６の空気極からの排ガスを適用した態様を説明したが、これに限定されるものではなく、例えば第１のＳＯＦＣスタック１６の冷却に用いられて加熱された空気などを適用することも可能である。
【００８２】
また、図９に示した燃料電池システム１０Ｇ及び図１１に示した燃料電池システム１０Ｈの構成は、第１のＳＯＦＣスタック１６の作動温度が700℃程度であることを前提とした構成であり、第１のＳＯＦＣスタック１６の作動温度によっては別の構成も考えられる。例えば、第１のＳＯＦＣスタック１６の作動温度が600℃程度であれば、例えば、第１のＳＯＦＣスタック１６の燃料極排ガスを冷却する第２の熱交換器２０を省略し、燃料極排ガスを冷却せずに第１の切替部４０へ供給する一方、第１のＳＯＦＣスタック１６の空気極排ガスを加熱する熱交換器を追加し、空気極排ガスを加熱してから第１の切替部４０へ供給する構成とすることができる。空気極排ガスの加熱には、例えば、ＳＯＦＣスタックの燃料極からの排ガス(例えば第１のＳＯＦＣスタック１６からの燃料極排ガスの一部、或いは第２のＳＯＦＣスタック５６からの燃料極排ガス)を空気と混合して燃焼させることで得られる高温の燃焼ガスを用いることができる。
【００８３】
また、温度スイング吸着法(ＴＳＡ)で動作する燃料電池システム１０Ｇ,１０Ｈにおいて、作動温度がさらに低いＳＯＦＣスタックを用いる等の場合には、第２の熱交換器２０によって燃料極排ガスを加熱して第１の切替部４０へ供給すると共に、第２の熱交換器２０によって空気極排ガスを加熱して第１の切替部４０へ供給するようにしてもよい。この場合、二酸化炭素吸収部２２,２４に供給する燃料極排ガスの温度と空気極排ガスの温度を相違させることは、例えば、熱交換器の性能、及び、熱交換器に供給する熱交換媒体の温度の少なくとも一方を相違させることによって実現できる。燃料極排ガス及び空気極排ガスの加熱には、例えば、ＳＯＦＣスタックの燃料極からの排ガス(例えば第１のＳＯＦＣスタック１６からの燃料極排ガスの一部、或いは第２のＳＯＦＣスタック５６からの燃料極排ガス)を空気と混合して燃焼させることで得られる高温の燃焼ガスを用いることができる。
【００８４】
ＳＯＦＣスタックの作動温度は600〜1000℃の範囲であることが一般的であるが、前述のように、作動温度が450℃程度のＳＯＦＣスタックも存在している。このように、作動温度が比較的低いＳＯＦＣスタックを用いる等の場合には、燃料極排ガスおよび空気極排ガスを第２の熱交換器２０によって加熱して第１の切替部４０へ供給する構成も十分に考えられる。
【００８５】
また、第１〜第４実施形態では、ガス流路５２におけるガスの進行方向が並行となる向きで二酸化炭素吸収部２２,２４が配置された並行流型の二酸化炭素吸収部を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例として図１２には、ガス流路５２におけるガスの進行方向が対向する向きで二酸化炭素吸収部２２,２４が配置された対向流型の二酸化炭素吸収部を示す。また、図１３(Ａ)には、ガス流路５２におけるガスの進行方向が直交する向きで二酸化炭素吸収部２２,２４が配置された直交流型の二酸化炭素吸収部を示す。対向流型や直交流型は、一方の二酸化炭素吸収部の二酸化炭素吸収材５４のうち二酸化炭素の吸収が生じている部位と、他方の二酸化炭素吸収部の二酸化炭素吸収材５４のうち二酸化炭素の放出が生じている部位と、の距離が並行流型よりも大きくなるので、二酸化炭素吸収部２２,２４の間での熱交換の効率は低下することになるが、配管のレイアウトの簡略化等を目的として対向流型又は直交流型の二酸化炭素吸収部を採用することも本発明の権利範囲に含まれる。
【００８６】
更に、第１〜第４実施形態では、第１の期間に二酸化炭素を吸収し、第１の期間と異なる第２の期間に二酸化炭素を放出する二酸化炭素吸収部２２と、第１の期間に二酸化炭素を放出し、第２の期間に二酸化炭素を吸収する二酸化炭素吸収部２４と、を１個ずつ設けた態様を説明したが、これに限定されるものではなく、例えば図１３(Ｂ)〜(Ｄ)に示すように、二酸化炭素吸収部２２,２４を３個ずつ設け、熱交換の効率向上を目的として二酸化炭素吸収部２２と二酸化炭素吸収部２４を交互に配置するようにしてもよい。なお、図１３(Ｂ)は並行流型、図１３(Ｃ)は対向流型、図１３(Ｄ)は直交流型を各々示す。また、二酸化炭素吸収部２２,２４を同数個設けることに限られるものでもなく、二酸化炭素吸収部２２,２４の数を相違させてもよい。上記のように、二酸化炭素吸収部は３個以上設けられていてもよい。
【００８７】
また、第１〜第４実施形態では本発明における第１の燃料電池及び第２の燃料電池の一例としてＳＯＦＣ又はＭＣＦＣを挙げたが、本発明における第１の燃料電池は固体高分子型燃料電池(ＰＥＦＣ)やリン酸型燃料電池(ＰＡＦＣ)であってもよい。二酸化炭素吸収材として使用可能なＬi2ＺrＯ3、Ｌi4ＺrＯ4、ＬiＦeＯ2、Ｌi4ＳiＯ4、Ｌi2ＳiＯ3、ＬiＮiＯ2、Ｌi2ＴiＯ3等のリチウム系複合酸化物、及びＢa2ＴiＯ4は、何れも500〜700℃の温度範囲で二酸化炭素を吸収又は放出する特性を有しており、第１の燃料電池としてＰＥＦＣやＰＡＦＣを適用した場合は、燃料極排ガスの温度が上記各材料の二酸化炭素の吸収／放出の動作温度域から外れることになる。但し、改質器１４による原料ガスの改質には高い温度が必要であるので、原料ガスの改質に用いた高温の排熱を利用して加熱することで、第１の燃料電池としてＰＥＦＣやＰＡＦＣを適用した場合であっても、上記各材料の何れかにより二酸化炭素の吸収／放出を実現できる。
【符号の説明】
【００８８】
１０Ａ,１０Ｂ,１０Ｃ,１０Ｄ,１０Ｅ,１０Ｆ,１０Ｇ,１０Ｈ…燃料電池システム、１６…第１のＳＯＦＣスタック、１８…ブロワ、２０…第２の熱交換器、２２,２４…二酸化炭素吸収部、２６…減圧ポンプ、３４…燃料極排ガス管、３６…回収ガス管、４０,４２…切替部、４４ 回収ガス供給管、４６…二酸化炭素排出管、５２…ガス流路、５４…二酸化炭素吸収材、５６…第２のＳＯＦＣスタック、６０…空気極排ガス管、７０…制御部
【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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【図１３】
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