特許 6739563 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6739563

(24)【登録日】2020年7月27日

(45)【発行日】2020年8月12日

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0668 20160101AFI20200730BHJP

   H01M 8/0438 20160101ALI20200730BHJP

   H01M 8/04858 20160101ALI20200730BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20200730BHJP

   H01M 8/04537 20160101ALI20200730BHJP

   H01M 8/0662 20160101ALI20200730BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20200730BHJP

   H01M 8/2495 20160101ALI20200730BHJP

   C01B 3/50 20060101ALI20200730BHJP

   C01B 3/38 20060101ALI20200730BHJP

   B01D 53/22 20060101ALI20200730BHJP

   H01M 8/14 20060101ALN20200730BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20200730BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/0668

   H01M8/0438

   H01M8/04858

   H01M8/04746

   H01M8/04537

   H01M8/0662

   H01M8/04 J

   H01M8/2495

   C01B3/50

   C01B3/38

   B01D53/22

   !H01M8/14

   !H01M8/12 101

【請求項の数】10

【全頁数】27

(21)【出願番号】特願2019-28929(P2019-28929)

(22)【出願日】2019年2月20日

(62)【分割の表示】特願2016-227852(P2016-227852)の分割

【原出願日】2016年11月24日

(65)【公開番号】特開2019-133938(P2019-133938A)

(43)【公開日】2019年8月8日

【審査請求日】2019年2月21日

(73)【特許権者】

【識別番号】000220262

【氏名又は名称】東京瓦斯株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】特許業務法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】多久 俊平

(72)【発明者】

【氏名】中村 和郎

(72)【発明者】

【氏名】道幸 立樹

【審査官】 今井 貞雄

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１６−１８４５０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−１１５４９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−１８４５０４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／０４−８／０６６８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料ガスを用いて発電を行う第１燃料電池と、
前記第１燃料電池から排出された未反応の前記燃料ガスを含むアノードオフガスから、二酸化炭素及び水蒸気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、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離された前記アノードオフガスを用いて発電を行う第２燃料電池と、
前記分離膜の透過側に配置され、前記第１燃料電池の発電に用いられる前記燃料ガスとなる原料ガス、前記第１燃料電池の発電に用いられる酸素を含むカソードガス、前記第２燃料電池から排出されたアノードオフガス、前記第１燃料電池から排出され、前記第２燃料電池に供給されるカソードオフガス又は前記第２燃料電池から排出されたカソードオフガスを流通させる流通経路と、
を備え、
前記分離膜の透過係数比α１（Ｐ_ＣＯ２／Ｐ_Ｈ２）が３０以上であり、水素が前記分離膜を透過することによるシステムの発電効率低下の影響よりも二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が前記分離膜を透過することによるシステムの発電効率向上効果の影響が大きい燃料電池システム。

【請求項2】

燃料ガスを用いて発電を行う第１燃料電池と、
前記第１燃料電池から排出された未反応の前記燃料ガスを含むアノードオフガスから、二酸化炭素及び水蒸気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、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離された前記アノードオフガスを用いて発電を行う第２燃料電池と、
前記分離膜の透過側に配置され、前記第１燃料電池の発電に用いられる前記燃料ガスとなる原料ガス、前記第１燃料電池の発電に用いられる酸素を含むカソードガス、前記第２燃料電池から排出されたアノードオフガス、前記第１燃料電池から排出され、前記第２燃料電池に供給されるカソードオフガス又は前記第２燃料電池から排出されたカソードオフガスを流通させる流通経路と、
を備え、
前記分離膜の透過係数比α１（Ｐ_ＣＯ２／Ｐ_Ｈ２）が３０以上である燃料電池システム。

【請求項3】

燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池から排出された未反応の前記燃料ガスを含むアノードオフガスから、二酸化炭素及び水蒸気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、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離された前記アノード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、前記燃料電池の発電に用いられる前記燃料ガスとなる原料ガス、前記燃料電池の発電に用いられる酸素を含むカソードガス、又は前記燃料電池から排出されたカソードオフガスを流通させる流通経路と、
を備え、
前記分離膜の透過係数比α１（Ｐ_ＣＯ２／Ｐ_Ｈ２）が３０以上であり、水素が前記分離膜を透過することによるシステムの発電効率低下の影響よりも二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が前記分離膜を透過することによるシステムの発電効率向上効果の影響が大きい燃料電池システム。

【請求項4】

燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池から排出された未反応の前記燃料ガスを含むアノードオフガスから、二酸化炭素及び水蒸気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、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離された前記アノード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、前記燃料電池の発電に用いられる前記燃料ガスとなる原料ガス、前記燃料電池の発電に用いられる酸素を含むカソードガス、又は前記燃料電池から排出されたカソードオフガスを流通させる流通経路と、
を備え、
前記分離膜の透過係数比α１（Ｐ_ＣＯ２／Ｐ_Ｈ２）が３０以上である燃料電池システム。

【請求項5】

前記原料ガスを改質して前記燃料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をさらに備える請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

【請求項6】

前記燃焼部から排出された排ガスを流通させる排気経路をさらに備え、
前記流通経路の代わりに前記排気経路が前記分離膜の透過側に配置された請求項５に記載の燃料電池システム。

【請求項7】

前記燃焼部から排出された排ガス中の水蒸気を回収する水蒸気回収手段と、
水蒸気回収手段にて回収された水蒸気を前記改質部に供給する水蒸気供給経路と、
をさらに備える請求項５又は請求項６に記載の燃料電池システム。

【請求項8】

前記原料ガスを改質して前記燃料ガスを生成する際に用いられる水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方を流通する経路をさらに備え、
前記流通経路の代わりに前記経路が前記分離膜の透過側に配置された請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

【請求項9】

さらに、前記分離膜の透過係数比β１（Ｐ_ＣＯ２／Ｐ_ＣＯ）及び前記分離膜の透過係数比β２（Ｐ_Ｈ２Ｏ／Ｐ_ＣＯ）の少なくとも一方が６以上である請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

【請求項10】

前記分離膜の透過係数比α１（Ｐ_ＣＯ２／Ｐ_Ｈ２）及び前記分離膜の透過係数比α２（Ｐ_Ｈ２Ｏ／Ｐ_Ｈ２）の少なくとも一方が６０以上である請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

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。また、分離膜を用いて二酸化炭素又は水蒸気をアノード排ガスから除去する手法についてもいくつか提案されている。

【0003】

例えば、第１の燃料電池スタックと、第１の二酸化炭素除去装置と、第２の燃料電池スタックと、を備え、第２の燃料電池スタックに供給される排出ガス中の二酸化炭素を除去する第１の二酸化炭素除去装置としてサブナノセラミック膜フィルターを用いる燃料電池発電システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
また、第１燃料電池と、水蒸気分離膜と、第２燃料電池と、を備え、水蒸気分離膜により第１燃料電池から排出された未反応の燃料ガスを含むオフガスから、水蒸気を気体の状態で除去し、かつ、オフガスから水蒸気を除去した再生燃料ガスを用いて第２燃料電池にて発電を行う多段式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、燃料電池と、水蒸気分離膜と、再生燃料ガス経路と、を備え、水蒸気分離膜により、第１燃料電池から排出された未反応の燃料ガスを含むオフガスから、水蒸気を気体の状態で除去し、かつ、再生燃料ガス経路を通じて、オフガスから水蒸気を除去した再生燃料ガスを燃料電池に供給し、発電を行う循環式燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献３参照）。

【0004】

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）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１５−２０１２６６号公報

【特許文献2】特開２０１６−１１５４９５号公報

【特許文献3】特開２０１６−１１５４９６号公報

【特許文献4】米国特許出願公開第２０１３／０１０８９３６号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１〜４には、アノード排ガス中の二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離膜により除去することで、燃料である水素又は一酸化炭素の濃度を高め、システムの発電効率を向上させることが記載されている。しかしながら、一般的な分離膜では、水素を１００％透過させないことは困難であり、アノード排ガスに含まれる水素が一部透過してしまう。そのため、水素の透過によって、再利用できる燃料が減少してしまい、システムの発電効率が低下するおそれがあるが、特許文献１〜４ではこの点について何ら考慮されていない。水素が分離膜を透過することによるシステムの発電効率低下の影響を鑑みた上で、分離膜における二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の透過性と水素の透過性との比率（透過係数比）を適切な範囲とすることにより、システム全体の発電効率を向上させることが好ましい。

【0007】

本発明は、分離膜における二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の透過性と水素の透過性との比率を適切な範囲とすることにより、システム全体の発電効率に優れた燃料電池システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題は、例えば以下の手段により解決される。
＜１＞ 燃料ガスを用いて発電を行う第１燃料電池と、前記第１燃料電池から排出された未反応の前記燃料ガスを含むアノードオフガスから、二酸化炭素及び水蒸気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、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離された前記アノードオフガスを用いて発電を行う第２燃料電池と、前記分離膜の透過側に配置され、前記第１燃料電池の発電に用いられる前記燃料ガスとなる原料ガス、前記第１燃料電池の発電に用いられる酸素を含むカソードガス、前記第２燃料電池から排出されたアノードオフガス、前記第１燃料電池から排出され、前記第２燃料電池に供給されるカソードオフガス又は前記第２燃料電池から排出されたカソードオフガスを流通させる流通経路と、を備え、前記分離膜の透過係数比α１（Ｐ_ＣＯ２／Ｐ_Ｈ２）及び前記分離膜の透過係数比α２（Ｐ_Ｈ２Ｏ／Ｐ_Ｈ２）の少なくとも一方が３０以上である燃料電池システム。

【0009】

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ため、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。

【0010】

また、分離膜により分離された二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方は、分離膜の透過側に配置された上記いずれかのガスが流通する流通経路内を流通するため、分離された二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方は、流通経路内を流通する上記いずれかのガスとともに、流通経路内を流通する。したがって、空気等のスイープガス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ことなく、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の分離を促進することができる。よって、製造コストを削減しつつ、システム全体の発電効率を高めることができ、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。

【0011】

ここで、第１燃料電池から排出された未反応の燃料ガスを含むアノードオフガスから、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離膜により分離することで、水素、一酸化炭素等の燃料ガスの濃度を高め、システムの発電効率を向上させることができると考えられる。しかしながら、通常の分離膜では、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方とともにアノードオフガスに含まれる水素が分離されてしまうため、燃料ガスである水素の減少により、システムの発電効率が低下するおそれもある。

【0012】

一方、本形態に係る燃料電池システムでは、透過係数比α１（Ｐ_ＣＯ２／Ｐ_Ｈ２）及び透過係数比α２（Ｐ_Ｈ２Ｏ／Ｐ_Ｈ２）の少なくとも一方が３０以上である。このため、水素が分離膜を透過することによるシステムの発電効率低下の影響よりも二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離膜を透過することによるシステムの発電効率向上効果の影響が大きくなり、システム全体の発電効率に優れている。

【0013】

＜２＞ 燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池から排出された未反応の前記燃料ガスを含むアノードオフガスから、二酸化炭素及び水蒸気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、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離された前記アノード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、前記燃料電池の発電に用いられる前記燃料ガスとなる原料ガス、前記燃料電池の発電に用いられる酸素を含むカソードガス、又は前記燃料電池から排出されたカソードオフガスを流通させる流通経路と、を備え、前記分離膜の透過係数比α１（Ｐ_ＣＯ２／Ｐ_Ｈ２）及び前記分離膜の透過係数比α２（Ｐ_Ｈ２Ｏ／Ｐ_Ｈ２）の少なくとも一方が３０以上である燃料電池システム。

【0014】

本形態に係る燃料電池システムは、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離されたアノード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。また、本形態に係る燃料電池システムは、前述の燃料電池システムと同様、空気等のスイープガス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ことなく、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の分離を促進することができる。よって、製造コストを削減しつつ、システム全体の発電効率を高めることができ、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。

【0015】

さらに、本形態に係る燃料電池システムでは、透過係数比α１（Ｐ_ＣＯ２／Ｐ_Ｈ２）及び透過係数比α２（Ｐ_Ｈ２Ｏ／Ｐ_Ｈ２）の少なくとも一方が３０以上である。このため、水素が分離膜を透過することによるシステムの発電効率低下の影響よりも二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離膜を透過することによるシステムの発電効率向上効果の影響が大きくなり、システム全体の発電効率に優れている。

【0016】

＜３＞ 前記原料ガスを改質して前記燃料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をさらに備える＜１＞又は＜２＞に記載の燃料電池システム。

【0017】

本形態に係る燃料電池システムは、原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質器をさらに備えており、第２燃料電池又は燃料電池は、改質器にて生成された燃料ガスを用いて発電を行う。

【0018】

＜４＞ 前記燃焼部から排出された排ガスを流通させる排気経路をさらに備え、前記流通経路の代わりに前記排気経路が前記分離膜の透過側に配置された＜３＞に記載の燃料電池システム。

【0019】

本形態に係る燃料電池システムは、流通経路の代わりに排気経路が分離膜の透過側に配置されており、分離膜により分離された二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方は、排気経路内を流通する排ガスとともに排気経路内を流通する。したがって、空気等のスイープガス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ことなく、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の分離を促進することができる。よって、製造コストを削減しつつ、システム全体の発電効率を高めることができ、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。

【0020】

＜５＞ 前記燃焼部から排出された排ガス中の水蒸気を回収する水蒸気回収手段と、水蒸気回収手段にて回収された水蒸気を前記改質部に供給する水蒸気供給経路と、をさらに備える＜３＞又は＜４＞に記載の燃料電池システム。

【0021】

本形態に係る燃料電池システムは、排ガス中に含まれる水蒸気を回収する水蒸気回収手段、例えば、水蒸気を凝縮させて回収する凝縮器を備えており、水蒸気回収手段にて回収された水蒸気が改質部に供給されて原料ガスの水蒸気改質に用いられる。そのため、外部から水蒸気又は改質水の供給が不要となる水自立の成立、あるいは、外部からの水蒸気又は改質水の供給量の削減が可能である。

【0022】

＜６＞ 前記原料ガスを改質して前記燃料ガスを生成する際に用いられる水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方を流通する経路をさらに備え、前記流通経路の代わりに前記経路が前記分離膜の透過側に配置された＜１＞〜＜３＞のいずれか１つに記載の燃料電池システム。

【0023】

本形態に係る燃料電池システムは、流通経路の代わりに水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方を流通する経路が分離膜の透過側に配置されており、分離膜により分離された二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方は、経路内を流通するガスとともに原料ガスの改質に用いられる。したがって、空気等のスイープガス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ことなく、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の分離を促進することができる。よって、製造コストを削減しつつ、システム全体の発電効率を高めることができ、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。

【0024】

＜７＞ さらに、前記分離膜の透過係数比β１（Ｐ_ＣＯ２／Ｐ_ＣＯ）及び前記分離膜の透過係数比β２（Ｐ_Ｈ２Ｏ／Ｐ_ＣＯ）の少なくとも一方が６以上である＜１＞〜＜６＞のいずれか１つに記載の燃料電池システム。

【0025】

本形態に係る燃料電池システムでは、透過係数比β１（Ｐ_ＣＯ２／Ｐ_ＣＯ）及び透過係数比β２（Ｐ_Ｈ２Ｏ／Ｐ_ＣＯ）の少なくとも一方が６以上である。このため、一酸化炭素が分離膜を透過することによるシステムの発電効率低下の影響よりも二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離膜を透過することによるシステムの発電効率向上効果の影響が大きくなり、システム全体の発電効率に優れている。

【0026】

＜８＞ 前記分離膜の透過係数比α１（Ｐ_ＣＯ２／Ｐ_Ｈ２）及び前記分離膜の透過係数比α２（Ｐ_Ｈ２Ｏ／Ｐ_Ｈ２）の少なくとも一方が６０以上である＜１＞〜＜７＞のいずれか１つに記載の燃料電池システム。

【0027】

本形態に係る燃料電池システムでは、水素が分離膜を透過することによるシステムの発電効率低下の影響よりも二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離膜を透過することによるシステムの発電効率向上効果の影響がより大きくなり、システム全体の発電効率により優れている。

【発明の効果】

【0028】

本発明によれば、分離膜における二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の透過性と水素の透過性との比率を適切な範囲とすることにより、システム全体の発電効率に優れた燃料電池システムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0029】

【図1】第１実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。

【図2】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。

【図3】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。

【図4】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。

【図5】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。

【図6】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。

【図7】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。

【図8】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。

【図9】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。

【図10】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。

【図11】透過係数比α１とシステム効率との関係を示すグラフである。

【図12】透過係数比α２とシステム効率との関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0030】

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。

【0031】

［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、燃料ガスを用いて発電を行う第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燃料ガスを含むアノードオフガスから、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離する分離膜１６と、分離膜１６の下流に配置され、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離されたアノードオフガスを用いて発電を行う第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から排出されたカソードオフガスを流通させる空気供給経路４４（流通経路）と、を備えるシステムである。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の透過係数比α１（Ｐ_ＣＯ２／Ｐ_Ｈ２）及び分離膜１６の透過係数比α２（Ｐ_Ｈ２Ｏ／Ｐ_Ｈ２）の少なくとも一方が３０以上である。
さらに、本実施形態に係る燃料電池システム１０は、原料ガスを改質して燃料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を備えていてもよい。

【0032】

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アノード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燃料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アノードオフガスに含まれる燃料ガス（分離膜１６を透過した燃料ガスを除く）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。

【0033】

また、分離膜１６により分離された二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方は、分離膜１６の透過側１６Ｂに配置されたカソードオフガスが流通する空気供給経路４４内を流通するため、分離された二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方は、空気供給経路４４内を流通するカソードオフガスとともに、空気供給経路４４内を流通する。したがって、空気等のスイープガスを分離膜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ことなく、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の分離を促進することができる。よって、燃料電池システム１０では、製造コストを削減しつつ、システム全体の発電効率を高めることができ、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。

【0034】

ここで、第１燃料電池１１から排出された未反応の燃料ガスを含むアノードオフガスから、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離膜１６により分離することで、水素、一酸化炭素等の燃料ガスの濃度を高め、システムの発電効率を向上させることができると考えられる。しかしながら、通常の分離膜では、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方とともにアノードオフガスに含まれる水素が分離されてしまうため、燃料ガスである水素の減少により、システムの発電効率が低下するおそれもある。

【0035】

一方、本実施形態に係る燃料電池システム１０では、透過係数比α１（Ｐ_ＣＯ２／Ｐ_Ｈ２）及び透過係数比α２（Ｐ_Ｈ２Ｏ／Ｐ_Ｈ２）の少なくとも一方が３０以上である。このため、水素が分離膜１６を透過することによるシステムの発電効率低下の影響よりも二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離膜１６を透過することによるシステムの発電効率向上効果の影響が大きくなり、システム全体の発電効率に優れている。

【0036】

以下、本実施形態に係る燃料電池システム１０にて、分離膜１６の透過側１６Ｂにカソードオフガスが流通する空気供給経路４４を設けたことにより、分離膜１６の透過側１６Ｂに第１燃料電池１１のカソードに供給される空気（カソードガス）を流通する空気供給経路４４を設けた場合よりも、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。

【0037】

分離膜１６の透過側１６Ｂに第１燃料電池１１のカソードに供給される空気を流通する空気供給経路４４を設けた構成では、第１燃料電池１１のカソードに供給されるガスに、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が含まれてしまい、カソード側の酸素分圧が低下し、その結果、第１燃料電池１１の起電力が低下してしまうおそれがある。

【0038】

また、分離膜１６により第１燃料電池１１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の少なくとも一方を分離する場合、アノードオフガス中に含まれる水素及び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１６の透過側１６Ｂに分離された水素及び一酸化炭素が、透過側１６Ｂを流通する酸素と反応することで、局所的な分離膜１６の温度上昇が発生しやすく、分離膜１６の耐久性が低下するおそれがある。そのため、分離膜１６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１６の透過側１６Ｂに供給することが好ましい。

【0039】

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、酸素と分離膜１６を透過しう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。

【0040】

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含まれる二酸化炭素及び水蒸気の濃度は、例えば、燃焼部１８から排出される排ガスと比較して小さい。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４実施形態に係る燃料電池システム４０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。

【0041】

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。

【0042】

（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。

【0043】

原料ガス供給経路２４内を流通する原料ガスとしては、改質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ガス等のガスと混合したガスであってもよい。

【0044】

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。

【0045】

（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燃料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。

【0046】

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、下流側にて燃料ガス供給経路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、生成された燃料ガスが燃料ガス供給経路４２を通じて第１燃料電池１１に供給される。

【0047】

燃焼部１８は、上流側にて空気供給経路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、空気供給経路４４を通じて供給された未反応の酸素を含むガス（カソードオフガス）と、オフガス経路４６を通じて供給されたアノード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。

【0048】

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。あるいは、燃焼部１８を設置せずに各燃料電池から放出される熱を用いて改質部１９を加熱してもよい。

【0049】

原料ガスとしてＣ_ｎＨ_ｍ（ｎ、ｍはともに正の実数）で表される炭化水素ガス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及び水素が生成される。
Ｃ_ｎＨ_ｍ＋ｎＨ_２Ｏ→ｎＣＯ＋［（ｍ／２）＋ｎ］Ｈ_２・・・・（ａ）

【0050】

また、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（ｂ）の反応により一酸化炭素及び水素が生成される。
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ_２・・・・（ｂ）

【0051】

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。

【0052】

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、水素及び一酸化炭素を含む燃料ガスが生成される。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。

【0053】

また、燃焼部１８は、水蒸気改質を効率よく行う観点から、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。

【0054】

本発明に係る燃料電池システム（特に、高温型の燃料電池を備える燃料電池システム）では、改質器が第１燃料電池の外部に取り付けられている必要はなく、第１燃料電池に原料ガス及び水蒸気を直接供給し、第１燃料電池の内部で水蒸気改質（内部改質）を行い、生成された燃料ガスを第１燃料電池での発電に用いる構成であってもよい。特に第１燃料電池が高温型の燃料電池である場合、内部での反応温度は６００℃〜８００℃と高温であるため、第１燃料電池内で水蒸気改質を行うことが可能である。

【0055】

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（水蒸気回収手段、例えば、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。

【0056】

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。

【0057】

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。

【0058】

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。

【0059】

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。

【0060】

空気供給経路４４は、空気などの酸素を含むガス（カソードガス）及び未反応の酸素を含むガス（カソードオフガス）が流通する経路であり、空気供給経路４４には熱交換器２２が設置されており、第１燃料電池１１の上流側の空気供給経路４４内を流通するカソードガスと、第２燃料電池１２の下流側の空気供給経路４４内を流通するカソードオフガスと、の間で熱交換を行う。これにより、第２燃料電池１２の下流側の空気供給経路４４内を流通するカソードオフガスは分離膜１６により二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方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の上流側の空気供給経路４４内を流通する空気は、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。

【0061】

（第１燃料電池）
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、燃料ガス供給経路４２を通じて改質器１４から供給された燃料ガスを用いて発電を行う第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。

【0062】

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、空気供給経路４４を通じて空気が供給される。空気がカソードに供給されることにより、以下の式（ｃ）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。
Ｏ_２＋４ｅ⁻→２Ｏ^２−・・・・（ｃ）

【0063】

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、燃料ガス供給経路４２を通じて水素及び一酸化炭素を含む燃料ガスが供給される。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及び一酸化炭素が電子を受け取ることにより、以下の式（ｄ）、式（ｅ）に示す反応が起こる。
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻・・・・（ｄ）
２ＣＯ＋２Ｏ^２−→２ＣＯ_２＋４ｅ⁻・・・・（ｅ）

【0064】

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、空気供給経路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（ｆ）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。
Ｏ_２＋２ＣＯ_２＋４ｅ⁻→２ＣＯ_３^２−・・・・（ｆ）

【0065】

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、燃料ガス供給経路４２を通じて水素を含む燃料ガスが供給される。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（ｇ）に示す反応が起こる。
Ｈ_２＋ＣＯ_３^２−→Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ_２＋２ｅ⁻・・・・（ｇ）

【0066】

第１燃料電池１１が溶融炭酸塩形燃料電池の場合、発生した水蒸気と、燃料ガス供給経路４２を通じて供給された一酸化炭素と、が反応して以下の式（ｈ）に示す反応が起こり、水素及び二酸化炭素が発生する。そして、発生した水素は、前述の式（ｇ）の反応に消費される。
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２＋ＣＯ_２・・・・（ｈ）

【0067】

上記式（ｄ）、式（ｅ）、式（ｇ）及び式（ｈ）に示すように、第１燃料電池１１での燃料ガスの電気化学的な反応により、固体酸化物形燃料電池及び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にて発電が行われる。

【0068】

カソードから排出されたカソードオフガスは、下流側の空気供給経路４４を通じて、第２燃料電池１２のカソード（図示せず）に供給される。

【0069】

一方、アノードから排出された未反応の燃料ガスを含むアノードオフガスは、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、未反応の燃料ガスを含むアノードオフガスは、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。

【0070】

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内を流通するアノードオフガスと、オフガス経路５４内を流通する二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離されたアノードオフガスと、の間で熱交換を行う。これにより、オフガス経路５２内を流通するアノードオフガスは、分離膜１６により二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方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内を流通する二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離されたアノードオフガスは、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。

【0071】

（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燃料ガスを含むアノードオフガスから、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離する分離膜１６を備えている。分離膜１６は、透過係数比α１（Ｐ_ＣＯ２／Ｐ_Ｈ２）及び透過係数比α２（Ｐ_Ｈ２Ｏ／Ｐ_Ｈ２）の少なくとも一方が３０以上を満たす膜である。

【0072】

オフガス経路５２内を流通するアノードオフガスは、分離膜１６の供給側１６Ａに供給され、アノードオフガス中の二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方は、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。二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離した後のアノードオフガスは、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、分離された二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方は、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と混合され、透過側１６Ｂから空気供給経路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は燃焼部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。

【0073】

さらに、カソードオフガスを流通させるための空気供給経路４４を分離膜１６の透過側に設けて、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離膜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。

【0074】

さらに、分離膜１６を透過した二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方はカソードオフガスとともに空気供給経路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。

【0075】

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二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の分離が促進されている。その結果、第２燃料電池１２に供給されるアノードオフガス中の水蒸気濃度及び二酸化炭素濃度の少なくとも一方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。

【0076】

さらに、分離膜１６は、透過係数比α１（Ｐ_ＣＯ２／Ｐ_Ｈ２）及び透過係数比α２（Ｐ_Ｈ２Ｏ／Ｐ_Ｈ２）の少なくとも一方が３０以上であるため、水素が分離膜１６を透過することによるシステムの発電効率低下の影響よりも二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離膜１６を透過することによるシステムの発電効率向上効果の影響が大きくなり、システム全体の発電効率に優れている。

【0077】

分離膜１６は、システム全体の発電効率により優れている点から、透過係数比α１（Ｐ_ＣＯ２／Ｐ_Ｈ２）及び透過係数比α２（Ｐ_Ｈ２Ｏ／Ｐ_Ｈ２）の少なくとも一方が６０以上であることが好ましく、透過係数比α１（Ｐ_ＣＯ２／Ｐ_Ｈ２）及び透過係数比α２（Ｐ_Ｈ２Ｏ／Ｐ_Ｈ２）の少なくとも一方が１２０以上であることがより好ましい。なお、分離膜１６における透過係数比α１（Ｐ_ＣＯ２／Ｐ_Ｈ２）及び透過係数比α２（Ｐ_Ｈ２Ｏ／Ｐ_Ｈ２）の上限値は特に限定されない。

【0078】

さらに、分離膜１６は、透過係数比β１（Ｐ_ＣＯ２／Ｐ_ＣＯ）及び透過係数比β２（Ｐ_Ｈ２Ｏ／Ｐ_ＣＯ）の少なくとも一方が、６以上であってもよく、好ましくは１２以上であってもよく、より好ましくは２４以上であってもよい。これにより、一酸化炭素が分離膜を透過することによるシステムの発電効率低下の影響よりも二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離膜を透過することによるシステムの発電効率向上効果の影響が大きくなり、システム全体の発電効率に優れている。なお、分離膜１６における透過係数比β１（Ｐ_ＣＯ２／Ｐ_ＣＯ）及び透過係数比β２（Ｐ_Ｈ２Ｏ／Ｐ_ＣＯ）の上限値は特に限定されない。

【0079】

なお、透過係数の単位は、ｂａｒｒｅｒ（バーラー）であり、１ｂａｒｒｅｒ＝１×１０^−１０ｃｍ^３（標準状態）・ｃｍ・ｃｍ^−２・ｓ^−１・ｃｍＨｇ^−１を表す。また、透過係数は、ＪＩＳ Ｋ７１２６−１：２００６「プラスチック−フィルム及びシートのガス透過度試験方法」の第１部に記載の差圧法に準拠して測定された値である。

【0080】

分離膜は、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を透過し、かつ透過係数比α１（Ｐ_ＣＯ２／Ｐ_Ｈ２）及び透過係数比α２（Ｐ_Ｈ２Ｏ／Ｐ_Ｈ２）の少なくとも一方が３０以上である膜であれば特に限定されず、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。

【0081】

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。

【0082】

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。

【0083】

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、アミノ酸などが挙げられる。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。

【0084】

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。

【0085】

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。

【0086】

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。

【0087】

分離膜として、アミン水溶液膜を用いた場合、アノード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。

【0088】

分離膜として、イオン液体膜を用いた場合、アノード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。

【0089】

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、１０μｍ〜５００μｍの範囲がより好ましく、１５μｍ〜１５０μｍの範囲がさらに好ましい。

【0090】

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。支持体を設けた場合、分離膜の厚さは、二酸化炭素透過性及び水蒸気透過性を好適に確保する点から、１００ｎｍ〜１００μｍの範囲が好ましく、１００ｎｍ〜５０μｍの範囲がより好ましい。

【0091】

二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離する分離膜としては、例えば、「Journal of Membrane Science Vol.320(2008)390-400,The upper bound revisited」等に記載の膜を用いてもよい。また、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離する分離膜、特に、二酸化炭素を分離する分離膜として、特許第５３２９２０７号公報に記載の高分子膜、特許第４９６５９２８号公報に記載のＣＯ_２促進輸送膜、特許第５７４３６３９号公報に記載の分離膜、特許第５７３８７０４号公報に記載の透過膜等を用いてもよい。

【0092】

二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離した後のアノードオフガスは、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内を流通する二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離されたアノードオフガスは、第２燃料電池１２の作動温度に適した温度に加熱される。

【0093】

（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、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離されたアノードオフガスを用いて発電を行う第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。

【0094】

燃料電池システム１０では、第２燃料電池１２は、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離されたアノードオフガスを用いて発電を行う。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、アノードオフガス中の二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方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アノードオフガスを用いて発電を行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。

【0095】

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、下流側の空気供給経路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アノードオフガスは、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。

【0096】

（変形例）
本実施形態では、空気供給経路４４が直列となっているため、第１燃料電池１１に空気を供給した後、第２燃料電池１２に第１燃料電池１１から排出されたカソードオフガスが供給されるが、空気供給経路４４は並列であってもよい。つまり、空気が流通する空気供給経路４４が分岐し、第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２のカソードに空気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。

【0097】

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、下流側の空気供給経路を通じて、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。

【0098】

本実施形態では、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離する分離膜を一つ設ける構成について説明したが、本発明はこれに限定されず、複数の分離膜を配置する構成であってもよい。例えば、分離膜として二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離膜及び水蒸気を分離する水蒸気分離膜をそれぞれ別々に配置してもよい。このとき、二酸化炭素分離膜は、透過係数比α１（Ｐ_ＣＯ２／Ｐ_Ｈ２）が上述の範囲を満たせばよく、水蒸気分離膜は、透過係数比α２（Ｐ_Ｈ２Ｏ／Ｐ_Ｈ２）が上述の範囲を満たせばよい。なお、二酸化炭素分離膜及び水蒸気分離膜を厳密に区別する必要は無く、二酸化炭素分離膜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、水蒸気分離膜及び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ってもよい。また、二酸化炭素分離膜としては、ＣＯ_２促進輸送膜を用いてもよい。

【0099】

本実施形態にて、分離膜１６として水蒸気を分離する水蒸気分離膜を配置した場合、燃料電池システム１０は、第１燃料電池１１の下流かつ第２燃料電池１２の上流にアノード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ていてもよい。これにより、本実施形態にて、第２燃料電池１２は水蒸気及び二酸化炭素が分離されたアノードオフガスを用いて発電を行うため、発電効率をより高めることができる。

【0100】

二酸化炭素除去部は、アノード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アノード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。二酸化炭素除去部が電気化学的な反応によりアノードオフガスから二酸化炭素を除去するものである場合、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。

【0101】

本実施形態にて、分離膜１６として二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離膜を配置した場合、燃料電池システム１０は、第１燃料電池１１の下流かつ第２燃料電池１２の上流にアノードオフガスから水蒸気を除去する水蒸気除去部をさらに備えていてもよい。これにより、本実施形態にて、第２燃料電池１２は水蒸気及び二酸化炭素が分離されたアノードオフガスを用いて発電を行うため、発電効率をより高めることができる。

【0102】

水蒸気除去部は、アノード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。水蒸気除去部として水蒸気を凝縮する凝縮器を配置した場合、水蒸気を凝縮して得られた凝縮水を水タンク３２に供給することにより原料ガスの水蒸気改質に用いてもよい。

【0103】

［第２実施形態］
以下、本発明の燃料電池システムの第２実施形態について図２を用いて説明する。図２は、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。第２実施形態に係る燃料電池システム２０は、分離膜１６の透過側１６Ｂに第１燃料電池１１の発電に用いられる空気（カソードガス）を流通する空気供給経路（流通経路）４４を配置した点、水タンク３２、水蒸気供給経路３７等の代わりに改質器１４の改質部１９に水蒸気を供給する水蒸気供給経路２６を配置した点、及び熱交換器２２の代わりに排気経路４８内を流通する排ガスと、空気供給経路４４内を流通し、かつ第１燃料電池１１の発電に用いられる空気と分離膜１６により分離された二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方との混合ガスと、の間で熱交換を行う熱交換器４１を配置した点で、第１実施形態に係る燃料電池システム１０と相違する。なお、本実施形態及び以下の第３実施形態〜第１０実施形態では、第１実施形態と同様の構成については、同一の符号を付し、その説明を省略する。

【0104】

本実施形態に係る燃料電池システム２０においても、分離膜１６により分離された二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方は、分離膜１６の透過側１６Ｂに配置された第１燃料電池１１の発電に用いられる空気を流通する空気供給経路４４内を流通するため、分離された二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方は、空気供給経路４４内を流通する空気とともに、空気供給経路４４内を流通する。したがって、空気等のスイープガスを分離膜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ことなく、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の分離を促進することができる。よって、燃料電池システム２０では、製造コストを削減しつつ、システム全体の発電効率を高めることができ、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。

【0105】

燃料電池システム２０は、第１実施形態とは異なり、分離膜１６の透過側１６Ｂよりも下流側の空気供給経路４４、及び排気経路４８に熱交換器４１が設置されており、熱交換器４１により、排気経路４８内を流通する排ガスと、空気供給経路４４内を流通する空気と分離膜１６により分離された二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方との混合ガス（以下、「混合ガス」とも称する）と、の間で熱交換を行う。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システム外に排出される一方、空気供給経路４４内を流通する混合ガスは第１燃料電池１１の作動温度に適した温度に加熱される。

【0106】

第１燃料電池１１のカソードには、空気供給経路４４を通じて混合ガスが供給されて発電が行われ、次いで、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は、下流側の空気供給経路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われる。

【0107】

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、下流側の空気供給経路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アノードオフガスは、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。

【0108】

空気供給経路４４を通じて供給されたカソードオフガスと、オフガス経路４６を通じて供給されたアノード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。排気経路４８内を流通する排ガスは、前述のように、熱交換器４１にて、空気供給経路４４を流通する混合ガスと熱交換を行う。

【0109】

本実施形態において、改質器１４の改質部１９に水蒸気を供給する水蒸気供給経路２６を配置しているが、外部からの改質水又は水蒸気供給が不要となる水自立を成立させる、あるいは、外部からの改質水又は水蒸気の供給量を削減する観点から、第１実施形態と同様に、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させて回収し、改質水として利用してもよい。

【0110】

また、本実施形態において、水蒸気供給経路２６の代わりに、改質器１４の改質部１９に二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給経路を配置し、改質部１９にて二酸化炭素改質を行ってもよい。

【0111】

［第３実施形態］
以下、本発明の燃料電池システムの第３実施形態について図３を用いて説明する。図３は、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。第３実施形態に係る燃料電池システム３０は、分離膜１６の透過側１６Ｂに第１燃料電池１１の発電に用いられる燃料ガスとなる原料ガスを流通する原料ガス供給経路２４を配置した点、及び水蒸気供給経路２６を配置せずに分離膜１６を透過した二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を原料ガス供給経路２４を通じて改質部１９に供給する点で、第２実施形態と相違する。

【0112】

本実施形態に係る燃料電池システム３０においても、分離膜１６により分離された二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方は、分離膜１６の透過側１６Ｂに配置された原料ガス供給経路２４に供給される。原料ガスが原料ガス供給経路２４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、原料ガスとともに改質部１９に供給される。したがって、空気等のスイープガスを分離膜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ことなく、水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方の分離を促進することができる。さらに、分離された水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方を改質部１９に供給するために供給経路及びブロワを別途設ける必要は無く、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。

【0113】

本実施形態では、分離膜１６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が改質器１４の改質部１９に供給され、原料ガスの改質に用いられる。そのため、本実施形態において、原料ガスを水蒸気改質する構成に限定されず、原料ガスを二酸化炭素改質する構成であってもよく、原料ガスを水蒸気改質及び二酸化炭素改質する構成であってもよい。

【0114】

［第４実施形態］
以下、本発明の燃料電池システムの第４実施形態について図４を用いて説明する。図４は、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。第４実施形態に係る燃料電池システム４０は、分離膜１６の透過側１６Ｂに燃焼部から排出された排ガスを流通させる排気経路４８を配置した点、ならびに熱交換器２２の代わりに排気経路４８内を流通し、分離膜１６を透過した二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方と混合された排ガスと、空気供給経路４４内を流通し、かつ第１燃料電池１１の発電に用いられる空気と、の間で熱交換を行う熱交換器４３を配置した点で第１実施形態と相違する。

【0115】

燃料電池システム４０では、分離膜１６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の少なくとも一方は、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、空気等のスイープガスを分離膜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。

【0116】

また、分離膜１６を透過した水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方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少なくとも一方の分離が促進される。したがって、燃料電池システム４０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。

【0117】

さらに、本実施形態に係る燃料電池システム４０は、第１実施形態に係る燃料電池システム１０と同様に、第１燃料電池１１の発電に用いられる空気（カソードガス）を流通する空気供給経路４４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る。

【0118】

また、本実施形態に係る燃料電池システム４０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を透過しう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。

【0119】

燃料電池システム４０は、第１実施形態とは異なり、排気経路４８及び空気供給経路４４に熱交換器４３が設置されており、熱交換器４３により、排気経路４８内を流通する排ガスと、空気供給経路４４内を流通する空気と、の間で熱交換を行う。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、空気供給経路４４内を流通する空気は第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。

【0120】

第１燃料電池１１のカソードに空気供給経路４４を通じて空気が供給されて第１燃料電池１１にて発電が行われる。次いで、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は、下流側の空気供給経路４４を通じて第２燃料電池１２のカソードに供給されて第２燃料電池１２にて発電が行われる。

【0121】

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、下流側の空気供給経路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アノードオフガスは、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。燃焼部１８に供給されたアノードオフガスとカソードオフガスとの混合ガスを燃焼させることで発生する排ガスは、排気経路４８に排出される。

【0122】

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の少なくとも一方を分離する際に好ましい温度まで冷却された後に分離膜１６の透過側１６Ｂ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。

【0123】

［第５実施形態］
前述した第１実施形態〜第４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１００について、図５を用いて説明する。図５は、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。

【0124】

図５に示すように、第５実施形態に係る燃料電池システム１００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アノード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、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、その説明を省略し、第１実施形態と同様の構成については、その説明を省略する。

【0125】

燃料電池システム１００では、燃料電池６１から排出された未反応の燃料ガスを含むアノードオフガスについて、その一部がオフガス経路４６内を流通して燃焼部１８に供給され、残りがオフガス循環経路５６内を流通して分離膜１６の供給側１６Ａに供給される。分離膜１６は供給されたアノード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、水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方が分離されたアノードオフガスはオフガス循環経路５７内を流通する。オフガス循環経路５７内を流通するアノードオフガスは、燃料ガス供給経路４２内に供給され、かつ燃料ガス供給経路４２内を流通する燃料ガスと混合された後、混合ガスが燃料電池６１のアノードに供給されて発電が行われる。燃料電池システム１００では、水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方を分離せずにアノード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。なお、オフガス循環経路５７内を流通するアノードオフガスは、燃料ガス供給経路４２内に供給される構成の代わりに、改質部１９に供給される構成であってもよい（以下の第６、第７、第８、第１０実施形態でも同様である）。

【0126】

オフガス循環経路５７には、アノードオフ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。

【0127】

また、分離膜１６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１６の透過側１６Ｂに配置された空気供給経路４４に供給される。燃料電池６１から排出されたカソードオフガスが空気供給経路４４内を流通するため、分離された水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方は、カソードオフガスとともに、空気供給経路４４内を流通する。したがって、空気供給経路４４を分離膜１６の透過側１６Ｂに設けることにより、酸素等のスイープガスを分離膜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。

【0128】

［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２００は、燃料電池６１を備える循環式の燃料電池システムである点で、第２実施形態に係る燃料電池システム２０と相違する。

【0129】

本実施形態に係る燃料電池システム２００においても、第２実施形態と同様、分離膜１６により分離された二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方は、空気供給経路４４内を流通する空気とともに、空気供給経路４４内を流通する。したがって、空気等のスイープガスを分離膜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ことなく、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の分離を促進することができる。よって、燃料電池システム２００では、製造コストを削減しつつ、システム全体の発電効率を高めることができ、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。

【0130】

［第７実施形態］
以下、本発明の燃料電池システムの第７実施形態について図７を用いて説明する。図７は、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。第７実施形態に係る燃料電池システム３００は、燃料電池６１を備える循環式の燃料電池システムである点で、第３実施形態に係る燃料電池システム３０と相違する。

【0131】

本実施形態に係る燃料電池システム３００においても、第３実施形態と同様、分離膜１６により分離された二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方は、原料ガスとともに改質部１９に供給される。したがって、空気等のスイープガスを分離膜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ことなく、水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方の分離を促進することができる。さらに、分離された水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方を改質部１９に供給するために供給経路及びブロワを別途設ける必要は無く、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。

【0132】

［第８実施形態］
以下、本発明の燃料電池システムの第８実施形態について図８を用いて説明する。図８は、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。第８実施形態に係る燃料電池システム４００は、燃料電池６１を備える循環式の燃料電池システムである点で、第４実施形態に係る燃料電池システム４０と相違する。

【0133】

燃料電池システム４００では、分離膜１６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、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、空気等のスイープガスを分離膜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。

【0134】

［第９、第１０実施形態］
以下、本発明の燃料電池システムの第９、第１０実施形態について図９、１０を用いて説明する。図９は、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り、図１０は、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。第９実施形態に係る燃料電池システム５０及び第１０実施形態に係る燃料電池システム５００は、分離膜１６の透過側１６Ｂに水蒸気を改質部１９に供給する水蒸気供給経路２６を配置した点で、それぞれ第２実施形態に係る燃料電池システム２０及び第６実施形態に係る燃料電池システム２００と相違する。

【0135】

燃料電池システム５０及び燃料電池システム２００では、水蒸気が流通する水蒸気供給経路２６が分離膜１６の透過側１６Ｂに配置されており、分離膜１６により分離された二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方は、水蒸気供給経路２６内を流通する水蒸気とともに改質部１９に供給されて原料ガスの改質に用いられる。したがって、空気等のスイープガス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ことなく、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の分離を促進することができる。よって、製造コストを削減しつつ、システム全体の発電効率を高めることができ、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。

【0136】

なお、これらの実施形態において、水蒸気供給経路２６の代わりに、改質部１９に二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給経路を分離膜１６の透過側１６Ｂに配置してもよい。

【0137】

また、水蒸気供給経路２６の代わりに、外部からの改質水又は水蒸気供給が不要となる水自立を成立させる、あるいは、外部からの改質水又は水蒸気の供給量を削減する観点から、排気経路４８内を流通する排ガスに含まれる水蒸気を凝縮させて回収する水タンク３２、水タンク３２に貯留された凝縮水由来の水蒸気を改質部１９に供給する水蒸気供給経路３７等を配置してもよい。このとき、水蒸気供給経路２６の代わりに、水タンク３２に貯留された凝縮水由来の水蒸気を改質部１９に供給する水蒸気供給経路３７を分離膜１６の透過側１６Ｂに配置してもよい。

【0138】

本発明は、前述の第１実施形態〜第１０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。また、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。

【0139】

［本発明の一例］
以下、本発明の一例の燃料電池システムのシステム効率について、通常の燃料電池システムのシステム効率と対比して説明する。

【0140】

〔通常の燃料電池システムのシステム効率〕
特開２０１６−１１５４７９号公報の図３、４に示されるように固体酸化物型で多段式の燃料電池システム（固体酸化物型の燃料電池スタックを２つ設けた構成）において、前段の第１の燃料電池スタックの燃料極から排出された排ガスから、電気化学的水素ポンプによって水素を取り出す、すなわち電気化学的水素ポンプによって排ガス中の水素（Ｈ_２）と水（Ｈ_２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ_２）とを分離することで、燃料電池スタックの開回路電圧（ＯＣＶ：Open Circuit Voltage）がどの程度向上するか試算を行った。

【0141】

この試算では、前提条件として、固体酸化物型の第１の燃料電池スタックにおける反応を７５０℃での平衡反応とし、一例としてＳ／Ｃ＝２．５に設定した。上記試算の結果を次の表１に示す。

【0142】

【表1】

【0143】

なお、表１における「平均ＯＣＶ」は、燃料電池スタックの入口部及び出口部の平均ＯＣＶを意味する。表１からも明らかなように、電気化学的水素ポンプによって排ガス中の水素（Ｈ_２）と水（Ｈ_２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ_２）とを分離することで、第２の燃料電池スタックに供給されるガスのうち、水素（Ｈ_２）＋一酸化炭素（ＣＯ）の濃度は２２．５％から９２．１％へ大幅に向上する一方、二酸化炭素(ＣＯ_２)の濃度は１４．６％から０．６％へ、水（Ｈ_２Ｏ）の濃度は６２．８％から３．３％へ大幅に低下する。そして、上記組成のガスが第２の燃料電池スタックに供給されることで、第２の燃料電池スタックの平均ＯＣＶは８７４ｍＶから１０２０ｍＶへ向上し、燃料電池システム全体のＯＣＶも９３５ｍＶから９６９ｍＶへ向上することが明らかになった。

【0144】

上記のように、第１の燃料電池スタックから排出されるアノードオフガスから水及び二酸化炭素を除去すると、燃料電池システム全体のＯＣＶを向上させることができる。ここで、燃料電池システム全体のＯＣＶが９３５ｍＶのときのシステム効率を６０％とした場合、セルの作動電圧がＯＣＶに比例するとし、燃料電池システム全体のＯＣＶが９６９ｍＶのときのシステム効率（通常の燃料電池システムのシステム効率）は、６２．１８％（６０％×９６９／９３５）であることが想定される。また、この効率向上分の２．１８ポイントの、Ｈ_２Ｏ及びＣＯ_２除去の効果の内訳は、濃度の比率より、Ｈ_２Ｏによるものが、１．７７ポイント（２．１８×６２．８÷（６２．８＋１４．６））、ＣＯ_２によるものが、０．４１１ポイント（２．１８×１４．６÷（６２．８＋１４．６））と試算される。

【0145】

なお、燃料電池システムの効率（システム効率）ηは、一般的に以下の式（１）で表される。
η＝−（ｎＦ／ΔＨ）×Ｖ×Ｕｆ×η_ａｕｘ×η_ｉｎｖ （１）
ここで、ｎは反応電子数、Ｆはファラデー定数、ΔＨは発熱量、Ｖは固体酸化物形燃料電池セルの作動温度、Ｕｆはシステム全体の燃料利用率、η_ａｕｘは補機効率、η_ｉｎｖはインバータ効率を表す。式（１）中、−（ｎＦ／ΔＨ）は、燃料により決まる値であり、Ｕｆ、η_ａｕｘ、η_ｉｎｖが同じ値である場合、作動電圧Ｖに比例してシステム効率は向上する。

【0146】

〔本発明の一例の燃料電池システムのシステム効率〕
次に、本発明の一例の燃料電池システムのシステム効率について検討する。
ここで第１の燃料電池スタックから排出されるアノードオフガスから透過係数比α１の値又は透過係数比α２に従い水素が分離膜の透過側に透過する場合、システム効率は図１１又は図１２のように変化する。ここで、第１の燃料電池スタックの燃料利用率は７０％とする。

【0147】

図１１に示すように、α１＝２９の場合、システム効率は、前述の通常の燃料電池システムのシステム効率と同様に６０．０％となる。したがって、α１＜２９のときにシステム効率は６０．０％未満となり、第１の燃料電池スタックから排出されるアノードオフガスから二酸化炭素を除去することによって得られたシステム効率向上の影響よりも、水素が分離膜の透過側に透過するＨ_２リークによるシステム効率低下の影響のほうが大きくなると推測される。したがって、本発明の一例の燃料電池システムでは、システム効率を高める観点から、α１＞２９とすることが好ましい。

【0148】

また、例えば、α１＝５７の場合、システム効率は６０．２０９％となる。このとき、Ｈ_２リークによるシステム効率低下の影響０．２０２ポイント（６０．４１１−６０．２０９）よりも、第１の燃料電池スタックから排出されるアノードオフガスから二酸化炭素を除去することによって得られたシステム効率向上の影響（０．４１１ポイント）のほうが約２倍大きいといえる。

【0149】

図１２に示すように、α２＝２９の場合、システム効率は、前述の通常の燃料電池システムのシステム効率と同様に６０．０％となる。したがって、α２＜２９のときにシステム効率は６０．０％未満となり、第１の燃料電池スタックから排出されるアノードオフガスから水蒸気を除去することによって得られたシステム効率向上の影響よりも、水素が分離膜の透過側に透過するＨ_２リークによるシステム効率低下の影響のほうが大きくなると推測される。したがって、本発明の一例の燃料電池システムでは、システム効率を高める観点から、α２＞２９とすることが好ましい。

【0150】

また、例えば、α２＝５７の場合、システム効率は６０．８７７％となる。このとき、Ｈ_２リークによるシステム効率低下の影響０．８９３ポイント（６１．７７−６０．８７７）よりも、第１の燃料電池スタックから排出されるアノードオフガスから水蒸気を除去することによって得られたシステム効率向上の影響（１．７７ポイント）のほうが約２倍大きいといえる。

【符号の説明】

【0151】

１０、２０、３０、４０、５０、１００、２００、３００、４００、５００…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、１６Ａ…供給側、１６Ｂ…透過側、１８…燃焼部、１９…改質部、２１、２２、３１、４１、４３…熱交換器、２４…原料ガス供給経路、２５…ブロワ、２６、３７…水蒸気供給経路、２８…リサイクルブロワ、３２…水タンク、３３…改質水供給経路、３４…改質水ポンプ、４２…燃料ガス供給経路、４４…空気供給経路、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

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】