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JP6126154B2 - Fuel cell system - Google Patents

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JP6126154B2
JP6126154B2 JP2015064149A JP2015064149A JP6126154B2 JP 6126154 B2 JP6126154 B2 JP 6126154B2 JP 2015064149 A JP2015064149 A JP 2015064149A JP 2015064149 A JP2015064149 A JP 2015064149A JP 6126154 B2 JP6126154 B2 JP 6126154B2
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Description

本発明は、燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system.

通常600℃以上の温度で作動する固体酸化物形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池などの高温作動形燃料電池のシステムでは、高効率化を図るため、高温作動形燃料電池のアノードから排出されるアノード排ガスを再利用することが検討されている。例えば、アノード排ガス中の二酸化炭素又は水蒸気を除去し、そのガスを再利用することで、システム全体の燃料利用率を向上させる技術がいくつか提案されている。   In high temperature operation fuel cell systems such as solid oxide fuel cells and molten carbonate fuel cells that normally operate at temperatures of 600 ° C. or higher, they are discharged from the anode of the high temperature operation fuel cells in order to increase efficiency. Reusing the anode exhaust gas is being studied. For example, several techniques for improving the fuel utilization rate of the entire system by removing carbon dioxide or water vapor from the anode exhaust gas and reusing the gas have been proposed.

例えば、固体酸化物形燃料電池のアノードオフガスから水蒸気を除去してアノードオフガスを再生し、再生オフガスを固体酸化物形燃料電池の燃料として再利用することにより固体酸化物形燃料電池それ自体での燃料利用率を改善する固体酸化物形燃料電池による発電方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
また、燃料電池から排出された排出燃料ガスを、燃料再循環ラインを介して前記燃料電池へと再循環することにより、前記燃料電池の燃料ガスとして再利用する構成を有し、前記再循環ラインに再循環中の前記排出燃料ガスから水蒸気の除去と二酸化炭素の除去とを同時に行うガス調整器を備えた燃料電池システムが提案されている(例えば、特許文献2参照)。
また、燃料吸入流が供給された燃料電池スタックを運転して電気と200℃を超える温度の燃料排気流とを生成し、前記燃料排気流の温度を200℃以下に下げ、前記燃料排気流を第一の燃料排気分流と第二の燃料排気分流とに分割した後、前記第一の燃料排気分流を前記燃料吸入流へとリサイクルする燃料電池システムの運転方法が提案されている(例えば、特許文献3参照)。
For example, by removing water vapor from the anode off-gas of a solid oxide fuel cell to regenerate the anode off-gas and reusing the regenerated off-gas as fuel for the solid oxide fuel cell, the solid oxide fuel cell itself A power generation method using a solid oxide fuel cell that improves fuel utilization has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
In addition, the exhaust fuel gas discharged from the fuel cell is recirculated to the fuel cell via a fuel recirculation line, thereby being reused as the fuel gas of the fuel cell, and the recirculation line In addition, there has been proposed a fuel cell system including a gas regulator that simultaneously removes water vapor and carbon dioxide from the exhausted fuel gas being recycled (see, for example, Patent Document 2).
In addition, the fuel cell stack supplied with the fuel intake flow is operated to generate electricity and a fuel exhaust flow having a temperature exceeding 200 ° C., and the temperature of the fuel exhaust flow is lowered to 200 ° C. or less, There has been proposed a method of operating a fuel cell system in which the first fuel exhaust split is divided into the first fuel exhaust split and the first fuel exhaust split is recycled to the fuel intake flow (for example, a patent) Reference 3).

他にも、分離膜を用いてアノード排ガス中の二酸化炭素又は水蒸気を除去する循環型燃料電池システムが提案されている。例えば、分離膜の透過側に空気を供給して、アノード排ガス中の二酸化炭素又は水蒸気を除去する方式、あるいは、真空ポンプにより分離膜の透過側を減圧して、アノード排ガス中の二酸化炭素又は水蒸気を除去する方式を採用した循環型燃料電池システムが提案されている(例えば、特許文献4参照)。   In addition, a circulation type fuel cell system has been proposed in which carbon dioxide or water vapor in the anode exhaust gas is removed using a separation membrane. For example, air is supplied to the permeation side of the separation membrane to remove carbon dioxide or water vapor in the anode exhaust gas, or carbon dioxide or water vapor in the anode exhaust gas is reduced by reducing the pressure on the permeation side of the separation membrane by a vacuum pump. A circulation type fuel cell system that employs a method for removing the fuel cell has been proposed (see, for example, Patent Document 4).

特開2006−31989号公報JP 2006-31989 特開2006−139984号公報JP 2006-139984 A 特許第5542332号公報Japanese Patent No. 5542332 米国特許出願公開第2013/0108936号明細書US Patent Application Publication No. 2013/0108936

特許文献4に記載の循環型燃料電池システムのように、特許文献1〜3に記載の燃料電池システムにアノード排ガス中の二酸化炭素又は水蒸気を除去する分離膜を設けた場合、二酸化炭素又は水蒸気を効率よく分離するために、分離膜の透過側に空気を供給する、あるいは、分離膜の透過側を減圧する必要がある。
ここで、分離膜の透過側に空気を供給するため、あるいは、分離膜の透過側を減圧するためには、空気を供給するための経路及び空気ブロア又は減圧ポンプが別途必要となることから、製造コストが増加し、空気ブロア又は減圧ポンプによる消費電力量の増加によりシステム全体の発電効率が低下するという問題がある。さらに、システムが複雑化してしまい、システムの信頼性が低下するという問題もある。
When a separation membrane for removing carbon dioxide or water vapor in the anode exhaust gas is provided in the fuel cell system described in Patent Documents 1 to 3, as in the circulation type fuel cell system described in Patent Document 4, carbon dioxide or water vapor is used. In order to separate efficiently, it is necessary to supply air to the permeation side of the separation membrane or to reduce the pressure on the permeation side of the separation membrane.
Here, in order to supply air to the permeation side of the separation membrane or to depressurize the permeation side of the separation membrane, a route for supplying air and an air blower or a decompression pump are separately required. There is a problem that the manufacturing cost increases, and the power generation efficiency of the entire system decreases due to an increase in power consumption by the air blower or the decompression pump. Furthermore, there is a problem that the system becomes complicated and the reliability of the system is lowered.

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、システム全体の発電効率に優れ、かつシステムの簡略化により信頼性が向上した燃料電池システムを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system that is excellent in power generation efficiency of the entire system and improved in reliability by simplifying the system.

上記課題は、例えば以下の手段により解決される。
<1> 原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質部及び燃焼反応により前記改質部を加熱する燃焼部を有する改質器と、前記改質部から供給された前記改質ガスを用いて発電を行なう第1燃料電池と、前記第1燃料電池から排出された未反応の前記改質ガスを含むオフガスから、水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方を分離する分離膜と、前記分離膜の下流に配置され、水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方が分離された前記オフガスを用いて発電を行なう第2燃料電池と、前記分離膜の透過側に配置され、前記第1燃料電池及び前記第2燃料電池の少なくとも一方から排出された未反応の酸素を含むガスが流通する酸素供給経路、又は前記分離膜の透過側に配置され、前記燃焼部から排出された排ガスが流通する排気経路と、を備える燃料電池システム。
The above problem is solved by, for example, the following means.
<1> A reformer having a reforming unit that generates a reformed gas by steam reforming a raw material gas and a combustion unit that heats the reforming unit by a combustion reaction, and the reformer supplied from the reforming unit A first fuel cell that generates power using a gas, a separation membrane that separates at least one of water vapor and carbon dioxide from an off-gas containing the unreacted reformed gas discharged from the first fuel cell; A second fuel cell disposed downstream of the separation membrane and generating power using the off-gas from which at least one of water vapor and carbon dioxide has been separated; and disposed on the permeate side of the separation membrane, the first fuel cell and the An oxygen supply path through which a gas containing unreacted oxygen discharged from at least one of the second fuel cells circulates, or an exhaust path through which the exhaust gas discharged from the combustion section is arranged on the permeation side of the separation membrane; , A fuel cell system comprising:

本形態に係る燃料電池システムは、第1燃料電池と第2燃料電池とを備える多段式の燃料電池システムである。そのため、本形態のような多段式の燃料電池システムは、循環式の燃料電池システムと比較して燃料利用率が向上しており、高い発電効率を得ることができる。   The fuel cell system according to the present embodiment is a multistage fuel cell system including a first fuel cell and a second fuel cell. For this reason, the multi-stage fuel cell system as in the present embodiment has an improved fuel utilization rate as compared with the circulation fuel cell system, and can achieve high power generation efficiency.

さらに、本形態に係る燃料電池システムでは、分離膜は、第1燃料電池から排出された未反応の改質ガスを含むオフガスから水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方を分離し、第2燃料電池は、水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方が分離されたオフガスを用いて発電を行なう。そのため、第2燃料電池では、電極間の酸素分圧差に起因する理論電圧が向上するとともに、オフガス中の水蒸気や二酸化炭素に起因する濃度過電圧が低減される。よって、本形態に係る燃料電池システムは、通常の多段式の燃料電池システムよりも高い発電効率を得ることができる。   Furthermore, in the fuel cell system according to the present embodiment, the separation membrane separates at least one of water vapor and carbon dioxide from off-gas containing unreacted reformed gas discharged from the first fuel cell, and the second fuel cell is Power generation is performed using off-gas from which at least one of water vapor and carbon dioxide is separated. Therefore, in the second fuel cell, the theoretical voltage caused by the oxygen partial pressure difference between the electrodes is improved, and the concentration overvoltage caused by water vapor or carbon dioxide in the offgas is reduced. Therefore, the fuel cell system according to the present embodiment can obtain higher power generation efficiency than an ordinary multistage fuel cell system.

また、分離膜により分離された水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方は、分離膜の透過側に配置された酸素供給経路及び分離膜の透過側に配置された排気経路のいずれかに供給される。第1燃料電池及び第2燃料電池の少なくとも一方から排出された未反応の酸素を含むガスが酸素供給経路内を流通し、燃焼部から排出された排ガスが排気経路内を流通するため、分離された水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方は、未反応の酸素を含むガス又は排ガスとともに、酸素供給経路内又は排気経路内を流通する。したがって、酸素供給経路又は排気経路を分離膜の透過側に設けることにより、酸素を分離膜の透過側に供給するための経路及び空気ブロア又は減圧ポンプを別途設ける必要は無く、製造コストを削減し、システム全体の発電効率を高めることができる。さらに、システムが簡略化されていることにより、システムの信頼性が向上する。   Further, at least one of water vapor and carbon dioxide separated by the separation membrane is supplied to either an oxygen supply path disposed on the permeation side of the separation membrane or an exhaust path disposed on the permeation side of the separation membrane. The gas containing unreacted oxygen discharged from at least one of the first fuel cell and the second fuel cell flows in the oxygen supply path, and the exhaust gas discharged from the combustion section flows in the exhaust path, so that it is separated. At least one of the water vapor and carbon dioxide flows in the oxygen supply path or the exhaust path together with the gas or exhaust gas containing unreacted oxygen. Therefore, by providing an oxygen supply path or an exhaust path on the permeation side of the separation membrane, there is no need to separately provide a route for supplying oxygen to the permeation side of the separation membrane and an air blower or a vacuum pump, thereby reducing manufacturing costs. The power generation efficiency of the entire system can be increased. Furthermore, the reliability of the system is improved by simplifying the system.

<2> 原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質部及び燃焼反応により前記改質部を加熱する燃焼部を有する改質器と、前記改質部から供給された前記改質ガスを用いて発電を行なう燃料電池と、前記燃料電池から排出された未反応の前記改質ガスを含むオフガスから、水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方を分離する分離膜と、前記分離膜の下流に配置され、水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方が分離された前記オフガスを前記燃料電池に供給するオフガス循環経路と、前記分離膜の透過側に配置され、前記燃料電池から排出された未反応の酸素を含むガスが流通する酸素供給経路、又は前記分離膜の透過側に配置され、前記燃焼部から排出された排ガスが流通する排気経路と、を備える燃料電池システム。   <2> A reformer having a reforming unit that generates a reformed gas by steam reforming the raw material gas and a combustion unit that heats the reforming unit by a combustion reaction, and the reformer supplied from the reforming unit A fuel cell that generates power using a gas, a separation membrane that separates at least one of water vapor and carbon dioxide from an off-gas containing the unreacted reformed gas discharged from the fuel cell, and downstream of the separation membrane An off-gas circulation path that supplies the fuel cell with the off-gas from which at least one of water vapor and carbon dioxide has been separated, and unreacted oxygen that is disposed on the permeate side of the separation membrane and discharged from the fuel cell. A fuel cell system comprising: an oxygen supply path through which a gas containing gas circulates; or an exhaust path through which exhaust gas discharged from the combustion section flows and is disposed on the permeation side of the separation membrane.

本形態に係る燃料電池システムは、水蒸気が分離された前記オフガスを燃料電池に供給する循環式の燃料電池システムであり、このようなシステムであっても、燃料利用率が向上し、高い発電効率を得ることができる。   The fuel cell system according to the present embodiment is a circulating fuel cell system that supplies the off-gas from which water vapor has been separated to the fuel cell. Even in such a system, the fuel utilization rate is improved and the power generation efficiency is high. Can be obtained.

さらに、本形態に係る燃料電池システムでは、分離膜は、燃料電池から排出された未反応の改質ガスを含むオフガスから水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方を分離し、オフガス循環経路を通じて、水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方が分離されたオフガスを燃料電池に供給している。そのため、燃料電池では、電極間の酸素分圧差に起因する理論電圧が向上するとともに、オフガス中の水蒸気や二酸化炭素に起因する濃度過電圧が低減される。よって、本形態に係る燃料電池システムは、通常の循環式の燃料電池システムよりも高い発電効率を得ることができる。   Further, in the fuel cell system according to the present embodiment, the separation membrane separates at least one of water vapor and carbon dioxide from the off gas containing the unreacted reformed gas discharged from the fuel cell, and passes through the off gas circulation path through the water vapor and the carbon dioxide. Off-gas from which at least one of carbon has been separated is supplied to the fuel cell. Therefore, in the fuel cell, the theoretical voltage due to the oxygen partial pressure difference between the electrodes is improved, and the concentration overvoltage due to water vapor or carbon dioxide in the offgas is reduced. Therefore, the fuel cell system according to this embodiment can obtain higher power generation efficiency than a normal circulation fuel cell system.

また、分離膜により分離された水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方は、分離膜の透過側に配置された酸素供給経路及び分離膜の透過側に配置された排気経路のいずれかに供給される。燃料電池から排出された未反応の酸素を含むガスが酸素供給経路内を流通し、燃焼部から排出された排ガスが排気経路内を流通するため、分離された水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方は、未反応の酸素を含むガス又は排ガスとともに、酸素供給経路内又は排気経路内を流通する。したがって、酸素供給経路又は排気経路を分離膜の透過側に設けることにより、酸素を分離膜の透過側に供給するための経路及び空気ブロア又は減圧ポンプを別途設ける必要は無く、製造コストを削減し、システム全体の発電効率を高めることができる。さらに、システムが簡略化されていることにより、システムの信頼性が向上する。   Further, at least one of water vapor and carbon dioxide separated by the separation membrane is supplied to either an oxygen supply path disposed on the permeation side of the separation membrane or an exhaust path disposed on the permeation side of the separation membrane. Since the gas containing unreacted oxygen discharged from the fuel cell flows in the oxygen supply path and the exhaust gas discharged from the combustion section flows in the exhaust path, at least one of the separated water vapor and carbon dioxide is Along with a gas or exhaust gas containing unreacted oxygen, it flows in the oxygen supply path or the exhaust path. Therefore, by providing an oxygen supply path or an exhaust path on the permeation side of the separation membrane, there is no need to separately provide a route for supplying oxygen to the permeation side of the separation membrane and an air blower or a vacuum pump, thereby reducing manufacturing costs. The power generation efficiency of the entire system can be increased. Furthermore, the reliability of the system is improved by simplifying the system.

<3> 前記分離膜の透過側に前記酸素供給経路が配置されており、前記酸素供給経路は、前記分離膜により分離された水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方、並びに未反応の酸素を含むガスを前記燃焼部に供給する<1>又は<2>に記載の燃料電池システム。   <3> The oxygen supply path is disposed on the permeation side of the separation membrane, and the oxygen supply path includes at least one of water vapor and carbon dioxide separated by the separation membrane, and a gas containing unreacted oxygen. The fuel cell system according to <1> or <2>, which is supplied to the combustion unit.

本形態に係る燃料電池システムは、燃料電池(第1燃料電池、第2燃料電池であってもよい。)から排出された未反応の酸素を含むガスを燃焼部での燃焼反応に利用している。そのため、燃焼部に酸素を別途供給する必要が無い。さらに、未反応の酸素を含むガスを流通させるための酸素供給経路を分離膜の透過側に設けて、水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方を分離膜の透過側に透過させている。そのため、酸素を分離膜の透過側に供給するための経路及び空気ブロア又は減圧ポンプを別途設ける必要は無く、システムが簡略化されている。   The fuel cell system according to the present embodiment uses a gas containing unreacted oxygen discharged from a fuel cell (may be a first fuel cell or a second fuel cell) for a combustion reaction in a combustion section. Yes. Therefore, there is no need to separately supply oxygen to the combustion section. Furthermore, an oxygen supply path for circulating a gas containing unreacted oxygen is provided on the permeation side of the separation membrane so that at least one of water vapor and carbon dioxide permeates the permeation side of the separation membrane. Therefore, it is not necessary to separately provide a path for supplying oxygen to the permeation side of the separation membrane and an air blower or a decompression pump, and the system is simplified.

<4> 前記燃焼部から排出された排ガスから水蒸気を分離し、分離した水蒸気を前記改質部に供給する<3>に記載の燃料電池システム。   <4> The fuel cell system according to <3>, wherein water vapor is separated from the exhaust gas discharged from the combustion unit, and the separated water vapor is supplied to the reforming unit.

本形態に係る燃料電池システムでは、酸素供給経路から水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方、並びに未反応の酸素を含むガスが燃焼部に供給される。そして、燃焼反応後に燃焼部から排出された排ガスから水蒸気を分離し、分離した水蒸気を改質部での原料ガスの水蒸気改質に利用している。そのため、排ガス中の水蒸気が有効活用されており、原料の水蒸気改質用の水蒸気供給手段を別途設けた場合よりもシステムが簡略化されている。   In the fuel cell system according to the present embodiment, at least one of water vapor and carbon dioxide and a gas containing unreacted oxygen are supplied to the combustion unit from the oxygen supply path. Then, the steam is separated from the exhaust gas discharged from the combustion section after the combustion reaction, and the separated steam is used for steam reforming of the raw material gas in the reforming section. Therefore, the steam in the exhaust gas is effectively used, and the system is simplified as compared with the case where a steam supply means for steam reforming of the raw material is separately provided.

<5> 前記分離膜の透過側に前記排気経路が配置されており、前記排気経路内を流通する排ガスと、前記分離膜により分離された水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方との混合ガスから水蒸気を分離し、分離した水蒸気を前記改質部に供給する<1>又は<2>に記載の燃料電池システム。   <5> The exhaust path is disposed on the permeate side of the separation membrane, and water vapor is generated from a mixed gas of exhaust gas flowing through the exhaust path and at least one of water vapor and carbon dioxide separated by the separation membrane. The fuel cell system according to <1> or <2>, in which the separated water vapor is supplied to the reforming unit.

本形態に係る燃料電池システムは、排ガスを流通させるための排気経路を分離膜の透過側に設けて、水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方を分離膜の透過側に透過させている。そのため、酸素を分離膜の透過側に供給するための経路及び空気ブロア又は減圧ポンプを別途設ける必要は無く、システムが簡略化されている。   In the fuel cell system according to this embodiment, an exhaust path for circulating exhaust gas is provided on the permeation side of the separation membrane, and at least one of water vapor and carbon dioxide is permeated to the permeation side of the separation membrane. Therefore, it is not necessary to separately provide a path for supplying oxygen to the permeation side of the separation membrane and an air blower or a decompression pump, and the system is simplified.

さらに、排ガスと、分離膜により分離された水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方との混合ガスから水蒸気を分離し、分離した水蒸気を改質部での原料ガスの水蒸気改質に利用している。そのため、排ガス中の水蒸気が有効活用されており、原料の水蒸気改質用の水蒸気供給手段を別途設けた場合よりもシステムが簡略化されている。   Furthermore, the water vapor is separated from the mixed gas of the exhaust gas and at least one of water vapor and carbon dioxide separated by the separation membrane, and the separated water vapor is used for the steam reforming of the raw material gas in the reforming section. Therefore, the steam in the exhaust gas is effectively used, and the system is simplified as compared with the case where a steam supply means for steam reforming of the raw material is separately provided.

<6> 前記分離膜として、未反応の前記改質ガスを含むオフガスから水蒸気を分離する水蒸気分離膜、及び未反応の前記改質ガスを含むオフガスから二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離膜をそれぞれ備える<1>〜<5>のいずれか1つに記載の燃料電池システム。   <6> As the separation membrane, a water vapor separation membrane that separates water vapor from off gas containing unreacted reformed gas, and a carbon dioxide separation membrane that separates carbon dioxide from off gas containing unreacted reformed gas, respectively The fuel cell system according to any one of <1> to <5>.

本形態に係る燃料電池システムでは、分離膜として、水蒸気分離膜及び二酸化炭素分離膜を備えている。したがって、それぞれの分離膜での水蒸気又は二酸化炭素の分離条件を調整でき、水蒸気及び二酸化炭素を効率よく分離できる。   The fuel cell system according to this embodiment includes a water vapor separation membrane and a carbon dioxide separation membrane as the separation membrane. Therefore, the separation conditions of water vapor or carbon dioxide in each separation membrane can be adjusted, and water vapor and carbon dioxide can be separated efficiently.

<7> 前記分離膜の上流又は下流に配置され、前記オフガスから水蒸気を除去する水蒸気除去部、及び、前記分離膜の上流又は下流に配置され、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の少なくとも一方をさらに備える<1>〜<6>のいずれか1つに記載の燃料電池システム。   <7> A water vapor removing unit disposed upstream or downstream of the separation membrane and removing water vapor from the off gas, and a carbon dioxide removing unit disposed upstream or downstream of the separation membrane and removing carbon dioxide from the off gas. The fuel cell system according to any one of <1> to <6>, further comprising at least one of the following.

本形態に係る燃料電池システムでは、水蒸気除去部及び二酸化炭素除去部の少なくとも一方が分離膜の上流又は下流に配置されており、燃料電池(第2燃料電池)に供給されるオフガス中の水蒸気濃度や二酸化炭素濃度がより低減されている。そのため、本形態に係る燃料電池システムは、さらに高い発電効率を得ることができる。   In the fuel cell system according to this embodiment, at least one of the water vapor removing unit and the carbon dioxide removing unit is disposed upstream or downstream of the separation membrane, and the water vapor concentration in the off-gas supplied to the fuel cell (second fuel cell) And the carbon dioxide concentration is further reduced. Therefore, the fuel cell system according to the present embodiment can obtain higher power generation efficiency.

<8> 前記分離膜の上流又は下流に配置され、前記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、前記水蒸気除去部により除去された水蒸気を前記改質部に供給する<1>〜<7>のいずれか1つに記載の燃料電池システム。   <8> A water vapor removing unit that is disposed upstream or downstream of the separation membrane and removes water vapor from the off-gas, and supplies the water vapor removed by the water vapor removing unit to the reforming unit <1> to < The fuel cell system according to any one of 7>.

本形態に係る燃料電池システムでは、水蒸気除去部が分離膜の上流又は下流に配置されており、燃料電池(第2燃料電池)に供給されるオフガス中の水蒸気濃度がより低減されている。そのため、本形態に係る燃料電池システムは、さらに高い発電効率を得ることができる。さらに、水蒸気除去部により除去された水蒸気が原料ガスの水蒸気改質に利用されており、オフガス中の水蒸気が有効活用されている。   In the fuel cell system according to the present embodiment, the water vapor removing unit is arranged upstream or downstream of the separation membrane, and the water vapor concentration in the off-gas supplied to the fuel cell (second fuel cell) is further reduced. Therefore, the fuel cell system according to the present embodiment can obtain higher power generation efficiency. Furthermore, the water vapor removed by the water vapor removing unit is used for the steam reforming of the raw material gas, and the water vapor in the off-gas is effectively utilized.

<9> 前記分離膜の上流を流通する前記オフガスと、前記分離膜の下流を流通する水蒸気が分離された前記オフガスと、の間で熱交換を行なう熱交換器をさらに備える<1>〜<8>のいずれか1つに記載の燃料電池システム。   <9> A heat exchanger that further performs heat exchange between the off-gas flowing upstream of the separation membrane and the off-gas separated from water vapor flowing downstream of the separation membrane <1> to <1. The fuel cell system according to any one of 8>.

本形態に係る燃料電池システムでは、分離膜の上流を流通するオフガスと、分離膜の下流を流通するオフガスと、の間で熱交換が行なわれる。そのため、分離膜に供給されるオフガスが水蒸気や二酸化炭素の分離に適した温度まで冷却されるとともに、水蒸気分離後のオフガスが燃料電池(第2燃料電池)での発電に適した温度に加熱される。よって、システム全体の発電効率及び熱効率がより向上する。   In the fuel cell system according to the present embodiment, heat exchange is performed between the off gas flowing upstream of the separation membrane and the off gas flowing downstream of the separation membrane. Therefore, the off gas supplied to the separation membrane is cooled to a temperature suitable for the separation of water vapor and carbon dioxide, and the off gas after the water vapor separation is heated to a temperature suitable for power generation in the fuel cell (second fuel cell). The Therefore, the power generation efficiency and thermal efficiency of the entire system are further improved.

本発明によれば、発電効率に優れ、かつシステムの簡略化により信頼性が向上した燃料電池システムを提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a fuel cell system that is excellent in power generation efficiency and improved in reliability by simplifying the system.

第1実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram showing a fuel cell system according to a first embodiment. 第2実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the fuel cell system which concerns on 2nd Embodiment. 第3実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the fuel cell system which concerns on 3rd Embodiment. 第4実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the fuel cell system which concerns on 4th Embodiment. 第5実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the fuel cell system which concerns on 5th Embodiment. 第6実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the fuel cell system which concerns on 6th Embodiment. 第7実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the fuel cell system which concerns on 7th Embodiment. 第8実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the fuel cell system which concerns on 8th Embodiment. 第9実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the fuel cell system which concerns on 9th Embodiment. 第10実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the fuel cell system which concerns on 10th Embodiment. 第11実施形態に係る循環式の燃料電池システムを示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the circulation type fuel cell system which concerns on 11th Embodiment. 第12実施形態に係る循環式の燃料電池システムを示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the circulation type fuel cell system which concerns on 12th Embodiment.

本明細書において、「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。   In this specification, a numerical range expressed using “to” means a range including numerical values described before and after “to” as a lower limit value and an upper limit value.

[第1実施形態]
以下、本発明の燃料電池システムの一実施形態について図1を用いて説明する。図1は、第1実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。第1実施形態に係る燃料電池システム10は、原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質部19及び燃焼反応により改質部19を加熱する燃焼部18を有する改質器14と、改質部19から供給された改質ガスを用いて発電を行なう第1燃料電池11と、第1燃料電池11から排出された未反応の改質ガスを含むオフガスから、水蒸気及び二酸化炭素を分離する分離膜16と、分離膜16の下流に配置され、水蒸気及び二酸化炭素が分離されたオフガスを用いて発電を行なう第2燃料電池12と、分離膜16の透過側16Bに配置され、第2燃料電池12から排出された未反応の酸素を含むガスが流通する酸素供給経路44と、を備えるシステムである。
[First Embodiment]
Hereinafter, an embodiment of a fuel cell system of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a fuel cell system according to the first embodiment. The fuel cell system 10 according to the first embodiment includes a reformer 14 having a reforming unit 19 that generates a reformed gas by steam reforming a raw material gas and a combustion unit 18 that heats the reforming unit 19 by a combustion reaction. Water vapor and carbon dioxide from the first fuel cell 11 that generates power using the reformed gas supplied from the reforming unit 19 and off-gas containing unreacted reformed gas discharged from the first fuel cell 11 Are disposed on the permeation side 16B of the separation membrane 16, and the second fuel cell 12 that is disposed downstream of the separation membrane 16 and that generates power using off-gas from which water vapor and carbon dioxide have been separated. And an oxygen supply path 44 through which a gas containing unreacted oxygen discharged from the second fuel cell 12 circulates.

本実施形態に係る燃料電池システム10は、第1燃料電池11と第2燃料電池12とを備える多段式の燃料電池システムである。循環式の燃料電池システムでは、循環系内での二酸化炭素濃度の増加を抑制するため、アノードから排出されるオフガスを循環系外に一部排出する必要があるが、そのときに未反応の改質ガスも循環系外に一部排出されてしまうため、燃料利用率を高めることに限界がある。一方、多段式の燃料電池システムでは、前段の燃料電池のアノードから排出されるオフガスに含まれる改質ガスが、後段の燃料電池のアノードに全て供給される。そのため、多段式の燃料電池システムは、循環式の燃料電池システムと比較して燃料利用率が向上しており、高い発電効率を得ることができる。   The fuel cell system 10 according to the present embodiment is a multistage fuel cell system including a first fuel cell 11 and a second fuel cell 12. In a circulation type fuel cell system, in order to suppress an increase in the carbon dioxide concentration in the circulation system, it is necessary to partially discharge off-gas discharged from the anode to the outside of the circulation system. Since the quality gas is also partially discharged outside the circulation system, there is a limit to increasing the fuel utilization rate. On the other hand, in the multistage fuel cell system, all the reformed gas contained in the off-gas discharged from the anode of the preceding fuel cell is supplied to the anode of the subsequent fuel cell. Therefore, the multi-stage fuel cell system has an improved fuel utilization rate as compared with the circulation type fuel cell system, and can obtain high power generation efficiency.

さらに、本実施形態に係る燃料電池システム10では、分離膜16は、第1燃料電池11から排出された未反応の改質ガスを含むオフガスから水蒸気及び二酸化炭素を分離し、第2燃料電池12は、水蒸気及び二酸化炭素が分離されたオフガスを用いて発電を行なう。そのため、第2燃料電池12では、電極間の酸素分圧差に起因する理論電圧が向上するとともに、オフガス中の水蒸気及び二酸化炭素に起因する濃度過電圧が低減される。よって、燃料電池システム10は、通常の多段式の燃料電池システムよりも高い発電効率を得ることができる。   Furthermore, in the fuel cell system 10 according to the present embodiment, the separation membrane 16 separates the water vapor and carbon dioxide from the off-gas containing the unreacted reformed gas discharged from the first fuel cell 11, and the second fuel cell 12 Performs power generation using off-gas from which water vapor and carbon dioxide are separated. Therefore, in the second fuel cell 12, the theoretical voltage due to the oxygen partial pressure difference between the electrodes is improved, and the concentration overvoltage due to water vapor and carbon dioxide in the offgas is reduced. Therefore, the fuel cell system 10 can obtain higher power generation efficiency than a normal multistage fuel cell system.

また、分離膜16により分離された水蒸気及び二酸化炭素は、分離膜16の透過側に配置された酸素供給経路44に供給される。第2燃料電池12から排出された未反応の酸素を含むガスであるカソードオフガスが酸素供給経路44内を流通するため、分離された水蒸気及び二酸化炭素は、カソードオフガスとともに、酸素供給経路44内を流通する。したがって、酸素供給経路44を分離膜16の透過側16Bに設けることにより、酸素を分離膜16の透過側16Bに供給するための経路及び空気ブロア又は減圧ポンプを別途設ける必要は無く、製造コストを削減し、システム全体の発電効率を高めることができる。さらに、システムが簡略化されていることにより、システムの信頼性が向上する。   Further, the water vapor and carbon dioxide separated by the separation membrane 16 are supplied to the oxygen supply path 44 disposed on the permeation side of the separation membrane 16. Since the cathode off-gas that is a gas containing unreacted oxygen discharged from the second fuel cell 12 circulates in the oxygen supply path 44, the separated water vapor and carbon dioxide together with the cathode off-gas pass through the oxygen supply path 44. Circulate. Therefore, by providing the oxygen supply path 44 on the permeation side 16B of the separation membrane 16, it is not necessary to separately provide a path for supplying oxygen to the permeation side 16B of the separation membrane 16, and an air blower or a decompression pump. This can reduce the power generation efficiency of the entire system. Furthermore, the reliability of the system is improved by simplifying the system.

また、分離膜16を透過した水蒸気及び二酸化炭素はカソードオフガスとともに酸素供給経路44内を流通するため、分離膜16の透過側16Bの水蒸気分圧及び二酸化炭素分圧は低くなり、水蒸気及び二酸化炭素の分離が促進される。したがって、燃料電池システム10では、システムの簡略化とともに水蒸気及び二酸化炭素の分離が促進されている。その結果、第2燃料電池12に供給されるオフガス中の水蒸気濃度及び二酸化炭素濃度をより小さくすることができ、燃料電池システム10の発電効率をより高めることができる。   Further, since the water vapor and carbon dioxide that have permeated through the separation membrane 16 circulate in the oxygen supply path 44 together with the cathode off-gas, the water vapor partial pressure and the carbon dioxide partial pressure on the permeate side 16B of the separation membrane 16 become low, and the water vapor and carbon dioxide. Separation is promoted. Therefore, in the fuel cell system 10, the separation of water vapor and carbon dioxide is promoted with simplification of the system. As a result, the water vapor concentration and the carbon dioxide concentration in the off-gas supplied to the second fuel cell 12 can be further reduced, and the power generation efficiency of the fuel cell system 10 can be further increased.

次に、本実施形態に係る燃料電池システム10が、燃料電池のカソードに酸素を含むガスとして空気を供給する経路を分離膜16の透過側16Bに設けた場合よりも、発電効率に優れ、かつ分離膜の耐久性が好適に維持されていることについて説明する。   Next, the fuel cell system 10 according to the present embodiment is superior in power generation efficiency to a case where a path for supplying air as a gas containing oxygen to the cathode of the fuel cell is provided on the permeation side 16B of the separation membrane 16, and The fact that the durability of the separation membrane is suitably maintained will be described.

燃料電池のカソードに空気を供給する経路を分離膜の透過側に設けることで、燃料電池のカソードに酸素を供給するための空気ブロアを分離膜による水蒸気及び二酸化炭素の分離の高効率化に利用することができ、酸素を分離膜の透過側に供給するための経路及び空気ブロア又は減圧ポンプを別途設ける必要はない。しかしながら、このような構成では、燃料電池のカソードに供給されるガスに、二酸化炭素及び水蒸気が含まれてしまい、カソード側の酸素分圧が低下し、その結果、燃料電池の起電力が低下してしまう。   By providing a passage for supplying air to the cathode of the fuel cell on the permeate side of the separation membrane, an air blower for supplying oxygen to the cathode of the fuel cell is used to increase the efficiency of separation of water vapor and carbon dioxide by the separation membrane. There is no need to separately provide a path for supplying oxygen to the permeation side of the separation membrane and an air blower or a vacuum pump. However, in such a configuration, carbon dioxide and water vapor are contained in the gas supplied to the cathode of the fuel cell, and the oxygen partial pressure on the cathode side is lowered, and as a result, the electromotive force of the fuel cell is lowered. End up.

また、分離膜により燃料電池のアノードから排出されるオフガスから二酸化炭素及び水蒸気を分離する場合、オフガス中に含まれる水素や一酸化炭素も微量に分離されうる。水素及び一酸化炭素は、酸素との反応性が高いため、分離膜の透過側に分離された水素や一酸化炭素が、透過側を流通する酸素と反応することで、局所的な分離膜の温度上昇が発生しやすく、分離膜の耐久性が低下するおそれがある。そのため、分離膜の耐久性を好適に維持するため、酸素比率がより低いガスを分離膜の透過側に供給することが好ましい。   Further, when carbon dioxide and water vapor are separated from off-gas discharged from the anode of the fuel cell by the separation membrane, hydrogen and carbon monoxide contained in the off-gas can be separated in minute amounts. Since hydrogen and carbon monoxide are highly reactive with oxygen, hydrogen and carbon monoxide separated on the permeation side of the separation membrane react with oxygen flowing through the permeation side, so that the local separation membrane Temperature rise is likely to occur, and the durability of the separation membrane may be reduced. Therefore, in order to suitably maintain the durability of the separation membrane, it is preferable to supply a gas having a lower oxygen ratio to the permeation side of the separation membrane.

本実施形態に係る燃料電池システム10では、空気よりも酸素比率が小さいカソードオフガスを分離膜16の透過側16Bに供給しているため、酸素と水素又は一酸化炭素との反応が生じにくく、局所的な分離膜16の温度上昇が抑制されており、分離膜16の耐久性を好適に維持することができる。   In the fuel cell system 10 according to the present embodiment, since the cathode offgas having a smaller oxygen ratio than air is supplied to the permeation side 16B of the separation membrane 16, the reaction between oxygen and hydrogen or carbon monoxide is unlikely to occur. The temperature rise of the separation membrane 16 is suppressed, and the durability of the separation membrane 16 can be suitably maintained.

さらに、燃料電池システム10の第2燃料電池12から排出されたカソードオフガス中には実質的に二酸化炭素及び水蒸気が含まれていない。そのため、燃料電池システム10は、排ガス(二酸化炭素及び水蒸気を含むガス)を分離膜16の透過側16Bに供給する後述の第6実施形態に係る燃料電池システム60よりも、分離膜16における供給側16Aと透過側16Bとの水蒸気分圧差及び二酸化炭素分圧差が大きくなっており、水蒸気及び二酸化炭素の分離が促進されている。よって、燃料電池システム10は、発電効率により優れる。   Further, the cathode offgas discharged from the second fuel cell 12 of the fuel cell system 10 is substantially free of carbon dioxide and water vapor. Therefore, the fuel cell system 10 supplies more exhaust gas (gas containing carbon dioxide and water vapor) to the permeation side 16B of the separation membrane 16 than the fuel cell system 60 according to a sixth embodiment to be described later on the supply side in the separation membrane 16. The water vapor partial pressure difference and the carbon dioxide partial pressure difference between 16A and the permeate side 16B are large, and the separation of water vapor and carbon dioxide is promoted. Therefore, the fuel cell system 10 is more excellent in power generation efficiency.

以下、本実施形態に係る燃料電池システム10の各構成について説明する。   Hereinafter, each configuration of the fuel cell system 10 according to the present embodiment will be described.

(原料ガス供給経路)
本実施形態に係る燃料電池システム10は、原料ガスを改質器14に供給する原料ガス供給経路24を備えており、原料ガス供給経路24は、原料ガスを流通させるためのブロワ25が設置されている。
(Raw gas supply route)
The fuel cell system 10 according to the present embodiment includes a source gas supply path 24 that supplies a source gas to the reformer 14, and the source gas supply path 24 is provided with a blower 25 for circulating the source gas. ing.

原料ガス供給経路24内を流通する原料ガスとしては、水蒸気改質が可能なガスであれば特に限定されず、炭化水素燃料が挙げられる。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、特にメタンが好ましい。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を天然ガス、都市ガス、LPガス等のガスであってもよい。   The raw material gas that circulates in the raw material gas supply path 24 is not particularly limited as long as it is a gas capable of steam reforming, and includes hydrocarbon fuel. Examples of the hydrocarbon fuel include natural gas, LP gas (liquefied petroleum gas), coal reformed gas, lower hydrocarbon gas, and the like. Examples of the lower hydrocarbon gas include lower hydrocarbons having 4 or less carbon atoms such as methane, ethane, ethylene, propane, butane, and methane is particularly preferable. The hydrocarbon fuel may be a mixture of the above-described lower hydrocarbon gas, and the above-described lower hydrocarbon gas may be a gas such as natural gas, city gas, or LP gas.

原料ガス供給経路24は、後述する水蒸気供給経路37と接続しており、水蒸気供給経路37内を流通する水蒸気が原料ガス供給経路24に供給される。そして、水蒸気供給経路37より供給された水蒸気は、原料ガスとともに改質器14に供給される。なお、原料ガス供給経路24は、経路内での水蒸気の凝縮を防ぐ観点から、水蒸気供給経路37と接続されずに水蒸気が水蒸気供給経路37を通じて改質器14に直接供給される構成であってもよい。   The source gas supply path 24 is connected to a later-described steam supply path 37, and steam flowing through the steam supply path 37 is supplied to the source gas supply path 24. Then, the steam supplied from the steam supply path 37 is supplied to the reformer 14 together with the raw material gas. Note that the raw material gas supply path 24 is configured to be directly connected to the reformer 14 through the steam supply path 37 without being connected to the steam supply path 37 from the viewpoint of preventing condensation of the steam in the path. Also good.

(改質器)
本実施形態に係る燃料電池システム10は、原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質器14を備えている。改質器14は、例えば、バーナ又は燃焼触媒を配置した燃焼部18と、改質用触媒を備える改質部19とにより構成される。
(Reformer)
The fuel cell system 10 according to the present embodiment includes a reformer 14 that generates reformed gas by steam reforming a raw material gas. The reformer 14 includes, for example, a combustion unit 18 provided with a burner or a combustion catalyst, and a reforming unit 19 including a reforming catalyst.

改質部19は、上流側にて原料ガス供給経路24と接続しており、下流側にて改質ガス供給経路42と接続している。そのため、原料ガス供給経路24を通じてメタンなどの原料ガスが改質部19に供給され、改質部19にて原料ガスを水蒸気改質した後に、生成された改質ガスが改質ガス供給経路42を通じて第1燃料電池11に供給される。   The reforming unit 19 is connected to the source gas supply path 24 on the upstream side, and is connected to the reformed gas supply path 42 on the downstream side. Therefore, a raw material gas such as methane is supplied to the reforming unit 19 through the raw material gas supply path 24, and after the raw material gas is steam reformed in the reforming unit 19, the generated reformed gas is supplied to the reformed gas supply path 42. To be supplied to the first fuel cell 11.

燃焼部18は、上流側にて酸素供給経路44及びオフガス経路46と接続しており、下流側にて排気経路48と接続している。燃焼部18は、第2燃料電池12のカソード側から排出され、酸素供給経路44を通じて供給された未反応の酸素を含むガスと、オフガス経路46を通じて供給されたオフガスとの混合ガスを燃焼させ、改質部19内の改質用触媒を加熱する。燃焼部18からの排ガスは、排気経路48内を流通する。   The combustion unit 18 is connected to the oxygen supply path 44 and the off-gas path 46 on the upstream side, and is connected to the exhaust path 48 on the downstream side. The combustion unit 18 burns a mixed gas of a gas containing unreacted oxygen discharged from the cathode side of the second fuel cell 12 and supplied through the oxygen supply path 44 and an off-gas supplied through the off-gas path 46. The reforming catalyst in the reforming unit 19 is heated. The exhaust gas from the combustion unit 18 circulates in the exhaust path 48.

改質部19で起こる水蒸気改質は大きな吸熱を伴うので、反応の進行のためには外部から熱の供給が必要であり、そのため、燃焼部18で発生する燃焼熱により改質部19を加熱することが好ましい。   Since the steam reforming that occurs in the reforming unit 19 involves a large endotherm, it is necessary to supply heat from the outside for the progress of the reaction. For this reason, the reforming unit 19 is heated by the combustion heat generated in the combustion unit 18. It is preferable to do.

原料ガスの一例であるメタンを水蒸気改質させた場合、改質部19にて、以下の式(a)の反応により一酸化炭素および水素が生成される。
CH+HO→CO+3H・・・・(a)
When methane, which is an example of the raw material gas, is steam reformed, carbon monoxide and hydrogen are generated in the reforming unit 19 by the reaction of the following formula (a).
CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 ... (A)

改質部19内に設置される改質用触媒としては、水蒸気改質反応の触媒となるものであれば特に限定されないが、Ni,Rh,Ru,Ir,Pd,Pt,Re,Co,Fe及びMoの少なくとも一つを触媒金属として含む水蒸気改質用触媒が好ましい。   The reforming catalyst installed in the reforming unit 19 is not particularly limited as long as it becomes a catalyst for the steam reforming reaction, but Ni, Rh, Ru, Ir, Pd, Pt, Re, Co, Fe And a steam reforming catalyst containing at least one of Mo and Mo as a catalyst metal.

改質器14の改質部19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14の改質部19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は、1.5〜3.5であることが好ましく、2.0〜3.0であることがより好ましく、2.0〜2.5であることがさらに好ましい。スチームカーボン比S/Cがこの範囲にあることにより、原料ガスが効率よく水蒸気改質され、水素および一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。さらに、燃料電池システム10内での炭素析出を抑制することができ、燃料電池システム10の信頼性を高めることができる。   The number S of steam molecules per unit time supplied to the reforming unit 19 of the reformer 14 and the number of carbon atoms C of the raw material gas per unit time supplied to the reforming unit 19 of the reformer 14 The steam carbon ratio S / C, which is the ratio, is preferably 1.5 to 3.5, more preferably 2.0 to 3.0, and further preferably 2.0 to 2.5. preferable. When the steam carbon ratio S / C is in this range, the raw material gas is efficiently steam reformed, and a reformed gas containing hydrogen and carbon monoxide is generated. Furthermore, carbon deposition in the fuel cell system 10 can be suppressed, and the reliability of the fuel cell system 10 can be improved.

また、燃焼部18は、水蒸気改質を効率よく行なう観点から、改質部19を、600℃〜800℃に加熱することが好ましく、600℃〜700℃に加熱することがより好ましい。   In addition, the combustion unit 18 preferably heats the reforming unit 19 to 600 ° C. to 800 ° C., more preferably 600 ° C. to 700 ° C., from the viewpoint of efficiently performing steam reforming.

排気経路48内を流通する排ガスは、気化器の役割を有する熱交換器31にて、改質水供給経路33内を流通する改質水と熱交換を行なう。これにより、排気経路48内を流通する排ガスは冷却された後に水タンク32(凝縮器)に供給され、改質水供給経路33内を流通する改質水は気化された後に水蒸気供給経路37を通じて原料ガス供給経路24に供給される。   The exhaust gas flowing in the exhaust path 48 exchanges heat with the reformed water flowing in the reformed water supply path 33 in the heat exchanger 31 having the role of a vaporizer. Thereby, the exhaust gas flowing in the exhaust passage 48 is cooled and then supplied to the water tank 32 (condenser), and the reformed water flowing in the reforming water supply passage 33 is vaporized and then passed through the water vapor supply passage 37. It is supplied to the source gas supply path 24.

水タンク32は、排気経路48内を流通する排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮して得られた水を貯留する容器である。水タンク32では、水蒸気以外の排ガスは外部に排出され、所定量以上の水が貯留された際には、例えばオーバーフローによりドレン排水される。   The water tank 32 is a container for storing water obtained by condensing water vapor contained in the exhaust gas flowing through the exhaust passage 48. In the water tank 32, exhaust gas other than water vapor is discharged to the outside, and when a predetermined amount or more of water is stored, drainage is performed by overflow, for example.

水タンク32は、改質水供給経路33と接続しており、改質水供給経路33には、改質水ポンプ34が設けられている。改質水ポンプ34により、水タンク32に貯留された水は改質水として、改質水供給経路33を通じて熱交換器31に供給される。   The water tank 32 is connected to the reforming water supply path 33, and the reforming water supply path 33 is provided with a reforming water pump 34. The water stored in the water tank 32 is supplied to the heat exchanger 31 through the reforming water supply path 33 as reforming water by the reforming water pump 34.

なお、排気経路48内を流通する排ガスから水蒸気を分離する構成としては、水タンク32に限定されず、例えば、分離膜により水蒸気と、水蒸気以外のガスとを分離してもよく、吸着剤に水蒸気以外のガスを吸着させて、水蒸気改質用の水蒸気を分離してもよい。   The structure for separating the water vapor from the exhaust gas flowing in the exhaust path 48 is not limited to the water tank 32. For example, the separation film may separate the water vapor and the gas other than the water vapor. Gas for steam reforming may be separated by adsorbing gas other than steam.

また、排気経路48内を流通する排ガスと、改質水供給経路33内を流通する改質水との間で熱交換を行なう熱交換器31の代わりに、改質部19、第1燃料電池11、第2燃料電池12の内少なくとも一つより放出される熱を利用して、改質水を気化する気化器を設けてもよい。   Further, in place of the heat exchanger 31 that performs heat exchange between the exhaust gas flowing in the exhaust path 48 and the reformed water flowing in the reformed water supply path 33, the reforming unit 19, the first fuel cell. 11. A vaporizer that vaporizes the reformed water using heat released from at least one of the second fuel cells 12 may be provided.

酸素供給経路44は、空気などの酸素を含むガスが流通する経路であり、酸素供給経路44には熱交換器22が設置されており、第1燃料電池11の上流側の酸素供給経路44と、第2燃料電池12の下流側の酸素供給経路44と、の間で熱交換を行なう。これにより、第2燃料電池12の下流側の酸素供給経路44内を流通するカソードオフガスは分離膜16により水蒸気及び二酸化炭素を分離する際に好ましい温度まで冷却され、第1燃料電池11の上流側の酸素供給経路44内を流通する酸素を含むガスは、第1燃料電池11の作動温度に適した温度に加熱された後に第1燃料電池11のカソードに供給される。   The oxygen supply path 44 is a path through which a gas containing oxygen such as air flows. The oxygen supply path 44 is provided with the heat exchanger 22, and the oxygen supply path 44 upstream of the first fuel cell 11 is connected to the oxygen supply path 44. Then, heat exchange is performed with the oxygen supply path 44 on the downstream side of the second fuel cell 12. As a result, the cathode off-gas flowing in the oxygen supply path 44 on the downstream side of the second fuel cell 12 is cooled to a preferable temperature when the water vapor and carbon dioxide are separated by the separation membrane 16, and the upstream side of the first fuel cell 11. The oxygen-containing gas flowing in the oxygen supply path 44 is heated to a temperature suitable for the operating temperature of the first fuel cell 11 and then supplied to the cathode of the first fuel cell 11.

(第1燃料電池)
本実施形態に係る燃料電池システム10は、改質ガス供給経路42を通じて改質器14から供給された改質ガスを用いて発電を行なう第1燃料電池11を備えている。第1燃料電池11としては、例えば、空気極(カソード)、電解質及び燃料極(アノード)を備える燃料電池セルであってもよく、燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックであってもよい。また、第1燃料電池としては、600℃〜800℃程度で作動する高温型の燃料電池、例えば、700℃〜800℃程度で作動する固体酸化物形燃料電池、600℃〜700℃程度で作動する溶融炭酸塩形燃料電池が挙げられる。
(First fuel cell)
The fuel cell system 10 according to this embodiment includes a first fuel cell 11 that generates power using the reformed gas supplied from the reformer 14 through the reformed gas supply path 42. The first fuel cell 11 may be, for example, a fuel cell including an air electrode (cathode), an electrolyte, and a fuel electrode (anode), or a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are stacked. The first fuel cell is a high-temperature fuel cell that operates at about 600 ° C. to 800 ° C., for example, a solid oxide fuel cell that operates at about 700 ° C. to 800 ° C., and that operates at about 600 ° C. to 700 ° C. And a molten carbonate fuel cell.

第1燃料電池11が固体酸化物形燃料電池の場合、第1燃料電池11のカソード(図示せず)には、酸素供給経路44を通じて酸素を含むガスが供給される。酸素を含むガスがカソードに供給されることにより、以下の式(b)に示す反応が起こり、その際、酸素イオンが固体酸化物電解質(図示せず)の内部を移動する。
+4e→2O2−・・・・(b)
When the first fuel cell 11 is a solid oxide fuel cell, a gas containing oxygen is supplied to the cathode (not shown) of the first fuel cell 11 through the oxygen supply path 44. When a gas containing oxygen is supplied to the cathode, a reaction shown in the following formula (b) occurs, and oxygen ions move inside a solid oxide electrolyte (not shown).
O 2 + 4e → 2O 2− (b)

第1燃料電池11が固体酸化物形燃料電池の場合、第1燃料電池11のアノード(図示せず)には、改質ガス供給経路42を通じて水素を含む改質ガスが供給される。固体酸化物電解質の内部を移動する酸素イオンからアノードと固体酸化物電解質との界面にて水素が電子を受け取ることにより、以下の式(c)に示す反応が起こる。
+O2−→HO+2e・・・・(c)
When the first fuel cell 11 is a solid oxide fuel cell, a reformed gas containing hydrogen is supplied to the anode (not shown) of the first fuel cell 11 through the reformed gas supply path 42. When hydrogen receives electrons from the oxygen ions moving inside the solid oxide electrolyte at the interface between the anode and the solid oxide electrolyte, a reaction represented by the following formula (c) occurs.
H 2 + O 2− → H 2 O + 2e (c)

第1燃料電池11が溶融炭酸塩形燃料電池の場合、第1燃料電池11のカソード(図示せず)には、酸素供給経路44を通じて酸素及び二酸化炭素を含むガスが供給される。酸素及び二酸化炭素を含むガスがカソードに供給されることにより、以下の式(d)に示す反応が起こり、その際、炭酸イオンが電解質(図示せず)の内部を移動する。
+2CO+4e→2CO 2−・・・・(d)
When the first fuel cell 11 is a molten carbonate fuel cell, a gas containing oxygen and carbon dioxide is supplied to the cathode (not shown) of the first fuel cell 11 through the oxygen supply path 44. When a gas containing oxygen and carbon dioxide is supplied to the cathode, a reaction represented by the following formula (d) occurs, and at this time, carbonate ions move inside the electrolyte (not shown).
O 2 + 2CO 2 + 4e → 2CO 3 2− (d)

第1燃料電池11が溶融炭酸塩形燃料電池の場合、第1燃料電池11のアノード(図示せず)には、改質ガス供給経路42を通じて水素を含む改質ガスが供給される。電解質の内部を移動する炭酸イオンからアノードと電解質との界面にて水素が電子を受け取ることにより、以下の式(e)に示す反応が起こる。
+CO 2−→HO+CO+2e・・・・(e)
When the first fuel cell 11 is a molten carbonate fuel cell, a reformed gas containing hydrogen is supplied to the anode (not shown) of the first fuel cell 11 through the reformed gas supply path 42. When hydrogen receives electrons from the carbonate ions moving inside the electrolyte at the interface between the anode and the electrolyte, a reaction represented by the following formula (e) occurs.
H 2 + CO 3 2− → H 2 O + CO 2 + 2e (e)

上記式(c)及び式(e)に示すように、第1燃料電池11での改質ガスの電気化学的な反応により、固体酸化物形燃料電池では主に水蒸気が生成され、溶融炭酸塩形燃料電池では主に水蒸気及び二酸化炭素が生成される。また、アノードで生成された電子は、外部回路を通じてカソードに移動する。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にて発電が行なわれる。なお、固体酸化物形燃料電池であっても、一部の一酸化炭素が発電に用いられることで、二酸化炭素が生成される。   As shown in the above formulas (c) and (e), the electrochemical reaction of the reformed gas in the first fuel cell 11 mainly generates water vapor in the solid oxide fuel cell, and the molten carbonate In the fuel cell, water vapor and carbon dioxide are mainly produced. Further, the electrons generated at the anode move to the cathode through an external circuit. In this way, the electrons move from the anode to the cathode, whereby electric power is generated in the first fuel cell 11. Even in a solid oxide fuel cell, carbon dioxide is generated by using a portion of carbon monoxide for power generation.

カソードから排出された未反応の酸素を含むガスは、下流側の酸素供給経路44を通じて、第2燃料電池12のカソード(図示せず)に供給される。   The gas containing unreacted oxygen discharged from the cathode is supplied to the cathode (not shown) of the second fuel cell 12 through the downstream oxygen supply path 44.

一方、アノードから排出された未反応の改質ガスを含むオフガスは、オフガス経路52を通じて分離膜16の供給側16Aへ供給される。ここで、未反応の改質ガスを含むオフガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気などを含む混合ガスである。   On the other hand, the off gas containing the unreacted reformed gas discharged from the anode is supplied to the supply side 16 </ b> A of the separation membrane 16 through the off gas path 52. Here, the off gas containing the unreacted reformed gas is a mixed gas containing hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, water vapor, and the like.

オフガス経路52及びオフガス経路54には熱交換器21が設置されており、熱交換器21により、オフガス経路52内を流通するオフガスと、オフガス経路54内を流通する水蒸気及び二酸化炭素が分離されたオフガスと、の間で熱交換を行なう。これにより、オフガス経路52内を流通するオフガスは、分離膜16により水蒸気及び二酸化炭素を分離する際に好ましい温度まで冷却され、オフガス経路54内を流通する水蒸気及び二酸化炭素が分離されたオフガスは、第2燃料電池12の作動温度に適した温度に加熱される。そのため、システム全体の発電効率及び熱効率がより向上する。   The heat exchanger 21 is installed in the off gas path 52 and the off gas path 54, and the off gas flowing through the off gas path 52 and the water vapor and carbon dioxide flowing through the off gas path 54 are separated by the heat exchanger 21. Heat exchange with off-gas is performed. Thereby, the off-gas flowing through the off-gas passage 52 is cooled to a preferable temperature when the water vapor and carbon dioxide are separated by the separation membrane 16, and the off-gas from which the water vapor and carbon dioxide flowing through the off-gas passage 54 are separated is The second fuel cell 12 is heated to a temperature suitable for the operating temperature. Therefore, the power generation efficiency and thermal efficiency of the entire system are further improved.

(分離膜)
本実施形態に係る燃料電池システム10は、第1燃料電池11から排出された未反応の改質ガスを含むオフガスから、水蒸気及び二酸化炭素を分離する分離膜16を備えている。オフガス経路52内を流通するオフガスは、分離膜16の供給側16Aに供給され、オフガス中の水蒸気及び二酸化炭素は、供給側16Aから透過側16Bへ矢印A方向に分離膜16を通過する。水蒸気及び二酸化炭素を分離した後のオフガスは、供給側16Aからオフガス経路54内を流通し、第2燃料電池12へ供給される。一方、分離された水蒸気及び二酸化炭素は、透過側16Bを流れる第2燃料電池12から排出されたカソードオフガス(未反応の酸素を含むガス)と混合され、透過側16Bから酸素供給経路44内を流通し、改質器14の燃焼部18へ供給される。そのため、第2燃料電池12から排出されたカソードオフガスを燃焼部18での燃焼反応に利用され、燃焼部18に酸素を別途供給する必要が無い。
(Separation membrane)
The fuel cell system 10 according to the present embodiment includes a separation membrane 16 that separates water vapor and carbon dioxide from off-gas containing unreacted reformed gas discharged from the first fuel cell 11. Off-gas flowing in the off-gas path 52 is supplied to the supply side 16A of the separation membrane 16, and water vapor and carbon dioxide in the off-gas pass through the separation membrane 16 in the direction of arrow A from the supply side 16A to the permeation side 16B. The off gas after separating the water vapor and carbon dioxide flows through the off gas path 54 from the supply side 16 </ b> A and is supplied to the second fuel cell 12. On the other hand, the separated water vapor and carbon dioxide are mixed with the cathode off-gas (gas containing unreacted oxygen) discharged from the second fuel cell 12 flowing through the permeation side 16B, and the oxygen supply path 44 passes through the permeation side 16B. It is distributed and supplied to the combustion section 18 of the reformer 14. Therefore, the cathode off-gas discharged from the second fuel cell 12 is used for the combustion reaction in the combustion unit 18, and there is no need to separately supply oxygen to the combustion unit 18.

さらに、カソードオフガスを流通させるための酸素供給経路44を分離膜16の透過側に設けて、水蒸気及び二酸化炭素を分離膜16の透過側に透過させている。そのため、酸素を分離膜16の透過側に供給するための経路及び空気ブロア又は減圧ポンプを別途設ける必要は無く、システムが簡略化されている。   Further, an oxygen supply path 44 for circulating the cathode off gas is provided on the permeation side of the separation membrane 16 so that water vapor and carbon dioxide are permeated to the permeation side of the separation membrane 16. Therefore, it is not necessary to separately provide a path for supplying oxygen to the permeation side of the separation membrane 16 and an air blower or a decompression pump, and the system is simplified.

さらに、分離膜16を透過した水蒸気及び二酸化炭素はカソードオフガスとともに酸素供給経路44内を流通するため、分離膜16の透過側16Bの水蒸気分圧及び二酸化炭素分圧は低くなり、供給側16Aと透過側16Bとの水蒸気分圧差及び二酸化炭素分圧差を大きくすることができる。そのため、より多くの水蒸気及び二酸化炭素を透過側16Bへ移動させることができ、水蒸気及び二酸化炭素の分離が促進される。   Furthermore, since the water vapor and carbon dioxide that have permeated through the separation membrane 16 circulate in the oxygen supply path 44 together with the cathode off gas, the water vapor partial pressure and the carbon dioxide partial pressure on the permeation side 16B of the separation membrane 16 become lower, and the supply side 16A and The water vapor partial pressure difference and the carbon dioxide partial pressure difference from the permeation side 16B can be increased. Therefore, more water vapor and carbon dioxide can be moved to the permeation side 16B, and separation of water vapor and carbon dioxide is promoted.

したがって、燃料電池システム10では、システムの簡略化とともに水蒸気及び二酸化炭素の分離が促進されている。その結果、第2燃料電池12に供給されるオフガス中の水蒸気濃度及び二酸化炭素濃度をより小さくすることができ、燃料電池システム10の発電効率をより高めることができる。   Therefore, in the fuel cell system 10, the separation of water vapor and carbon dioxide is promoted with simplification of the system. As a result, the water vapor concentration and the carbon dioxide concentration in the off-gas supplied to the second fuel cell 12 can be further reduced, and the power generation efficiency of the fuel cell system 10 can be further increased.

分離膜は、水蒸気及び二酸化炭素を透過する膜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、ガラス状高分子膜、ゴム状高分子膜、イオン交換樹脂膜、アルミナ膜、シリカ膜、炭素膜、ゼオライト膜、セラミック膜、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。   The separation membrane is not particularly limited as long as it is a membrane that transmits water vapor and carbon dioxide, and examples thereof include an organic polymer membrane, an inorganic material membrane, an organic polymer-inorganic material composite membrane, and a liquid membrane. The separation membrane is more preferably a glassy polymer membrane, a rubbery polymer membrane, an ion exchange resin membrane, an alumina membrane, a silica membrane, a carbon membrane, a zeolite membrane, a ceramic membrane, an amine aqueous solution membrane or an ionic liquid membrane. preferable.

分離膜としては、例えば、ガラス状高分子膜、ゴム状高分子膜、イオン交換樹脂膜などの有機高分子膜が挙げられる。有機高分子膜の材質としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン、ポリメチルペンテン等のポリオレフィン系樹脂、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン等のフッ素樹脂、ポリスチレン、酢酸セルロース、ポリウレタン、ポリアクリロニトリル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリイミド、ポリアミド、ポリエーテルイミド、ポリピロール、ポリフェニレンオキシド、ポリアニリン、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、ポリエチレングリコール等の各種有機材料が挙げられる。また、有機高分子膜は、1種の有機材料から構成される膜であってもよく、2種以上の有機材料から構成される膜であってもよい。   Examples of the separation membrane include organic polymer membranes such as glassy polymer membranes, rubbery polymer membranes, and ion exchange resin membranes. Materials for the organic polymer film include polyolefin resins such as polyethylene, polypropylene, polybutene, and polymethylpentene, fluorine resins such as polytetrafluoroethylene, polyvinyl fluoride, and polyvinylidene fluoride, polystyrene, cellulose acetate, polyurethane, and polyacrylonitrile. And various organic materials such as polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyimide, polyamide, polyetherimide, polypyrrole, polyphenylene oxide, polyaniline, polyvinyl alcohol, polyacrylic acid, and polyethylene glycol. The organic polymer film may be a film composed of one kind of organic material or a film composed of two or more kinds of organic materials.

また分離膜としては、例えば、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、ポリビニルアルコール−ポリアクリル酸塩共重合体、ポリエチレングリコールなどの吸水性を有する有機高分子と、二酸化炭素と親和性を有し、かつ水溶性を示す二酸化炭素キャリアとを含む有機高分子膜であってもよい。   In addition, as the separation membrane, for example, water-absorbing organic polymer such as polyvinyl alcohol, polyacrylic acid, polyvinyl alcohol-polyacrylate copolymer, polyethylene glycol, etc., carbon dioxide and water-soluble It may be an organic polymer film containing a carbon dioxide carrier exhibiting properties.

二酸化炭素キャリアとしては、無機材料及び有機材料が用いられ、例えば、無機材料としては、アルカリ金属塩(好ましくはアルカリ金属炭酸塩)、アンモニア、アンモニウム塩などが挙げられ、有機材料としては、例えば、アミン、アミン塩、ポリアミンなどが挙げられる。なお、二酸化炭素キャリアは、無機材料膜、有機高分子−無機材料複合膜、液体膜等に含まれていてもよい。   As the carbon dioxide carrier, inorganic materials and organic materials are used. For example, inorganic materials include alkali metal salts (preferably alkali metal carbonates), ammonia, ammonium salts, and the like. Examples include amines, amine salts, and polyamines. The carbon dioxide carrier may be contained in an inorganic material film, an organic polymer-inorganic material composite film, a liquid film, or the like.

分離膜としては、例えば、アルミナ膜、シリカ膜、炭素膜、ゼオライト膜、セラミック膜などの無機材料膜が挙げられ、無機材料膜としては、中でもゼオライト膜が好ましい。ゼオライトとしては、例えば、A型、Y型、T型、ZSM−5型、ZSM−35型、モルデナイト系などが挙げられる。また、無機材料膜は、1種の無機材料から構成される膜であってもよく、2種以上の無機材料から構成される膜であってもよい。   Examples of the separation membrane include inorganic material membranes such as an alumina membrane, a silica membrane, a carbon membrane, a zeolite membrane, and a ceramic membrane. Among these, a zeolite membrane is preferable. Examples of the zeolite include A type, Y type, T type, ZSM-5 type, ZSM-35 type, and mordenite type. The inorganic material film may be a film composed of one kind of inorganic material or a film composed of two or more kinds of inorganic materials.

分離膜は、有機高分子−無機材料複合膜であってもよい。有機高分子−無機材料複合膜としては、有機材料及び無機材料から構成される膜であれば特に限定されないが、例えば、上述した有機材料から選択される少なくとも1種の有機材料及び上述した無機材料から選択される少なくとも1種の無機材料から構成される複合膜であることが好ましい。   The separation membrane may be an organic polymer-inorganic material composite membrane. The organic polymer-inorganic material composite film is not particularly limited as long as it is a film composed of an organic material and an inorganic material. For example, at least one organic material selected from the above-described organic materials and the above-described inorganic material A composite film composed of at least one inorganic material selected from the above is preferable.

分離膜としては、例えば、アミン水溶液、イオン液体などの液体膜が挙げられる。これら液体膜は、前述の有機高分子膜、無機材料膜、有機高分子−無機材料複合膜に、アミン水溶液又はイオン液体を含浸させたものであってもよい。   Examples of the separation membrane include liquid membranes such as an aqueous amine solution and an ionic liquid. These liquid films may be obtained by impregnating the above-described organic polymer film, inorganic material film, or organic polymer-inorganic material composite film with an aqueous amine solution or an ionic liquid.

分離膜として、アミン水溶液膜を用いた場合、オフガス中の二酸化炭素をアミン水溶液膜に化学的に吸着させた後、加熱することで二酸化炭素が分離され、アミン水溶液膜の透過側に二酸化炭素が移動する。アミン水溶液としては、モノエタノールアミンなどのアミノアルコールなどが挙げられる。   When an amine aqueous solution membrane is used as the separation membrane, carbon dioxide in the off-gas is chemically adsorbed on the amine aqueous solution membrane and then heated to separate the carbon dioxide. Moving. Examples of the aqueous amine solution include amino alcohols such as monoethanolamine.

分離膜として、イオン液体膜を用いた場合、オフガス中の二酸化炭素がイオン液体膜に吸着し、吸着された二酸化炭素をイオン液体膜から分離することで、イオン液体膜の透過側に二酸化炭素が移動する。ここで、イオン液体は、150℃以下の比較的低温の融点を有する塩であり、例えば、イミダゾリウムイオン、ピリジニウムイオンなどの陽イオンと、トリフルオロメタンスルホン酸イオン、テトラフルオロホウ酸イオン、ヘキサフルオロリン酸イオンなどの陰イオンと、から構成される。   When an ionic liquid membrane is used as the separation membrane, carbon dioxide in the off-gas is adsorbed on the ionic liquid membrane, and the adsorbed carbon dioxide is separated from the ionic liquid membrane, so that carbon dioxide is formed on the permeate side of the ionic liquid membrane. Moving. Here, the ionic liquid is a salt having a relatively low melting point of 150 ° C. or lower. For example, a cation such as imidazolium ion or pyridinium ion, trifluoromethanesulfonate ion, tetrafluoroborate ion, hexafluoro And anions such as phosphate ions.

分離膜の厚さは、特に限定されないが、機械的強度の観点からは、通常、10μm〜3000μmの範囲が好ましく、より好ましくは10μm〜500μmの範囲であり、さらに好ましくは15μm〜150μmの範囲である。   The thickness of the separation membrane is not particularly limited, but from the viewpoint of mechanical strength, it is usually preferably in the range of 10 μm to 3000 μm, more preferably in the range of 10 μm to 500 μm, and still more preferably in the range of 15 μm to 150 μm. is there.

なお、分離膜は、多孔質性の支持体に支持されていてもよい。支持体の材質としては、紙、セルロース、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリイミド、ポリスルホン、ポリカーボネート、金属、ガラス、セラミックなどが挙げられる。   The separation membrane may be supported by a porous support. Examples of the material for the support include paper, cellulose, polyester, polyolefin, polyamide, polyimide, polysulfone, polycarbonate, metal, glass, and ceramic.

二酸化炭素及び水蒸気を分離する分離膜としては、例えば、「Zi Tong et al., "Water vapor and CO2 transport through amine-containing facilitated transport membranes", Reactive & Functional Polymers (2014)に記載の膜を用いてもよい。 As a separation membrane for separating carbon dioxide and water vapor, for example, a membrane described in “Zi Tong et al.,“ Water vapor and CO 2 transport through amine-containing facilitated transport membranes ”, Reactive & Functional Polymers (2014) is used. May be.

水蒸気及び二酸化炭素を分離した後のオフガスは、供給側16Aからオフガス経路54内を流通し、第2燃料電池12へ供給される。このとき、前述のように、オフガス経路52及びオフガス経路54に設置された熱交換器21により、オフガス経路54内を流通する水蒸気分離後のオフガスは、第2燃料電池12の作動温度に適した温度に加熱される。   The off gas after separating the water vapor and carbon dioxide flows through the off gas path 54 from the supply side 16 </ b> A and is supplied to the second fuel cell 12. At this time, as described above, the heat exchanger 21 installed in the off-gas path 52 and the off-gas path 54 causes the off-gas after steam separation flowing through the off-gas path 54 to be suitable for the operating temperature of the second fuel cell 12. Heated to temperature.

(第2燃料電池)
本実施形態に係る燃料電池システム10は、分離膜16の下流に配置され、水蒸気及び二酸化炭素が分離されたオフガスを用いて発電を行なう第2燃料電池12を備えている。第2燃料電池12としては、例えば、空気極(カソード)、電解質及び燃料極(アノード)を備える燃料電池セルであってもよく、燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックであってもよい。なお、第2燃料電池12は、上述の第1燃料電池11と同様の構成であるため、共通する事項に関する説明は省略する。
(Second fuel cell)
The fuel cell system 10 according to this embodiment includes a second fuel cell 12 that is disposed downstream of the separation membrane 16 and that generates power using off-gas from which water vapor and carbon dioxide have been separated. The second fuel cell 12 may be, for example, a fuel cell including an air electrode (cathode), an electrolyte, and a fuel electrode (anode), or a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are stacked. Note that the second fuel cell 12 has the same configuration as that of the first fuel cell 11 described above, and thus description regarding common matters is omitted.

燃料電池システム10では、第2燃料電池12は、水蒸気及び二酸化炭素が分離されたオフガスを用いて発電を行なう。そのため、第2燃料電池12では、電極間の酸素分圧差に起因する理論電圧が向上するとともに、オフガス中の水蒸気及び二酸化炭素に起因する濃度過電圧が低減され、特に高電流密度時に高い性能を発揮することができる。よって、燃料電池システム10は、後段の燃料電池にて水蒸気が分離されていないオフガスを用いて発電を行なう多段式の燃料電池システムと比較して、高い発電効率を得ることができる。   In the fuel cell system 10, the second fuel cell 12 generates power using off-gas from which water vapor and carbon dioxide are separated. Therefore, in the second fuel cell 12, the theoretical voltage due to the oxygen partial pressure difference between the electrodes is improved and the concentration overvoltage due to water vapor and carbon dioxide in the off-gas is reduced, and particularly exhibits high performance at high current density. can do. Therefore, the fuel cell system 10 can obtain higher power generation efficiency than a multi-stage fuel cell system that generates power using off-gas from which water vapor is not separated in the subsequent fuel cell.

第2燃料電池12のカソードから排出されたカソードオフガスは、下流側の酸素供給経路44を通じて、分離膜16により分離された水蒸気及び二酸化炭素とともに改質器14の燃焼部18へ供給される。一方、第2燃料電池12のアノードから排出されたオフガスは、オフガス経路46を通じて改質器14の燃焼部18へ供給される。   The cathode off-gas discharged from the cathode of the second fuel cell 12 is supplied to the combustion unit 18 of the reformer 14 together with the water vapor and carbon dioxide separated by the separation membrane 16 through the downstream oxygen supply path 44. On the other hand, the off gas discharged from the anode of the second fuel cell 12 is supplied to the combustion unit 18 of the reformer 14 through the off gas path 46.

本実施形態では、酸素供給経路44が直列となっているため、第1燃料電池11に酸素を供給した後、第2燃料電池12に酸素が供給されるが、酸素供給経路44は並列であってもよい。つまり、酸素が流通する酸素供給経路44が分岐し、第1燃料電池11及び第2燃料電池12のカソードに酸素をそれぞれ供給する構成であってもよい。このとき、第1燃料電池11のカソードから排出されたカソードオフガス及び第2燃料電池12のカソードから排出されたカソードオフガスの少なくとも一方が分離膜16の透過側16Bに供給される構成であればよい。   In this embodiment, since the oxygen supply path 44 is in series, oxygen is supplied to the second fuel cell 12 after supplying oxygen to the first fuel cell 11, but the oxygen supply path 44 is parallel. May be. That is, the oxygen supply path 44 through which oxygen flows may be branched to supply oxygen to the cathodes of the first fuel cell 11 and the second fuel cell 12, respectively. At this time, it is sufficient that at least one of the cathode offgas discharged from the cathode of the first fuel cell 11 and the cathode offgas discharged from the cathode of the second fuel cell 12 is supplied to the permeation side 16B of the separation membrane 16. .

本実施形態では、2つの燃料電池(第1燃料電池11及び第2燃料電池12)を備える燃料電池システムについて説明したが、本発明はこれに限定されず、3つ以上の燃料電池を備える燃料電池システムであってもよく、例えば、第2燃料電池12の下流に第3燃料電池を備える構成であってもよい。このとき、第3燃料電池のカソードから排出されたカソードオフガスが、下流側の酸素供給経路を通じて、分離膜により分離された水蒸気及び二酸化炭素とともに改質器の燃焼部へ供給され、第3燃料電池のアノードから排出されたオフガス(アノードオフガス)が、オフガス経路を通じて改質器の燃焼部へ供給される構成であってもよい。   In the present embodiment, the fuel cell system including two fuel cells (the first fuel cell 11 and the second fuel cell 12) has been described. However, the present invention is not limited thereto, and the fuel includes three or more fuel cells. A battery system may be sufficient, for example, the structure provided with a 3rd fuel cell downstream of the 2nd fuel cell 12 may be sufficient. At this time, the cathode off-gas discharged from the cathode of the third fuel cell is supplied to the combustion section of the reformer together with the water vapor and carbon dioxide separated by the separation membrane through the downstream oxygen supply path. The off gas (anode off gas) discharged from the anode may be supplied to the combustion section of the reformer through the off gas path.

[第2実施形態]
図2に示すような第2実施形態に係る燃料電池システム20は、分離膜16として水蒸気及び二酸化炭素を分離する分離膜の代わりに水蒸気を分離する水蒸気分離膜を用いたこと以外は第1実施形態に係る燃料電池システム10と同じである。なお、第2実施形態〜第12実施形態において、上述の第1実施形態に係る燃料電池システム10と共通する構成については、その説明を省略する。
[Second Embodiment]
The fuel cell system 20 according to the second embodiment as shown in FIG. 2 is the first embodiment except that the separation membrane 16 uses a water vapor separation membrane that separates water vapor instead of the separation membrane that separates water vapor and carbon dioxide. This is the same as the fuel cell system 10 according to the embodiment. In addition, in 2nd Embodiment-12th Embodiment, the description is abbreviate | omitted about the structure which is common in the fuel cell system 10 which concerns on the above-mentioned 1st Embodiment.

燃料電池システム20においても、第2燃料電池12は、水蒸気が分離されたオフガスを用いて発電を行なうため、第2燃料電池12では、電極間の酸素分圧差に起因する理論電圧が向上するとともに、オフガス中の水蒸気に起因する濃度過電圧が低減される。よって、燃料電池システム20は、通常の多段式の燃料電池システムよりも高い発電効率を得ることができる。   In the fuel cell system 20 as well, the second fuel cell 12 performs power generation using off-gas from which water vapor has been separated. Therefore, in the second fuel cell 12, the theoretical voltage resulting from the oxygen partial pressure difference between the electrodes is improved. The concentration overvoltage caused by water vapor in the off-gas is reduced. Therefore, the fuel cell system 20 can obtain higher power generation efficiency than a normal multistage fuel cell system.

水蒸気分離膜としては、水蒸気を透過する膜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、ガラス状高分子膜、ゴム状高分子膜、イオン交換樹脂膜、アルミナ膜、シリカ膜、炭素膜、ゼオライト膜、セラミック膜、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。また、水蒸気分離膜の材質としては、前述の分離膜の材質と同様である。   Although it will not specifically limit if it is a film | membrane which permeate | transmits water vapor | steam as a water vapor | steam separation membrane, For example, an organic polymer film | membrane, an inorganic material film | membrane, an organic polymer-inorganic material composite film | membrane, a liquid film etc. are mentioned. The separation membrane is more preferably a glassy polymer membrane, a rubbery polymer membrane, an ion exchange resin membrane, an alumina membrane, a silica membrane, a carbon membrane, a zeolite membrane, a ceramic membrane, an amine aqueous solution membrane or an ionic liquid membrane. preferable. The material for the water vapor separation membrane is the same as the material for the separation membrane described above.

燃料電池システム20は、第1燃料電池11の下流かつ第2燃料電池12の上流に配置され、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さらに備えることが好ましい。これにより、第1実施形態同様に、第2燃料電池12は水蒸気及び二酸化炭素が分離されたオフガスを用いて発電を行なうため、発電効率をより高めることができる。   The fuel cell system 20 is preferably further provided with a carbon dioxide removal unit that is disposed downstream of the first fuel cell 11 and upstream of the second fuel cell 12 and removes carbon dioxide from off-gas. Thus, as in the first embodiment, the second fuel cell 12 performs power generation using off-gas from which water vapor and carbon dioxide have been separated, so that power generation efficiency can be further increased.

二酸化炭素除去部は、オフガスから二酸化炭素を除去するためのものであり、例えば、二酸化炭素を吸着、吸収するフィルター、二酸化炭素を吸収する二酸化炭素吸収剤、二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去材を含むものが挙げられ、他にも、電気化学的な反応によりオフガスから二酸化炭素を除去するものであってもよい。   The carbon dioxide removing unit is for removing carbon dioxide from off-gas. For example, a filter that adsorbs and absorbs carbon dioxide, a carbon dioxide absorbent that absorbs carbon dioxide, and a carbon dioxide removing material that removes carbon dioxide. In addition, the carbon dioxide may be removed from the off-gas by an electrochemical reaction.

二酸化炭素を吸着、吸収するフィルター、二酸化炭素吸収剤、二酸化炭素除去材としては、例えば、化学吸着剤、物理吸着剤、多孔質セラミックフィルターが挙げられる。より具体的には、活性炭、ゼオライト、チタン酸二バリウム、珪酸リチウム、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニアなどの金属酸化物、リチウム化ジルコニア、リチウムシリケートなどが挙げられ、これらの材料を組み合わせたり、混合したりして用いてもよい。また、多孔質セラミックフィルターに対してより緻密な細孔を有する材料をコーティングしてもよい。コーティングの具体例としては、多孔質セラミックフィルターの細孔表面に対して、アミノ基系シランカップリング剤で修飾されたメソポーラスシリカやゼオライトなどをコーティングする方法が挙げられる。これにより、二酸化炭素の高い選択性を実現でき、好適に二酸化炭素を除去することができる。多孔質セラミックフィルターとしては、市販のものを用いてもよく、例えば、日本碍子社製のサブナノセラミック膜フィルターを用いることができる。   Examples of the filter that absorbs and absorbs carbon dioxide, the carbon dioxide absorbent, and the carbon dioxide removing material include a chemical adsorbent, a physical adsorbent, and a porous ceramic filter. More specifically, there may be mentioned activated carbon, zeolite, dibarium titanate, lithium silicate, alumina, silica, zirconia, titania and other metal oxides, lithiated zirconia, lithium silicate, etc., and these materials may be combined or mixed You may use it. Further, a material having finer pores may be coated on the porous ceramic filter. Specific examples of the coating include a method of coating the surface of the pores of the porous ceramic filter with mesoporous silica or zeolite modified with an amino group-based silane coupling agent. Thereby, high selectivity of carbon dioxide can be realized, and carbon dioxide can be suitably removed. As the porous ceramic filter, a commercially available one may be used. For example, a sub-nano ceramic membrane filter manufactured by Nippon Choshi Co., Ltd. can be used.

二酸化炭素除去部は、電気化学的な反応によりオフガスから二酸化炭素を除去するものであってもよい。例えば、二酸化炭素除去部は、アノードと、電解質と、カソードとを備え、アノード及びカソードには電源が接続されていてもよい。電源としては、第1燃料電池11又は第2燃料電池12を用いてもよい。このとき、アノードに二酸化炭素を含むオフガスが供給され、かつ、アノード及びカソードに電圧が印加されると、アノード及びカソードでそれぞれ次のような反応が生じる。この結果、カソードより二酸化炭素が除去される。
アノード:2HO→2H+O+2CO+4e→2CO 2−
カソード:2CO 2−→O+2CO+4e
The carbon dioxide removal unit may remove carbon dioxide from off-gas by an electrochemical reaction. For example, the carbon dioxide removal unit includes an anode, an electrolyte, and a cathode, and a power source may be connected to the anode and the cathode. As the power source, the first fuel cell 11 or the second fuel cell 12 may be used. At this time, when an off gas containing carbon dioxide is supplied to the anode and a voltage is applied to the anode and the cathode, the following reactions occur at the anode and the cathode, respectively. As a result, carbon dioxide is removed from the cathode.
Anode: 2H 2 O → 2H 2 + O 2 O 2 + 2CO 2 + 4e → 2CO 3 2−
Cathode: 2CO 3 2− → O 2 + 2CO 2 + 4e

二酸化炭素除去部が電気化学的な反応によりオフガスから二酸化炭素を除去するものである場合、前述のアノードの反応では、水(水蒸気)が必要となるため、分離膜16の上流側に二酸化炭素除去部を配置することが好ましい。これにより、電気化学的な反応を行なう際に必要となる水を十分に供給することができ、二酸化炭素を好適に除去することができる。   In the case where the carbon dioxide removal unit removes carbon dioxide from off-gas by an electrochemical reaction, the above-described anode reaction requires water (water vapor), so carbon dioxide removal is performed upstream of the separation membrane 16. It is preferable to arrange the parts. As a result, water necessary for performing the electrochemical reaction can be sufficiently supplied, and carbon dioxide can be suitably removed.

なお、二酸化炭素除去部は、第1燃料電池11の下流かつ第2燃料電池12の上流に配置されていれば、配置場所は特に限定されない。   The location of the carbon dioxide removal unit is not particularly limited as long as it is disposed downstream of the first fuel cell 11 and upstream of the second fuel cell 12.

例えば、二酸化炭素除去部は、分離膜16の供給側16Aの上流かつ熱交換器21の下流、又は分離膜16の供給側16Aの下流かつ熱交換器21の上流に配置される。熱交換器21を通過したオフガスは、熱交換により温度が比較的低温(例えば、200℃程度)となっているため、二酸化炭素除去部は、低温度域で二酸化炭素を除去できる構成であることが好ましい。   For example, the carbon dioxide removal unit is disposed upstream of the supply side 16A of the separation membrane 16 and downstream of the heat exchanger 21, or downstream of the supply side 16A of the separation membrane 16 and upstream of the heat exchanger 21. Since the off gas that has passed through the heat exchanger 21 has a relatively low temperature (for example, about 200 ° C.) due to heat exchange, the carbon dioxide removal unit is configured to be able to remove carbon dioxide in a low temperature range. Is preferred.

また、例えば、二酸化炭素除去部は、第1燃料電池11の下流かつ熱交換器21の上流、又は熱交換器21の下流かつ第2燃料電池12の上流に配置されていてもよい。このとき、オフガス経路52にて熱交換器21を通過する前のオフガス、又はオフガス経路54にて熱交換器21を通過した後のオフガスは、比較的高温(例えば、750℃)であるため、二酸化炭素除去部は、高温領域で二酸化炭素を除去できる構成であることが好ましい。   Further, for example, the carbon dioxide removal unit may be disposed downstream of the first fuel cell 11 and upstream of the heat exchanger 21, or downstream of the heat exchanger 21 and upstream of the second fuel cell 12. At this time, the off gas before passing through the heat exchanger 21 in the off gas path 52 or the off gas after passing through the heat exchanger 21 in the off gas path 54 is relatively high temperature (for example, 750 ° C.) The carbon dioxide removal unit is preferably configured to remove carbon dioxide in a high temperature region.

なお、第1実施形態に係る燃料電池システム10にて、第1燃料電池11の下流かつ第2燃料電池12の上流に前述の二酸化炭素除去部をさらに設けてもよい。   In the fuel cell system 10 according to the first embodiment, the carbon dioxide removal unit described above may be further provided downstream of the first fuel cell 11 and upstream of the second fuel cell 12.

[第3実施形態]
図3に示すような第3実施形態に係る燃料電池システム30は、分離膜16として水蒸気及び二酸化炭素を分離する分離膜の代わりに二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離膜を用いたこと以外は第1実施形態に係る燃料電池システム10と同じである。
[Third Embodiment]
The fuel cell system 30 according to the third embodiment as shown in FIG. 3 is the same as the separation membrane 16 except that a carbon dioxide separation membrane that separates carbon dioxide is used instead of the separation membrane that separates water vapor and carbon dioxide. This is the same as the fuel cell system 10 according to one embodiment.

燃料電池システム30においても、第2燃料電池12は、二酸化炭素が分離されたオフガスを用いて発電を行なうため、第2燃料電池12では、電極間の酸素分圧差に起因する理論電圧が向上するとともに、オフガス中の二酸化炭素に起因する濃度過電圧が低減される。よって、燃料電池システム30は、通常の多段式の燃料電池システムよりも高い発電効率を得ることができる。   Also in the fuel cell system 30, the second fuel cell 12 performs power generation using off-gas from which carbon dioxide has been separated. Therefore, in the second fuel cell 12, the theoretical voltage due to the oxygen partial pressure difference between the electrodes is improved. At the same time, concentration overvoltage caused by carbon dioxide in the off-gas is reduced. Therefore, the fuel cell system 30 can obtain higher power generation efficiency than a normal multistage fuel cell system.

二酸化炭素分離膜は、二酸化炭素を透過する膜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、二酸化炭素分離膜は、ガラス状高分子膜、ゴム状高分子膜、イオン交換樹脂膜、アルミナ膜、シリカ膜、炭素膜、ゼオライト膜、セラミック膜、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。また、二酸化炭素分離膜の材質としては、前述の分離膜の材質と同様である。   The carbon dioxide separation membrane is not particularly limited as long as it is a membrane that transmits carbon dioxide, and examples thereof include an organic polymer membrane, an inorganic material membrane, an organic polymer-inorganic material composite membrane, and a liquid membrane. The carbon dioxide separation membrane is a glassy polymer membrane, rubbery polymer membrane, ion exchange resin membrane, alumina membrane, silica membrane, carbon membrane, zeolite membrane, ceramic membrane, amine aqueous solution membrane or ionic liquid membrane. Is more preferable. The material of the carbon dioxide separation membrane is the same as the material of the separation membrane described above.

燃料電池システム30は、第1燃料電池11の下流かつ第2燃料電池12の上流に配置され、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ることが好ましい。これにより、第1実施形態同様に、第2燃料電池12は水蒸気及び二酸化炭素が分離されたオフガスを用いて発電を行なうため、発電効率をより高めることができる。   The fuel cell system 30 is preferably further provided with a water vapor removing unit that is disposed downstream of the first fuel cell 11 and upstream of the second fuel cell 12 and removes water vapor from the off-gas. Thus, as in the first embodiment, the second fuel cell 12 performs power generation using off-gas from which water vapor and carbon dioxide have been separated, so that power generation efficiency can be further increased.

水蒸気除去部は、オフガスから水蒸気を除去するためのものであり、水蒸気を分離する分離膜、水蒸気を吸着する吸着剤、水蒸気を凝縮する凝縮器などであればよい。   The water vapor removing unit is for removing water vapor from off-gas, and may be a separation membrane for separating water vapor, an adsorbent for adsorbing water vapor, a condenser for condensing water vapor, or the like.

水蒸気除去部が凝縮器である場合、オフガスから二酸化炭素を分離する際の分離膜16の加熱温度に応じて、配置場所を変更することが好ましい。例えば、分離膜16を高温に加熱して二酸化炭素を分離する場合、水蒸気除去部を分離膜16の供給側16Aの下流に配置することが好ましい。このとき、水蒸気除去部を分離膜16の供給側16Aの上流に配置すると、例えば、水蒸気を凝縮するために冷却したオフガスを、二酸化炭素を分離するために再度加熱する必要があり、熱効率的に不利である。   When the water vapor removing unit is a condenser, it is preferable to change the arrangement location according to the heating temperature of the separation membrane 16 when carbon dioxide is separated from off-gas. For example, when the separation membrane 16 is heated to a high temperature to separate carbon dioxide, it is preferable to dispose the water vapor removal portion downstream of the supply side 16A of the separation membrane 16. At this time, if the water vapor removing unit is arranged upstream of the supply side 16A of the separation membrane 16, for example, it is necessary to reheat the off-gas cooled to condense the water vapor again in order to separate the carbon dioxide. It is disadvantageous.

例えば、分離膜16を40℃以上に加熱して二酸化炭素を分離する場合、凝縮器である水蒸気除去部を分離膜16の供給側16Aの下流に配置することが好ましい。   For example, when separating the carbon dioxide by heating the separation membrane 16 to 40 ° C. or higher, it is preferable to dispose a water vapor removing unit as a condenser downstream of the supply side 16A of the separation membrane 16.

一方、分離膜16を高温に加熱せずに常温付近で二酸化炭素を分離する場合、凝縮器である水蒸気除去部を分離膜16の供給側16Aの上流に配置することが好ましい。このとき、水蒸気除去部を分離膜16の供給側16Aの上流に配置することで、分離膜16で、二酸化炭素の分離を阻害する液水の発生を抑制することができる。   On the other hand, in the case where carbon dioxide is separated at around room temperature without heating the separation membrane 16 to a high temperature, it is preferable to dispose a water vapor removing unit as a condenser upstream of the supply side 16A of the separation membrane 16. At this time, by disposing the water vapor removing unit upstream of the supply side 16A of the separation membrane 16, the separation membrane 16 can suppress the generation of liquid water that inhibits the separation of carbon dioxide.

例えば、分離膜16を40℃未満の常温にて二酸化炭素を分離する場合、凝縮器である水蒸気除去部を分離膜16の供給側16Aの上流に配置することが好ましい。   For example, when the separation membrane 16 separates carbon dioxide at a room temperature of less than 40 ° C., it is preferable to dispose a water vapor removal unit that is a condenser upstream of the supply side 16A of the separation membrane 16.

なお、第1実施形態に係る燃料電池システム10にて、第1燃料電池11の下流かつ第2燃料電池12の上流に前述の水蒸気除去部をさらに設けてもよい。   In the fuel cell system 10 according to the first embodiment, the above-described water vapor removal unit may be further provided downstream of the first fuel cell 11 and upstream of the second fuel cell 12.

[第4実施形態]
図4に示すような第4実施形態に係る燃料電池システム40は、主に、分離膜16として水蒸気及び二酸化炭素を分離する分離膜の代わりに二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離膜を用いた点、並びに、分離膜16の供給側16Aの下流かつ熱交換器21の上流に水タンク35(凝縮器)をさらに設けた点で第1実施形態に係る燃料電池システム10と相違する。
[Fourth Embodiment]
The fuel cell system 40 according to the fourth embodiment as shown in FIG. 4 mainly uses a carbon dioxide separation membrane for separating carbon dioxide instead of the separation membrane for separating water vapor and carbon dioxide as the separation membrane 16. The fuel cell system 10 according to the first embodiment is different from the fuel cell system 10 according to the first embodiment in that a water tank 35 (condenser) is further provided downstream of the supply side 16A of the separation membrane 16 and upstream of the heat exchanger 21.

燃料電池システム40において、分離膜16にて二酸化炭素が分離され、かつ凝縮器である水タンク35にて水蒸気が分離される。そのため、第2燃料電池12は、水蒸気及び二酸化炭素が分離されたオフガスを用いて発電を行なうため、第2燃料電池12では、電極間の酸素分圧差に起因する理論電圧が向上するとともに、オフガス中の水蒸気及び二酸化炭素に起因する濃度過電圧が低減される。よって、燃料電池システム40は、通常の多段式の燃料電池システムよりも高い発電効率を得ることができる。   In the fuel cell system 40, carbon dioxide is separated by the separation membrane 16, and water vapor is separated by the water tank 35 which is a condenser. Therefore, since the second fuel cell 12 generates power using off-gas from which water vapor and carbon dioxide are separated, in the second fuel cell 12, the theoretical voltage due to the oxygen partial pressure difference between the electrodes is improved and the off-gas is increased. Concentration overvoltage due to water vapor and carbon dioxide therein is reduced. Therefore, the fuel cell system 40 can obtain higher power generation efficiency than a normal multistage fuel cell system.

水タンク35の上流側のオフガス経路54、及び酸素供給経路44には熱交換器41が設置されており、熱交換器41により、オフガス経路54内を流通する二酸化炭素が分離されたオフガスと、酸素供給経路44内を流通する酸素を含むガスと、の間で熱交換を行なう。これにより、オフガス経路54内を流通するオフガスは、冷却された後に水タンク35に供給され、水蒸気が凝縮されるため、オフガスの有する熱を有効に利用することができる。   A heat exchanger 41 is installed in the off gas path 54 and the oxygen supply path 44 on the upstream side of the water tank 35, and the off gas from which carbon dioxide flowing through the off gas path 54 is separated by the heat exchanger 41, Heat exchange is performed with a gas containing oxygen flowing through the oxygen supply path 44. As a result, the off-gas flowing through the off-gas path 54 is cooled and then supplied to the water tank 35 to condense the water vapor, so that the heat of the off-gas can be used effectively.

水タンク35は、オフガス経路54内を流通するオフガス中に含まれる水蒸気を凝縮して得られた水を貯留する容器である。水タンク35に貯留された水は、給水経路36を通じて水タンク32に供給され、原料ガスの水蒸気改質に用いられる。   The water tank 35 is a container for storing water obtained by condensing water vapor contained in the offgas flowing in the offgas passage 54. The water stored in the water tank 35 is supplied to the water tank 32 through the water supply path 36 and used for steam reforming of the raw material gas.

[第5実施形態]
図5に示すような第5実施形態に係る燃料電池システム50は、分離膜16として水蒸気及び二酸化炭素を分離する分離膜の代わりに、二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離膜16’及び水蒸気を分離する水蒸気分離膜16’’をそれぞれ用いたこと以外は第1実施形態に係る燃料電池システム10と同じである。
[Fifth Embodiment]
The fuel cell system 50 according to the fifth embodiment as shown in FIG. 5 separates the water vapor and the carbon dioxide separation membrane 16 ′ that separates carbon dioxide and the water vapor instead of the separation membrane that separates the water vapor and carbon dioxide as the separation membrane 16. The fuel cell system 10 is the same as the fuel cell system 10 according to the first embodiment except that each of the water vapor separation membranes 16 ″ is used.

燃料電池システム50では、分離膜として、二酸化炭素分離膜16’及び水蒸気分離膜16’’をそれぞれ備えている。したがって、オフガス経路52内を流通するオフガスは、二酸化炭素分離膜16’の供給側16A’に供給され、オフガス中の二酸化炭素は、供給側16A’から透過側16B’へ矢印A’方向に二酸化炭素分離膜16’’を通過する。また、オフガス経路52内を流通するオフガスは、水蒸気分離膜16’’の供給側16A’’に供給され、オフガス中の水蒸気は、供給側16A’’から透過側16B’’へ矢印A’’方向に水蒸気分離膜16’’を通過する。   The fuel cell system 50 includes a carbon dioxide separation membrane 16 ′ and a water vapor separation membrane 16 ″ as separation membranes. Accordingly, the off gas flowing through the off gas path 52 is supplied to the supply side 16A ′ of the carbon dioxide separation membrane 16 ′, and the carbon dioxide in the off gas is oxidized in the direction of arrow A ′ from the supply side 16A ′ to the permeation side 16B ′. Passes through the carbon separation membrane 16 ''. Further, the off-gas flowing through the off-gas passage 52 is supplied to the supply side 16A '' of the water vapor separation membrane 16 '', and the water vapor in the off-gas flows from the supply side 16A '' to the permeation side 16B '' by the arrow A ''. It passes through the water vapor separation membrane 16 '' in the direction.

このとき、二酸化炭素分離膜16’での分離条件及び水蒸気分離膜16’’での分離条件をそれぞれ調整できるため、燃料電池システム10よりも水蒸気及び二酸化炭素を効率よく分離できる。   At this time, since the separation conditions in the carbon dioxide separation membrane 16 ′ and the separation conditions in the water vapor separation membrane 16 ″ can be adjusted, the water vapor and carbon dioxide can be separated more efficiently than the fuel cell system 10.

なお、二酸化炭素分離膜16’及び水蒸気分離膜16’’を厳密に区別する必要は無く、二酸化炭素分離膜16’が二酸化炭素とともに水蒸気を透過する分離膜であってもよく、水蒸気分離膜16’’が水蒸気とともに二酸化炭素を分離する分離膜であってもよい。また、二酸化炭素分離膜16’及び水蒸気分離膜16’’を設ける順番は特に限定されず、二酸化炭素分離膜16’及び水蒸気分離膜16’’の加熱温度に応じて順番を定めてもよい。例えば、加熱温度が高い分離膜を上流に配置してもよい。二酸化炭素分離膜16’及び水蒸気分離膜16’’の間に熱交換器を設けてもよい。   The carbon dioxide separation membrane 16 ′ and the water vapor separation membrane 16 ″ need not be strictly distinguished, and the carbon dioxide separation membrane 16 ′ may be a separation membrane that transmits water vapor together with carbon dioxide. '' May be a separation membrane that separates carbon dioxide together with water vapor. The order of providing the carbon dioxide separation membrane 16 ′ and the water vapor separation membrane 16 ″ is not particularly limited, and the order may be determined according to the heating temperature of the carbon dioxide separation membrane 16 ′ and the water vapor separation membrane 16 ″. For example, a separation membrane having a high heating temperature may be disposed upstream. A heat exchanger may be provided between the carbon dioxide separation membrane 16 ′ and the water vapor separation membrane 16 ″.

二酸化炭素分離膜16’としては、第3実施形態に記載の二酸化炭素分離膜を用いればよく、水蒸気分離膜16’’としては、第2実施形態に記載の水蒸気分離膜を用いればよい。   The carbon dioxide separation membrane described in the third embodiment may be used as the carbon dioxide separation membrane 16 ′, and the water vapor separation membrane described in the second embodiment may be used as the water vapor separation membrane 16 ″.

[第6実施形態]
以下、本発明の燃料電池システムの第6実施形態について図6を用いて説明する。図6は、第6実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。第6実施形態に係る燃料電池システム60は、原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質部19及び燃焼反応により改質部19を加熱する燃焼部18を有する改質器14と、改質部19から供給された改質ガスを用いて発電を行なう第1燃料電池11と、第1燃料電池11から排出された未反応の改質ガスを含むオフガスから、水蒸気及び二酸化炭素を分離する分離膜16と、分離膜16の下流に配置され、水蒸気及び二酸化炭素が分離されたオフガスを用いて発電を行なう第2燃料電池12と、分離膜16の透過側16Bに配置され、燃焼部18から排出された排ガスが流通する排気経路48と、を備えるシステムである。このシステムは、主に、酸素供給経路44を分離膜16の透過側16Bに配置せずに、排気経路48を分離膜16の透過側16Bに配置した点で、燃料電池システム10と相違する。
[Sixth Embodiment]
Hereinafter, a sixth embodiment of the fuel cell system of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a schematic configuration diagram showing a fuel cell system according to the sixth embodiment. A fuel cell system 60 according to the sixth embodiment includes a reformer 14 having a reforming unit 19 that generates reformed gas by steam reforming a raw material gas and a combustion unit 18 that heats the reforming unit 19 by a combustion reaction. Water vapor and carbon dioxide from the first fuel cell 11 that generates power using the reformed gas supplied from the reforming unit 19 and off-gas containing unreacted reformed gas discharged from the first fuel cell 11 Are disposed on the permeation side 16B of the separation membrane 16, and the second fuel cell 12 that is disposed downstream of the separation membrane 16 and that generates power using off-gas from which water vapor and carbon dioxide have been separated. And an exhaust path 48 through which the exhaust gas discharged from the combustion unit 18 circulates. This system is different from the fuel cell system 10 mainly in that the oxygen supply path 44 is not disposed on the permeation side 16B of the separation membrane 16 and the exhaust path 48 is disposed on the permeation side 16B of the separation membrane 16.

燃料電池システム60では、分離膜16により分離された水蒸気及び二酸化炭素は、分離膜16の透過側に配置された排気経路48に供給される。燃焼部18から排出された排ガスが排気経路48内を流通するため、分離された水蒸気及び二酸化炭素は、この排ガスとともに排気経路48内を流通する。したがって、排気経路48を分離膜16の透過側16Bに設けることにより、酸素を分離膜の透過側に供給するための経路及び空気ブロア又は減圧ポンプを別途設ける必要は無く、製造コストを削減し、システム全体の発電効率を高めることができる。さらに、システムが簡略化されていることにより、システムの信頼性が向上する。   In the fuel cell system 60, the water vapor and carbon dioxide separated by the separation membrane 16 are supplied to an exhaust path 48 disposed on the permeate side of the separation membrane 16. Since the exhaust gas discharged from the combustion unit 18 flows through the exhaust path 48, the separated water vapor and carbon dioxide flow through the exhaust path 48 together with the exhaust gas. Therefore, by providing the exhaust passage 48 on the permeation side 16B of the separation membrane 16, there is no need to separately provide a route for supplying oxygen to the permeation side of the separation membrane and an air blower or a decompression pump, thereby reducing manufacturing costs. The power generation efficiency of the entire system can be increased. Furthermore, the reliability of the system is improved by simplifying the system.

また、分離膜16を透過した水蒸気及び二酸化炭素は排ガスとともに排気経路48内を流通するため、分離膜16の透過側16Bの水蒸気分圧及び二酸化炭素分圧は低くなり、水蒸気及び二酸化炭素の分離が促進される。したがって、燃料電池システム60では、システムの簡略化とともに水蒸気及び二酸化炭素の分離が促進されている。その結果、第2燃料電池12に供給されるオフガス中の水蒸気濃度及び二酸化炭素濃度をより小さくすることができ、燃料電池システム60の発電効率をより高めることができる。   Further, since the water vapor and carbon dioxide that have permeated through the separation membrane 16 circulate in the exhaust path 48 together with the exhaust gas, the water vapor partial pressure and the carbon dioxide partial pressure on the permeate side 16B of the separation membrane 16 become low, and the water vapor and carbon dioxide are separated. Is promoted. Therefore, in the fuel cell system 60, separation of water vapor and carbon dioxide is promoted along with simplification of the system. As a result, the water vapor concentration and the carbon dioxide concentration in the off-gas supplied to the second fuel cell 12 can be further reduced, and the power generation efficiency of the fuel cell system 60 can be further increased.

さらに、本実施形態に係る燃料電池システム60は、第1実施形態に係る燃料電池システム10と同様に、燃料電池のカソードに酸素を含むガスとして空気を供給する経路を分離膜の透過側に設けた場合よりも発電効率に優れる。   Furthermore, the fuel cell system 60 according to the present embodiment is provided with a path for supplying air as a gas containing oxygen to the cathode of the fuel cell on the permeate side of the separation membrane, similarly to the fuel cell system 10 according to the first embodiment. The power generation efficiency is better than the case.

また、本実施形態に係る燃料電池システム60では、空気よりも酸素比率が小さい燃焼部18から排出された排ガスを分離膜16の透過側16Bに供給しているため、酸素と、分離膜16を透過する水素又は一酸化炭素との反応が生じにくく、局所的な分離膜16の温度上昇が抑制されており、分離膜16の耐久性を好適に維持することができる。   Further, in the fuel cell system 60 according to the present embodiment, since the exhaust gas discharged from the combustion unit 18 having an oxygen ratio smaller than that of air is supplied to the permeation side 16B of the separation membrane 16, oxygen and the separation membrane 16 are supplied. The reaction with permeating hydrogen or carbon monoxide hardly occurs, the local temperature rise of the separation membrane 16 is suppressed, and the durability of the separation membrane 16 can be suitably maintained.

燃料電池システム60は、第1実施形態とは異なり、排気経路48及び酸素供給経路44に熱交換器22が設置されており、熱交換器22により、排気経路48内を流通する排ガスと、酸素供給経路44内を流通する酸素を含むガスと、の間で熱交換を行なう。これにより、排気経路48内を流通する排ガスは冷却された後に水タンク32(凝縮器)に供給され、改質水供給経路33内を流通する改質水は気化された後に水蒸気供給経路37を通じて原料ガス供給経路24に供給される。   In the fuel cell system 60, unlike the first embodiment, the heat exchanger 22 is installed in the exhaust path 48 and the oxygen supply path 44, and the heat exchanger 22 causes the exhaust gas flowing in the exhaust path 48 and oxygen Heat exchange is performed with a gas containing oxygen flowing through the supply path 44. Thereby, the exhaust gas flowing in the exhaust passage 48 is cooled and then supplied to the water tank 32 (condenser), and the reformed water flowing in the reforming water supply passage 33 is vaporized and then passed through the water vapor supply passage 37. It is supplied to the source gas supply path 24.

熱交換器22にて熱交換が行なわれた後、第1燃料電池11のカソードには、酸素供給経路44を通じて酸素を含むガスが供給されて発電が行なわれ、次いで、第1燃料電池11のカソードから排出された未反応の酸素を含むガスは、下流側の酸素供給経路44を通じて第2燃料電池12のカソードに供給されて発電が行なわれる。   After heat exchange is performed in the heat exchanger 22, a gas containing oxygen is supplied to the cathode of the first fuel cell 11 through the oxygen supply path 44, and then power generation is performed. The gas containing unreacted oxygen discharged from the cathode is supplied to the cathode of the second fuel cell 12 through the oxygen supply path 44 on the downstream side to generate electric power.

第2燃料電池12のカソードから排出された未反応の酸素を含むガスは、下流側の酸素供給経路44を通じて改質器14の燃焼部18へ供給される。一方、第2燃料電池12のアノードから排出されたオフガスは、オフガス経路46を通じて改質器14の燃焼部18へ供給される。   The gas containing unreacted oxygen discharged from the cathode of the second fuel cell 12 is supplied to the combustion unit 18 of the reformer 14 through the downstream oxygen supply path 44. On the other hand, the off gas discharged from the anode of the second fuel cell 12 is supplied to the combustion unit 18 of the reformer 14 through the off gas path 46.

酸素供給経路44を通じて供給された未反応の酸素を含むガスと、オフガス経路46を通じて供給されたオフガスとの混合ガスを燃焼部18にて燃焼させて発生する排ガスは、排気経路48に排出される。   Exhaust gas generated by burning the mixed gas of the gas containing unreacted oxygen supplied through the oxygen supply path 44 and the off-gas supplied through the off-gas path 46 in the combustion unit 18 is discharged to the exhaust path 48. .

排気経路48内を流通する排ガスは、改質水供給経路33内を流通する改質水を気化する熱交換器31にて、改質水と熱交換を行なう。これにより、熱交換器31の下流側の排気経路48内を流通する排ガスは分離膜16により水蒸気及び二酸化炭素を分離する際に好ましい温度まで冷却され、改質水供給経路33内を流通する改質水は気化された後に水蒸気供給経路37を通じて原料ガス供給経路24に供給される。   The exhaust gas flowing through the exhaust path 48 exchanges heat with the reforming water in the heat exchanger 31 that vaporizes the reforming water flowing through the reforming water supply path 33. As a result, the exhaust gas flowing in the exhaust path 48 on the downstream side of the heat exchanger 31 is cooled to a preferable temperature when separating the water vapor and carbon dioxide by the separation membrane 16, and the reformed gas flowing in the reforming water supply path 33. The quality water is vaporized and then supplied to the raw material gas supply path 24 through the water vapor supply path 37.

本実施形態に係る燃料電池システム60は、第1燃料電池11から排出された未反応の改質ガスを含むオフガスから、水蒸気及び二酸化炭素を分離する分離膜16を備えている。そのため、分離された水蒸気及び二酸化炭素は、透過側16Bを流れる燃焼部18から排出された排ガスと混合され、透過側16Bから排気経路48内を流通する。熱交換器22は、排気経路48内を流通する排ガスと、酸素供給経路44内を流通する酸素を含むガスと、の間で熱交換を行なう。   The fuel cell system 60 according to this embodiment includes a separation membrane 16 that separates water vapor and carbon dioxide from off-gas containing unreacted reformed gas discharged from the first fuel cell 11. Therefore, the separated water vapor and carbon dioxide are mixed with the exhaust gas discharged from the combustion section 18 flowing through the permeate side 16B, and circulate in the exhaust path 48 from the permeate side 16B. The heat exchanger 22 performs heat exchange between the exhaust gas flowing through the exhaust path 48 and the gas containing oxygen flowing through the oxygen supply path 44.

[第7実施形態]
図7に示すような第7実施形態に係る燃料電池システム70は、分離膜16として水蒸気及び二酸化炭素を分離する分離膜の代わりに水蒸気を分離する水蒸気分離膜を用いたこと以外は第6実施形態に係る燃料電池システム60と同じである。
[Seventh Embodiment]
A fuel cell system 70 according to the seventh embodiment as shown in FIG. 7 is the sixth embodiment except that a water vapor separation membrane for separating water vapor is used as the separation membrane 16 instead of the separation membrane for separating water vapor and carbon dioxide. This is the same as the fuel cell system 60 according to the embodiment.

なお、燃料電池システム70で用いられる水蒸気分離膜は、第2実施形態に係る燃料電池システム20で用いられる水蒸気分離膜と同様である。   The water vapor separation membrane used in the fuel cell system 70 is the same as the water vapor separation membrane used in the fuel cell system 20 according to the second embodiment.

燃料電池システム70は、第1燃料電池11の下流かつ第2燃料電池12の上流に配置され、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さらに備えることが好ましい。これにより、第2実施形態同様に、第2燃料電池12は水蒸気及び二酸化炭素が分離されたオフガスを用いて発電を行なうため、発電効率をより高めることができる。なお、二酸化炭素除去部の構成、設置場所などは、第2実施形態と同様である。   It is preferable that the fuel cell system 70 further includes a carbon dioxide removal unit that is disposed downstream of the first fuel cell 11 and upstream of the second fuel cell 12 and removes carbon dioxide from off-gas. Thus, as in the second embodiment, the second fuel cell 12 performs power generation using off-gas from which water vapor and carbon dioxide have been separated, so that the power generation efficiency can be further increased. The configuration of the carbon dioxide removal unit, the installation location, and the like are the same as in the second embodiment.

[第8実施形態]
図8に示すような第8実施形態に係る燃料電池システム80は、分離膜16として水蒸気及び二酸化炭素を分離する分離膜の代わりに二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離膜を用いたこと以外は第6実施形態に係る燃料電池システム60と同じである。
[Eighth Embodiment]
The fuel cell system 80 according to the eighth embodiment as shown in FIG. 8 is the same except that a carbon dioxide separation membrane for separating carbon dioxide is used as the separation membrane 16 instead of the separation membrane for separating water vapor and carbon dioxide. This is the same as the fuel cell system 60 according to the sixth embodiment.

なお、燃料電池システム80で用いられる二酸化炭素分離膜は、第3実施形態に係る燃料電池システム30で用いられる水蒸気分離膜と同様である。   The carbon dioxide separation membrane used in the fuel cell system 80 is the same as the water vapor separation membrane used in the fuel cell system 30 according to the third embodiment.

燃料電池システム80は、第1燃料電池11の下流かつ第2燃料電池12の上流に配置され、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ることが好ましい。これにより、第3実施形態同様に、第2燃料電池12は水蒸気及び二酸化炭素が分離されたオフガスを用いて発電を行なうため、発電効率をより高めることができる。なお、水蒸気除去部の構成、設置場所などは、第3実施形態と同様である。   It is preferable that the fuel cell system 80 further includes a water vapor removing unit that is disposed downstream of the first fuel cell 11 and upstream of the second fuel cell 12 and removes water vapor from the off-gas. Thus, as in the third embodiment, the second fuel cell 12 performs power generation using off-gas from which water vapor and carbon dioxide have been separated, so that the power generation efficiency can be further increased. The configuration of the water vapor removal unit, the installation location, and the like are the same as in the third embodiment.

[第9実施形態]
図9に示すような第9実施形態に係る燃料電池システム90は、主に、分離膜16として水蒸気及び二酸化炭素を分離する分離膜の代わりに二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離膜を用いた点、並びに、分離膜16の供給側16Aの下流かつ熱交換器21の上流に水タンク35(凝縮器)をさらに設けた点で第6実施形態に係る燃料電池システム60と相違する。
[Ninth Embodiment]
The fuel cell system 90 according to the ninth embodiment as shown in FIG. 9 mainly uses a carbon dioxide separation membrane for separating carbon dioxide instead of the separation membrane for separating water vapor and carbon dioxide as the separation membrane 16. In addition, it is different from the fuel cell system 60 according to the sixth embodiment in that a water tank 35 (condenser) is further provided downstream of the supply side 16A of the separation membrane 16 and upstream of the heat exchanger 21.

[第10実施形態]
図10に示すような第10実施形態に係る燃料電池システム100は、分離膜16として水蒸気及び二酸化炭素を分離する分離膜の代わりに、二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離膜16’及び水蒸気を分離する水蒸気分離膜16’’をそれぞれ用いたこと以外は第6実施形態に係る燃料電池システム60と同じである。
[Tenth embodiment]
The fuel cell system 100 according to the tenth embodiment as shown in FIG. 10 separates the water vapor and the carbon dioxide as a separation membrane 16 and separates the carbon dioxide separation membrane 16 ′ and the water vapor. The fuel cell system 60 is the same as the fuel cell system 60 according to the sixth embodiment except that each of the water vapor separation membranes 16 ″ is used.

なお、燃料電池システム100で用いられる二酸化炭素分離膜16’及び水蒸気分離膜16’’は、第5実施形態に係る燃料電池システム50で用いられる二酸化炭素分離膜16’及び水蒸気分離膜16’’と同様である。   The carbon dioxide separation membrane 16 ′ and the water vapor separation membrane 16 ″ used in the fuel cell system 100 are the carbon dioxide separation membrane 16 ′ and the water vapor separation membrane 16 ″ used in the fuel cell system 50 according to the fifth embodiment. It is the same.

[第11実施形態]
前述した第1実施形態〜第10実施形態は、多段式の燃料電池システムであるが、本発明はこれに限定されず、循環式の燃料電池システムであってもよい。以下、本発明の一実施形態に係る循環式の燃料電池システム200について、図11を用いて説明する。図11は、第11実施形態に係る循環式の燃料電池システムを示す概略構成図である。
[Eleventh embodiment]
Although the first to tenth embodiments described above are multistage fuel cell systems, the present invention is not limited to this, and may be a circulation type fuel cell system. Hereinafter, a circulating fuel cell system 200 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 11 is a schematic configuration diagram showing a circulating fuel cell system according to an eleventh embodiment.

図11に示すように、第11実施形態に係る燃料電池システム200は、水蒸気及び二酸化炭素が分離されたオフガスを燃料電池61に再度供給するオフガス循環経路56、57を備える循環式の燃料電池システムである。なお、第1実施形態に係る燃料電池システム10と共通する構成については、その説明を省略する。また、燃料電池61は前述の第1燃料電池11と同様の構成であるため、その説明を省略する。   As shown in FIG. 11, the fuel cell system 200 according to the eleventh embodiment is a circulation type fuel cell system including off-gas circulation paths 56 and 57 that supply off-gas from which water vapor and carbon dioxide are separated to the fuel cell 61 again. It is. In addition, the description is abbreviate | omitted about the structure which is common in the fuel cell system 10 which concerns on 1st Embodiment. Further, since the fuel cell 61 has the same configuration as that of the first fuel cell 11 described above, the description thereof is omitted.

燃料電池システム200では、分離膜16は、燃料電池61から排出された未反応の改質ガスを含むオフガスから水蒸気及び二酸化炭素を分離し、水蒸気及び二酸化炭素が分離されたオフガスを用いて燃料電池61で発電を行なう。そのため、燃料電池61では、電極間の酸素分圧差に起因する理論電圧が向上するとともに、オフガス中の水蒸気及び二酸化炭素に起因する濃度過電圧が低減される。よって、燃料電池システム200は、水蒸気及び二酸化炭素を分離せずにオフガスを再利用する循環式の燃料電池システムよりも高い発電効率を得ることができる。   In the fuel cell system 200, the separation membrane 16 separates water vapor and carbon dioxide from off gas containing unreacted reformed gas discharged from the fuel cell 61, and uses the off gas from which water vapor and carbon dioxide are separated to use the fuel cell. Power is generated at 61. Therefore, in the fuel cell 61, the theoretical voltage caused by the oxygen partial pressure difference between the electrodes is improved, and the concentration overvoltage caused by water vapor and carbon dioxide in the off gas is reduced. Therefore, the fuel cell system 200 can obtain higher power generation efficiency than a circulating fuel cell system that reuses off-gas without separating water vapor and carbon dioxide.

オフガス循環経路57には、改質ガスを流通させるためのリサイクルブロワ28が配置されている。なお、リサイクルブロワの配置は、特に限定されず、分離膜16の上流であってもよく、分離膜16の下流であってもよいが、分離膜16の上流に設ける場合には、熱交換器21と分離膜16との間に配置することが好ましく、分離膜16の下流に設ける場合には、分離膜16と熱交換器21との間に配置することが好ましい。   A recycle blower 28 for circulating the reformed gas is disposed in the off gas circulation path 57. The arrangement of the recycle blower is not particularly limited, and may be upstream of the separation membrane 16 or downstream of the separation membrane 16. However, in the case of being provided upstream of the separation membrane 16, the heat exchanger 21 is preferably disposed between the separation membrane 16 and, when provided downstream of the separation membrane 16, it is preferably disposed between the separation membrane 16 and the heat exchanger 21.

また、分離膜16により分離された水蒸気及び二酸化炭素は、分離膜16の透過側16Bに配置された酸素供給経路44に供給される。燃料電池61から排出された未反応の酸素を含むガスが酸素供給経路44内を流通するため、分離された水蒸気及び二酸化炭素は、未反応の酸素を含むガスとともに、酸素供給経路44内を流通する。したがって、酸素供給経路44を分離膜16の透過側16Bに設けることにより、酸素を分離膜16の透過側16Bに供給するための経路及び空気ブロア又は減圧ポンプを別途設ける必要は無く、製造コストを削減し、システム全体の発電効率を高めることができる。さらに、システムが簡略化されていることにより、システムの信頼性が向上する。   Further, the water vapor and carbon dioxide separated by the separation membrane 16 are supplied to the oxygen supply path 44 disposed on the permeation side 16B of the separation membrane 16. Since the gas containing unreacted oxygen discharged from the fuel cell 61 flows in the oxygen supply path 44, the separated water vapor and carbon dioxide flow in the oxygen supply path 44 together with the gas containing unreacted oxygen. To do. Therefore, by providing the oxygen supply path 44 on the permeation side 16B of the separation membrane 16, it is not necessary to separately provide a path for supplying oxygen to the permeation side 16B of the separation membrane 16, and an air blower or a decompression pump. This can reduce the power generation efficiency of the entire system. Furthermore, the reliability of the system is improved by simplifying the system.

[第12実施形態]
以下、本発明の燃料電池システムの第12実施形態について図12を用いて説明する。図12は、第12実施形態に係る循環式の燃料電池システムを示す概略構成図である。第12実施形態に係る燃料電池システム300は、主に、分離膜16により分離された水蒸気及び二酸化炭素は、分離膜16の透過側に配置された排気経路48に供給される点で第11実施形態に係る燃料電池システム200と相違する。
[Twelfth embodiment]
Hereinafter, a twelfth embodiment of the fuel cell system of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 12 is a schematic configuration diagram showing a circulating fuel cell system according to a twelfth embodiment. The fuel cell system 300 according to the twelfth embodiment is the eleventh embodiment in that water vapor and carbon dioxide separated by the separation membrane 16 are mainly supplied to an exhaust path 48 disposed on the permeate side of the separation membrane 16. This is different from the fuel cell system 200 according to the embodiment.

燃料電池システム300では、分離膜16により分離された水蒸気及び二酸化炭素は、分離膜16の透過側16Bに配置された排気経路48に供給される。燃焼部18から排出された排ガスが排気経路48内を流通するため、分離された水蒸気及び二酸化炭素は、排ガスとともに、排気経路48内を流通する。したがって、排気経路48を分離膜16の透過側16Bに設けることにより、酸素を分離膜16の透過側16Bに供給するための経路及び空気ブロア又は減圧ポンプを別途設ける必要は無く、製造コストを削減し、システム全体の発電効率を高めることができる。さらに、システムが簡略化されていることにより、システムの信頼性が向上する。   In the fuel cell system 300, the water vapor and carbon dioxide separated by the separation membrane 16 are supplied to an exhaust path 48 disposed on the permeation side 16 </ b> B of the separation membrane 16. Since the exhaust gas discharged from the combustion unit 18 circulates in the exhaust path 48, the separated water vapor and carbon dioxide circulate in the exhaust path 48 together with the exhaust gas. Therefore, by providing the exhaust passage 48 on the permeation side 16B of the separation membrane 16, it is not necessary to separately provide a route for supplying oxygen to the permeation side 16B of the separation membrane 16, and an air blower or a decompression pump, thereby reducing manufacturing costs In addition, the power generation efficiency of the entire system can be increased. Furthermore, the reliability of the system is improved by simplifying the system.

本発明は、前述の第1実施形態〜第12実施形態に限定されず、本発明の技術的思想内で、当業者によって、前述の各実施形態を組み合わせて実施される。例えば、第11実施形態に係る燃料電池システム200及び第12実施形態に係る燃料電池システム300について、第2実施形態〜第10実施形態に係る燃料電池システムの各構成を適宜組み合わせてもよい。さらに、熱交換器の設置場所、組み合わせなどについてもこれら実施形態に限定されない。   The present invention is not limited to the first to twelfth embodiments described above, and is implemented by a person skilled in the art in combination with the above embodiments within the technical idea of the present invention. For example, for the fuel cell system 200 according to the eleventh embodiment and the fuel cell system 300 according to the twelfth embodiment, the configurations of the fuel cell systems according to the second to tenth embodiments may be appropriately combined. Further, the installation location and combination of heat exchangers are not limited to these embodiments.

[ガス組成の対比]
以下では、水蒸気及び二酸化炭素を分離膜16にて完全に分離した場合に、第2燃料電池12から排出されるカソードオフガス及び燃焼部18から排出される排ガスと、空気とについて、ガス組成を比較した。カソードオフガスのガス組成としては、前述の第1実施形態に係る燃料電池システム10を前提とし、排ガスのガス組成としては、前述の第6実施形態に係る燃料電池システム60を前提としてシミュレーションした。シミュレーションの条件としては、いずれも第1燃料電池11及び第2燃料電池12での酸素利用率は50%、第1燃料電池11での燃料利用率は60%、第2燃料電池12での燃料利用率は75%とした。結果を表1に示す。
[Contrast of gas composition]
In the following, when water vapor and carbon dioxide are completely separated by the separation membrane 16, the gas composition of the cathode off-gas discharged from the second fuel cell 12 and the exhaust gas discharged from the combustion unit 18 and air are compared. did. The simulation was performed on the premise of the fuel cell system 10 according to the aforementioned first embodiment as the gas composition of the cathode off-gas, and the fuel cell system 60 according to the aforementioned sixth embodiment as the gas composition of the exhaust gas. As simulation conditions, the oxygen utilization rate in the first fuel cell 11 and the second fuel cell 12 is 50%, the fuel utilization rate in the first fuel cell 11 is 60%, and the fuel in the second fuel cell 12 is used. The utilization rate was 75%. The results are shown in Table 1.

表1に示すように、カソードオフガス及び排ガス中の酸素濃度が空気と比較して半分程度である。そのため、燃料電池システム10及び燃料電池システム60では、耐久性低下の原因となる、分離膜16を微量に透過する水素や一酸化炭素と、分離膜16の透過側を流通する酸素との反応による局所的な分離膜16の温度上昇が発生しにくく、分離膜16の耐久性を好適に維持できることが推測される。   As shown in Table 1, the oxygen concentration in the cathode offgas and exhaust gas is about half that of air. Therefore, in the fuel cell system 10 and the fuel cell system 60, due to the reaction between hydrogen or carbon monoxide that permeates the separation membrane 16 in a minute amount and oxygen that flows through the permeation side of the separation membrane 16, which causes a decrease in durability. It is estimated that the local temperature rise of the separation membrane 16 hardly occurs, and the durability of the separation membrane 16 can be suitably maintained.

10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、200、300…燃料電池システム、11…第1燃料電池、12…第2燃料電池、14…改質器、16…分離膜、16’…二酸化炭素分離膜、16’’…水蒸気分離膜、16A、16’A,16’’A…供給側、16B、16B’、16B’’…透過側、18…燃焼部、19…改質部、21、22、31、41…熱交換器、24…原料ガス供給経路、25…ブロワ、28…リサイクルブロワ、32、35…水タンク、33…改質水供給経路、34…改質水ポンプ、36…給水経路、37…水蒸気供給経路、42…改質ガス供給経路、44…酸素供給経路、46、52、54…オフガス経路、48…排気経路、56、57…オフガス循環経路、61…燃料電池 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 200, 300 ... fuel cell system, 11 ... first fuel cell, 12 ... second fuel cell, 14 ... reformer, 16 ... Separation membrane, 16 '... carbon dioxide separation membrane, 16 "... steam separation membrane, 16A, 16'A, 16" A ... supply side, 16B, 16B', 16B "... permeation side, 18 ... combustion section, DESCRIPTION OF SYMBOLS 19 ... Reforming part, 21, 22, 31, 41 ... Heat exchanger, 24 ... Raw material gas supply path, 25 ... Blower, 28 ... Recycle blower, 32, 35 ... Water tank, 33 ... Reformed water supply path, 34 ... reformed water pump, 36 ... water supply path, 37 ... steam supply path, 42 ... reformed gas supply path, 44 ... oxygen supply path, 46, 52, 54 ... off gas path, 48 ... exhaust path, 56, 57 ... off gas Circulation path, 61 ... Fuel cell

Claims (9)

原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質部及び燃焼反応により前記改質部を加熱する燃焼部を有する改質器と、
前記改質部から供給された前記改質ガスを用いて発電を行なう第1燃料電池と、
前記第1燃料電池から排出された未反応の前記改質ガスを含むオフガスから、水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方を透過側に透過させて分離する分離膜と、
前記分離膜の供給側の下流に配置され、水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方が分離された前記オフガスを用いて発電を行なう第2燃料電池と、
前記分離膜の透過側の上流及び下流並びに前記分離膜の透過側に配置され、前記第1燃料電池及び前記第2燃料電池の少なくとも一方から排出された未反応の酸素を含むガスが流通する酸素供給経路、又は前記分離膜の透過側に配置され、前記燃焼部から排出された排ガスが流通する排気経路と、を備える燃料電池システム。
A reformer having a reforming unit for steam reforming a raw material gas to generate a reformed gas and a combustion unit for heating the reforming unit by a combustion reaction;
A first fuel cell that generates electric power using the reformed gas supplied from the reformer;
A separation membrane that separates at least one of water vapor and carbon dioxide from the off-gas containing the unreacted reformed gas discharged from the first fuel cell through the permeate side ;
A second fuel cell that is disposed downstream of the supply side of the separation membrane and that generates power using the off-gas from which at least one of water vapor and carbon dioxide has been separated;
Oxygen that is disposed upstream and downstream of the permeation side of the separation membrane and on the permeation side of the separation membrane and through which a gas containing unreacted oxygen discharged from at least one of the first fuel cell and the second fuel cell flows. A fuel cell system comprising: a supply path or an exhaust path that is disposed on the permeate side of the separation membrane and through which exhaust gas discharged from the combustion section flows.
原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質部及び燃焼反応により前記改質部を加熱する燃焼部を有する改質器と、
前記改質部から供給された前記改質ガスを用いて発電を行なう燃料電池と、
前記燃料電池から排出された未反応の前記改質ガスを含むオフガスから、水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方を透過側に透過させて分離する分離膜と、
前記分離膜の供給側の下流に配置され、水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方が分離された前記オフガスを前記燃料電池に供給するオフガス循環経路と、
前記分離膜の透過側の上流及び下流並びに前記分離膜の透過側に配置され、前記燃料電池から排出された未反応の酸素を含むガスが流通する酸素供給経路、又は前記分離膜の透過側に配置され、前記燃焼部から排出された排ガスが流通する排気経路と、を備える燃料電池システム。
A reformer having a reforming unit for steam reforming a raw material gas to generate a reformed gas and a combustion unit for heating the reforming unit by a combustion reaction;
A fuel cell that generates power using the reformed gas supplied from the reforming unit;
A separation membrane that separates the off-gas containing the unreacted reformed gas discharged from the fuel cell by transmitting at least one of water vapor and carbon dioxide to the permeate side ;
An off-gas circulation path that is arranged downstream of the supply side of the separation membrane and supplies the off-gas from which at least one of water vapor and carbon dioxide has been separated to the fuel cell;
Located on the permeation side upstream of the separation membrane and on the permeation side of the separation membrane, on the oxygen supply path through which the gas containing unreacted oxygen discharged from the fuel cell flows, or on the permeation side of the separation membrane And an exhaust path through which the exhaust gas discharged from the combustion section flows.
前記分離膜の透過側の上流及び下流並びに前記分離膜の透過側に前記酸素供給経路が配置されており、
前記酸素供給経路は、前記分離膜により分離された水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方、並びに未反応の酸素を含むガスを前記燃焼部に供給する請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システム。
The oxygen supply path is disposed upstream and downstream of the permeation side of the separation membrane and on the permeation side of the separation membrane,
3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the oxygen supply path supplies gas containing at least one of water vapor and carbon dioxide separated by the separation membrane and unreacted oxygen to the combustion unit.
前記燃焼部から排出された排ガスから水蒸気を分離し、分離した水蒸気を前記改質部に供給する請求項3に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 3, wherein water vapor is separated from the exhaust gas discharged from the combustion section, and the separated water vapor is supplied to the reforming section. 前記分離膜の透過側に前記排気経路が配置されており、
前記排気経路内を流通する排ガスと、前記分離膜により分離された水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方との混合ガスから水蒸気を分離し、分離した水蒸気を前記改質部に供給する請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システム。
The exhaust path is disposed on the permeate side of the separation membrane;
The water vapor is separated from a mixed gas of exhaust gas flowing through the exhaust path and at least one of water vapor and carbon dioxide separated by the separation membrane, and the separated water vapor is supplied to the reforming unit. Item 3. The fuel cell system according to Item 2.
前記分離膜として、未反応の前記改質ガスを含むオフガスから水蒸気を透過側に透過させて分離する水蒸気分離膜、及び未反応の前記改質ガスを含むオフガスから二酸化炭素を透過側に透過させて分離する二酸化炭素分離膜をそれぞれ備える請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 As the separation membrane, a water vapor separation membrane that separates the off-gas containing unreacted reformed gas by permeating water vapor to the permeate side , and allows carbon dioxide to permeate to the permeate side from off-gas containing the unreacted reformed gas. the fuel cell system according to any one of claims 1 to 5 comprising respectively a carbon dioxide separation membrane for separating Te. 前記分離膜の供給側の上流又は下流に配置され、前記オフガスから水蒸気を除去する水蒸気除去部、及び、前記分離膜の供給側の上流又は下流に配置され、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の少なくとも一方をさらに備える請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 Dioxide wherein disposed upstream or downstream of the supply side of the separation membrane, the water vapor removing section for removing water vapor from the off-gas, and that is disposed upstream or downstream of the supply side of the separation membrane, to remove carbon dioxide from the off-gas The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6, further comprising at least one of carbon removal units. 前記分離膜の供給側の上流又は下流に配置され、前記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、前記水蒸気除去部により除去された水蒸気を前記改質部に供給する請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 The water vapor removal part which is arrange | positioned in the upstream or downstream of the supply side of the said separation membrane, and removes water vapor | steam from the said off gas is further provided, The water vapor | steam removed by the said water vapor removal part is supplied to the said modification | reformation part. Item 8. The fuel cell system according to any one of Items 7. 前記分離膜の供給側の上流を流通する前記オフガスと、前記分離膜の供給側の下流を流通する水蒸気が分離された前記オフガスと、の間で熱交換を行なう熱交換器をさらに備える請求項1〜請求項8のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
The off-gas and the separation membrane according to claim steam flowing in the downstream of the supply-side further comprises said off-gas are separated, the heat exchanger for performing heat exchange between the flowing upstream of the supply side of the separation membrane The fuel cell system according to any one of claims 1 to 8.
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