JP6061913B2

JP6061913B2 - 多段式燃料電池システム

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Publication number: JP6061913B2
Application number: JP2014252418A
Authority: JP
Inventors: 麻理恵白井; 俊平多久; 中村　和郎; 和郎中村; 藤田　顕二郎; 顕二郎藤田
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2014-12-12
Filing date: 2014-12-12
Publication date: 2017-01-18
Anticipated expiration: 2034-12-12
Also published as: JP2016115495A

Description

本発明は、多段式燃料電池システムに関する。

高温作動形燃料電池の燃料リサイクル技術として、アノード排気のリサイクルを行う燃料電池システムが開示されている（特許文献１参照）。また、多段スタック又は単一スタックにおいて、アノードオフガス中の水蒸気や二酸化炭素を除去する方法が開示されている（特許文献２参照）。

特許第５５４２３３２号公報特開２００６−３１９８９号公報

固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）や溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）といった高温作動形燃料電池システムの高効率化に向けて、燃料利用率を向上させる手法として、燃料電池スタックの多段化が提案されている。これは、複数の燃料電池スタックを用いて、前段の燃料電池スタックで未反応であった燃料ガスを含むアノードオフガスを後段の燃料電池スタックで利用するという技術である。

このアノードオフガス中から水蒸気や二酸化炭素を取り除き、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を得ることができれば、この再生燃料ガスを用いて、後段の燃料電池スタックで再度発電を行うことができる。

上記した特許文献１に係る従来例では、水蒸気や二酸化炭素の除去に、分圧スイング吸着ユニット、温度スイング吸着ユニット、電気化学的ポンプが提案されている。しかしながら、吸着ユニットを用いる場合、圧力スイング又は温度スイングが必要で、システム構成及びシステムシーケンスが複雑になる。

電気化学的ポンプを用いる場合は、圧力スイング又は温度スイングを行う必要はないが、燃料オフガスを２００℃以下に低下させる必要がある。また、電気化学的ポンプは、電極触媒に白金をも用いるため、一般的に設備が高価となる。

上記した特許文献２に係る従来例では、アノードオフガスから水蒸気を除去する方法が、該アノードオフガスを例えば１００℃以下の常温近くまで冷却する凝縮であるため、アノードオフガスから水蒸気を除去し再生燃料ガスとして利用するためには、該再生燃料ガスを燃料電池スタックの発電温度まで再び加熱する必要がある。

即ち、比較的簡易な構成及びシーケンス、あるいは安価な設備でアノードオフガスから水蒸気を除去するためには該アノードオフガスを一旦冷却する必要があり、その温度域から発電温度まで再度加熱するための熱エネルギーが必要であった。また、凝縮水を回収し、原料ガスの改質用の水として利用する場合には、この水を再度使用温度まで加熱する熱エネルギーに加えて、この水を気化させるための熱エネルギーが必要であった。これらの熱エネルギー源として、燃料電池の排熱等が利用されていた。

本発明は、上記事実を考慮して、燃料電池の排熱を従来よりも有効利用できるようにして、構成を簡素化しつつシステムの効率を高めることを目的とする。

請求項１に係る多段式燃料電池システムは、原料ガスを水蒸気改質して水素を含む燃料ガスを生成する燃料処理装置と、前記燃料処理装置から供給される前記燃料ガスを用いて発電を行う第１燃料電池と、前記第１燃料電池から排出され前記第１燃料電池において未反応の前記燃料ガスを含むオフガスから、水蒸気を気体の状態で除去する水蒸気分離膜と、前記オフガスから前記水蒸気を除去した再生燃料ガスを用いて発電を行う第２燃料電池と、前記水蒸気分離膜で除去された前記水蒸気を、気体のまま前記燃料処理装置に供給又は前記原料ガスに混入させるブロワと、を有し、前記燃料処理装置は、前記水蒸気分離膜で除去された前記水蒸気を用いて前記原料ガスを改質し、前記燃料ガスを生成する。

この多段式燃料電池システムでは、燃料処理装置において、水蒸気改質により、原料ガスから水素を含む燃料ガスが生成される。この燃料ガスは、第１燃料電池に供給される。第１燃料電池では、燃料ガスを用いて発電が行われる。第１燃料電池から排出されるオフガスは、未反応の燃料ガス及び水蒸気等を含んでいる。この水蒸気は、水蒸気分離膜により、気体の状態でオフガスから除去される。これにより、水素濃度が高められた再生燃料ガスが生成される。第２燃料電池では、この再生燃料ガスを用いて発電が行われる。

また、この多段式燃料電池システムでは、オフガス中の水蒸気が、水蒸気分離膜により、気体の状態で該オフガスから除去されるので、水の凝縮に必要な温度までオフガスを冷却する必要がない。従って、再生燃料ガスを第２燃料電池に適した発電温度まで加熱する際の加熱幅が小さくなる。従って、再生燃料ガスを加熱するための熱交換器等を簡素化でき、追加の加熱装置を不要とすることができる。また、従来再生燃料ガスの加熱に使用されていた熱エネルギーを、給湯や、熱処理装置での改質反応（吸熱反応）等に有効利用できるようになる。

更に、この多段式燃料電池システムでは、燃料処理装置が、水蒸気分離膜で除去された水蒸気を用いて原料ガスを改質し、燃料ガスを生成するので、システムの水自立化を図ることができる。

更に、この多段式燃料電池システムでは、オフガスから除去された水蒸気が気体のまま燃料処理装置での改質反応に用いられる。従って、水蒸気を凝縮させた水を貯えるための水タンクや、該水を燃料処理装置に向けて送り出すためのポンプが不要となる。

更に、この多段式燃料電池システムでは、オフガスから除去された水蒸気が気体のままブロワにより送られ、燃料処理装置に供給又は原料ガスに混入されて、燃料処理装置での改質反応に用いられる。

請求項２の発明は、請求項１に記載の多段式燃料電池システムにおいて、前記水蒸気分離膜の透過側に前記原料ガスを流し、前記水蒸気分離膜で除去された前記水蒸気を前記原料ガスに混入して、前記燃料処理装置に供給する。

この多段式燃料電池システムでは、水蒸気分離膜で除去された水蒸気が、該水蒸気分離膜の透過側に流される原料ガスに直接混入されて、燃料処理装置での改質反応に用いられる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の多段式燃料電池システムにおいて、前記再生燃料ガス、前記原料ガス、空気、前記水蒸気、及び該水蒸気を凝縮した水の少なくとも１つと前記オフガスとの間で熱交換を行い、前記オフガスを冷却すると共に前記再生燃料ガス、前記原料ガス、前記空気、前記水蒸気、及び該水蒸気を凝縮した前記水の少なくとも１つを加熱する熱交換器を有する。

この多段式燃料電池システムでは、再生燃料ガス、原料ガス、空気、水蒸気、及び該水蒸気を凝縮した水の少なくとも１つとオフガスとの間で、熱交換器による熱交換が行われる。この熱交換器は、水蒸気分離膜に至る前のオフガスを該水蒸気分離膜に適した温度に向けて冷却する。

請求項４の発明は、原料ガスを水蒸気改質して水素を含む燃料ガスを生成する燃料処理装置と、前記燃料処理装置から供給される前記燃料ガスを用いて発電を行う第１燃料電池と、前記第１燃料電池から排出され前記第１燃料電池において未反応の前記燃料ガスを含むオフガスから、水蒸気を気体の状態で除去する水蒸気分離膜と、前記オフガスから前記水蒸気を除去した再生燃料ガスを用いて発電を行う第２燃料電池と、前記再生燃料ガス、前記原料ガス、空気、前記水蒸気、及び該水蒸気を凝縮した水の少なくとも１つと前記オフガスとの間で熱交換を行い、前記オフガスを冷却すると共に前記再生燃料ガス、前記原料ガス、前記空気、前記水蒸気、及び該水蒸気を凝縮した前記水の少なくとも１つを加熱する熱交換器とを有し、前記燃料処理装置は、前記水蒸気分離膜で除去された前記水蒸気を用いて前記原料ガスを改質し、前記燃料ガスを生成する。
請求項５の発明は、請求項３または請求項４に記載の多段式燃料電池システムにおいて、前記オフガスが流れるオフガス経路において、前記熱交換器の上流側及び下流側の少なくとも一方に設けられ、前記オフガスから二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去部を有し、前記再生燃料ガスは、前記オフガスから前記水蒸気及び前記二酸化炭素を除去したものである。

この多段式燃料電池システムでは、オフガス中の水蒸気が除去されるだけでなく、オフガス中の二酸化炭素が二酸化炭素除去部により除去されて再生燃料ガスが生成されるので、該再生燃料ガスを用いて発電を行う第２燃料電池の性能を向上させることができる。

請求項６の発明は、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の多段式燃料電池システムにおいて、前記水蒸気分離膜は、前記オフガスから前記水蒸気及び二酸化炭素を除去するものであり、前記再生燃料ガスは、前記オフガスから前記水蒸気及び前記二酸化炭素を除去したものである。

この多段式燃料電池システムでは、水蒸気分離膜により、オフガス中の水蒸気及び二酸化炭素が除去される。従って、二酸化炭素除去部を別途設ける必要がない。
請求項７の発明は、原料ガスを水蒸気改質して水素を含む燃料ガスを生成する燃料処理装置と、前記燃料処理装置から供給される前記燃料ガスを用いて発電を行う第１燃料電池と、前記第１燃料電池から排出され前記第１燃料電池において未反応の前記燃料ガスを含むオフガスから、水蒸気を気体の状態で除去する水蒸気分離膜と、前記オフガスから前記水蒸気を除去した再生燃料ガスを用いて発電を行う第２燃料電池と、を有し、前記水蒸気分離膜は、前記オフガスから前記水蒸気及び二酸化炭素を除去するものであり、前記再生燃料ガスは、前記オフガスから前記水蒸気及び前記二酸化炭素を除去したものである。

本発明に係る多段式燃料電池システムによれば、燃料電池の排熱を従来よりも有効利用できるようにして、構成を簡素化しつつシステムの効率を高めることができる、という優れた効果が得られる。

第１実施形態に係る多段式燃料電池システムを模式的に示すブロック図である。第２実施形態に係る多段式燃料電池システムを模式的に示すブロック図である。第３施形態に係る多段式燃料電池システムを模式的に示すブロック図である。第４施形態に係る多段式燃料電池システムを模式的に示すブロック図である。第５実施形態に係る多段式燃料電池システムを模式的に示すブロック図である。第６施形態に係る多段式燃料電池システムを模式的に示すブロック図である。第７施形態に係る多段式燃料電池システムを模式的に示すブロック図である。第８実施形態に係る多段式燃料電池システムを模式的に示すブロック図である。第９実施形態に係る多段式燃料電池システムを模式的に示すブロック図である。第１０実施形態に係る多段式燃料電池システムを模式的に示すブロック図である。二酸化炭素除去部の原理を模式的に示すブロック図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づき説明する。

［第１実施形態］
図１において、本実施形態に係る多段式燃料電池システム１０は、燃料処理装置１４と、第１燃料電池１１と、水蒸気分離膜１６と、第２燃料電池１２とを有している。

燃料処理装置１４は、メタン等の原料ガスから水素を含む燃料ガスを生成するＦＰＳ（Fuel Processing System）であり、原料ガスから水素を製造する触媒（図示せず）と、触媒を加熱する燃焼器１８とを有している。触媒は改質触媒であり、改質器１９内に設けられている。改質器１９には、原料ガス経路２４が接続されており、該原料ガス経路２４を通じて原料ガスが供給されるようになっている。原料ガス経路２４には、原料ガスを送るためのブロワ２５が設けられている。また、原料ガス経路２４におけるブロワ２５と改質器１９との間には、後述する第２熱交換器２２が設けられており、原料ガスは該第２熱交換器２２により加熱されるようになっている。

また、改質器１９には、水供給経路２８が接続されており、該水供給経路２８には水タンク２６に接続されている。水タンク２６は、水蒸気分離膜１６で除去された水蒸気を凝縮した水３８が貯められる容器である。水供給経路２８には、例えばポンプ３２と、気化器３４とが設けられている。ポンプ３２は、水タンク２６内の水３８を水供給経路２８へ送りだすものである。気化器３４は、ポンプ３２の下流側に設けられ、水供給経路２８に送り出された水３８を気化させて水蒸気を生成するものである。改質器１９は、この水供給経路２８を通じて供給された水蒸気を利用して、原料ガスを改質して、水素を含む燃料ガスを生成するようになっている。つまり、燃料処理装置１４は、水蒸気分離膜１６で除去された水蒸気を用いて原料ガスを改質し、燃料ガスを生成するようになっている。そして、この燃料ガスは、燃料ガス経路４２を通じて、第１燃料電池１１のアノード（図示せず）へ供給されるようになっている。

燃料処理装置１４の燃焼器１８には、空気供給経路４４と、オフガス経路４６とが接続されている。この燃焼器１８は、空気供給経路４４を通じて供給された空気と、オフガス経路４６を通じて供給されたバーナガス（後述するオフガス）との混合ガスを燃焼させ、改質器１９内の触媒を加熱する。燃焼器１８からの排気は、排気経路４８を通じて排出される。

第１燃料電池１１は、燃料処理装置１４から供給される燃料ガスを用いて発電を行う、例えば燃料電池スタックである。この第１燃料電池１１は、例えば７５０℃程度で作動する高温型の燃料電池（固体酸化物形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池）である。図示は省略するが、第１燃料電池１１は、電解質層と、該電解質層の表裏面にそれぞれ積層されたアノード及びカソードとを有している。アノードは燃料極であり、カソードは空気極である。

カソードには、空気供給経路４４を通じて空気（酸化ガス）が供給される。このカソードでは、酸素と炭酸ガス（溶融炭酸塩形燃料電池の場合のみ）と電子が、電解質層で電気化学的に反応して酸素イオン（固体酸化物形燃料電池の場合）や炭酸イオン（溶融炭酸塩形燃料電池の場合）となり、電解質膜を移動する。

一方、アノードには、燃料ガス経路４２を通じて、燃料処理装置１４から燃料ガスが供給される。このアノードでは、水素が電解質層を移動してきた炭酸イオンや酸素イオンと反応し、水、炭酸ガス（溶融炭酸塩形燃料電池の場合のみ）、電子が生成される。アノードで生成された電子は、外部回路を通ってカソードに移動する。

そして、このようにして電子がアノードからカソードに移動することにより、第１燃料電池１１において発電が行われる。カソードでの未反応ガスは、下流側の空気供給経路４４を通じて第２燃料電池１２へ供給される。

水蒸気分離膜１６は、第１燃料電池１１から排出され第１燃料電池１１において未反応の燃料ガスを含むオフガスから、水蒸気を気体の状態で除去するものである。水蒸気分離膜１６は、オフガス経路５２に設けられており、水の凝縮点よりも高い温度（例えば１００℃以上）で、オフガスから水蒸気を除去することができる。水蒸気分離膜１６の種類としては、高分子系、高分子−無機分子ハイブリッド膜、ゼオライト系があり、例えば表１に示されるように、１００℃以上での水蒸気分離を行った実績が報告されている。

再生燃料ガスは、再生燃料ガス経路５４を通じて、第２燃料電池１２へ供給されるようになっている。再生燃料ガス経路５４には、第１熱交換器２１が設けられている。この第１熱交換器２１は、オフガス経路５２を流れるオフガスと、再生燃料ガス経路５４を流れる再生燃料ガスとの間で熱交換を行い、オフガスを例えば２００℃程度に冷却すると共に再生燃料ガスを第２燃料電池１２の作動温度に対応して再度加熱するものである。

一方、オフガス経路５２における水蒸気分離膜１６の下流側には、第２熱交換器２２及び水タンク２６が設けられている。水蒸気分離膜１６で除去された水蒸気は、第２熱交換器２２で冷却され、水タンク２６で凝縮されて水３８となり、該水タンク２６に貯えられるようになっている。水タンク２６の上部にはオフガス経路４６が接続されている。水タンク２６で凝縮しない二酸化炭素等のガスは、該オフガス経路４６を通じて、燃料処理装置１４の燃焼器１８へ供給されるようになっている。第２熱交換器２２は、原料ガス経路２４を流れる原料ガスと、オフガス経路５２を流れるオフガスとの間で熱交換を行い、オフガスを冷却すると共に原料ガスを加熱するものである。

この他、空気又は水蒸気と、オフガスとの間で熱交換を行う熱交換器を設けてもよい。つまり、本実施形態における熱交換器は、再生燃料ガス、原料ガス、空気、水蒸気、及び該水蒸気を凝縮した水３８の少なくとも１つとオフガスとの間で熱交換を行うものである。

第２燃料電池１２は、オフガスから水蒸気を除去した再生燃料ガスを用いて発電を行う、例えば燃料電池スタックである。この第２燃料電池１２は、例えば７５０℃程度で作動する高温型の燃料電池（固体酸化物形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池）である。図示は省略するが、第２燃料電池１２も、第１燃料電池１１と同様に、電解質層と、該電解質層の表裏面にそれぞれ積層されたアノード及びカソードとを有している。アノードには、再生燃料ガス経路５４を通じて、再生燃料ガスが供給される。

第２燃料電池１２の作動原理は、第１燃料電池１１と同様であり、再生燃料ガスを用いて発電が行われる。反応によってカソードで生成された空気は、下流側の空気供給経路４４を通じて、燃料処理装置１４の燃焼器１８へ供給される。

（作用）
本実施形態は、上記のように構成されており、以下その作用について説明する。図１において、本実施形態に係る多段式燃料電池システム１０では、燃料処理装置１４において、原料ガスから水素を含む燃料ガスが生成される。具体的には、燃料処理装置１４において、改質器１９内の触媒を燃焼器１８で加熱することで、原料ガスが例えば水蒸気改質されて、水素を含む燃料ガスが生成される。改質には、水タンク２６から水供給経路２８を通じて供給される水３８を気化器３４で気化させた水蒸気を利用することができる。

燃料処理装置１４で生成された燃料ガスは、燃料ガス経路４２を通じて第１燃料電池１１へ供給される。第１燃料電池１１では、燃料ガスを用いて発電が行われる。第１燃料電池１１から排出されるオフガスは、未反応の燃料ガス及び水蒸気等を含んでいる。この水蒸気は、水蒸気分離膜１６により、気体の状態でオフガスから除去される。これにより、水素濃度が高められた再生燃料ガスが生成される。再生燃料ガスは、再生燃料ガス経路５４を通じて、第２燃料電池１２へ供給される。第２燃料電池１２では、この再生燃料ガスを用いて発電が行われる。

なお、オフガス経路５２を流れるオフガスと、再生燃料ガス経路５４を流れる再生燃料ガスとの間では、第１熱交換器２１による熱交換が行われる。この第１熱交換器２１は、水蒸気分離膜１６に至る前のオフガスを該水蒸気分離膜１６に適した温度に向けて冷却すると共に、第２燃料電池１２に至る前の再生燃料ガスを第２燃料電池１２の発電温度に適した温度に向けて加熱する。

水蒸気分離膜１６で除去された水蒸気は、オフガス経路５２における水蒸気分離膜１６の下流側に流れ、第２熱交換器２２により冷却され、更に水タンク２６で凝縮されて水３８となり、該水タンク２６に貯えられる。水タンク２６に所定量以上の水３８が貯まった際には、例えばオーバーフローによりドレン排水される。水タンク２６で凝縮しない二酸化炭素等のガスは、オフガス経路４６を通じて、燃料処理装置１４の燃焼器１８へ供給される。
第２熱交換器２２は、原料ガス経路２４を流れる原料ガスと、オフガス経路５２を流れるオフガスとの間で熱交換を行い、オフガスを冷却すると共に原料ガスを加熱する。第２熱交換器２２により原料ガスを加熱することで、従来再生燃料ガスの加熱に使用されていた熱エネルギーを、燃料処理装置１４での改質反応（吸熱反応）に有効利用できる。

本実施形態に係る多段式燃料電池システム１０では、オフガス中の水蒸気が、水蒸気分離膜１６により、気体の状態で該オフガスから除去されるので、水の凝縮に必要な温度までオフガスを冷却する必要がない。従って、再生燃料ガスを第２燃料電池１２に適した発電温度まで加熱する際の加熱幅が小さくなる。本実施形態の場合、再生燃料ガスを２００℃から７５０℃へ昇温するので、加熱幅は例えば５５０℃である。従って、再生燃料ガスを加熱するための第１熱交換器２１等を簡素化でき、追加の加熱装置を不要とすることができる。また、従来再生燃料ガスの加熱に使用されていた熱エネルギーを、給湯等に有効利用できるようになる。

水タンク２６の水３８は、ポンプ３２により水供給経路２８へ送り出され、気化器３４で気化されて水蒸気となり、燃料処理装置１４の改質器１９へ供給される。改質器１９は、この水供給経路２８を通じて供給された水蒸気を利用して、原料ガスを改質して、水素を含む燃料ガスを生成することができる。この水蒸気は、元は水蒸気分離膜１６で除去された水蒸気である。このように、本実施形態では、燃料処理装置１４が、水蒸気分離膜１６で除去された水蒸気を用いて原料ガスを改質するので、システムの水自立化を図ることができる。

このように、本実施形態に係る多段式燃料電池システム１０では、燃料電池の排熱を従来よりも有効利用できるようにして、構成を簡素化しつつシステムの効率を高めることができる。

［第２実施形態］
図２において、本実施形態に係る多段式燃料電池システム２０では、水蒸気分離膜１６で除去された水蒸気が、気体のまま燃料処理装置１４での改質反応に用いられる構成となっている。具体的には、オフガス経路５２における水蒸気分離膜１６の下流側が、水供給経路２８を通じて、例えば燃料処理装置１４の改質器１９に直接接続されている。水供給経路２８には、ブロワ３３が設けられている。水蒸気分離膜１６で除去された水蒸気は、このブロワ３３を用いて、燃料処理装置１４の改質器１９に供される。水供給経路２８には、第１実施形態における第２熱交換器２２（図１）が設けられていないので、原料ガスは、燃料処理装置１４の改質器１９に直接供給される。なお、水供給経路２８を原料ガス経路２４に接続して、水蒸気を原料ガスに混入するようにしてもよい。

これにより、水蒸気分離膜１６でオフガスから除去された水蒸気が気体のまま改質器１９で原料ガスと混合されて改質される。従って、第１実施形態における水タンク２６やポンプ３２（図１）が不要となるので、システムの構成が簡素となる。

他の部分については、第１実施形態と同様であるので、同一の部分には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。

［第３実施形態］
図３において、本実施形態に係る多段式燃料電池システム３０では、第２実施形態と同様に、水蒸気分離膜１６で除去された水蒸気が、気体のまま原料ガスと混合される構成となっている。具体的には、オフガス経路５２が水蒸気分離膜１６のフィード側１６Ａに配置され、原料ガス経路２４が水蒸気分離膜１６の透過側１６Ｂに通されている。

オフガス経路５２を通るオフガス中の水蒸気は、水蒸気分離膜１６をフィード側１６Ａから透過側１６Ｂへ矢印Ａ方向に通過し、該透過側１６Ｂに流される原料ガスに気体のまま直接混合される。この原料ガス及び水蒸気は、ブロワ２５により燃料処理装置１４の改質器１９へ供給されて改質され、燃料ガスとなる。従って、第２実施形態における水供給経路２８及びブロワ３３（図２）が不要となるので、システムの構成が更に簡素となる。

他の部分については、第１実施形態又は第２実施形態と同様であるので、同一の部分には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。

［第４実施形態］
図４において、本実施形態に係る多段式燃料電池システム４０は、第１実施形態に、二酸化炭素除去部５６を追加して構成されている。この二酸化炭素除去部５６は、オフガスが流れるオフガス経路５２において、第１熱交換器２１の上流側（高温部）に設けられ、オフガス中の二酸化炭素を除去するものである。第１熱交換器２１を通過する前のオフガスは７５０℃程度と比較的高温であるので、二酸化炭素除去部５６としては、この温度で使用可能なものが選択される。二酸化炭素除去部５６は、オフガス経路４６に接続されている。

第２燃料電池１２に供給される再生燃料ガスは、オフガスから二酸化炭素及び水蒸気を除去したものである。具体的には、オフガス経路５２を通るオフガスは、まず二酸化炭素除去部５６において二酸化炭素が除去され、第１熱交換器２１で冷却された後、水蒸気分離膜１６において水蒸気が除去されて、再生燃料ガスとなる。

二酸化炭素除去部５６でオフガスから除去された二酸化炭素は、オフガス経路４６を通じて、燃料処理装置１４の燃焼器１８へ供給される。

この多段式燃料電池システム４０では、オフガス中の水蒸気が除去されるだけでなく、オフガス中の二酸化炭素が除去されて再生燃料ガスが生成されるので、該再生燃料ガスを用いて発電を行う第２燃料電池１２の性能を向上させることができる。

［第５実施形態］
図５において、本実施形態に係る多段式燃料電池システム５０は、第２実施形態と同様に、水蒸気分離膜１６で除去された水蒸気が、気体のまま原料ガスと混合される構成となっている。また、第４実施形態と同様に、オフガスが流れるオフガス経路５２において、第１熱交換器２１の上流側（高温部）に、二酸化炭素除去部５６が設けられている。

水蒸気分離膜１６でオフガスから除去された水蒸気が気体のまま改質器１９で原料ガスと混合されて改質されるので、第１実施形態における水タンク２６やポンプ３２（図１）が不要となるので、システムの構成が簡素となる。

また、オフガス中の水蒸気が除去されるだけでなく、オフガス中の二酸化炭素が除去されて再生燃料ガスが生成されるので、該再生燃料ガスを用いて発電を行う第２燃料電池１２の性能を向上させることができる。

他の部分については、第１実施形態、第２実施形態又は第４実施形態と同様であるので、同一の部分には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。

［第６実施形態］
図６において、本実施形態に係る多段式燃料電池システム６０は、第３実施形態と同様に、水蒸気分離膜１６で除去された水蒸気が、気体のまま原料ガスと直接混合される構成となっている。また、第４実施形態と同様に、オフガスが流れるオフガス経路５２において、第１熱交換器２１の上流側（高温部）に、二酸化炭素除去部５６が設けられている。

オフガス経路５２を通るオフガス中の水蒸気は、原料ガス経路２４を通る原料ガスに気体のまま直接混合される。この原料ガス及び水蒸気は、ブロワ２５により燃料処理装置１４の改質器１９へ供給されて改質され、燃料ガスとなる。従って、第２実施形態における水供給経路２８及びブロワ３３（図２）が不要となるので、システムの構成が更に簡素となる。

他の部分については、第１実施形態、第３実施形態又は第４実施形態と同様であるので、同一の部分には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。

［第７実施形態］
図７において、本実施形態に係る多段式燃料電池システム７０は、第４実施形態において、二酸化炭素除去部５６を、オフガス経路５２における第１熱交換器２１の下流側に設けたものである。第１熱交換器２１を通過したオフガスは２００℃程度と比較的低温であるので、二酸化炭素除去部５６としては、この温度で使用可能なものが選択される。

第１熱交換器２１の下流側における二酸化炭素除去部５６の位置は、水蒸気分離膜１６の上流側でも下流側でもよい。二酸化炭素除去部５６が、二酸化炭素を吸収して除去する形式の場合には、該二酸化炭素除去部５６を、水蒸気分離膜１６下流側に配置することができる。

しかしながら、二酸化炭素除去部５６が電気化学分離によって二酸化炭素を除去する形式の場合には、該二酸化炭素除去部５６は、水蒸気分離膜１６の上流側に配置する必要がある。これは、電気化学分離に水が必要とされるため、水蒸気が除去された後では二酸化炭素を除去できなくなるためである。

ここで、二酸化炭素除去部５６が電気化学分離式である場合の原理について簡単に説明する。図１１に示されるように、二酸化炭素除去部５６は、アノード６２と、電解質膜６４と、カソード６６とを有し、アノード６２とカソード６６の間に電解質膜６４が挟まれている。アノード６２とカソード６６には、電源５８が接続されている。この電源としては、第１燃料電池１１又は第２燃料電池１２を用いることができる。アノード６２には、オフガス経路５２が接続されている。カソード６６の一方には空気供給経路６８が接続され、他方にはオフガス経路４６が接続されている。アノード６２及びカソード６６に電圧を印加すると、アノード６２とカソード６６で夫々次のような反応が生じ、二酸化炭素が除去される。

アノード６２：２Ｈ２０→２Ｈ２＋０２０２＋２Ｃ０２＋２e−→ＣＯ３−２
カソード６６：ＣＯ３−２→０２＋２Ｃ０２＋２e−

これによりオフガスから除去された二酸化炭素等は、空気供給経路６８から供給される空気によりパージされてオフガス経路４６へ排出される。

本実施形態に係る多段式燃料電池システム７０では、オフガス経路５２を通るオフガスが、まず第１熱交換器２１で冷却された後、二酸化炭素除去部５６において二酸化炭素が除去され、水蒸気分離膜１６において水蒸気が除去されて、再生燃料ガスとなる。

この多段式燃料電池システム７０では、オフガス中の水蒸気が除去されるだけでなく、オフガス中の二酸化炭素が除去されて再生燃料ガスが生成されるので、該再生燃料ガスを用いて発電を行う第２燃料電池１２の性能を向上させることができる。

他の部分については、第１実施形態又は第４実施形態と同様であるので、同一の部分には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。

［第８実施形態］
図８において、本実施形態に係る多段式燃料電池システム８０は、第５実施形態において、二酸化炭素除去部５６を、オフガス経路５２における第１熱交換器２１の下流側（低温部）に設けたものである。

他の部分については、第１実施形態、第２実施形態、第４実施形態又は第５実施形態と同様であるので、同一の部分には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。

［第９実施形態］
図９において、本実施形態に係る多段式燃料電池システム９０は、第６実施形態において、二酸化炭素除去部５６を、オフガス経路５２における第１熱交換器２１の下流側に設けたものである。

他の部分については、第１実施形態、第３実施形態、第４実施形態又は第６実施形態と同様であるので、同一の部分には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。

［第１０実施形態］
図１０において、本実施形態に係る多段式燃料電池システム１００では、第１実施形態において、水蒸気分離膜１６が、オフガスから水蒸気及び二酸化炭素を除去するものとなっている。水蒸気分離膜１６として、「Zi Tong et al., "Water vapor and CO2 transport through amine-containing facilitated transport membranes", Reactive & Functional Polymers (2014)に記載の膜を用いることができる。

オフガス経路５２を通るオフガスは、まず第１熱交換器２１で冷却された後、水蒸気分離膜１６において水蒸気及び二酸化炭素が除去されて、再生燃料ガスとなる。

本実施形態では、水蒸気分離膜１６により、オフガス中の水蒸気及び二酸化炭素が除去されるので、二酸化炭素除去部５６（第４実施形態から第９実施形態）を別途設ける必要がない。このため、システムを更に簡素化することができる。

［実施例］
第１燃料電池（ＳＯＦＣ１）及び第２燃料電池（ＳＯＦＣ２）が、直列に配置された２段式の多段式燃料電池システムにおいて、従来例と、第１燃料電池のオフガスから水蒸気（Ｈ２０）のみを回収した場合、二酸化炭素（ＣＯ２）を回収した場合、その両方（水蒸気及び二酸化炭素）を回収した場合について、夫々解析を行った。

なお、従来例は、凝縮器を用いて、オフガスから水蒸気を除去する構成である。水蒸気のみを回収する構成は、第１〜第３実施形態に相当する。水蒸気及び二酸化炭素を回収する構成は、第４〜第１０実施形態に相当する。

ＳＯＦＣスタックでの反応は、７５０℃での平衡反応とした。改質器に供給される単位時間当たりの水蒸気の分子数Ｓと、改質器に供給される単位時間当たりの原料ガスの炭素原子数Ｃとの比であるスチームカーボン比（Ｓ／Ｃ）を、２．５とした。

表２に、各々の場合の開回路電圧（ＯＣＶ：ＯｐｅｎＣｉｒｃｕｉｔＶｏｌｔａｇｅ）を解析した結果を示す。表２において、開回路電圧とは、燃料電池に負荷をかけていない状態の両端子間の電圧である。Ｕｆは、有効に利用された燃料の割合（燃料利用率）である。平均ＯＣＶとは、燃料電池スタックの入口部のＯＣＶと出口部のＯＣＶの平均である。

この結果、何れの場合でも、従来例と比較して、ＳＯＦＣ２の平均ＯＣＶが向上し、これに伴って全体ＯＣＶも向上することがわかった。特に、水蒸気及び二酸化炭素を回収する場合は顕著である。

また、水蒸気を除去するために凝縮器を用いる従来例と比較して、本実施形態のように水蒸気分離膜を用いることで、再生燃料ガスの加熱幅を小さくすることができる。２００℃で使用可能な水蒸気分離膜を用いて、オフガスから水のみを除去したと仮定すると、１０ｋＷ級のＳＯＦＣシステムにおいて、２１０Ｗの熱的メリットが生じると試算された。また、回収した水を凝縮せず、水蒸気のまま改質用に燃料処理装置に供給したと仮定すると、１０ｋＷ級のＳＯＦＣシステムにおいて、２．２３ｋＷの熱的メリットが生じると試算された。

［他の実施形態］
以上、本発明の一例について説明したが、本発明の実施形態は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。

例えば第１実施形態等において、第１熱交換器２１が設けられるものとしたが、オフガスの冷却装置と、再生燃料ガスの加熱装置を設けて、第１熱交換器２１を設けない構成としてもよい。

燃料処理装置１４が、水蒸気分離膜１６で除去された水蒸気を用いて原料ガスを改質するものとしたが、他から供給される水蒸気を用いて改質を行ってもよい。

１０…多段式燃料電池システム、１１…第１燃料電池、１２…第２燃料電池、１４…燃料処理装置、１６…水蒸気分離膜、１６Ｂ…透過側、２０…多段式燃料電池システム、２１…第１熱交換器（熱交換器）、２２…第２熱交換器（熱交換器）、３０…多段式燃料電池システム、３８…水、４０…多段式燃料電池システム、５０…多段式燃料電池システム、５２…オフガス経路、５６…二酸化炭素除去部、６０…多段式燃料電池システム、７０…多段式燃料電池システム、８０…多段式燃料電池システム、９０…多段式燃料電池システム、１００…多段式燃料電池システム

Claims

原料ガスを水蒸気改質して水素を含む燃料ガスを生成する燃料処理装置と、
前記燃料処理装置から供給される前記燃料ガスを用いて発電を行う第１燃料電池と、
前記第１燃料電池から排出され前記第１燃料電池において未反応の前記燃料ガスを含むオフガスから、水蒸気を気体の状態で除去する水蒸気分離膜と、
前記オフガスから前記水蒸気を除去した再生燃料ガスを用いて発電を行う第２燃料電池と、
前記水蒸気分離膜で除去された前記水蒸気を、気体のまま前記燃料処理装置に供給又は前記原料ガスに混入させるブロワと、
を有し、
前記燃料処理装置は、前記水蒸気分離膜で除去された前記水蒸気を用いて前記原料ガスを改質し、前記燃料ガスを生成する多段式燃料電池システム。
前記水蒸気分離膜の透過側に前記原料ガスを流し、前記水蒸気分離膜で除去された前記水蒸気を前記原料ガスに直接混入して、前記燃料処理装置に供給する請求項１に記載の多段式燃料電池システム。
前記再生燃料ガス、前記原料ガス、空気、前記水蒸気、及び該水蒸気を凝縮した水の少なくとも１つと前記オフガスとの間で熱交換を行い、前記オフガスを冷却すると共に前記再生燃料ガス、前記原料ガス、前記空気、前記水蒸気、及び該水蒸気を凝縮した前記水の少なくとも１つを加熱する熱交換器を有する請求項１または請求項２に記載の多段式燃料電池システム。
原料ガスを水蒸気改質して水素を含む燃料ガスを生成する燃料処理装置と、
前記燃料処理装置から供給される前記燃料ガスを用いて発電を行う第１燃料電池と、
前記第１燃料電池から排出され前記第１燃料電池において未反応の前記燃料ガスを含むオフガスから、水蒸気を気体の状態で除去する水蒸気分離膜と、
前記オフガスから前記水蒸気を除去した再生燃料ガスを用いて発電を行う第２燃料電池と、
前記再生燃料ガス、前記原料ガス、空気、前記水蒸気、及び該水蒸気を凝縮した水の少なくとも１つと前記オフガスとの間で熱交換を行い、前記オフガスを冷却すると共に前記再生燃料ガス、前記原料ガス、前記空気、前記水蒸気、及び該水蒸気を凝縮した前記水の少なくとも１つを加熱する熱交換器とを有し、
前記燃料処理装置は、前記水蒸気分離膜で除去された前記水蒸気を用いて前記原料ガスを改質し、前記燃料ガスを生成する多段式燃料電池システム。
前記オフガスが流れるオフガス経路において、前記熱交換器の上流側及び下流側の少なくとも一方に設けられ、前記オフガスから二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去部を有し、
前記再生燃料ガスは、前記オフガスから前記水蒸気及び前記二酸化炭素を除去したものである請求項３または請求項４に記載の多段式燃料電池システム。
前記水蒸気分離膜は、前記オフガスから前記水蒸気及び二酸化炭素を除去するものであり、
前記再生燃料ガスは、前記オフガスから前記水蒸気及び前記二酸化炭素を除去したものである請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の多段式燃料電池システム。
原料ガスを水蒸気改質して水素を含む燃料ガスを生成する燃料処理装置と、
前記燃料処理装置から供給される前記燃料ガスを用いて発電を行う第１燃料電池と、
前記第１燃料電池から排出され前記第１燃料電池において未反応の前記燃料ガスを含むオフガスから、水蒸気を気体の状態で除去する水蒸気分離膜と、
前記オフガスから前記水蒸気を除去した再生燃料ガスを用いて発電を行う第２燃料電池と、を有し、
前記水蒸気分離膜は、前記オフガスから前記水蒸気及び二酸化炭素を除去するものであり、
前記再生燃料ガスは、前記オフガスから前記水蒸気及び前記二酸化炭素を除去したものである多段式燃料電池システム。