(57)【要約】【課題】発電に供された燃料ガスを再利用して循環させることにより、燃料の有効利用を図ると共に、燃料電池システム全体の発電効率を向上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】水素を含む燃料ガスを供給する燃料極１９及び酸素を含む酸化ガスを供給する空気極１６を有する燃料電池１２と、該燃料電池１２の燃料極１９より排出されるアノード排気ガス中から二酸化炭素成分を吸収して除去する二酸化炭素分離器１５と、該二酸化炭素分離器１５から放出されるアノード排気ガスに霧状の燃料を噴射することによって新たな燃料ガスを生成する燃料気化器１３とを備え、この燃料気化器１３で生成した燃料ガスを、前記燃料電池１２の燃料極１９に供給する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスが供給される燃料極及び酸化ガスが供給される空気極を有する燃料電池と、該燃料電池の燃料極から排出されるアノード排気ガスから二酸化炭素を除去する二酸化炭素分離器と、該二酸化炭素分離器から排出されるアノード排気ガスに燃料を噴射して新たな燃料ガスを生成する燃料気化器とを備え、この燃料気化器で生成した燃料ガスを、前記燃料電池の燃料極に供給するように構成したことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記二酸化炭素分離器の内部を、燃料電池の燃料極に連通するアノード排気ガス側流路と、燃料電池の空気極に連通するカソード排気ガス側流路とに壁部を介して離隔し、
これらのアノード排気ガス側流路及びカソード排気ガス側流路の双方を横切る位置に、所定温度以下では二酸化炭素を吸収して所定温度以上では二酸化炭素を放出する二酸化炭素除去部材を、その中心軸を中心に回転自在に配設し、
前記アノード排気ガス側流路のうち二酸化炭素除去部材よりもガス流れの上流側に、アノード排気ガスを冷却する熱交換器を設けた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】
前記熱交換器は、空気コンプレッサから供給される圧縮空気によって前記アノード排気ガスと熱交換を行い、この熱交換後の空気を燃料電池の空気極に供給するように構成したことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記二酸化炭素分離器内の壁部のうち、二酸化炭素除去部材よりもガス流れの上流側の部分を断熱性を有する壁部に構成する一方、二酸化炭素除去部材よりもガス流れの下流側の部分を熱伝導性を有する壁部に構成したことを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
燃料ガスが供給される燃料極及び酸化ガスが供給される空気極を有する燃料電池と、該燃料電池の燃料極から排出されるアノード排気ガスから二酸化炭素を除去する二酸化炭素分離器と、該二酸化炭素分離器から排出されるアノード排気ガスに燃料を噴射して新たな燃料ガスを生成する燃料気化器とを備え、この燃料気化器で生成した燃料ガスを、前記燃料電池の燃料極に供給するように構成した燃料電池システムであって、
前記二酸化炭素分離器の内部を、燃料電池の燃料極に連通するアノード排気ガス側流路と、燃料電池の空気極に連通するカソード排気ガス側流路とに壁部を介して離隔し、
これらのアノード排気ガス側流路及びカソード排気ガス側流路の双方を横切る位置に、所定温度以下では二酸化炭素を吸収して所定温度以上では二酸化炭素を放出する二酸化炭素除去部材を、その中心軸を中心に回転自在に配設し、
前記アノード排気ガス側流路のうち二酸化炭素除去部材よりもガス流れの上流側に、前記燃料電池の燃料極から排出されたアノード排気ガスと燃料気化器で気化された燃料ガスとの間で熱交換を行う熱交換手段を設け、前記燃料電池から排出されたアノード排気ガスをこの熱交換手段を流通させて冷却したのち、二酸化炭素除去部材に通すように構成したことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
前記熱交換手段は、吸熱反応の改質反応を生じさせる改質装置である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】
前記二酸化炭素分離器の内部を、燃料電池の燃料極に連通するアノード排気ガス側流路と、燃料電池の空気極に連通するカソード排気ガス側流路とに壁部を介して離隔し、これらのアノード排気ガス側流路及びカソード排気ガス側流路の双方を横切る位置に、所定温度以下では二酸化炭素を吸収して所定温度以上では二酸化炭素を放出する二酸化炭素除去部材を、その中心軸を中心に回転自在に配設し、前記二酸化炭素分離器におけるカソード排気ガス流路のうち、二酸化炭素除去部材よりもガス流れの上流側に排気ガス燃焼器を設け、前記燃料電池の燃料極から排出されたアノード排気ガスの一部を前記燃焼器に供給するように構成した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８】
前記二酸化炭素分離器内の壁部のうち、二酸化炭素除去部材よりもガス流れの上流側の部分を断熱性を有する壁部に構成する一方、二酸化炭素除去部材よりもガス流れの下流側の部分を熱伝導性を有する壁部に構成したことを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二酸化炭素分離器を備えた燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池発電プラントにおいては、炭化水素系の燃料を電気化学反応によって水と二酸化炭素に変化させ、これによって得られる化学エンタルピーの差を電気エネルギーに変換させることにより効率的に電力を得ることができるが、その反面、二酸化炭素が必然的に発生するという問題がある。この二酸化炭素は、そのまま大気中に放出すると地球温暖化の原因となる可能性があるため、アノード排気ガスから二酸化炭素を除去する技術が開発されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−２６００４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特許文献１に記載された発電システムによっては、発電に供された燃料ガスを再利用していないため、システム全体の発電効率が高くなかった。
【０００５】
そこで、本発明は、発電に供された燃料ガスを再利用して循環させることにより、燃料の有効利用を図ると共に、燃料電池システム全体の発電効率を向上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している。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明に係る燃料電池システムは、水素を含む燃料ガスを供給する燃料極及び酸素を含む酸化ガスを供給する空気極を有する燃料電池と、該燃料電池の燃料極より排出されるアノード排気ガス中から二酸化炭素成分を吸収して除去する二酸化炭素分離器と、該二酸化炭素分離器から放出されるアノード排気ガスに霧状の燃料を噴射することによって新たな燃料ガスを生成する燃料気化器とを備え、この燃料気化器で生成した燃料ガスを、前記燃料電池の燃料極に供給するように構成している。
【０００７】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池の燃料極側から排出される排気ガス中に含まれる未燃焼の燃焼成分を循環させて再利用するため、燃料成分の有効利用とシステム全体の発電効率の向上を図ることができる。また、アノード排気ガス中に含まれる二酸化炭素の濃度を二酸化炭素分離器で効果的に低下させるため、二酸化炭素を外気に放出することを防止できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
【０００９】
図１は本発明の第１実施形態による燃料電池システム全体の構成を示す概略図、図２は第１実施形態による二酸化炭素分離器の内部構造を示す概略図である。
【００１０】
第１実施形態による燃料電池システム１０は、空気コンプレッサ１１、燃料電池１２、燃料気化器１３、及び熱交換器１４を有する二酸化炭素分離器１５を備えている。
【００１１】
次いで、各構成機器について説明する。
【００１２】
前記空気コンプレッサ１１からは、二酸化炭素分離器１５に設けられた熱交換器１４を介して燃料電池１２の空気極（カソード）１６に圧縮空気が送給されるように、空気コンプレッサ１１と熱交換器１４との間に配管１７が配策され、熱交換器１４と燃料電池１２との間に空気供給管１８が配策されている。
【００１３】
前記燃料電池１２は、燃料極１９と空気極１６を有しており、例えば、図示しない発電セルとセパレータとを交互に積層した固体酸化物型燃料電池を用いることができる。発電セルは、電解質としてイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等の酸化物イオン導電性固体電解質を用い、該電解質の一方の面にランタン−マンガン系酸化物などで構成される空気極（カソード）１６を形成し、他方の面にニッケルサーメットなどで構成される燃料極（アノード）１９を形成している。また、セパレータは、一方の面に空気の流路が形成され、他方の面に燃料ガスの流路が形成されており、発電セル間の電気的接続機能を有する。なお、固体酸化物型燃料電池の動作温度は、約６００〜１０００℃と高温である。
【００１４】
前記発電セルの燃料極とセパレータの燃料ガスの流路側とを対向させると共に、発電セルの空気極とセパレータの空気の流路側とを対向させた状態で、発電セルとセパレータとを交互に積層させることによって、本実施形態に用いられる燃料電池１２を得ることができる。
【００１５】
なお、詳しくは図示しないが、燃料気化器１３から燃料電池１２の燃料極１９に配策された燃料ガス供給管２０は、燃料電池１２の内部に形成された複数の燃料極１９に燃料ガスを供給するように構成されており、この燃料ガスが発電に供されたのちに発生するアノード排気ガスは、燃料電池１２の下部に接続されたアノード排気ガス管２１を介して二酸化炭素分離器１５に送給されるように構成されている。
【００１６】
また、空気供給管１８は、燃料電池１２の内部に形成された複数の空気極１６に空気を供給し、この空気が発電に供されたのちに発生するカソード排気ガスは、燃料電池１２の下部に接続されたカソード排気ガス管２２を介して二酸化炭素分離器１５に送給される。
【００１７】
また、二酸化炭素分離器１５は、その外形が図２に拡大して示すように略円筒形に形成され、上部側のアノード排気ガス側流路２３と下部側のカソード排気ガス側流路２４とに壁部によって画成されている。このアノード排気ガス側流路２３には、燃料電池１２の燃料極１９から排出されるアノード排気ガス２５が導入され、カソード排気ガス側流路２４には燃料電池１２の空気極１６から排出される高温のカソード排気ガス２６が導入される。また、二酸化炭素分離器１５の軸方向（長手方向）の中央付近には、円盤状に形成された二酸化炭素除去部材２７がその径方向中心部の中心軸２８を回動可能に支持されており、この二酸化炭素除去部材２７によって二酸化炭素分離器１５の内部空間が、軸方向、即ち排気ガスの流れ方向に二分割されている。なお、以下の説明において、アノード排気ガス側流路２３とカソード排気ガス側流路２４のうち、二酸化炭素除去部材２７の左側を上流側、二酸化炭素除去部材２７の右側を下流側と呼ぶものとする。
【００１８】
そして、アノード排気ガス側流路２３の二酸化炭素除去部材２７よりも上流側には、熱交換器１４が設けられている。この熱交換器１４は、らせん状に旋回しながら巻回された細い金属製の供給管から構成されており、一端３０が空気コンプレッサ１１に接続され、他端３１が燃料電池１２の空気極（カソード側）１６に接続され、らせん状の供給管の内部には空気コンプレッサ１１から送られる圧縮空気が流通している。この圧縮空気は、温度の低い空気であるため、アノード排気ガス側流路２３内のらせん部分を流通する間にアノード排気ガス側流路２３内を流れる高温のアノード排気ガス２５の熱を奪いながら熱交換を行い、二酸化炭素除去部材２７に低温のアノード排気ガス２５を送給するように構成されている。
【００１９】
また、二酸化炭素除去部材２７の左側において、アノード排気ガス側流路２３とカソード排気ガス側流路流路２４とは断熱壁部３２によって上下に分け隔てられているため、アノード排気ガス側流路２３側の熱はカソード排気ガス側流路２４にはほとんど伝達されない。
【００２０】
さらに、二酸化炭素除去部材２７は、高温動作用に用いられるハニカム部材であり、担体であるハニカム状セラミックスに二酸化炭素吸収材を担持した回転再生式の分離器を使用することができる。前記二酸化炭素吸収材の材質は、リチウムジルコネイトなどを主成分とするものを好適に用いることができ、特定温度領域である３００〜７００℃内における所定温度で二酸化炭素を吸収し、この所定温度よりも高温状態においては二酸化炭素を放出する。よって、二酸化炭素除去部材２７を回転させれば、熱交換器により吸熱されてやや温度の低いアノード排気ガス側流路２３内に位置したときに二酸化炭素を吸収し、カソード排気ガス側流路２４に回転移動した時に二酸化炭素を放出するというように、回転によって二酸化炭素の吸収と放出を交互に繰り返すことができる。なお、図示はしないが、二酸化炭素除去部材の半分の一方側を二酸化炭素吸収部に形成し、他方側を二酸化炭素放出部に形成することにより、二酸化炭素除去部材を回転して連続的に二酸化炭素の吸収と放出を交互に行うことにより、二酸化炭素の除去分離を行うことができる。
【００２１】
そして、二酸化炭素除去部材２７の材質は、約３００℃〜７００℃の温度において二酸化炭素の吸収を効率的に行えるものが好ましい。固体酸化物型燃料電池はおよそ６００℃〜１０００℃で作用する燃料電池で、燃料電池の排気ガスの温度が二酸化炭素吸収温度である３００〜７００℃より高いため、高温のカソード排気２６を二酸化炭素除去部材２７に導入することにより、該二酸化炭素除去部材２７にアノード排気ガス側流路２３側で吸収された二酸化炭素を効率的に除去できる。
【００２２】
さらに、カソード排気ガス側流路２４における二酸化炭素除去部材２７よりも下流側は、アノード排気ガス側流路２３とカソード排気ガス側流路２４との間を熱交換が容易に行える熱伝導性壁部３３によって上下に分け隔てられており、このうち、アノード排気ガス側流路２３側は燃料気化器１３に構成されている。この燃料気化器１３の上部には、燃料を噴射するインジェクター３４が流路内に突出して設けられている。
【００２３】
次いで、酸化ガスである空気及び水素を含む燃料ガスの流れを説明する。
【００２４】
図１に示すように、空気コンプレッサ１１から送られる低温の圧縮空気は、二酸化炭素分離器１５に設けられた熱交換器１４に送られ、該熱交換器１４において高温のアノード排気ガス２５と熱交換を行い、温度が上昇する。こののち、空気は空気供給管１８を通って燃料電池１２内の空気極１６に送給される。燃料電池１２内では、空気内の酸素ガスが発電に供せられ、残った窒素ガス等が燃料電池１２の空気極１６から排出され、二酸化炭素分離器１５のカソード排気ガス側流路２４に供給され、二酸化炭素除去部材２７から二酸化炭素を分離させる。この二酸化炭素除去部材２７からは、窒素ガス、二酸化炭素及び酸素ガス等の排出ガス３５がシステム外へ排気される。例えば、車両の場合にはマフラーから排気を行う。
【００２５】
一方、燃料ガスは、燃料タンク３６からインジェクタ３４を介して噴霧される霧状の燃料を気化することによって得られる。燃料電池１２の燃料は、例えば、アルコールや天然ガス、ディーゼル油、ガソリンなどの炭化水素系を用いることができる。この場合、前述したように、燃料気化器１３には、熱交換可能な熱伝導性壁部３３を介してカソード排気ガス側流路２４から熱３７が伝達されるため、高温に保持されている。よって、前記霧状の燃料を効率的に気化させることや均質に混合することができ、この気化した燃料ガスは、燃料ガス供給管２０を通じて燃料電池１２の燃料極１９内に送られ、燃料電池１２内において発電に供され、アノード排気ガス２５になったのち、二酸化炭素分離器１５のアノード排気ガス流路２３に送られる。このアノード排気ガス２５中には、二酸化炭素、水蒸気及び水素等が含まれる。二酸化炭素分離器１５の熱交換器１４によって低温の圧縮空気と熱交換を行うことにより、アノード排気ガス２５は約３００〜７００℃の温度にまで低下したのち、二酸化炭素除去部材２７に送られる。該二酸化炭素除去部材２７において、二酸化炭素が選択的に吸収して分離されたのち、燃料気化器１３に送られ、前述したサイクルが繰り返される。
【００２６】
前記構成を有する燃料電池システム１０によれば、二酸化炭素分離器１５における上流側の流路が断熱壁部３２によって分離されているため、熱交換器１４による熱交換を効率的に行うことができる。また、下流側の流路同士が熱伝導性を有する熱伝導性壁部３３によって分離されているため、高温のカソード排気ガス２６の熱が燃料気化器１３に伝達されるため、液体状の燃料の気化を効率的に行うことができる。そして、二酸化炭素を分離した後の高温排気に液体燃料をインジェクトすることができるので、均質な混合及び気化ができ、これにより発電効率が向上する。
【００２７】
次いで、図３と図４を用いて、第２実施形態による燃料電池システム５０を説明する。ただし、第１実施形態と同一構造の部位については説明を省略し、同一符号を付するものとする。
【００２８】
本実施形態では、前記第１実施形態による燃料電池システム１０と比較すると、熱交換器１４に代えて外部改質器５１を用いて、アノード排気ガス２５を冷却している。
【００２９】
図３に示すように、空気コンプレッサ１１から延びる空気供給管１８は、熱交換器を介して２方向に分岐し、一方の供給管１８ａは外部改質器５１に接続され、他方の供給管１８ｂは燃料電池の空気極（カソード側）１６に接続されている。二酸化炭素分離器５２には、アノード排気ガス側流路５２内に、熱交換手段である改質装置として外部改質器５１が配設されており、該外部改質器５１から延びる供給管５４が燃料電池１２の燃料極（アノード側）１９に接続されている。さらに、二酸化炭素分離器５２のカソード排気ガス側流路５７からは、空気コンプレッサ側熱交換器５５に向けて排出管５６が延設されており、この熱交換器５５内において、空気コンプレッサ１１の空気供給管１８と排出管５６との間で熱交換を行うように構成されている。また、燃料気化器５８は配管５９を介して外部改質器５１に接続されており、燃料気化器５８で気化した燃料ガスを外部改質器５１を介して燃料電池１２の燃料極１９に送給するように構成している。
【００３０】
なお、外部改質器５１を図４に示すように、外部改質器６０として内管６１と外管６２との二重管構造に構成することができる。この外部改質器６０は、内管６１の内側部分を、アノード排気ガス２５の流通部６３とし、内管６１と外管６２との間の部分を、燃料気化部で気化した燃料ガスを流通させる改質機能部６４に形成している。前記外部改質器６０によれば、流通部６３を介してアノード排気ガス２５を二酸化炭素除去部材６５（図３参照）に送り、燃料気化器５８で気化した燃料ガスを改質機能部６４を流通させて燃料極１９に送ることにより、燃料ガスを循環させることができる。なお、前記改質機能部６４には、空気と水蒸気が導入される構造となっており、循環する燃料ガス流に対する空気と水蒸気の導入量を制御することにより、吸熱反応である水蒸気改質反応モードを制御することができる。アノード排気ガスと燃料ガスが熱交換することにより、アノード排気ガスは冷却され、燃料ガスは熱を供給されて水蒸気改質反応を促進することができる。この場合において、水蒸気は、燃料気化器５８において噴霧することもでき、改質機能部６４の入口部において噴霧して供給することもできる。外部改質器５１，６０の反応モードを制御して温度制御を行うことにより、二酸化炭素の吸収と放出を行い、二酸化炭素分離器５２の機能を再生させることができる。
【００３１】
外部改質器の別の構造として、図２の熱交換器１４と同類の構造で、配管内部に改質触媒が担持された構成のものを用いることもできる。
【００３２】
前記構成を有する第２実施形態による燃料電池システム５０によれば、二酸化炭素分離器５２の熱を利用して新規な液体燃料を均質に噴霧することができると共に、外部改質器５１の発熱及び吸熱反応を利用して、二酸化炭素分離器５２を連続的に運転することができる。また、第２実施形態では、既存の外部改質器５１を用いてアノード排気ガス２５の冷却を行うことができるため、新たな熱交換器が別個に必要とならず、安価なコストで対応することができる。
【００３３】
さらに、第３の実施形態について説明する。なお、第１及び第２実施形態と同一部位については同一符号を付して説明を省略する。
【００３４】
第３実施形態の燃料電池システム７０においては、図５に示すように、第２実施形態の燃料電池システム５０に加えて、二酸化炭素分離器７１のカソード排気ガス側流路７７の最も上流側に排気ガス燃焼器７２を設けてあり、また、燃料電池１２の燃料極（アノード側）１９から延設されるアノード排気管７３が第１分岐管７４と第２分岐管７５に２方向に分岐している。これらの第１分岐管７４は、二酸化炭素分離器７１のアノード排気ガス側流路７６に接続され、第２分岐管７５は排気ガス燃焼器７２に接続されている。
【００３５】
前記構成を有する第３実施形態の燃料電池システム７０によれば、燃料電池スタック内で消費されきらなかった燃料を含む排気ガスが、排気ガス燃焼器７２で燃焼して高温になるため、二酸化炭素除去部材６５から効率的に二酸化炭素を放出させることができる。また、アノード排気ガス管７３から排出されるアノード排気ガスが第２分岐管７５を介して排気ガス燃焼器７２に送られると共に、カソード排気ガスも排気ガス燃焼器７２に送られるため、これらの排気ガスを効率的に燃焼させることができる。
【００３６】
なお、いずれの実施形態においてもアノードを循環するガスは、ガス中の水素濃度を調整するために、ガスを循環経路外に放出する経路を備えていることが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態による燃料電池システム全体を示す概略図である。
【図２】図１の二酸化炭素分離器の内部構造を示す概略図である。
【図３】第２の実施形態による燃料電池システム全体を示す概略図である。
【図４】図２の外部改質器を示す斜視図である。
【図５】第３の実施形態による燃料電池システム全体を示す概略図である。
【符号の説明】
１０，５０  燃料電池システム
１１  空気コンプレッサ
１２  燃料電池
１３，５８  燃料気化器
１４  熱交換器
１５，５２，７１  二酸化炭素分離器
１６  空気極
１９  燃料極
２３，５３，７６  アノード排気ガス側流路
２４，５４，７７  カソード排気ガス側流路
２５  アノード排気ガス
２６  カソード排気ガス
２７，６５  二酸化炭素除去部材
２８  中心軸
３２  断熱壁部
３３  熱伝導性壁部
５１，６０  外部改質器（熱交換手段、改質装置）
７２  排気ガス燃焼器
【図１】
2004235027.tif 000003
【図２】
2004235027.tif 000004
【図３】
2004235027.tif 000005
【図４】
2004235027.tif 000006
【図５】
2004235027.tif 000007