(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】
(24)【登録日】2022-09-27
(45)【発行日】2022-10-05
(54)【発明の名称】二酸化炭素回収型燃料電池発電システム
(51)【国際特許分類】
H01M 8/04 20160101AFI20220928BHJP
H01M 8/12 20160101ALI20220928BHJP
H01M 8/0444 20160101ALI20220928BHJP
H01M 8/04746 20160101ALI20220928BHJP
H01M 8/10 20160101ALN20220928BHJP
【ＦＩ】
H01M8/04 Z
H01M8/12 101
H01M8/0444
H01M8/04746
H01M8/10 101
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2018153855
(22)【出願日】2018-08-20
(65)【公開番号】P2020030890
(43)【公開日】2020-02-27
【審査請求日】2021-03-08
(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】川端 康晴
(72)【発明者】
【氏名】松崎 良雄
【審査官】笹岡 友陽
(56)【参考文献】
【文献】特開平０５－２１７５９３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－１４１９６８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－２６８１１７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００２－２９８８８０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００９－０８７８７６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１２－１６４４２３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００１－０２３６５６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－１９６８９０（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｍ ８／０４
Ｈ０１Ｍ ８／１２
Ｈ０１Ｍ ８／０４４４
Ｈ０１Ｍ ８／０４７４６
Ｈ０１Ｍ ８／１０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
炭素化合物を含み燃料極へ供給される燃料ガスと、酸素を含み空気極へ供給される酸化剤ガスと、により発電し、前記燃料極から燃料極オフガスが送出され前記空気極から空気極ガスが送出される燃料電池と、前記空気極から空気極オフガス管へ送出された空気極オフガスの一部を分岐する分岐空気極オフガス流路と、
前記分岐空気極オフガス流路と接続されて前記空気極オフガスが供給され、前記空気極オフガスから酸素を分離する酸素分離部と、
前記酸素分離部へ供給される前記空気極オフガスの流量を調整する流量調整部と、
前記酸素分離部で分離された酸素と前記燃料極オフガスとを燃焼反応させる燃焼部と、
前記燃焼部から送出される燃焼オフガスから二酸化炭素リッチガスを分離する二酸化炭素分離部と、
前記燃焼オフガスまたは前記二酸化炭素リッチガスに含まれる可燃ガス及び酸素の少なくとも一方の含有量情報を検出する含有量情報検出部と、
前記含有量情報検出部で検出された前記含有量情報に基づいて、前記流量調整部を制御する制御部と、
を備えた二酸化炭素回収型燃料電池発電システム。
【請求項2】
前記含有量情報検出部は、さらに前記二酸化炭素リッチガスに含まれる水蒸気量を検出し、前記制御部は、前記含有量情報検出部に検出された水蒸気量に基づいて前記二酸化炭素分離部における水蒸気凝縮量を制御する、請求項１に記載の二酸化炭素回収型燃料電池発電システム。
【請求項3】
前記燃料電池は、水素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池である、請求項１または請求項２に記載の二酸化炭素回収型燃料電池発電システム。
【請求項4】
前記燃料電池は、酸素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池である、請求項１または請求項２に記載の二酸化炭素回収型燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は二酸化炭素回収型燃料電池発電システムに関し、特に炭素化合物燃料を用いて発電を行い、発電に伴って発生する二酸化炭素を回収可能な二酸化炭素回収型燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【0002】
燃料電池発電システムにおいて、炭素化合物燃料を用いる場合には、燃料電池セルスタックの燃料極から排出される燃料極オフガスに二酸化炭素が含まれている。この二酸化炭素を回収することが行われているが、燃料極オフガスには二酸化炭素以外の成分が混在している。そこで、例えば、特許文献１には、燃料極オフガスを酸素燃焼させ、さらに水を凝縮により除去して二酸化炭素を回収する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１２－１６４４２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
このように、燃料極オフガスを酸素燃焼させた後に二酸化炭素を回収する場合、燃焼用に供する酸素の量を適量にして、燃焼オフガスに酸素や燃料ガスが残らないようにすることが好ましい。特許文献１では、酸素供給量を調整するために酸素供給用ＳＯＦＣを用いている。しかしながら、酸素供給用ＳＯＦＣを用いて酸素を供給する場合、供給量の調整は酸素供給用ＳＯＦＣの駆動制御と連動させる必要があるため難しい。
【0005】
本発明は上記事実を考慮して成されたもので、簡易な調整により燃料極オフガスから高濃度の二酸化炭素を回収することが可能な二酸化炭素回収型燃料電池発電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】
【0006】
請求項１記載の発明に係る二酸化炭素回収型燃料電池発電システムは、炭素化合物を含み燃料極へ供給される燃料ガスと、酸素を含み空気極へ供給される酸化剤ガスと、により発電し、前記燃料極から燃料極オフガスが送出され前記空気極から空気極ガスが送出される燃料電池と、前記空気極から空気極オフガス管へ送出された空気極オフガスの一部を分岐する分岐空気極オフガス流路と、前記分岐空気極オフガス流路と接続されて前記空気極オフガスが供給され、前記空気極オフガスから酸素を分離する酸素分離部と、前記酸素分離部へ供給される前記前記空気極オフガスの流量を調整する流量調整部と、前記酸素分離部で分離された酸素と前記燃料極オフガスとを燃焼反応させる燃焼部と、前記燃焼部から送出される燃焼オフガスから二酸化炭素リッチガスを分離する二酸化炭素分離部と、を備えている。
【0007】
請求項１に係る二酸化炭素回収型燃料電池発電システムは、燃料電池を備えている。燃料電池では、燃料極へ供給された燃料ガスと空気極へ供給された酸化剤ガスにより発電が行われる。燃料極からは燃料極オフガスが送出され、空気極からは空気極オフガスが送出される。空気極から送出された空気極オフガスは、一部が分岐空気極オフガス流路へ分岐されて酸素分離部へ供給される。酸素分離部へ供給される空気極オフガスの流量は、流量調整部により調整される。酸素分離部では、空気極オフガスから酸素が分離され、分離された酸素により燃料極オフガス中の可燃成分が燃焼部で燃焼され、燃焼部から燃焼オフガスが送出される。燃焼オフガスは二酸化炭素分離部へ送出され、燃焼オフガスから二酸化炭素リッチガスが分離される。
【0008】
請求項１に係る二酸化炭素回収型燃料電池発電システムでは、空気極から送出された空気極オフガスの一部が分岐空気極オフガス流路へ分岐されているので、流量調整部で流量を調整することにより、容易に酸素分離部へ供給される空気極オフガスの流量を調整することができる。これにより、酸素分離部から燃焼部への酸素供給量についても簡易に調整することができ、調整により、燃料極オフガスから高濃度の二酸化炭素を回収することができる。
【0009】
請求項１記載の発明に係る二酸化炭素回収型燃料電池発電システムは、前記燃焼オフガスまたは前記二酸化炭素リッチガスに含まれる可燃ガス及び酸素の少なくとも一方の含有量情報を検出する含有量情報検出部と、前記含有量情報検出部で検出された前記含有量情報に基づいて、前記流量調整部を制御する制御部と、を備えている。
【0010】
請求項１に係る二酸化炭素回収型燃料電池発電システムでは、含有量情報検出部により、燃焼オフガスまたは二酸化炭素リッチガスに含まれる可燃ガス及び酸素の少なくとも一方の含有量情報が検出され、当該含有量情報に基づいて、制御部によって流量調整部が制御される。これにより、酸素分離部へ供給される空気極オフガスの流量が制御され、酸素分離部へ供給される空気極オフガスの流量が調整されることにより、二酸化炭素リッチガスの二酸化炭素濃度を高くすることができる。
【0011】
請求項２記載の発明に係る二酸化炭素回収型燃料電池発電システムは、前記含有量情報検出部は、さらに前記二酸化炭素リッチガスに含まれる水蒸気量を検出し、前記制御部は、検出された水蒸気量に基づいて前記二酸化炭素分離部における水蒸気凝縮量を制御する。
【0012】
請求項２に係る二酸化炭素回収型燃料電池発電システムでは、含有量情報検出部により、二酸化炭素リッチガスに含まれる水蒸気量が検出され、当該含有量情報に基づいて、制御部によって二酸化炭素分離部における水蒸気凝縮量が制御される。これにより、二酸化炭素リッチガスに含まれる水蒸気量が少なくなることから、二酸化炭素リッチガスの二酸化炭素濃度を高くすることができる。
【0013】
請求項３記載の発明に係る二酸化炭素回収型燃料電池発電システムは、前記燃料電池は、水素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池（ＰＣＦＣ：Proton Ceramic Solid Oxide Fuel Cell）である。
【0014】
水素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池では、空気極側で発電反応による水蒸気が生成される。したがって、燃料極オフガスに含まれる水蒸気の量は少なくなるため、燃焼後の燃焼オフガスから除去する水蒸気の量を少なくすることができる。
【0015】
請求項４記載の発明に係る二酸化炭素回収型燃料電池発電システムは、前記燃料電池は、酸素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）である。
【0016】
酸素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池では、炭素化合物である一酸化炭素が発電反応に利用されるので、発電効率を向上させることができる。
【発明の効果】
【0017】
本発明に係る二酸化炭素回収型燃料電池発電システムによれば、簡易な調整により燃料極オフガスから高濃度の二酸化炭素を回収することができる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】第１実施形態に係る燃料電池発電システムの概略図である。
【図2】第１実施形態に係る燃料電池発電システムの制御系のブロック図である。
【図3】第１実施形態の流量調整処理のフローチャートである。
【図4】第１実施形態の冷却水温度調整処理のフローチャートである。
【図5】第２実施形態に係る燃料電池発電システムの概略図である。
【図6】第３実施形態に係る燃料電池発電システムの概略図である。
【図7】第４実施形態に係る燃料電池発電システムの概略図である。
【図8】第５実施形態に係る燃料電池発電システムの概略図である。
【図9】第６実施形態に係る燃料電池発電システムの概略図である。
【図10】第７実施形態に係る燃料電池発電システムの概略図である。
【図11】第８実施形態に係る燃料電池発電システムの概略図である。
【図12】第９実施形態に係る燃料電池発電システムの概略図である。
【図13】第１実施形態の変形例に係る燃料電池発電システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
以下、図面を参照して本発明の実施形態の一例を詳細に説明する。
【0020】
〔第１実施形態〕
図１には、本発明の二酸化炭素回収型燃料電池発電システムの一例としての第１実施形態に係る燃料電池発電システム１０Ａが示されている。燃料電池発電システム１０Ａは、主要な構成として、第１燃料電池セルスタック１２、第２燃料電池セルスタック１４、酸素透過膜付燃焼器２０、凝縮器２６、二酸化炭素回収タンク２８、第１熱交換器３０、第２熱交換器３２、排熱投入型吸収式冷凍機３６、水タンク２７を備えている。また、図２に示されるように、燃料電池発電システム１０Ａを制御する制御部４０を備えている。
図１には、本発明の二酸化炭素回収型燃料電池発電システムの一例としての第１実施形態に係る燃料電池発電システム１０Ａが示されている。燃料電池発電システム１０Ａは、主要な構成として、第１燃料電池セルスタック１２、第２燃料電池セルスタック１４、酸素透過膜付燃焼器２０、凝縮器２６、二酸化炭素回収タンク２８、第１熱交換器３０、第２熱交換器３２、排熱投入型吸収式冷凍機３６、水タンク２７を備えている。また、図２に示されるように、燃料電池発電システム１０Ａを制御する制御部４０を備えている。
【0021】
第１燃料電池セルスタック１２は、水素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池（ＰＣＦＣ：Proton Ceramic Solid Oxide Fuel Cell）であり、電解質層１２Ｃと、当該電解質層１２Ｃの表裏面にそれぞれ積層された第１燃料極（燃料極）１２Ａ、及び第１空気極（空気極）１２Ｂと、を有している。
【0022】
なお、第２燃料電池セルスタック１４についての基本構成は、第１燃料電池セルスタック１２と同様であり、第１燃料極１２Ａに対応する第２燃料極１４Ａ、第１空気極１２Ｂに対応する第２空気極１４Ｂ、及び電解質層１２Ｃに対応する電解質層１４Ｃを有している。
【0023】
第１燃料電池セルスタック１２の第１燃料極１２Ａには、燃料ガス管Ｐ１の一端が接続されており、燃料ガス管Ｐ１の他端は図示しないガス源に接続されている。ガス源からは、燃料供給ブロワＢ１により燃料ガスが第１燃料極１２Ａへ送出される。なお、本実施形態では、燃料ガスとしてメタンを用いるが、改質により水素を生成可能なガスであれば特に限定されず、炭化水素燃料を用いることができる。炭化水素燃料としては、天然ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）、バイオガス、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、本実施形態で用いるメタンが好ましい。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は天然ガス、都市ガス、ＬＰガス等のガスであってもよい。原料ガスに不純物が含まれる場合、脱硫器等が必要になるが、図では省略されている。
【0024】
燃料ガス管Ｐ１には、水蒸気管Ｐ２が合流接続されており、不図示の水蒸気源から、起動時や停止時などに、適宜水蒸気が送り込まれる。メタン及び水蒸気は燃料ガス管Ｐ１で合流され、第１燃料極１２Ａへ供給される。なお、本実施形態では、後述するように第２燃料極オフガスの一部が第１燃料極１２Ａへ戻されて水蒸気が再利用されるため、水蒸気管Ｐ２からの水蒸気は、燃料電池発電システム１０Ａの起動や停止工程において、必要時に補充的に供給される。
【0025】
第１燃料極１２Ａでは、下記（１）式に示すように、燃料ガスが水蒸気改質され、水素と一酸化炭素が生成される。また、下記（２）式に示すように、生成された一酸化炭素と水とのシフト反応により二酸化炭素と水素が生成される。
【0026】
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ …（１）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２ …（２）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２ …（２）
【0027】
そして、第１燃料極１２Ａにおいて、下記（３）式に示すように、水素が水素イオンと電子とに分離される。
【0028】
（燃料極反応）
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ－…（３）
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ－…（３）
【0029】
水素イオンは、電解質層１２Ｃを通って第１空気極１２Ｂへ移動する。電子は、外部回路（不図示）を通って第１空気極へ移動する。これにより、第１燃料電池セルスタック１２において発電される。発電時に、第１燃料電池セルスタック１２は、発熱する。
【0030】
第１燃料電池セルスタック１２の第１空気極１２Ｂには、酸化剤ガス管Ｐ５から酸化剤ガス（空気）が供給される。酸化剤ガス管Ｐ５へは、酸化剤ガスブロワＢ２により空気が導入されている。酸化剤ガス管Ｐ５には、第２熱交換器３２が設けられており、酸化剤ガス管Ｐ５を流れる空気が、後述する空気極オフガス管Ｐ６を流れる空気極オフガスと熱交換により加熱される。加熱された空気は、第１空気極１２Ｂへ供給される。
【0031】
第１空気極１２Ｂでは、下記（４）式に示すように、電解質層１２Ｃを通って第１燃料極１２Ａから移動してきた水素イオン、外部回路を通って第１燃料極１２Ａから移動した電子が、酸化剤ガス中の酸素と反応して水蒸気が生成される。
【0032】
（空気極反応）
２Ｈ＋＋２ｅ－＋１／２Ｏ２ →Ｈ２Ｏ …（４）
２Ｈ＋＋２ｅ－＋１／２Ｏ２ →Ｈ２Ｏ …（４）
【0033】
また、第１空気極１２Ｂには、空気極オフガス管Ｐ６が接続されている。第１空気極１２Ｂから空気極オフガス管Ｐ６へ空気極オフガスが排出される。なお、酸化剤ガス管Ｐ５及び空気極オフガス管Ｐ６は、第２空気極１４Ｂとも同様に接続されており、第１空気極１２Ｂ及び第２空気極１４Ｂは、並列的に接続されている。
【0034】
第１燃料電池セルスタック１２の第１燃料極１２Ａには第１燃料極オフガス管Ｐ７の一端が接続されており、第１燃料極オフガス管Ｐ７の他端は第２燃料電池セルスタック１４の第２燃料極１４Ａに接続されている。第１燃料極１２Ａから第１燃料極オフガス管Ｐ７へ第１燃料極オフガスが送出される。燃料極オフガスには、未改質の燃料ガス成分、未反応の水素、未反応の一酸化炭素、二酸化炭素及び水蒸気等が含まれている。
【0035】
第２燃料電池セルスタック１４の第２燃料極１４Ａには、第２燃料極オフガス管Ｐ７－２の一端が接続されており、第２燃料極１４Ａから、第２燃料極オフガスが送出される。第２燃料極オフガス管Ｐ７－２の他端は、酸素透過膜付燃焼器２０と接続されている。第２燃料極オフガス管Ｐ７－２からは、循環ガス管Ｐ３が分岐されており、循環ガス管Ｐ３は、第１燃料極１２Ａへ接続される燃料ガス管Ｐ１と接続されている。循環ガス管Ｐ３には、循環ガスブロアＢ３が設けられている。
【0036】
第２燃料電池セルスタック１４では、第１燃料電池セルスタック１２と同様の発電反応が行われ、第２空気極１４Ｂから空気極オフガス管Ｐ６へ空気極オフガスが送出される。第２空気極１４Ｂと接続された空気極オフガス管Ｐ６は、第１空気極１２Ｂと接続された空気極オフガス管Ｐ６との合流部よりも上流側で分岐されており、分岐空気極オフガス管Ｐ６－２が形成されている。分岐空気極オフガス管Ｐ６－２には、流量調整可能な流量調整バルブ４２が設けられている。流量調整バルブ４２は、制御部４０と接続されている。流量調整バルブ４２は、制御部４０により制御され、分岐空気極オフガス管Ｐ６－２へ分岐する空気極オフガス流量が調整される。分岐空気極オフガス管Ｐ６－２の下流端は、酸素透過膜付燃焼器２０と接続されている。
【0037】
酸素透過膜付燃焼器２０は、多重円筒状とされており、多重円筒の外周筒を形成する燃焼部２２と、燃焼部２２の径方向内側に配置された酸素分離部２４を有している。燃焼部２２内には、燃焼空間２２Ａが形成されている。
【0038】
酸素分離部２４は、燃焼部２２の径方向内側に配置されており、燃焼空間２２Ａに隣接して空気流路２４Ａが形成されている。空気流路２４Ａと燃焼空間２２Ａとは、酸素透過膜２３により仕切られている。酸素透過膜２３には、例えば、ＬＳＣＦなどの電子と酸素イオンの混合導電性セラミクスや、ＹＳＺなどの酸素イオン導電性のセラミクス緻密膜を用いることができる。第２燃料極オフガス管Ｐ７－２の他端は、燃焼空間２２Ａの入口に接続され、分岐空気極オフガス管Ｐ６－２の下流端は、空気流路２４Ａの入口に接続されている。燃焼空間２２Ａの内部には、酸化触媒が配されている。酸化触媒としては、例えば、ニッケルやルテニウムなどを用いることができる。
【0039】
第２空気極オフガスは、空気流路２４Ａに供給され、第２空気極オフガスに含まれている酸素が酸素透過膜２３を透過して燃焼空間２２Ａへ移動する。燃焼空間２２Ａへ移動しない第２空気極オフガスは、空気流路２４Ａの出口側に接続された排気管Ｐ１２から外部へ排気される。
【0040】
第２燃料極オフガスは、燃焼空間２２Ａに供給され、酸素分離部２４から酸素透過膜２３を透過して移動した酸素と混合される。これにより、酸化触媒を介して、第２燃料極オフガス中の可燃ガス成分（未改質のメタン、未反応の水素、未反応の一酸化炭素等）と酸素とで燃焼反応が生じ、二酸化炭素と水蒸気が生成される。燃焼空間２２Ａの出口側には、燃焼オフガス管Ｐ８が接続されており、燃焼空間２２Ａから燃焼オフガスが送出される。
【0041】
燃焼オフガス管Ｐ８は、第１熱交換器３０を経由し、他端が凝縮器２６に接続されている。第１熱交換器３０では、燃料ガスと燃焼オフガスとの熱交換により、燃料ガスが加熱される。凝縮器２６には、冷却水循環流路２６Ａが配管されており、後述する排熱投入型吸収式冷凍機３６からの冷却水がポンプ２６Ｐの駆動により循環供給され、燃焼オフガスが冷却される。これにより、燃焼オフガス中の水蒸気が凝縮する。凝縮した水は水配管Ｐ９を介して水タンク２７へ送出される。水タンク２７には、配管Ｐ１１の一端が接続されており、配管Ｐ１１の他端は、２分岐されて、冷却塔３８及び冷却水循環流路２６Ａと接続されている。
【0042】
水蒸気が分離除去された燃焼オフガスは、二酸化炭素ガス管Ｐ１０へ送出される。凝縮器２６で水（液相）が除去された燃焼オフガスは、二酸化炭素濃度の高いガスとなっており、当該燃焼オフガスを二酸化炭素リッチガスと称する。二酸化炭素ガス管Ｐ１０には、組成検出部４４が設けられている。組成検出部４４では、凝縮器２６から送出された二酸化炭素リッチガスの組成が検出される。具体的には、メタン、一酸化炭素、水素などの可燃ガスの濃度、二酸化炭素、酸素の各々の濃度が検出される。組成検出部４４は、制御部４０と接続されており、検出された二酸化炭素リッチガスの組成情報が制御部４０へ送信される。
【0043】
二酸化炭素ガス管Ｐ１０は、組成検出部４４よりも下流側で分岐されており、分岐の一方の二酸化炭素ガス管Ｐ１０－１は二酸化炭素回収タンク２８へ接続されている。分岐の他方の二酸化炭素ガス管Ｐ１０－２は、二酸化炭素供給ライン２９へ接続されている。二酸化炭素ガス管Ｐ１０－１及び二酸化炭素ガス管Ｐ１０－２には、開閉バルブＶ１、Ｖ２が各々に設けられている。二酸化炭素ガス管Ｐ１０の前述した分岐よりも上流側には、二酸化炭素用ブロアＢ４が設けられている。
【0044】
第１空気極１２Ｂ及び第２空気極１４Ｂからの空気極オフガス管Ｐ６が合流された合流部よりも下流側には、第２熱交換器３２が設けられている。第２熱交換器３２では、空気極オフガス管Ｐ６を流れる空気極オフガスと酸化剤ガス管Ｐ５を流れる酸化剤ガスとの間で熱交換が行われ、酸化剤ガスが加熱され、空気極オフガスが冷却される。空気極オフガスは、第２熱交換器３２を経て、排熱投入型吸収式冷凍機３６へ供給される。
【0045】
排熱投入型吸収式冷凍機３６は、排熱を用いて冷熱を生成するヒートポンプであり、一例として蒸気／排熱投入型吸収式冷凍機を用いることができる。蒸気／排熱投入型吸収式冷凍機では、空気極オフガスの熱により、水蒸気を吸収した吸収液（例えば、臭化リチウム水溶液やアンモニア水溶液）を加熱することにより吸収液から水を分離させて再生する。吸収液を加熱して冷却された空気極オフガスは、水蒸気が凝縮され、凝縮水は水配管Ｐ３６－２により水タンク２７へ供給される。水蒸気が凝縮除去された後の空気極オフガスは、排気管Ｐ３６－１に送出され、排熱投入型吸収式冷凍機３６の外部に排気される。
【0046】
加熱により再生された吸収液は、水蒸気を吸収することにより水の蒸発を促進し、冷熱の生成に寄与する。排熱投入型吸収式冷凍機３６は、放熱回路３７を介して冷却塔３８と接続されている。放熱回路３７には、ポンプ３７Ｐが設置されており、ポンプ３７Ｐにより放熱回路３７に冷却水が供給される。排熱投入型吸収式冷凍機３６で吸収液が水蒸気を吸収するときに生じる吸収熱は、放熱回路３７を流れる冷却水を介して冷却塔３８から大気へ放出される。
【0047】
排熱投入型吸収式冷凍機３６で生成された冷熱は、冷却水循環流路２６Ａを流れる冷却水を介して凝縮器２６へ送られ、凝縮器２６で燃焼オフガスが冷却され、さらに燃焼オフガス中の水蒸気が凝縮除去される。
【0048】
水タンク２７は、冷却水循環流路２６Ａ、放熱回路３７、及び、排熱投入型吸収式冷凍機３６の熱媒としての水が流れる熱媒流路（不図示）と接続されている。冷却水循環流路２６Ａ、放熱回路３７、及び、熱媒流路では、水が不足した場合に、水タンク２７から適宜水が補充される。
【0049】
制御部４０は燃料電池発電システム１０Ａの全体を制御するものであり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、メモリ等を含んで構成されている。メモリには、後述する流量調整処理、冷却水温度調整処理や、通常運転時の処理に必要なデータや手順等が記憶されている。図２に示されるように、制御部４０は、流量調整バルブ４２、組成検出部４４、排熱投入型吸収式冷凍機３６、開閉バルブＶ１、開閉バルブＶ２と接続されている。流量調整バルブ４２、組成検出部４４、排熱投入型吸収式冷凍機３６、開閉バルブＶ１、開閉バルブＶ２は、制御部４０により制御される。なお、図２は、燃料電池発電システム１０Ａにおける制御部４０の接続関係の一部を示すものであり、図２では図示していないが、制御部４０は他の機器とも接続されている。
【0050】
燃料電池発電システム１０Ａにおいて、ポンプ、ブロワ、その他の補機は、燃料電池発電システム１０Ａで発電された電力により駆動される。燃料電池発電システム１０Ａで発電された電力を直流のままで交流に変換することなく効率よく利用するために、補機は直流電流により駆動するものであることが好ましい。
【0051】
次に、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ａの動作について説明する。
【0052】
燃料電池発電システム１０Ａにおいては、燃料供給ブロワＢ１により、ガス源からメタンが燃料ガス管Ｐ１へ送出され、第１熱交換器３０を経ることで加熱され、第１燃料極１２Ａへ供給される。水蒸気管Ｐ２からは、水蒸気改質用の水蒸気が燃料ガス管Ｐ１を介して第１燃料極１２Ａへ供給される。なお、水蒸気の供給は、起動時及び不足時であり、定格運転時には、後述するように、循環ガス管Ｐ３から戻される第２燃料極オフガス中の水蒸気が改質水として利用される。
【0053】
第１燃料電池セルスタック１２の第１燃料極１２Ａでは、燃料ガスが水蒸気改質され、水素と一酸化炭素が生成される。また、生成された一酸化炭素と水とのシフト反応により二酸化炭素と水素が生成される。
【0054】
第１燃料電池セルスタック１２の第１空気極１２Ｂには、空気が酸化剤ガス管Ｐ５を経て供給される。第１燃料電池セルスタック１２では、第１燃料極１２Ａ及び第１空気極１２Ｂにおいて水素イオンが移動すると共に前述の反応が生じ、発電が行われる。第１燃料電池セルスタック１２の第１燃料極１２Ａからは、第１燃料極オフガス管Ｐ７へ第１燃料極オフガスが送出される。また、第１空気極１２Ｂからは、空気極オフガス管Ｐ６へ空気極オフガスが送出される。
【0055】
第１燃料極１２Ａから送出された第１燃料極オフガスは、第１燃料極オフガス管Ｐ７に導かれ、第２燃料電池セルスタック１４の第２燃料極１４Ａへ供給される。第２燃料電池セルスタック１４の第２空気極１４Ｂには、空気が酸化剤ガス管Ｐ５を経て供給される。第２燃料電池セルスタック１４でも第１燃料電池セルスタック１２と同様に発電が行われる。第２燃料電池セルスタック１４の第２燃料極１４Ａからは、第２燃料極オフガス管Ｐ７－２へ第２燃料極オフガスが送出される。また、第２空気極１４Ｂからは、空気極オフガス管Ｐ６へ空気極オフガスが送出される。第２空気極１４Ｂから送出された空気極オフガスは、一部が分岐空気極オフガス管Ｐ６－２へ分岐され、その他は第１空気極１２Ｂから送出された空気極オフガスと合流される。
【0056】
空気極オフガスは、第２熱交換器３２を経て排熱投入型吸収式冷凍機３６へ供給される。第２熱交換器３２では、空気極オフガスと酸化剤ガスとの間で熱交換が行われ、空気極オフガスによって酸化剤ガスが加熱される。排熱投入型吸収式冷凍機３６では、前述のように、空気極オフガスの熱を利用して冷熱が生成される。
【0057】
第２燃料極オフガスは、一部が循環ガス管Ｐ３へ分岐し、第１燃料極１２Ａへ戻される。その他の第２燃料極オフガスは、酸素透過膜付燃焼器２０の燃焼部２２へ供給され、燃焼空間２２Ａを流れる。
【0058】
分岐空気極オフガス管Ｐ６－２へ分岐された空気極オフガスは、酸素透過膜付燃焼器２０の酸素分離部２４へ供給される。酸素分離部２４へ供給された空気極オフガスは、空気流路２４Ａを流れる。空気流路２４Ａにおいて、空気極オフガスに含まれる酸素は、酸素透過膜２３を透過して燃焼空間２２Ａ側へ移動する。燃焼空間２２Ａでは、第２燃料極オフガス中の可燃ガス（メタン、水素、一酸化炭素等）と酸素の燃焼反応が生じ、二酸化炭素と水蒸気が生成される。二酸化炭素及び水蒸気を含む燃焼オフガスは、燃焼空間２２Ａから燃焼オフガス管Ｐ８へ送出される。燃焼オフガス管Ｐ８へ送出された燃焼オフガスは、第１熱交換器３０を経て凝縮器２６へ供給される。
【0059】
凝縮器２６へ供給された燃焼オフガスは、冷却水循環流路２６Ａを介して循環供給される排熱投入型吸収式冷凍機３６からの冷却水により冷却され、燃焼オフガス内の水蒸気が凝縮される。凝縮された水は水配管Ｐ９を介して水タンク２７へ送出される。水タンク２７には、水が貯留され、当該貯留水により、冷却塔３８の放熱回路３７及び排熱投入型吸収式冷凍機３６の冷却水循環流路２６Ａにおける冷却水が適宜補充される。
【0060】
凝縮器２６で水蒸気が除去された燃焼オフガスは、二酸化炭素濃度の高い二酸化炭素リッチガスとなり、二酸化炭素用ブロアＢ４により二酸化炭素ガス管Ｐ１０へ送出され、組成検出部４４に送られる。組成検出部４４では、二酸化炭素リッチガスの組成が検出され、検出された情報が制御部４０へ送信される。
【0061】
制御部４０は、組成検出部４４から送信された組成情報に基づいて、流量調整バルブ４２を制御して分岐空気極オフガス管Ｐ６－２へ分岐する空気極オフガス量を調整すると共に、排熱投入型吸収式冷凍機３６で冷却水循環流路２６Ａへ送る冷却水の温度を制御する。具体的には、制御部４０では、以下の流量調整処理、冷却水温度調整処理が実行される。
【0062】
図３に示されるように、流量調整処理では、ステップＳ１０で、組成検出部４４で検出された二酸化炭素リッチガスの組成情報において、可燃ガスの濃度が閾値Ｇ１以内かどうかを判断する。ここで、閾値Ｇ１は、二酸化炭素リッチガスにおいて十分に低い濃度であり０．１～５ｖｏｌ％程度を設定することができ、０．１～１ｖｏｌ％の範囲であることがより好ましい。可燃ガスの濃度が閾値Ｇ１よりも高い場合には、ステップＳ１２で流量調整バルブ４２を制御して、分岐空気極オフガス管Ｐ６－２へ分岐する空気極オフガスの流量を増加させる。これにより、酸素透過膜２３を透過して燃焼空間２２Ａへ移動する酸素の量が増加し、燃焼空間２２Ａで燃焼反応させることにより、二酸化炭素リッチガスに含まれる可燃ガスを減少させることができる。
【0063】
ステップＳ１０で、可燃ガスの濃度が閾値Ｇ１以下の場合には、ステップＳ１４で、組成検出部４４で検出された二酸化炭素リッチガスの組成情報において、酸素の濃度が閾値Ｏ１以内かどうかを判断する。ここで、閾値Ｏ１は、二酸化炭素リッチガスにおいて十分に低い濃度であり０．１～５ｖｏｌ％程度を設定することができ、０．１～１ｖｏｌ％の範囲であることがより好ましい。酸素の濃度が閾値Ｏ１よりも高い場合には、ステップＳ１６で流量調整バルブ４２を制御して、分岐空気極オフガス管Ｐ６－２へ分岐する空気極オフガスの流量を減少させる。これにより、酸素透過膜２３を透過して燃焼空間２２Ａへ移動する酸素の量が減少し、燃焼空間２２Ａで燃焼反応に供されずに残る酸素を減少させることができる。
【0064】
ステップＳ１２、Ｓ１４、Ｓ１６の後、ステップＳ１０へ戻り、前述の処理を繰り返す。この流量調整処理は、燃料電池発電システム１０Ａの運転開始により開始され、運転中は継続され、運転停止により終了する。
【0065】
また、図４に示されるように、凝縮量調整処理では、ステップＳ２０で、組成検出部４４で検出された二酸化炭素リッチガスの組成情報において、水蒸気の濃度が閾値Ｍ以内かどうかを判断する。ここで、閾値Ｍは、二酸化炭素リッチガスにおいて十分に低い濃度であり０．１～５ｖｏｌ％程度を設定することができ、０．１～１ｖｏｌ％の範囲であることがより好ましい。水蒸気の濃度が閾値Ｍよりも高い場合には、ステップＳ２２で、凝縮強化を行う。具体的には、排熱投入型吸収式冷凍機３６を制御して冷却水循環流路２６Ａへ送る冷却水の温度を低下させたり、冷却水の循環流量を増加させたりする。これにより、凝縮器２６で凝縮により燃焼オフガスから分離される水の量が増加し、二酸化炭素リッチガスに含有される水蒸気の割合を小さくすることができる。
【0066】
ステップＳ２０、Ｓ２２の後、ステップＳ２０へ戻り、前述の処理を繰り返す。本凝縮量調整処理は、燃料電池発電システム１０Ａの運転開始により開始され、運転中は継続され、運転停止により終了する。
【0067】
二酸化炭素ガス管Ｐ１０へ送出された二酸化炭素リッチガスは、要求に応じて二酸化炭素回収タンク２８、または、二酸化炭素供給ラインへ送られる。二酸化炭素回収タンク２８へ送られる場合には、開閉バルブＶ１を開放、開閉バルブＶ２を閉鎖する。二酸化炭素ラインへ送られる場合には、開閉バルブＶ１を閉鎖、開閉バルブＶ２を開放する。
【0068】
本実施形態の燃料電池発電システム１０Ａでは、第２燃料電池セルスタック１４の第２燃料極１４Ａから送出された第２燃料極オフガスが燃焼部２２で燃焼されるので、第２燃料電池セルスタック１４での発電に供される前の第１燃料極オフガスを燃焼する場合と比較して、第２燃料電池セルスタック１４の発電に供される未反応燃料ガス量が多くなる。したがって、第２燃料電池セルスタック１４での発電効率を高めることができる。
【0069】
また、燃焼部２２では、第２燃料極オフガスに含まれている可燃ガスと酸素との燃焼反応により二酸化炭素及び水蒸気が生成される。したがって、第２燃料極オフガスから可燃ガスを減じて、高濃度の二酸化炭素を回収することができる。また、燃焼部２２へは、空気極オフガス中の酸素のみが供給されまた、第２燃料極オフガスには、第１燃料極オフガスと比較して含まれる未反応の燃料ガス量が少なく、二酸化炭素の含有率が高い。したがって、燃焼部２２で未反応の燃料ガスを燃焼させる量と、当該未反応の燃料ガスを燃焼させるために必要となる酸素の量を少なくすることができる。
【0070】
また、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ａでは、空気極オフガス管Ｐ６から分岐された分岐空気極オフガス管Ｐ６－２を有し、流量調整バルブ４２により分岐空気極オフガス管Ｐ６－２へ分岐する空気極オフガスの流量が調整されているので、酸素透過膜付燃焼器２０の酸素分離部２４で分離して燃焼部２２へ供給する酸素の量も容易に調整することができる。また、組成検出部４４で検出された二酸化炭素リッチガスの組成情報に基づいて、分岐空気極オフガス管Ｐ６－２へ分岐させる空気極オフガス流量が調整される。これにより、燃焼オフガスに残留する可燃ガス及び酸素の量が所定の閾値よりも低くなるように、燃焼部２２の燃焼空間２２Ａへ流入する酸素量を調整して、二酸化炭素リッチガスの二酸化炭素濃度を高くすることができる。
なお、本実施形態では、流量調整バルブ４２により分岐空気極オフガス管Ｐ６－２へ分岐する空気極オフガスの流量を調整したが、その他の手段、例えば、分岐部での流量割合を調整する分配弁を設けて分岐空気極オフガス管Ｐ６－２へ分岐する空気極オフガスの流量を調整してもよい。
なお、本実施形態では、流量調整バルブ４２により分岐空気極オフガス管Ｐ６－２へ分岐する空気極オフガスの流量を調整したが、その他の手段、例えば、分岐部での流量割合を調整する分配弁を設けて分岐空気極オフガス管Ｐ６－２へ分岐する空気極オフガスの流量を調整してもよい。
【0071】
さらに、本実施形態では、分岐空気極オフガス管Ｐ６－２へ分岐した空気極オフガスを全て酸素分離部２４へ供給したが、流量調整バルブ４２よりも下流側に微調整のためのベントを設けて再調整してもよい。
【0072】
さらに、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ａでは、組成検出部４４で検出された二酸化炭素リッチガスの組成情報に基づいて、凝縮器２６で凝縮させる水の量を調整することにより、二酸化炭素リッチガスの二酸化炭素濃度を高くすることができる。
【0073】
また、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ａでは、燃料電池セルスタックに水素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池を用いているので、第１燃料極１２Ａで水蒸気が生成されない。したがって、第１燃料極オフガスに含まれる水蒸気の量が少なくなるため、第２燃料電池での発電効率を向上させることができる。また、第２燃料極オフガスに含まれる水蒸気の量も少なくなるため、第２燃料極オフガスから除去する水蒸気の量を少なくすることができる。
【0074】
また、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ａでは、燃焼部２２よりも上流側から第２燃料極オフガスの一部を第１燃料極１２Ａへ供給する循環ガス管Ｐ３を備えている。したがって、第２燃料極オフガス中の未反応燃料ガス及び水蒸気の一部を、発電及び燃料ガスの水蒸気改質に、それぞれ再利用することができる
【0075】
また、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ａでは、燃焼部２２を酸素分離部２４の酸素透過膜２３と隣接配置することにより、燃焼部２２と酸素分離部２４が一体形成されたコンパクトな酸素透過膜付燃焼器２０を構成することができる。
【0076】
また、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ａでは、空気極オフガスの熱を排熱投入型吸収式冷凍機３６での冷熱生成に用いるので、第１燃料電池セルスタック１２、第２燃料電池セルスタック１４からの排熱を有効利用することができる。また、空気極オフガスには、水蒸気が多く含まれているので、排熱投入型吸収式冷凍機３６において当該水蒸気が熱交換時に凝縮することにより、凝縮熱も有効に用いることができる。
【0077】
なお、本実施形態では、燃焼オフガス内の水蒸気を凝縮器２６で凝縮させて除去することにより、燃焼オフガスから二酸化炭素を分離したが、その他の手段、例えば、二酸化炭素分離膜で二酸化炭素を分離してもよいし、ＰＳＡ装置により二酸化炭素を分離してもよい。
【0078】
また、本実施形態では、組成検出部４４を二酸化炭素ガス管Ｐ１０に設けたが、燃焼オフガス管Ｐ８に設け、可燃ガス及び酸素の濃度を検出して、検出された可燃ガス及び酸素の濃度に基づいて、制御部４０により流量調整バルブ４２を制御してもよい。
【0079】
また、本実施形態では、第２燃料電池セルスタック１４を備え、第１燃料電池セルスタック１２から送出される燃料極オフガスを第２燃料電池セルスタック１４で燃料ガスとして再利用する多段式の燃料電池発電システムについて説明したが、本発明において、多段式であることは必須ではない。第２燃料電池セルスタック１４を有さない燃料電池発電システムとすることもできる。
【0080】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態では、第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態では、第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
【0081】
本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｂは、図５に示すように、第１実施形態の酸素透過膜付燃焼器２０に代えて、高温酸素製造装置５０、及び、燃焼器５２を備えている。高温酸素製造装置５０、及び、燃焼器５２以外の構成については、第１実施形態と同様である。
【0082】
高温酸素製造装置５０の入口側には、分岐空気極オフガス管Ｐ６－２の下流端が接続されている。高温酸素製造装置５０は、空気極オフガスから酸素を分離する装置であり、一例として、高温下で吸着と脱着を行うＰＳＡ装置を用いることができる。高温酸素製造装置５０の酸素出口側には、酸素供給管ＰＯの一端が接続されている。高温酸素製造装置５０の酸素が分離された後の空気極オフガス出口側には、排気管Ｐ１３が接続されている。酸素供給管ＰＯの他端は、燃焼器５２の入口側に接続されている。排気管Ｐ１３は、燃料電池発電システム１０Ｂの外部に開放されている。
【0083】
燃焼器５２の入口側には、前述の酸素供給管ＰＯの他端と、第２燃料極オフガス管Ｐ７－２の下流端が接続されている。燃焼器５２の内部では、第２燃料極オフガス中の可燃ガス成分（未改質のメタン、未反応の水素、未反応の一酸化炭素等）と、酸素供給管ＰＯから供給される酸素とで燃焼反応が生じ、二酸化炭素と水蒸気が生成される。燃焼器５２の出口側には、燃焼オフガス管Ｐ８が接続されており、燃焼器５２から燃焼オフガスが送出される。
【0084】
次に、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｂの動作について説明する。
【0085】
本実施形態においても、第１実施形態の燃料電池発電システム１０Ａと同様に、第１燃料電池セルスタック１２、第２燃料電池セルスタック１４での発電が行われる。第２空気極１４Ｂから送出され、分岐空気極オフガス管Ｐ６－２へ分岐された第２空気極オフガスは、高温酸素製造装置５０へ供給される。高温酸素製造装置５０では、第２空気極オフガスから酸素が分離され、分離された酸素は、酸素供給管ＰＯを介して燃焼器５２へ供給される。酸素が分離された後の空気極オフガスは、排気管Ｐ１３から外部へ排出される。
【0086】
燃焼器５２では、第２燃料極オフガス中の可燃ガス成分（未改質のメタン、未反応の水素、未反応の一酸化炭素等）と、酸素とで燃焼反応が生じ、二酸化炭素と水蒸気が生成される。燃焼オフガスは、燃焼オフガス管Ｐ８へ送出され、第１実施形態と同様にして凝縮器２６で水が分離され、分離された水が水タンク２７に回収され、二酸化炭素リッチガスは、二酸化炭素回収タンク２８へ回収されるか、二酸化炭素ラインへと供給される。
【0087】
本実施形態においても、燃焼器５２において、第２燃料極オフガスに含まれている可燃ガスと酸素との燃焼反応により二酸化炭素及び水蒸気が生成される。したがって、第２燃料極オフガスから可燃ガスを減じて、高濃度の二酸化炭素を回収することができる。
【0088】
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態では、第１、第２実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態では、第１、第２実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
【0089】
本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｃは、主に改質器５４を備えている点、循環ガス管Ｐ３を備えていない点、及び、これらの構成に関連する配管流路が、第１実施形態と異なっている。その他の構成は第１実施形態と同様である。
【0090】
図６に示すように、燃料電池発電システム１０Ｃは、改質器５４を備えている。改質器５４の入口側には、燃料ガス管Ｐ１－１の一端が接続されている。また、改質器５４の入口側には、水供給管Ｐ２－２の一端が接続されている。水供給管Ｐ２－２の他端は、水タンク２７と接続されている。水供給管Ｐ２－２には、イオン交換樹脂５６及びポンプ２７Ｂが設けられている。ポンプ２７Ｂを駆動させることにより、水タンク２７に貯留された水がイオン交換樹脂５６を経て改質器５４へ供給される。
【0091】
改質器５４の出口側には、改質ガス管Ｐ１－２の一端が接続されている。改質ガス管Ｐ１－２の他端は、第１燃料電池セルスタック１２の第１燃料極１２Ａと接続されている。
【0092】
次に、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｃの動作について説明する。
【0093】
改質器５４では、燃料ガスと水蒸気の混合ガスが燃焼オフガスとの熱交換により加熱され、水蒸気改質反応により、水素と一酸化炭素が生成される。また、生成された一酸化炭素と水蒸気とのシフト反応により二酸化炭素と水素が生成される。未反応の燃料ガス（メタン）、水素、一酸化炭素、二酸化炭素を含んだ改質ガスが、改質ガス管Ｐ１－２を通って第１燃料極１２Ａへ供給される。第１燃料電池セルスタック１２、第２燃料電池セルスタック１４では、第１実施形態と同様に発電が行われる。
【0094】
第２燃料極１４Ａからは、第２燃料極オフガス管Ｐ７－２へ第２燃料極オフガスが送出される。第２燃料極オフガスは、分岐されることなく酸素透過膜付燃焼器２０の燃焼部２２へ供給される。第２空気極１４Ｂからは、空気極オフガス管Ｐ６へ空気極オフガスが送出され、第１実施形態と同様に、空気極オフガスの一部が分岐空気極オフガス管Ｐ６－２へ分岐され、その他は第１空気極１２Ｂから送出された空気極オフガスと合流される。
【0095】
酸素透過膜付燃焼器２０、凝縮器２６では、第１実施形態と同様に処理が行われ、二酸化炭素リッチガスは、二酸化炭素回収タンク２８へ回収されるか、二酸化炭素ラインへと供給される。
【0096】
本実施形態においても、酸素透過膜付燃焼器２０において、第２燃料極オフガスに含まれている可燃ガスと酸素との燃焼反応により二酸化炭素及び水蒸気が生成される。したがって、第２燃料極オフガスから可燃ガスを減じて、高濃度の二酸化炭素を回収することができる。
【0097】
［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態では、第１～第３実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
次に、本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態では、第１～第３実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
【0098】
本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｄは、第３実施形態の酸素透過膜付燃焼器２０に代えて、第２実施形態の高温酸素製造装置５０、及び、燃焼器５２を備えている。高温酸素製造装置５０、及び、燃焼器５２以外の構成については、第３実施形態と同様である。
【0099】
高温酸素製造装置５０の入口側には、分岐空気極オフガス管Ｐ６－２の下流端が接続され、高温酸素製造装置５０の酸素出口側には、酸素供給管ＰＯの一端が接続されている。高温酸素製造装置５０の酸素が分離された後の空気極オフガス出口側には、排気管Ｐ１３が接続されている。酸素供給管ＰＯの他端は、燃焼器５２の入口側に接続されている。排気管Ｐ１３は、燃料電池発電システム１０Ｄの外部に開放されている。
【0100】
燃焼器５２の入口側には、前述の酸素供給管ＰＯの他端と、第２燃料極オフガス管Ｐ７－２の下流端が接続されている。燃焼器５２の内部では、第２燃料極オフガス中の可燃ガス成分（未改質のメタン、未反応の水素、未反応の一酸化炭素等）と、酸素供給管ＰＯから供給される酸素とで燃焼反応が生じ、二酸化炭素と水蒸気が生成される。燃焼器５２の出口側には、燃焼オフガス管Ｐ８が接続されており、燃焼器５２から燃焼オフガスが送出される。
【0101】
次に、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｄの動作について説明する。
【0102】
本実施形態においても、第３実施形態の燃料電池発電システム１０Ｃと同様に、改質器５４で燃料ガスが水蒸気改質されて改質ガスが生成され、第１燃料電池セルスタック１２、第２燃料電池セルスタック１４での発電が行われる。第２空気極１４Ｂから送出され、分岐空気極オフガス管Ｐ６－２へ分岐された第２空気極オフガスは、高温酸素製造装置５０へ供給される。高温酸素製造装置５０では、第２空気極オフガスから酸素が分離され、分離された酸素は、酸素供給管ＰＯを介して燃焼器５２へ供給される。酸素が分離された後の空気極オフガスは、排気管Ｐ１３から外部へ排出される。
【0103】
燃焼器５２では、第２燃料極オフガス中の可燃ガス成分（未改質のメタン、未反応の水素、未反応の一酸化炭素等）と、酸素とで燃焼反応が生じ、二酸化炭素と水蒸気が生成される。燃焼オフガスは、燃焼オフガス管Ｐ８へ送出され、第１実施形態と同様にして凝縮器２６で水が分離され、分離された水が水タンク２７に回収され、二酸化炭素リッチガスは、二酸化炭素回収タンク２８へ回収されるか、二酸化炭素ラインへと供給される。
【0104】
本実施形態においても、燃焼器５２において、第２燃料極オフガスに含まれている可燃ガスと酸素との燃焼反応により二酸化炭素及び水蒸気が生成される。したがって、第２燃料極オフガスから可燃ガスを減じて、高濃度の二酸化炭素を回収することができる。
【0105】
［第５実施形態］
次に、本発明の第５実施形態について説明する。本実施形態では、第１～第４実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
次に、本発明の第５実施形態について説明する。本実施形態では、第１～第４実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
【0106】
本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｅでは、第１燃料極オフガス管Ｐ７の経路に、第３熱交換器３４及び凝縮器３５が設けられている点が第１実施形態と異なっている。
【0107】
第１燃料極オフガス管Ｐ７は、第１燃料極１２Ａから延出され、第３熱交換器３４を経て凝縮器３５と接続されている。第１燃料極１２Ａから凝縮器３５までの第１アノオードオフガス管Ｐ７を符号Ｐ７Ａで示す。第１燃料極オフガス管Ｐ７Ａは、凝縮器３５の気体側出口から延出され、第３熱交換器３４を経て第２燃料極１４Ａと接続されている。凝縮器３５から第２燃料極１４Ａまでの第１アノオードオフガス管Ｐ７を符号Ｐ７Ｂで示す。凝縮器３５の液体側出口には、水配管Ｐ９－２の一端が接続されている。水配管Ｐ９－２の他端は水タンク２７に接続されている。凝縮器３５には、冷却水循環流路３５Ａが配管されており、排熱投入型吸収式冷凍機３６からの冷却水がポンプ３５Ｐの駆動により循環供給されている。これにより、第１燃料極オフガスが冷却され、第１燃料極オフガス中の水蒸気が凝縮する。凝縮した水は水配管Ｐ９－２を介して水タンク２７へ送出される。
【0108】
次に、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｅの動作について説明する。
【0109】
本実施形態においても、第１実施形態の燃料電池発電システム１０Ａと同様に、第１燃料電池セルスタック１２での発電が行われる。第１燃料極１２Ａから第１燃料極オフガス管Ｐ７－１へ送出された第１燃料極オフガスは、第３熱交換器３４で後述する再生燃料ガスと熱交換により冷却され、凝縮器３５へ供給される。凝縮器３５では、冷却水循環流路３５Ａを循環する冷却水により、第１燃料極オフガスが更に冷却され、第１燃料極オフガス中の水蒸気が凝縮する。ここで、冷却水循環流路３５Ａを循環する冷却水の温度は、再生燃料ガス中に残る水蒸気量が第２燃料電池セルスタック１４での発電効率を向上させる程度に第１燃料極オフガス中の水蒸気が凝縮するように設定されている。凝縮した水は水配管Ｐ９－２を介して水タンク２７へ送出される。
【0110】
凝縮水が分離された第１燃料極オフガスは、再生燃料ガスとして第１燃料極オフガス管Ｐ７Ｂへ送出され、第３熱交換器３４で水が分離される前の第１燃料極オフガスとの熱交換により加熱され、第２燃料極１４Ａへ供給される。第２燃料電池セルスタック１４では、第１実施形態の燃料電池発電システム１０Ａと同様に発電が行われる。
【0111】
本実施形態では、第１燃料極オフガスから水蒸気の一部を分離して生成された再生燃料ガスを第２燃料極１４Ａへ供給するので、第２燃料電池セルスタック１４における発電効率を向上させることができる。
【0112】
また、本実施形態においても、酸素透過膜付燃焼器２０の燃焼部２２において、第２燃料極オフガスに含まれている可燃ガスと酸素との燃焼反応により二酸化炭素及び水蒸気が生成される。したがって、第２燃料極オフガスから可燃ガスを減じて、高濃度の二酸化炭素を回収することができる。
【0113】
［第６実施形態］
次に、本発明の第６実施形態について説明する。本実施形態では、第１～第５実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
次に、本発明の第６実施形態について説明する。本実施形態では、第１～第５実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
【0114】
図９に示すように、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｆでは、第１燃料電池セルスタック６２及び第２燃料電池セルスタック６４は、第１実施形態の水素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池に代えて酸素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）を用いている。したがって、第１燃料極６２Ａ（燃料極）、及び第１空気極６２Ｂ（空気極）では、以下のように反応が生じる。なお、第２燃料極６４Ａ、及び第２空気極６４Ｂでも同様である。
【0115】
第１空気極６２Ｂでは、下記（５）式に示すように、酸化剤ガス中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。生成された酸素イオンは電解質層６２Ｃを通って第１燃料電池セルスタック６２の第１燃料極６２Ａに到達する。
【0116】
（空気極反応）
１／２Ｏ２＋２ｅ－ →Ｏ２－ …（５）
１／２Ｏ２＋２ｅ－ →Ｏ２－ …（５）
【0117】
一方、第１燃料電池セルスタック６２の第１燃料極６２Ａでは、下記（６）式及び（７）式に示すように、電解質層６２Ｃを通ってきた酸素イオンが燃料ガス中の水素及び一酸化炭素と反応し、水蒸気及び二酸化炭素と電子が生成される。第１燃料極６２Ａで生成された電子が第１燃料極６２Ａから外部回路を通って第１空気極６２Ｂに移動することで、発電される。
【0118】
（燃料極反応）
Ｈ２ ＋Ｏ２－ →Ｈ２Ｏ＋２ｅ－ …(６)
ＣＯ＋Ｏ２－ →ＣＯ２＋２ｅ－ …(７)
Ｈ２ ＋Ｏ２－ →Ｈ２Ｏ＋２ｅ－ …(６)
ＣＯ＋Ｏ２－ →ＣＯ２＋２ｅ－ …(７)
【0119】
固体酸化物形燃料電池では、第１燃料極６２Ａ、第２燃料極６４Ａで水蒸気が生成されることから、水素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池と比較して、第１燃料極オフガス、第２燃料極オフガスに含まれる水蒸気量が多い。一方、第１空気極６２Ｂ、第２空気極６４Ｂでは、水蒸気が生成されない。排熱投入型吸収式冷凍機３６へ供給された空気極オフガスは、熱交換後に排気管Ｐ３６－１から排気される。
【0120】
本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｆでは、その他の構成については、第５実施形態と同様であり、第１燃料極オフガス管Ｐ７の経路に、第３熱交換器３４及び凝縮器３５が設けられている。ここで、第１燃料極オフガス、第２燃料極オフガスに含まれる水蒸気量は、燃料電池発電システム１０Ｅと比較して多いため、凝縮器３５での凝縮により除去する水蒸気量が多くなるように、冷却水循環流路３５Ａを循環する冷却水の温度が設定されている。凝縮した水は水配管Ｐ９－２を介して水タンク２７へ送出される。
【0121】
本実施形態では、第１燃料極オフガスから水蒸気の一部を分離して生成された再生燃料ガスを第２燃料極１４Ａへ供給するので、第２燃料電池セルスタック１４における発電効率を向上させることができる。
【0122】
また、本実施形態においても、酸素透過膜付燃焼器２０の燃焼部２２において、第２燃料極オフガスに含まれている可燃ガスと酸素との燃焼反応により二酸化炭素及び水蒸気が生成される。したがって、第２燃料極オフガスから可燃ガスを減じて、高濃度の二酸化炭素を回収することができる。
【0123】
［第７実施形態］
次に、本発明の第７実施形態について説明する。本実施形態では、第１～第６実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
次に、本発明の第７実施形態について説明する。本実施形態では、第１～第６実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
【0124】
図１０に示すように、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｇでは、第６実施形態の酸素透過膜付燃焼器２０に代えて、第２実施形態と同様の高温酸素製造装置５０、及び、燃焼器５２を備えている。高温酸素製造装置５０、燃焼器５２、及び、これらに関連する配管以外の構成については、第６実施形態と同様である。
【0125】
本実施形態においても、第１燃料極オフガスから水蒸気の一部を分離して生成された再生燃料ガスを第２燃料極１４Ａへ供給するので、第２燃料電池セルスタック１４における発電効率を向上させることができる。
【0126】
また、本実施形態においても、燃焼器５２において、第２燃料極オフガスに含まれている可燃ガスと酸素との燃焼反応により二酸化炭素及び水蒸気が生成される。したがって、第２燃料極オフガスから可燃ガスを減じて、高濃度の二酸化炭素を回収することができる。
【0127】
［第８実施形態］
次に、本発明の第８実施形態について説明する。本実施形態では、第１～第７実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
次に、本発明の第８実施形態について説明する。本実施形態では、第１～第７実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
【0128】
図１１に示すように、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｈでは、第３実施形態と同様に、改質器５４を備えている点、循環ガス管Ｐ３を備えていない点、及び、これらの構成に関連する配管流路が、第６実施形態と異なっている。その他の構成は第６実施形態と同様である。
【0129】
本実施形態においても、第１燃料極オフガスから水蒸気の一部を分離して生成された再生燃料ガスを第２燃料極１４Ａへ供給するので、第２燃料電池セルスタック１４における発電効率を向上させることができる。
【0130】
また、本実施形態においても、燃焼部２２において、第２燃料極オフガスに含まれている可燃ガスと酸素との燃焼反応により二酸化炭素及び水蒸気が生成される。したがって、第２燃料極オフガスから可燃ガスを減じて、高濃度の二酸化炭素を回収することができる。
【0131】
［第９実施形態］
次に、本発明の第９実施形態について説明する。本実施形態では、第１～第８実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
次に、本発明の第９実施形態について説明する。本実施形態では、第１～第８実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
【0132】
図１１に示すように、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｉでは、第８実施形態の酸素透過膜付燃焼器２０に代えて、第７実施形態の高温酸素製造装置５０、及び、燃焼器５２を備えている。高温酸素製造装置５０、及び、燃焼器５２以外の構成については、第８実施形態と同様である。
【0133】
本実施形態においても、第１燃料極オフガスから水蒸気の一部を分離して生成された再生燃料ガスを第２燃料極１４Ａへ供給するので、第２燃料電池セルスタック１４における発電効率を向上させることができる。
【0134】
また、本実施形態においても、燃焼器５２において、第２燃料極オフガスに含まれている可燃ガスと酸素との燃焼反応により二酸化炭素及び水蒸気が生成される。したがって、第２燃料極オフガスから可燃ガスを減じて、高濃度の二酸化炭素を回収することができる。
【0135】
なお、本発明の燃料電池としては、他の燃料電池、例えば溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)、リン酸形燃料電池(PAFC)、固体高分子形燃料電池(PEFC)を用いることもできる。
【0136】
また、二酸化炭素供給ライン２９は、二酸化炭素液化装置や炭素分離装置に接続し、液体二酸化炭素や粉末炭素等を製造してもよい。
【0137】
なお、前述の第１～第９実施形態では、排熱投入型吸収式冷凍機３６を用いて冷熱を生成したが、排熱投入型吸収式冷凍機３６に代えて他の排熱を利用するヒートポンプ、例えば、吸着式冷凍機を用いて冷熱を生成してもよい。
【0138】
さらに、排熱投入型吸収式冷凍機３６に代えて、排熱を利用せず、電力を利用することによって冷熱を生成する電動ターボ冷凍機６０を用いる燃料電池発電システム１０Ｊとしてもよい。図１３では、一例として、第１実施形態の燃料電池発電システム１０Ａについて、排熱投入型吸収式冷凍機３６を電動ターボ冷凍機６０に置き換えた構成が示されている。第２～第９実施形態でも同様に置き換えることができる。燃料電池発電システム１０Ｊでは、カソードオフガス流路Ｐ６は、第２熱交換器３２での熱交換後にシステム外へ排気される。電動ターボ冷凍機６０は、燃料電池発電システム１０Ｊで発電された電力により駆動することができる。電動ターボ冷凍機６０は、一般的に冷却効率が高いため、発電した電力を用いても、高効率で燃料電池発電システム１０Ｊを運転することができる。なお、この場合にも、発電した電力を交流に変換することなく効率よく利用するために、電動ターボ冷凍機６０を直流電流にて駆動させることが好ましい。
【符号の説明】
【0139】
１０Ａ～１０Ｊ 燃料電池発電システム（二酸化炭素回収型燃料電池発電システム）
１２、６２ 第１燃料電池セルスタック（燃料電池）
１２Ａ、６２Ａ 第１燃料極（燃料極）
１２Ｂ、６２Ｂ 第１空気極（空気極）
１４、６４ 第２燃料電池セルスタック（燃料電池）
１４Ａ、６４Ａ 第２燃料極（燃料極）
１４Ｂ、６４Ｂ 第２空気極（空気極）
２０ 酸素透過膜付燃焼器（酸素分離部）
２２ 燃焼部、 ２２Ａ 燃焼空間
２４ 酸素分離部
２６ 凝縮器（二酸化炭素分離部）
４０ 制御部
４２ 流量調整バルブ（流量調整部）
４４ 組成検出部（含有量情報検出部）
５０ 高温酸素製造装置（酸素分離部）
５２ 燃焼器（燃焼部）、 ５４ 改質器、 ６０ 電動ターボ冷凍機
Ｐ３ 循環ガス管（循環流路）
Ｐ６ 空気極オフガス管（空気極オフガス流路）
Ｐ６－２ 分岐空気極オフガス管（分岐空気極オフガス流路）
１２、６２ 第１燃料電池セルスタック（燃料電池）
１２Ａ、６２Ａ 第１燃料極（燃料極）
１２Ｂ、６２Ｂ 第１空気極（空気極）
１４、６４ 第２燃料電池セルスタック（燃料電池）
１４Ａ、６４Ａ 第２燃料極（燃料極）
１４Ｂ、６４Ｂ 第２空気極（空気極）
２０ 酸素透過膜付燃焼器（酸素分離部）
２２ 燃焼部、 ２２Ａ 燃焼空間
２４ 酸素分離部
２６ 凝縮器（二酸化炭素分離部）
４０ 制御部
４２ 流量調整バルブ（流量調整部）
４４ 組成検出部（含有量情報検出部）
５０ 高温酸素製造装置（酸素分離部）
５２ 燃焼器（燃焼部）、 ５４ 改質器、 ６０ 電動ターボ冷凍機
Ｐ３ 循環ガス管（循環流路）
Ｐ６ 空気極オフガス管（空気極オフガス流路）
Ｐ６－２ 分岐空気極オフガス管（分岐空気極オフガス流路）
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
