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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-11-14
(45)【発行日】2024-11-22
(54)【発明の名称】燃料電池システム
(51)【国際特許分類】
H01M 8/0662 20160101AFI20241115BHJP
B01D 53/22 20060101ALI20241115BHJP
【ＦＩ】
H01M8/0662
B01D53/22
【請求項の数】
12
(21)【出願番号】P 2024557890
(86)(22)【出願日】2024-05-24
(86)【国際出願番号】 JP2024019152
【審査請求日】2024-09-30
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】000006013
【氏名又は名称】三菱電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100161207
【弁理士】
【氏名又は名称】西澤 和純
(74)【代理人】
【識別番号】100206081
【弁理士】
【氏名又は名称】片岡 央
(74)【代理人】
【識別番号】100188673
【弁理士】
【氏名又は名称】成田 友紀
(74)【代理人】
【識別番号】100188891
【弁理士】
【氏名又は名称】丹野 拓人
(72)【発明者】
【氏名】篠木 俊雄
(72)【発明者】
【氏名】川本 誠
(72)【発明者】
【氏名】吉瀬 万希子
【審査官】加藤 昌人
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２０２０／０２５４３８３（ＵＳ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０２４／０８９８６７（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１９－１３９８５８（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｍ ８／０４－８／０６６８
Ｂ０１Ｄ ５３／２２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
アノードおよびカソードを有する燃料電池と、前記アノードから排出されたアノードオフガスを、分岐ガスとリサイクルガスとに分岐させる分岐部と、
前記分岐ガスから特定のガス成分を分離する複数の分離ユニットを有する分離装置と、
前記分岐ガスを昇圧する圧縮機と、
前記分離装置に導入される前記分岐ガスの圧力を計測する圧力計と、
前記分岐ガスの圧力を調整する圧力調整器と、
前記分岐ガスの組成および流量を取得するガス情報取得部と、
前記複数の分離ユニットに前記分岐ガスを分配する分配機構と、備える、燃料電池システム。
【請求項2】
前記分配機構を制御する制御装置をさらに備え、前記制御装置は、前記圧力計および前記ガス情報取得部からの情報に基づき前記分配機構を制御し、前記分岐ガスを前記複数の分離ユニットに分配させる、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項3】
前記複数の分離ユニットは、並列配置され，前記分配機構には分配遮断弁が含まれ、
前記制御装置は、前記分配遮断弁を開閉させることで、前記分離ユニットに前記分岐ガスを分配する、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項4】
前記分離ユニットに含まれる少なくとも２つの分離ユニットは直列配置される、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項5】
前記分配機構は、前記ガス情報取得部によって取得された前記分岐ガスの流量が閾値以上である場合は前記複数の分離ユニットのすべてに前記分岐ガスを分配し、
前記ガス情報取得部によって取得された前記分岐ガスの流量が閾値を下回る場合は、前記複数の分離ユニットの一部に前記分岐ガスを分配する、請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項6】
前記複数の分離ユニットの動作時間を取得する動作時間取得部をさらに備え、前記分配機構を制御する制御装置は、前記動作時間取得部によって取得された前記複数の分離ユニットの動作時間に基づき、前記複数の分離ユニットの動作時間が均一になるように前記分配機構を制御する、請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項7】
前記圧力調整器を制御して前記分岐ガスの圧力を変更することで、前記分配遮断弁の開閉状態が変更される際の前記分離ユニットの動作圧力を調整する、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項8】
炭化水素系燃料から水素を生成する改質器と、前記改質器と熱的に接続された燃焼器と、を有し，
前記分離装置から排出される前記分岐ガスと比較して水素濃度が高い再生燃料ガスを前記燃焼器に供給し，前記燃焼器に設けた温度検出機構からの情報に基づいて，前記分配機構もしくは前記圧力調整器を制御する、請求項１から４、および７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項9】
二酸化炭素から合成燃料を生成する燃料合成反応機構と，前記分離装置によって前記分岐ガスから分離された二酸化炭素リッチガスを前記燃料合成反応機構に供給する二酸化炭素回収系統と、をさらに備える、請求項１から４、および７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項10】
前記二酸化炭素回収系統と、前記燃料合成反応機構との間に、水素および一酸化炭素を含む合成ガスを生成する共電解セルを、さらに備える、請求項９に記載の、燃料電池システム。
【請求項11】
前記分岐部と、前記分離装置に供給される前記分岐ガスを昇圧させる圧縮機と、の間に一酸化炭素を二酸化炭素に変成するシフト反応部と，前記シフト反応部の熱と水蒸気との間での熱交換を行うシフト反応熱交換部とを備え、前記熱交換に利用する前記水蒸気は、炭化水素系燃料から水素を生成する改質器に供給される水蒸気である、請求項１から４、および７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項12】
前記分離装置から排出される二酸化炭素リッチガスを吸引する真空ポンプを有する、請求項１から４、および７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】
本開示は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１には、燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスから、二酸化炭素を分離する技術が開示されている。具体的には、アノードオフガスは分離膜を有する分離部へと導入される。特許文献１における分離膜は、二酸化炭素および水を透過しやすく、他の成分を透過しにくい性質を有している。このため、分離膜を透過したガスの二酸化炭素濃度は、アノードオフガスよりも高くなる。アノードオフガスのうち、分離膜を透過せず残留したガスには、水素等の可燃成分が含まれる。このガスは、再生燃料ガスとして再利用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１９－１３９８５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
例えば燃料電池が部分負荷運転となった場合には、定格負荷運転である場合と比較して、分離部に導入されるアノードオフガスの流量が減少する。他の要因によっても、分離部に導入されるアノードオフガスの流量が減少する場合がある。アノードオフガスの流量が減少すると、単位流量あたりのアノードオフガスに対する分離膜の面積が、相対的に増大する。このため、二酸化炭素よりも分離膜を透過しにくい成分、例えば水素の透過量も増大する。その結果、回収されるガスに含まれる二酸化炭素の濃度が低下するという課題が生じる。
【0005】
本開示は、上記の事情に鑑みて、分離膜に導入されるガスの流量が変化した場合に、分離したガスの二酸化炭素濃度が減少することを抑制可能な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】
【0006】
本開示に係る燃料電池システムの一つの態様は、アノードおよびカソードを有する燃料電池と、前記アノードから排出されたアノードオフガスを、分岐ガスとリサイクルガスとに分岐させる分岐部と、前記分岐ガスから特定のガス成分を分離する複数の分離ユニットを有する分離装置と、前記分岐ガスを昇圧する圧縮機と、前記分離装置に導入される前記分岐ガスの圧力を計測する圧力計と、前記分岐ガスの圧力を調整する圧力調整器と、前記分岐ガスの組成および流量を取得するガス情報取得部と、前記複数の分離ユニットに前記分岐ガスを分配する分配機構と、備える。
【発明の効果】
【0007】
本開示の燃料電池システムによれば、分離膜に導入されるガスの流量が変化した場合に、分離したガスの二酸化炭素濃度が減少することを抑制可能である。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図3】実施の形態１に係る分離装置の構成の変形例を示す図である。
【図4】実施の形態２に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図5】実施の形態３に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図6】実施の形態４に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、図面を参照しながら、本開示の実施の形態について説明する。なお、本開示の範囲は、以下の実施の形態に限定されず、本開示の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。
【0010】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の模式図である。図１に示すように、燃料電池システム１００は、供給経路１と、原料流量計１ａと、混合器２と、改質器３と、燃料電池４と、水蒸気発生器７と、凝縮タンク９と、分岐部１０と、圧縮機１２と、温度調整器１３と、制御装置１９と、圧力計２０と、調整弁２１と、温度計２２と、ガス分離装置Ｄと、を備える。
図１は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の模式図である。図１に示すように、燃料電池システム１００は、供給経路１と、原料流量計１ａと、混合器２と、改質器３と、燃料電池４と、水蒸気発生器７と、凝縮タンク９と、分岐部１０と、圧縮機１２と、温度調整器１３と、制御装置１９と、圧力計２０と、調整弁２１と、温度計２２と、ガス分離装置Ｄと、を備える。
【0011】
詳細は後述するが、ガス分離装置Ｄ（以下、単に分離装置Ｄと呼ぶ）は、二酸化炭素を含むプロセスガスを、二酸化炭素濃度の高い二酸化炭素リッチガスＧ１１と、二酸化炭素濃度の低い再生燃料ガスＧ１２と、に分離させる機能を有する。本実施の形態におけるプロセスガスは、燃料電池４のアノード４Ａから排出されるアノードオフガスである。ただし、アノードオフガスではないプロセスガスに対して、本開示を適用してもよい。つまり、燃料電池システム１００は燃料電池４から排出されるプロセスガス以外に適用されてもよい。
【0012】
二酸化炭素を含むプロセスガスのその他の例としては、例えば、工場の排気ガス、発電所の排気ガス、等が挙げられる。また、改質器３等の、炭化水素系燃料から水素を生成する改質反応システムからの排ガスを、プロセスガスとして用いてもよい。本実施の形態において、以下ではプロセスガスの例示として「アノードオフガスＧ」を挙げて説明する。
【0013】
供給経路１は、原料を混合器２に供給する。原料としては、炭化水素などの炭素含有物を採用できる。炭化水素としては、メタンが挙げられる。以下では、原料がメタンである場合について説明するが、原料はメタンに限られない。供給経路１には原料流量計１ａが設けられている。原料流量計１ａは、混合器２に供給される原料の流量を計測する。原料流量計１ａの計測結果は、例えば運転状態取得部１８および制御装置１９に入力されてもよい。混合器２には原料供給系統２ａが接続されている。原料は、混合器２において後述するリサイクルガスＧ２および水蒸気と混合され、原料供給系統２ａを介して改質器３に導入される。
【0014】
改質器３は、水蒸気改質反応または二酸化炭素改質反応によって、改質ガスを生成する。改質ガスには、水素が含まれる。水蒸気改質反応は、例えば、以下に示す式（Ｉ）および式（ＩＩ）に従う。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２ ・・・（Ｉ）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２ ・・・（ＩＩ）
二酸化炭素改質反応は、例えば、以下に示す式（ＩＩＩ）および式（ＩＶ）に従う。
ＣＨ４＋ＣＯ２→２ＣＯ＋２Ｈ２ ・・・（ＩＩＩ）
２ＣＯ＋２Ｈ２Ｏ→２ＣＯ２＋２Ｈ２ ・・・（ＩＶ）
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２ ・・・（Ｉ）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２ ・・・（ＩＩ）
二酸化炭素改質反応は、例えば、以下に示す式（ＩＩＩ）および式（ＩＶ）に従う。
ＣＨ４＋ＣＯ２→２ＣＯ＋２Ｈ２ ・・・（ＩＩＩ）
２ＣＯ＋２Ｈ２Ｏ→２ＣＯ２＋２Ｈ２ ・・・（ＩＶ）
【0015】
改質器３は、水蒸気改質触媒および二酸化炭素改質触媒の少なくとも一方を有することが好ましい。また、改質器３は、水蒸気改質触媒および二酸化炭素改質触媒の両方を有することが、より好ましい。水蒸気改質触媒は、水蒸気改質反応を促進する。二酸化炭素改質触媒は、二酸化炭素改質反応を促進する。水蒸気改質触媒としては、Ｎｉ担持アルミナ、Ｒｕ担持アルミナなどが挙げられる。二酸化炭素改質触媒としては、Ｎｉ担持イットリア、Ｐｔ担持イットリア等が挙げられる。
【0016】
水蒸気改質触媒と二酸化炭素改質触媒は、混合されて、改質器３内に充填されてもよい。水蒸気改質触媒と二酸化炭素改質触媒は、互いに異なる層を形成して、改質器３内に充填されてもよい。水蒸気改質触媒と二酸化炭素改質触媒は、例えば、それぞれの触媒が機能するために適切な温度帯に位置するように、改質器３内に充填されてもよい。
【0017】
改質器３の内部の温度は、水蒸気改質反応および二酸化炭素改質反応の少なくとも一方が進行するように設定される。水蒸気改質反応および二酸化炭素改質反応の両方が進行するように、それぞれの反応に適した温度分布が、改質器３内に設定されてもよい。改質器３には、燃焼器３ａが熱的に接続されている。燃焼器３ａは、燃料を燃焼させることで、改質器３内が適切な温度帯となるように熱を発生させる。燃焼器３ａの燃料としては、カソード４Ｂから排出されたカソードオフガス、分離装置Ｄから排出された再生燃料ガスＧ１２、等を利用できる。再生燃料ガスＧ１２については後述する。
【0018】
空気供給系統５は、空気を燃料電池４に供給する。空気供給系統５から供給される空気は酸素含有ガスである。酸素含有ガスは、酸化剤としての酸素（Ｏ２）を含む。空気供給系統５には、空気を燃料電池４に向けて流動させるための空気供給ブロワ５ａが設けられている。また、空気供給系統５には、熱交換器１７が配置されている。熱交換器１７は、空気供給系統５内を流動する空気と、燃焼器３ａから排出された燃焼オフガスと、の間で熱交換を行う。これにより、燃焼器３ａの排熱を利用して、カソード４Ｂに導入される空気を加熱することができる。
【0019】
燃料電池４は、アノード４Ａおよびカソード４Ｂを有している。改質器３で得られた改質ガスは、燃料電池４のアノード４Ａに供給される。空気供給系統５から供給された空気は、燃料電池４のカソード４Ｂに供給される。燃料電池４は、水素（Ｈ２）を含む改質ガスと、空気（酸化剤）との反応により発電を行い、電気エネルギーを発生させる。燃料電池４を含む燃料電池システム１００は、発電システムと称することもできる。
【0020】
燃料電池４は、例えば固体酸化物型燃料電池であってもよい。固体酸化物型燃料電池の場合、アノード４Ａにおける反応は以下の式（Ｖ）に従い、カソード４Ｂにおける反応は以下の式（ＶＩ）に従う。
Ｈ２＋Ｏ２－→Ｈ２Ｏ＋２ｅ－ ・・・（Ｖ）
１／２Ｏ２＋２ｅ－→Ｏ２－ ・・・（ＶＩ）
Ｈ２＋Ｏ２－→Ｈ２Ｏ＋２ｅ－ ・・・（Ｖ）
１／２Ｏ２＋２ｅ－→Ｏ２－ ・・・（ＶＩ）
【0021】
燃料電池４のアノード４Ａからは、アノードオフガスＧが排出される。アノードオフガスＧは、例えば、水素（Ｈ２）、二酸化炭素（ＣＯ２）、水蒸気（Ｈ２Ｏ）、一酸化炭素（ＣＯ）、およびメタン（ＣＨ４）を含む。アノードオフガス系統６は、アノードオフガスＧを燃料電池４のアノード４Ａから取り出し、分岐部１０に導く。アノードオフガス系統６における、燃料電池４と分岐部１０の間の部分には、水蒸気発生器７、熱回収器６ａ、および凝縮タンク９が配置されている。
【0022】
凝縮タンク９は、アノードオフガスＧに含まれる水蒸気の一部を凝縮させることができる。凝縮タンク９において得られた水は、ポンプ２３ａおよび流量制御器２３を経由して、水蒸気発生器７に供給される。ポンプ２３ａは、水を凝縮タンク９から水蒸気発生器７に向けて流動させるための動力を発生させる。流量制御器２３は、水蒸気発生器７に供給される水の流量を制御する。流量制御器２３の計測結果は、例えば運転状態取得部１８および制御装置１９に入力されてもよい。
【0023】
水蒸気発生器７は、凝縮タンク９から供給された水を、アノードオフガスＧとの熱交換により加熱する。これにより、水蒸気発生器７は水蒸気を得る。水蒸気発生器７は、補助加熱器７ａを有している。補助加熱器７ａは、例えばヒータである。アノードオフガスＧとの熱交換だけでは、水を蒸発させるための熱量が不足する場合、補助加熱器７ａを用いて水を加熱してもよい。水蒸気発生器７で得られた水蒸気は、水蒸気供給系統８から、混合器２へと導入される。
【0024】
熱回収器６ａは、凝縮タンク９の上流に位置し、アノードオフガスＧから熱を回収することができる。これにより、例えば、アノードオフガスＧを後述するリサイクルガスブロワ１６ａの耐熱温度以下に設定できる。凝縮タンク９の下流側には、分岐部１０が配置されている。分岐部１０において、アノードオフガス系統６は、分岐ガス系統１１およびリサイクルガス系統１６に分岐する。リサイクルガス系統１６は、アノードオフガスＧの少なくとも一部を、リサイクルガスＧ２として混合器２に供給する。
【0025】
分岐部１０は、分岐ガス系統１１およびリサイクルガス系統１６への、アノードオフガスＧの分配比率を変更することができる。分岐部１０は、例えば、分配比率を変更するための制御弁を有してもよい。より具体的に、制御弁は、分岐部１０における分岐ガス系統１１への流路断面積と、リサイクルガス系統１６への流路断面積と、の比率を変更してもよい。また、凝縮タンク９の内部に熱電対を設けて、凝縮温度を計測することにより、ガス中の水蒸気量を知ることができる。また計測結果は、例えば制御装置１９に入力されてもよい。ただし、分岐部１０において分配比率を変更するための構造は上記に限定されず、適宜変更可能である。
【0026】
リサイクルガス系統１６には、リサイクルガスブロワ１６ａおよびリサイクルガス流量計１６ｂが設けられている。リサイクルガスブロワ１６ａは、分岐部１０から混合器２に向けて、リサイクルガスＧ２を流動させる動力を発生させる。リサイクルガス流量計１６ｂは、混合器２に供給されるリサイクルガスＧ２の流量を計測する。このようにして、リサイクルガス系統１６はリサイクルガスＧ２を原料供給系統２ａに循環させる。
また、混合器２はエジェクタであってもよい。この場合、水蒸気を駆動流体に、リサイクルガスＧ２を吸引することができることから、リサイクルガスブロワ１６ａが不要になり、補機動力の低減が図れる。
また、混合器２はエジェクタであってもよい。この場合、水蒸気を駆動流体に、リサイクルガスＧ２を吸引することができることから、リサイクルガスブロワ１６ａが不要になり、補機動力の低減が図れる。
【0027】
分岐ガス系統１１は、アノードオフガスＧの少なくとも一部を、分岐ガスＧ１として、分離装置Ｄに供給する。分岐ガス系統１１には、ガス情報取得部１１ａ、圧縮機１２、および温度調整器１３が設けられている。ガス情報取得部１１ａは、分岐ガスＧ１の情報を取得する。「分岐ガスＧ１の情報」は、例えば組成、流量、圧力、温度などである。組成に関する分岐ガスＧ１の情報には、例えば二酸化炭素の分圧が含まれてもよい。分岐ガスＧ１は、アノードオフガスＧの一部であるため、ガス情報取得部１１ａはアノードオフガスＧに関する情報を取得するとも言える。
【0028】
ガス情報取得部１１ａは、取得する情報の種類に応じたセンサ等を有している。例えば組成を取得する場合、ガス情報取得部１１ａは、近赤外分光センサを有してもよい。例えば流量、圧力、温度などを取得する場合、ガス情報取得部１１ａは流量計、圧力計、温度計などを有してもよい。ガス情報取得部１１ａは、上記した複数の種類のセンサを有してもよい。ただし、ガス情報取得部１１ａは、運転状態取得部１８が取得する燃料電池４の運転状態と、原料流量計１ａが取得する原料の流量と、凝縮タンク９における凝縮温度と、分岐部１０におけるアノードオフガスＧの分配比率と、に基づき、分岐ガスＧ１の組成および流量を計算によって求めてもよい。
【0029】
圧縮機１２は、分離装置Ｄに供給される分岐ガスＧ１を昇圧させることができる。圧縮機１２は、例えばブロワであってもよい。圧縮機１２の出力を調整することで、分離装置Ｄ内の分岐ガスＧ１の圧力を変化させることができる。したがって、圧縮機１２は、分離装置Ｄ内の分岐ガスＧ１の圧力を調整する、圧力調整器Ｃｐとして機能することができる。温度調整器１３は、分離装置Ｄに供給される分岐ガスＧ１の温度を調整することができる。
【0030】
温度調整器１３は、図１の例において、ポンプ１３ａおよび熱交換器１３ｂを有している。熱交換器１３ｂでは、冷媒と分岐ガスＧ１との間で熱交換が行われる。ポンプ１３ａは、熱交換器１３ｂ内に冷媒が流れるための動力を発生させる。ポンプ１３ａの出力を変更することで、熱交換器１３ｂ内を流動する冷媒の流速等が変化する。したがって、ポンプ１３ａの出力を調節することで、熱交換器１３ｂにおいて冷媒と分岐ガスＧ１との間で交換される熱量を調整できる。これにより、温度調整器１３は分岐ガスＧ１の温度を調整できる。ただし、温度調整器１３の構成は上記に限定されず、分岐ガスＧ１の温度を調整できれば、適宜変更可能である。
【0031】
本実施の形態において、分離装置Ｄは、複数の二酸化炭素分離ユニット１４（以下、単に分離ユニット１４と呼ぶ。）を有している。
図２に示すように、本実施の態様では、４つの分離ユニット１４を有している。４つの分離ユニット１４を、それぞれ、第１分離ユニット１４１、第２分離ユニット１４２、第３分離ユニット１４３、第４分離ユニット１４４と呼ぶ。
複数の分離ユニット１４は、並列に配列されている。すなわち、複数の分離ユニット１４に、分岐ガスＧ１がそれぞれ導入された場合には、導入された分岐ガスＧ１の分離処理が同時に行われる。
各分離ユニット１４は、二酸化炭素を選択的に透過させる分離膜Ｓを有している。また、分離ユニット１４は、分離膜Ｓによって区画された導入室Ｒ１および回収室Ｒ２を有している。分離膜Ｓは、例えば高分子によって形成されている。
なお、分離装置Ｄに含まれる分離ユニット１４の数は４つに限定されず、２以上であればよい。
図２に示すように、本実施の態様では、４つの分離ユニット１４を有している。４つの分離ユニット１４を、それぞれ、第１分離ユニット１４１、第２分離ユニット１４２、第３分離ユニット１４３、第４分離ユニット１４４と呼ぶ。
複数の分離ユニット１４は、並列に配列されている。すなわち、複数の分離ユニット１４に、分岐ガスＧ１がそれぞれ導入された場合には、導入された分岐ガスＧ１の分離処理が同時に行われる。
各分離ユニット１４は、二酸化炭素を選択的に透過させる分離膜Ｓを有している。また、分離ユニット１４は、分離膜Ｓによって区画された導入室Ｒ１および回収室Ｒ２を有している。分離膜Ｓは、例えば高分子によって形成されている。
なお、分離装置Ｄに含まれる分離ユニット１４の数は４つに限定されず、２以上であればよい。
【0032】
図２に示すように、分岐部１０から分岐ガス系統１１を流動した分岐ガスＧ１は、分配機構ＤＭにより、複数の分離ユニット１４に分配される。
分配機構ＤＭは制御装置１９により制御される。制御装置１９は、圧力計２０およびガス情報取得部１１ａからの情報に基づき分配機構ＤＭを制御し、分岐ガスＧ１を複数の分離ユニット１４に分配させる。
分配機構ＤＭには複数の遮断弁が含まれ、制御装置１９は、遮断弁を開閉させることで、分離ユニット１４に分岐ガスＧ１を分配する。
より詳しくは、分配機構ＤＭは、分岐ガスＧ１を分離ユニット１４へ導入するラインにそれぞれ設けられた分配遮断弁Ｖｉと、分離ユニット１４の導入室Ｒ１から気体を導出するラインにそれぞれ設けられた回収遮断弁Ｖｏと、と備える。
以下の説明では、第１～第４分離ユニット１４１、１４２、１４３、１４４へ導入するラインにそれぞれ設けられた分配遮断弁Ｖｉを、第１～第４分配遮断弁Ｖ１ｉ、Ｖ２ｉ、Ｖ３ｉ、Ｖ４ｉと呼び、第１～第４分離ユニット１４１、１４２、１４３、１４４の導入室Ｒ１から気体を導出するラインにそれぞれ設けられた回収遮断弁Ｖｏを、第１～第４回収遮断弁Ｖ１ｏ、Ｖ２ｏ、Ｖ３ｏ、Ｖ４ｏと呼ぶ。
第１～第４分配遮断弁Ｖ１ｉ、Ｖ２ｉ、Ｖ３ｉ、Ｖ４ｉから各分離ユニット１４へ導入される分配ガスＧＤを、それぞれ第１～第４分配ガスＧＤ１、ＧＤ２、ＧＤ３、ＧＤ４と呼ぶ。
分配機構ＤＭは制御装置１９により制御される。制御装置１９は、圧力計２０およびガス情報取得部１１ａからの情報に基づき分配機構ＤＭを制御し、分岐ガスＧ１を複数の分離ユニット１４に分配させる。
分配機構ＤＭには複数の遮断弁が含まれ、制御装置１９は、遮断弁を開閉させることで、分離ユニット１４に分岐ガスＧ１を分配する。
より詳しくは、分配機構ＤＭは、分岐ガスＧ１を分離ユニット１４へ導入するラインにそれぞれ設けられた分配遮断弁Ｖｉと、分離ユニット１４の導入室Ｒ１から気体を導出するラインにそれぞれ設けられた回収遮断弁Ｖｏと、と備える。
以下の説明では、第１～第４分離ユニット１４１、１４２、１４３、１４４へ導入するラインにそれぞれ設けられた分配遮断弁Ｖｉを、第１～第４分配遮断弁Ｖ１ｉ、Ｖ２ｉ、Ｖ３ｉ、Ｖ４ｉと呼び、第１～第４分離ユニット１４１、１４２、１４３、１４４の導入室Ｒ１から気体を導出するラインにそれぞれ設けられた回収遮断弁Ｖｏを、第１～第４回収遮断弁Ｖ１ｏ、Ｖ２ｏ、Ｖ３ｏ、Ｖ４ｏと呼ぶ。
第１～第４分配遮断弁Ｖ１ｉ、Ｖ２ｉ、Ｖ３ｉ、Ｖ４ｉから各分離ユニット１４へ導入される分配ガスＧＤを、それぞれ第１～第４分配ガスＧＤ１、ＧＤ２、ＧＤ３、ＧＤ４と呼ぶ。
【0033】
次に、各分離ユニット１４における二酸化炭素の分離方法について説明する。
まず、すべての分配遮断弁Ｖｉおよびすべての回収遮断弁Ｖｏが開けられ、分岐ガスＧ１が、４つの分配遮断弁Ｖｉで均等に分配されている場合における第１分離ユニット１４１における二酸化炭素の分離方法を説明する。つまり、この場合には分岐ガスＧ１の１／４の量のガスがそれぞれの分離ユニット１４に分配される。
分岐ガスＧ１は、まず第１分離ユニット１４１の導入室Ｒ１に導入される。導入室Ｒ１の内部で、分岐ガスＧ１は分離膜Ｓに接する。分岐ガスＧ１が圧力調整器Ｃｐによって調整された圧力で、分離膜Ｓに接する。これにより、分岐ガスＧ１に含まれる二酸化炭素が、分離膜Ｓを透過し、回収室Ｒ２に移動する。分離膜Ｓの種類および圧力などの条件に応じて、二酸化炭素以外の成分が分離膜Ｓを透過する場合もある。
まず、すべての分配遮断弁Ｖｉおよびすべての回収遮断弁Ｖｏが開けられ、分岐ガスＧ１が、４つの分配遮断弁Ｖｉで均等に分配されている場合における第１分離ユニット１４１における二酸化炭素の分離方法を説明する。つまり、この場合には分岐ガスＧ１の１／４の量のガスがそれぞれの分離ユニット１４に分配される。
分岐ガスＧ１は、まず第１分離ユニット１４１の導入室Ｒ１に導入される。導入室Ｒ１の内部で、分岐ガスＧ１は分離膜Ｓに接する。分岐ガスＧ１が圧力調整器Ｃｐによって調整された圧力で、分離膜Ｓに接する。これにより、分岐ガスＧ１に含まれる二酸化炭素が、分離膜Ｓを透過し、回収室Ｒ２に移動する。分離膜Ｓの種類および圧力などの条件に応じて、二酸化炭素以外の成分が分離膜Ｓを透過する場合もある。
【0034】
第１分離ユニット１４１において、導入室Ｒ１から分離膜Ｓを透過して回収室Ｒ２に移動したガスを、第１二酸化炭素リッチガスＧＤ１１と称する。また、分離膜Ｓを透過せず残留したガスを、第１再生燃料ガスＧＤ１２と称する。すなわち第１分離ユニット１４１は、分離膜Ｓを用いて、第１分配ガスＧＤ１を第１二酸化炭素リッチガスＧＤ１１と第１再生燃料ガスＧＤ１２とに分離する。
第２～４分離ユニット１４２、１４３、１４４においても同様に、分離膜Ｓを用いて、分岐ガスＧ１を第２～４二酸化炭素リッチガスＧＤ２１、ＧＤ３１、ＧＤ４１と、第２～４再生燃料ガスＧＤ２２、ＧＤ３２、ＧＤ４２と、に分離する。
第２～４分離ユニット１４２、１４３、１４４においても同様に、分離膜Ｓを用いて、分岐ガスＧ１を第２～４二酸化炭素リッチガスＧＤ２１、ＧＤ３１、ＧＤ４１と、第２～４再生燃料ガスＧＤ２２、ＧＤ３２、ＧＤ４２と、に分離する。
【0035】
本明細書では、第１～第４分離ユニット１４１、１４２、１４３、１４４の導入室Ｒ１から分離膜Ｓを透過して回収室Ｒ２に移動したガスを、二酸化炭素リッチガスＧ１１と称する。また、第１～第４分離ユニット１４１、１４２、１４３、１４４において、分離膜Ｓを透過せず残留したガスのうち、回収遮断弁Ｖｏを通過するガスを、再生燃料ガスＧ１２と称する。すなわち分離ユニット１４は、分離膜Ｓを用いて、分岐ガスＧ１を二酸化炭素リッチガスＧ１１と再生燃料ガスＧ１２とに分離する。
【0036】
二酸化炭素リッチガスＧ１１は、分離ユニット１４によって分離される前の分岐ガスＧ１と比較して、二酸化炭素の濃度が高い。再生燃料ガスＧ１２は、分離ユニット１４によって分離される前の分岐ガスＧ１と比較して、二酸化炭素の濃度が低い。また、再生燃料ガスＧ１２には、可燃成分である水素、一酸化炭素、メタン等が含まれている。したがって、再生燃料ガスＧ１２は燃料として利用することができる。
図１および図２に示すように、本実施の形態では、再生燃料ガスＧ１２を、改質器３の燃焼器３ａにおける燃料として利用する。各分離ユニット１４１～１４４の導入室Ｒ１には、再生燃料ガス系統１４ｂが接続されている。各分離ユニット１４１～１４４から排出される第１～４再生燃料ガスＧＤ１２、ＧＤ２２、ＧＤ３２、ＧＤ４２は、導入室Ｒ１から回収遮断弁Ｖｏを通過し、再生燃料ガス系統１４ｂへと排出される。再生燃料ガス系統１４ｂの下流側には、燃焼器３ａが接続されている。この構成により、再生燃料ガスＧ１２は、導入室Ｒ１から燃焼器３ａに供給され、燃料として再利用される。
図１および図２に示すように、本実施の形態では、再生燃料ガスＧ１２を、改質器３の燃焼器３ａにおける燃料として利用する。各分離ユニット１４１～１４４の導入室Ｒ１には、再生燃料ガス系統１４ｂが接続されている。各分離ユニット１４１～１４４から排出される第１～４再生燃料ガスＧＤ１２、ＧＤ２２、ＧＤ３２、ＧＤ４２は、導入室Ｒ１から回収遮断弁Ｖｏを通過し、再生燃料ガス系統１４ｂへと排出される。再生燃料ガス系統１４ｂの下流側には、燃焼器３ａが接続されている。この構成により、再生燃料ガスＧ１２は、導入室Ｒ１から燃焼器３ａに供給され、燃料として再利用される。
【0037】
図１および図２に示すように、各分離ユニット１４１～１４４の回収室Ｒ２には、二酸化炭素回収系統１４ａが接続されている。各分離ユニット１４１～１４４から排出される第１～４二酸化炭素リッチガスＧＤ１１、ＧＤ２１、ＧＤ３１、ＧＤ４１は、回収室Ｒ２から二酸化炭素回収系統１４ａへと排出される。二酸化炭素回収系統１４ａには、真空ポンプ１５が配置されている。真空ポンプ１５は、二酸化炭素回収系統１４ａを通じて、回収室Ｒ２内の二酸化炭素リッチガスＧ１１を吸引する。このようにして回収された二酸化炭素リッチガスＧ１１は、他の用途に再利用されてもよい。なお、真空ポンプ１５は設けられていなくてもよい。
【0038】
圧力計２０は、再生燃料ガス系統１４ｂにおける分離ユニット１４と調整弁２１との間の部分の再生燃料ガスＧ１２の圧力を測定する。圧力計２０の測定結果によれば、分離ユニット１４に供給される分岐ガスＧ１の圧力を間接的に知ることができる。なお、分離ユニット１４に供給される分岐ガスＧ１の圧力が直接的または間接的に測定可能であれば、圧力計２０の位置は、適宜変更可能である。
【0039】
温度計２２は、分岐ガス系統１１における温度調整器１３と分離ユニット１４との間の部分の分岐ガスＧ１の温度を測定する。温度計２２の位置は、分離ユニット１４に供給される分岐ガスＧ１の温度を測定できれば、適宜変更可能である。
【0040】
調整弁２１は、再生燃料ガス系統１４ｂに設けられている。調整弁２１を開閉することで、導入室Ｒ１内の圧力を調整することができる。例えば、調整弁２１の開度を上げた場合、導入室Ｒ１から燃焼器３ａへと再生燃料ガスＧ１２が流れやすくなる。その結果、導入室Ｒ１内の圧力は下がる。逆に、調整弁２１の開度を下げた場合、導入室Ｒ１内の圧力が上がる。したがって、調整弁２１は、導入室Ｒ１内の分岐ガスＧ１の圧力を調整する、圧力調整器Ｃｐとして機能することができる。
【0041】
図１に示すように、燃料電池システム１００は、運転状態取得部１８および制御装置１９を備えている。運転状態取得部１８は、燃料電池４の運転状態を取得する。運転状態とは、例えば、定格出力に対する燃料電池４の出力の状態である。運転状態取得部１８は、例えば、燃料電池４の出力を測定するための電流計および電圧計等を有してもよい。運転状態取得部１８は、燃料電池４の運転状態を制御装置１９に入力する。
【0042】
制御装置１９には、圧力計２０、温度計２２、リサイクルガス流量計１６ｂ、運転状態取得部１８、および後述の動作時間取得部２４等から、各種の情報が入力される。制御装置１９は、これらの情報に基づき、温度調整器１３、圧力調整器Ｃｐ、および分配機構ＤＭ等と、を制御する。制御装置１９は、分岐部１０における、分岐ガスＧ１およびリサイクルガスＧ２の分配比率を制御してもよい。
【0043】
ここで、燃料電池４が部分負荷運転になった場合は、アノードオフガスＧの流量が低下する。その結果、分離ユニット１４に供給される分岐ガスＧ１の流量が減少する場合がある。分岐ガスＧ１の流量が低下すると、分離ユニット１４において、分岐ガスＧ１の単位流量あたりの分離膜Ｓの面積が増大する。その結果、二酸化炭素よりも透過係数が小さい水素なども、分離膜Ｓを透過しやすくなり、二酸化炭素リッチガスＧ１１における二酸化炭素濃度が低下する。さらに、再生燃料ガスＧ１２に含まれる水素等の可燃成分が減少し、システム全体での発電効率が低下するという課題も生じる。
そこで、本実施の形態では、分離ユニット１４に供給される分岐ガスＧ１の流量が減少した場合に、流量に応じて複数の分配遮断弁Ｖｉのうちの一部の分配遮断弁Ｖｉを閉じて、分離ユニット１４の使用数の調整を行う。
そこで、本実施の形態では、分離ユニット１４に供給される分岐ガスＧ１の流量が減少した場合に、流量に応じて複数の分配遮断弁Ｖｉのうちの一部の分配遮断弁Ｖｉを閉じて、分離ユニット１４の使用数の調整を行う。
【0044】
以下、本実施の形態において、制御装置１９が、燃料電池４の出力が変動した場合に分離ユニット１４の分離性能が低下しないように分離ユニット１４の使用数を制御する方法を具体的に説明する。
圧力計２０が取得する圧力、およびガス情報取得部１１ａからの分岐ガスＧ１の流量の情報に応じて、分岐ガスＧ１を複数の分離ユニット１４のうちのすべてまたは一部の分離ユニット１４に分配する。具体的には、制御装置１９は、分配機構ＤＭで分配遮断弁Ｖｉおよび回収遮断弁Ｖｏの開閉状態を制御する。この制御は、さらに、温度計２２が取得する温度、リサイクルガス流量計１６ｂが取得するリサイクルガスＧ２の流量、および運転状態取得部１８が取得する燃料電池４の運転状態、等に基づいて行われてもよい。
圧力計２０が取得する圧力、およびガス情報取得部１１ａからの分岐ガスＧ１の流量の情報に応じて、分岐ガスＧ１を複数の分離ユニット１４のうちのすべてまたは一部の分離ユニット１４に分配する。具体的には、制御装置１９は、分配機構ＤＭで分配遮断弁Ｖｉおよび回収遮断弁Ｖｏの開閉状態を制御する。この制御は、さらに、温度計２２が取得する温度、リサイクルガス流量計１６ｂが取得するリサイクルガスＧ２の流量、および運転状態取得部１８が取得する燃料電池４の運転状態、等に基づいて行われてもよい。
【0045】
例えば、制御装置１９は、分離ユニット１４によって得られる二酸化炭素リッチガスＧ１１の、二酸化炭素の濃度あるいは流量を目標値として保持する。これらの目標値を満たすように、制御装置１９は、分配機構ＤＭの分配遮断弁Ｖｉおよび回収遮断弁Ｖｏの開閉状態を制御してもよい。
一例として、まず、分岐ガスＧ１の流量が第１閾値以上である場合には、複数の分離ユニット１４のすべてに分岐ガスＧ１が導入されるよう、すべての分配遮断弁Ｖｉが開状態となっている。分岐ガスＧ１の流量が第１閾値以上である場合は、例えば燃料電池が定格出力の状態の時の分岐ガスＧ１の流量を含む。
燃料電池４の出力が下がった場合は、分岐ガスＧ１の流量が減少する。この減少を補うように、制御装置１９は、以下の制御を実行してもよい。
一例として、まず、分岐ガスＧ１の流量が第１閾値以上である場合には、複数の分離ユニット１４のすべてに分岐ガスＧ１が導入されるよう、すべての分配遮断弁Ｖｉが開状態となっている。分岐ガスＧ１の流量が第１閾値以上である場合は、例えば燃料電池が定格出力の状態の時の分岐ガスＧ１の流量を含む。
燃料電池４の出力が下がった場合は、分岐ガスＧ１の流量が減少する。この減少を補うように、制御装置１９は、以下の制御を実行してもよい。
【0046】
分岐ガスＧ１の流量が第１閾値未満となった場合には、複数の分配遮断弁Ｖｉのうちの１つの分配遮断弁Ｖｉを閉じ、閉じた分配遮断弁Ｖｉに接続される１つの分離ユニット１４におけるガス分離が行われないようにする。例えば、第１閾値は、二酸化炭素リッチガスＧ１１の二酸化炭素の濃度あるいは流量を目標値に基づき決定され、例えば、定格出力時の分岐ガスＧ１の流量の３／４の流量であってもよい。
【0047】
ガスの流量が第１閾値未満となった場合、例えば、第４分配遮断弁Ｖ４ｉが閉じられ、第１～第３分離ユニット１４１～１４３に分岐ガスＧ１が導入される。よって、第１～第３分離ユニット１４１～１４３における単位流量あたりの分岐ガスＧ１に対する分離膜Ｓの面積が過度に増大することを防ぐことが可能となる。これにより、二酸化炭素よりも分離膜Ｓを透過しにくい成分、例えば水素の透過量が増大することを防ぎ、二酸化炭素リッチガスＧ１１に含まれる二酸化炭素の濃度の低下を防ぐことができる。
【0048】
このように、第１閾値未満となった場合に、複数の分離ユニット１４のうち、１つの分離ユニット１４を遮断する。さらに分岐ガスＧ１の流量が減った場合には、分岐ガスＧ１が導入される分離ユニット１４の数を減らす。複数の分離ユニット１４のうち、２つの分離ユニット１４を遮断する場合の分岐ガスＧ１の流量の閾値を第２閾値とし、３つの分離ユニット１４を遮断する場合の分岐ガスＧ１の流量の閾値を第３閾値とした場合、これらの閾値は、第１閾値＞第２閾値＞第３閾値の関係を満たす。
例えば、第２閾値は、定格出力時の分岐ガスＧ１の２／４の流量であり、第３閾値は定格出力時の分岐ガスＧ１の１／４の流量であってもよい。なお、第２～第３閾値は、二酸化炭素リッチガスＧ１１の、二酸化炭素の濃度あるいは流量を目標値に基づき、決定されてもよい。
例えば、第２閾値は、定格出力時の分岐ガスＧ１の２／４の流量であり、第３閾値は定格出力時の分岐ガスＧ１の１／４の流量であってもよい。なお、第２～第３閾値は、二酸化炭素リッチガスＧ１１の、二酸化炭素の濃度あるいは流量を目標値に基づき、決定されてもよい。
【0049】
これらの第１～第３閾値に基づき、分岐ガスＧ１の流量が当該閾値未満となった場合に、閾値に応じた個数の分離ユニット１４に接続される分配遮断弁Ｖｉを閉じる。また、分岐ガスＧ１の流量が閾値以上となった場合に、各閾値に応じた個数の分離ユニット１４に接続される分配遮断弁Ｖｉを開ける。
回収遮断弁Ｖｏの開閉状態は、対応する分配遮断弁Ｖｉの開閉に合わせて、制御装置１９により制御されてもよい。
回収遮断弁Ｖｏの開閉状態は、対応する分配遮断弁Ｖｉの開閉に合わせて、制御装置１９により制御されてもよい。
【0050】
なお、制御装置１９は、各分離ユニット１４内における分配ガスＧＤの圧力を変化させるため場合に、以下のような制御を行ってもよい。
圧力調整器Ｃｐとしての調整弁２１の開度を上げることで、分離ユニット１４から燃焼器３ａへと再生燃料ガスＧ１２が流れやすくする。あるいは、圧力調整器Ｃｐとしての圧縮機１２の回転数を下げることで、分岐ガス系統１１において分岐ガスＧ１に印加される圧力を低下させる。
その結果、分離ユニット１４内の分岐ガスＧ１の圧力（分配ガスＧＤの合計の圧力）を変化することができる。
圧力調整器Ｃｐとしての調整弁２１の開度を上げることで、分離ユニット１４から燃焼器３ａへと再生燃料ガスＧ１２が流れやすくする。あるいは、圧力調整器Ｃｐとしての圧縮機１２の回転数を下げることで、分岐ガス系統１１において分岐ガスＧ１に印加される圧力を低下させる。
その結果、分離ユニット１４内の分岐ガスＧ１の圧力（分配ガスＧＤの合計の圧力）を変化することができる。
【0051】
このように、制御装置１９は、分離ユニット１４によって得られる二酸化炭素リッチガスＧ１１の、二酸化炭素の濃度あるいは流量を目標値として分配機構ＤＭおよび圧力調整器Ｃｐを制御する。
【0052】
＜動作時間取得部２４による分離ユニット１４の動作時間の均一化＞
上述の例では、分岐ガスＧ１の流量が第１閾値以下となった場合に、第４分離ユニット１４４を遮断する例を説明した。しかしながら、第１閾値以下となった場合に、常に第４分離ユニット１４４を遮断した場合には、第１～第３分離ユニット１４１～１４３の運転時間が第４分離ユニット１４４の運転時間と比較して長くなる。分離膜Ｓは規定の使用時間を超えると交換が必要になる場合があり、運転時間の長い第１～第３分離ユニット１４１～１４３の分離膜Ｓのみ交換が必要になる場合がある。
そこで、本実施の形態では、複数の分離ユニット１４の動作時間を取得する動作時間取得部２４（図２を参照）を備える。分岐ガスＧ１の流量が閾値を下回る場合に、動作時間取得部２４の情報に基づき、遮断される分離ユニット１４を切り替えて、各分離ユニット１４の運転時間が同等になるように制御する。
なお、動作時間取得部２４は制御装置１９の内部に設けられていてもよく、動作時間取得部２４と制御装置１９とが同じハードウェアで実現されていてもよい。
上述の例では、分岐ガスＧ１の流量が第１閾値以下となった場合に、第４分離ユニット１４４を遮断する例を説明した。しかしながら、第１閾値以下となった場合に、常に第４分離ユニット１４４を遮断した場合には、第１～第３分離ユニット１４１～１４３の運転時間が第４分離ユニット１４４の運転時間と比較して長くなる。分離膜Ｓは規定の使用時間を超えると交換が必要になる場合があり、運転時間の長い第１～第３分離ユニット１４１～１４３の分離膜Ｓのみ交換が必要になる場合がある。
そこで、本実施の形態では、複数の分離ユニット１４の動作時間を取得する動作時間取得部２４（図２を参照）を備える。分岐ガスＧ１の流量が閾値を下回る場合に、動作時間取得部２４の情報に基づき、遮断される分離ユニット１４を切り替えて、各分離ユニット１４の運転時間が同等になるように制御する。
なお、動作時間取得部２４は制御装置１９の内部に設けられていてもよく、動作時間取得部２４と制御装置１９とが同じハードウェアで実現されていてもよい。
【0053】
例えば、第４分離ユニット１４４を遮断して一定時間が経過すると、第４分離ユニット１４４の分配遮断弁Ｖ４ｉを開けるとともに、積算動作時間が長い分離ユニット１４の分配遮断弁Ｖｉが閉じられる。以降、一定時間が経過するごとに、遮断されていた分離ユニット１４の分配遮断弁Ｖｉが開けられるとともに、積算動作時間が長い分離ユニット１４の分配遮断弁Ｖｉが閉じられる。
遮断される分離ユニット１４が複数となる条件の場合も、同様に、動作時間取得部２４によって取得された複数の分離ユニット１４の動作時間に基づき、分岐ガスＧ１が導入される分離ユニット１４の分配遮断弁Ｖｉの開閉状態を切り替えて、各分離ユニット１４の運転時間が均等になるように、制御装置１９により制御される。
具体的には、制御装置１９が、動作時間取得部２４によって取得された複数の分離ユニット１４の動作時間に基づき、複数の分離ユニット１４のそれぞれの動作時間が均一になるように分配機構ＤＭを制御することにより、上述の分配遮断弁Ｖｉの開閉の制御がされる。
遮断される分離ユニット１４が複数となる条件の場合も、同様に、動作時間取得部２４によって取得された複数の分離ユニット１４の動作時間に基づき、分岐ガスＧ１が導入される分離ユニット１４の分配遮断弁Ｖｉの開閉状態を切り替えて、各分離ユニット１４の運転時間が均等になるように、制御装置１９により制御される。
具体的には、制御装置１９が、動作時間取得部２４によって取得された複数の分離ユニット１４の動作時間に基づき、複数の分離ユニット１４のそれぞれの動作時間が均一になるように分配機構ＤＭを制御することにより、上述の分配遮断弁Ｖｉの開閉の制御がされる。
【0054】
＜分配遮断弁Ｖｉの開閉時の分離ユニットの動作圧力の調整＞
分岐ガスＧ１の流量が第１閾値未満となり、分配遮断弁Ｖ４ｉを閉じた場合、第４分離ユニット１４４を流れるガスの流量は、例えば分岐ガスＧ１の１／４の流量から、ゼロへと変化する。分配遮断弁Ｖ４ｉを開状態および閉状態の２パターンで制御した場合には、第４分離ユニット１４４では、流量の急激な減少が起こる場合がある。また、第４分離ユニット１４４以外の第１～第３分離ユニット１４１～１４３では、流量の急激な増加が起こる場合がある。
以下、このような急激な流量の変化が起こり、分離ユニット１４の動作圧力が急激に変化する条件を不連続条件という。不連続条件では、分離ユニット１４の分離能力が下がる場合があるため、本実施の形態では、圧力調整器Ｃｐを制御し、分離ユニット１４における流量の変化が緩やかになるよう、制御装置１９によって分配機構ＤＭの制御を行う。
例えば、第１～第３分離ユニット１４１～１４３が動作中に、ガス情報取得部１１ａで測定された分岐ガスＧ１の流量が第１閾値を超えたことを制御装置１９が検知し、第４分離ユニット１４４への分岐ガスＧ１の導入を開始する場合において、制御装置１９により、以下の第１例または第２例の制御が行われてもよい。
分岐ガスＧ１の流量が第１閾値未満となり、分配遮断弁Ｖ４ｉを閉じた場合、第４分離ユニット１４４を流れるガスの流量は、例えば分岐ガスＧ１の１／４の流量から、ゼロへと変化する。分配遮断弁Ｖ４ｉを開状態および閉状態の２パターンで制御した場合には、第４分離ユニット１４４では、流量の急激な減少が起こる場合がある。また、第４分離ユニット１４４以外の第１～第３分離ユニット１４１～１４３では、流量の急激な増加が起こる場合がある。
以下、このような急激な流量の変化が起こり、分離ユニット１４の動作圧力が急激に変化する条件を不連続条件という。不連続条件では、分離ユニット１４の分離能力が下がる場合があるため、本実施の形態では、圧力調整器Ｃｐを制御し、分離ユニット１４における流量の変化が緩やかになるよう、制御装置１９によって分配機構ＤＭの制御を行う。
例えば、第１～第３分離ユニット１４１～１４３が動作中に、ガス情報取得部１１ａで測定された分岐ガスＧ１の流量が第１閾値を超えたことを制御装置１９が検知し、第４分離ユニット１４４への分岐ガスＧ１の導入を開始する場合において、制御装置１９により、以下の第１例または第２例の制御が行われてもよい。
【0055】
第１例において、まず、第４分配遮断弁Ｖ４ｉを開く前に、第１～第３分離ユニット１４１～１４３における動作圧力を、圧力調整器Ｃｐを制御し増加させる。その後、第４分配遮断弁Ｖ４ｉの弁の開度を徐々に増加させる。第４分配遮断弁Ｖ４ｉの開度は、一定時間内に０％から１００％となるように連続的に増加させてもよいし、数％ずつステップ状に増加させてもよい。第４分配遮断弁Ｖ４ｉの開度が増加し第４分離ユニット１４４における動作圧力が増加するのに従って、第１～第３分離ユニット１４１～１４３へ向かうガスが減るため、第１～第３分離ユニット１４１～１４３における動作圧力は一定の圧力まで減少する。４つの分離ユニット１４の動作圧力が等しくなった後に、必要に応じて圧力調整器Ｃｐを制御し分岐ガスＧ１の圧力を減少させてもよい。
【0056】
第２例では、第４分配遮断弁Ｖ４ｉを開くと同時に、第１～第３分離ユニット１４１～１４３における動作圧力を、圧力調整器Ｃｐを制御し減少させる。その後、第１～第４分離ユニット１４１～１４４の動作圧力を一定の圧力まで増加させる。４つの分離ユニット１４の動作圧力が等しくなった後に、必要に応じて圧力調整器Ｃｐを制御し分岐ガスＧ１の圧力を増加させてもよい。
【0057】
第１例および第２例では、圧力調整器Ｃｐにより分離ユニット１４の動作圧力を制御することで、分離ユニット１４における動作圧力の急激な変化による分離能力の低下を抑えつつ、閾値に応じた分岐ガスＧ１の複数の分離ユニット１４への分配を行うことが可能となる。
なお、分配遮断弁Ｖｉのうちの一つを閉じる場合においても、第１例又は第２例を踏まえ圧力調整器Ｃｐを制御し、不連続状態となることを防ぐことができる。
なお、分配遮断弁Ｖｉのうちの一つを閉じる場合においても、第１例又は第２例を踏まえ圧力調整器Ｃｐを制御し、不連続状態となることを防ぐことができる。
【0058】
＜分離ユニット１４の直列配置＞
分離装置Ｄにおいて、１つの分離ユニット１４から導出されるガスを他の分離ユニット１４に導入する機構が設けられており、これにより、複数の分離ユニット１４が直列に設けられる。本実施の形態では、導入室Ｒ１から導出されるガスを他の分離ユニット１４に導入する逆止弁ＮＶが設けられている。これにより、分岐ガスＧ１の一部では、複数の分離ユニット１４により、順次、ガス分離処理が行われる。このように、図２に示す例では、複数の分離ユニット１４が並列に設けられていることに加え、複数の分離ユニット１４が直列に設けられている。
図２に示すように、１つの分離ユニット１４の導入室Ｒ１から、他の分離ユニット１４の導入室Ｒ１へ向かう分配ガスＧＤのラインに向かって接続された逆止弁ＮＶが設けられている。よって、逆止弁ＮＶから、導入室Ｒ１内のガスが他の分離ユニット１４の導入室Ｒ１へ導入される。
分離装置Ｄにおいて、１つの分離ユニット１４から導出されるガスを他の分離ユニット１４に導入する機構が設けられており、これにより、複数の分離ユニット１４が直列に設けられる。本実施の形態では、導入室Ｒ１から導出されるガスを他の分離ユニット１４に導入する逆止弁ＮＶが設けられている。これにより、分岐ガスＧ１の一部では、複数の分離ユニット１４により、順次、ガス分離処理が行われる。このように、図２に示す例では、複数の分離ユニット１４が並列に設けられていることに加え、複数の分離ユニット１４が直列に設けられている。
図２に示すように、１つの分離ユニット１４の導入室Ｒ１から、他の分離ユニット１４の導入室Ｒ１へ向かう分配ガスＧＤのラインに向かって接続された逆止弁ＮＶが設けられている。よって、逆止弁ＮＶから、導入室Ｒ１内のガスが他の分離ユニット１４の導入室Ｒ１へ導入される。
【0059】
より具体的には、図２に示す例では、第１分離ユニット１４１の導入室Ｒ１から、第２分離ユニット１４２に導入される分配ガスＧＤ２のラインへと接続される第１逆止弁ＮＶ１と、第２分離ユニット１４２の導入室Ｒ１から、第３分離ユニット１４３に導入される分配ガスＧＤ３のラインへと接続される第２逆止弁ＮＶ２と、第３分離ユニット１４３の導入室Ｒ１から、第４分離ユニット１４４に導入される分配ガスＧＤ４のラインへと接続される第３逆止弁ＮＶ３と、が備えられている。
【0060】
例えば、第１分配遮断弁Ｖ１ｉを開とし、第２～第４分配遮断弁Ｖ２ｉ、Ｖ３ｉ、Ｖ４ｉを閉じ、第１～第３回収遮断弁Ｖ１ｏ、Ｖ２ｏ、Ｖ３ｏを閉じ、第４回収遮断弁Ｖ４ｏを開けた場合を説明する。第１分離ユニット１４１の第１逆止弁ＮＶ１から導出された第１再生燃料ガスＧＤ１２の一部は、第２～第４分離ユニット１４２～１４４でさらにガス分離され、第４回収遮断弁Ｖ４ｏまたは二酸化炭素リッチガスＧ１１の導入ラインへ向けて排出される。
【0061】
このように、複数の分離ユニット１４が直列に配置された場合、第１～第３再生燃料ガスＧＤ１２～ＧＤ３２の一部は、再び分離膜Ｓによるガス分離処理がされる。よって、分離装置Ｄから排出される二酸化炭素リッチガスＧ１１に含まれる二酸化炭素濃度をより高くし、かつ、再生燃料ガスＧ１２に含まれる水素等の濃度をより高くすることが可能となる。
【0062】
なお、逆止弁ＮＶを設けることは必須ではなく、図３に示すように、逆止弁ＮＶを省略し、複数の分離ユニット１４が、直列に接続されておらず、並列にのみ配置されていてもよい。また、複数の分離ユニット１４のうち、少なくとも２以上の分離ユニット１４が逆止弁ＮＶで接続されていてもよい。
【0063】
本実施の形態における分離装置Ｄは、プロセスガス（アノードオフガスＧ）を、二酸化炭素リッチガスＧ１１と再生燃料ガスＧ１２とに分離する。しかしながら、分離装置Ｄによる分離の対象となるプロセスガスには、水素などの可燃成分が含まれていなくてもよい。したがって、プロセスガスから二酸化炭素リッチガスＧ１１が分離された後の残留ガスに、可燃成分が含まれていなくてもよい。言い換えると、分離装置Ｄは、プロセスガスを、二酸化炭素濃度が高められた二酸化炭素リッチガスＧ１１と、二酸化炭素濃度が低減され水素濃度が増加した再生燃料ガスＧ１２と、に分離してもよい。
【0064】
以上説明したように、本開示の燃料電池システム１００は、アノード４Ａおよびカソード４Ｂを有する燃料電池４と、アノード４Ａから排出されたアノードオフガスＧを、分岐ガスＧ１とリサイクルガスＧ２とに分岐させる分岐部１０と、分岐ガスＧ１から特定のガス成分を分離する複数の分離ユニット１４を有する分離装置Ｄと、分岐ガスＧ１を昇圧する圧縮機１２と、分離装置Ｄに導入される分岐ガスＧ１の圧力を計測する圧力計２０と、分岐ガスＧ１の圧力を調整する圧力調整器Ｃｐと、分岐ガスＧ１の組成および流量を取得するガス情報取得部１１ａと、複数の分離ユニット１４にＧ１分岐ガスを分配する分配機構ＤＭと、備える。
【0065】
このような構成の燃料電池システム１００によれば、分離装置Ｄに供給されるプロセスガスの流量が変化した場合、二酸化炭素リッチガスＧ１１の二酸化炭素濃度が低下しないように、分配機構ＤＭによって各分離ユニット１４に分配されるプロセスガスの流量を調整することが可能である。よって、分離ユニット１４におけるガス分離処理の動作圧力を調整することが可能である。
流量および圧力による制御は時定数が小さく、すなわち、流量および圧力による制御は応答速度が大きい。よって、本実施の形態のような分岐ガスＧ１を複数の分離ユニット１４に分けてガス分離処理を行う制御により、好適に二酸化炭素の濃度あるいは回収量を目標値に近づけることが可能となる。
流量および圧力による制御は時定数が小さく、すなわち、流量および圧力による制御は応答速度が大きい。よって、本実施の形態のような分岐ガスＧ１を複数の分離ユニット１４に分けてガス分離処理を行う制御により、好適に二酸化炭素の濃度あるいは回収量を目標値に近づけることが可能となる。
【0066】
また、分配機構ＤＭを制御する制御装置１９をさらに備え、制御装置１９は、圧力計２０およびガス情報取得部１１ａからの情報に基づき分配機構ＤＭを制御し、分岐ガスＧ１を複数の分離ユニット１４に分配させる。
これにより、分岐ガスＧ１を複数の分離ユニット１４に分配して導入することができるため、各分離ユニット１４において適切な分岐ガスＧ１の流量および圧力でのガス分離処理が可能となる。
これにより、分岐ガスＧ１を複数の分離ユニット１４に分配して導入することができるため、各分離ユニット１４において適切な分岐ガスＧ１の流量および圧力でのガス分離処理が可能となる。
【0067】
また、複数の分離ユニット１４は、並列配置され、分配機構ＤＭには分配遮断弁Ｖｉが含まれ、制御装置１９は、分配遮断弁Ｖｉを開閉させることで、分離ユニット１４に分岐ガスＧ１を分配する。
複数の分離ユニット１４が並列に配置されているため、複数の分離ユニット１４において同時にガス分離処理を行うことが可能となる。また、分岐ガスＧ１の流量に応じて、分配遮断弁Ｖｉの開閉を行うことで、各分離ユニット１４において適切な分岐ガスＧ１の流量および圧力でのガス分離処理が可能となる。
複数の分離ユニット１４が並列に配置されているため、複数の分離ユニット１４において同時にガス分離処理を行うことが可能となる。また、分岐ガスＧ１の流量に応じて、分配遮断弁Ｖｉの開閉を行うことで、各分離ユニット１４において適切な分岐ガスＧ１の流量および圧力でのガス分離処理が可能となる。
【0068】
また、分離ユニット１４に含まれる少なくとも２つの分離ユニット１４は直列配置される。
これにより、分岐ガスＧ１の一部を、複数回、分離膜Ｓにより処理することが可能となるため、二酸化炭素リッチガスＧ１１および再生燃料ガスＧ１２における、回収目標とするガスの濃度をより高くすることができる。
これにより、分岐ガスＧ１の一部を、複数回、分離膜Ｓにより処理することが可能となるため、二酸化炭素リッチガスＧ１１および再生燃料ガスＧ１２における、回収目標とするガスの濃度をより高くすることができる。
【0069】
また、分配機構ＤＭは、ガス情報取得部１１ａによって取得された分岐ガスＧ１の流量が閾値以上である場合は複数の分離ユニット１４のすべてに分岐ガスＧ１を分配し、ガス情報取得部１１ａによって取得された分岐ガスＧ１の流量が閾値を下回る場合は、複数の分離ユニット１４の一部に分岐ガスＧ１を分配する。
これにより、閾値により分岐ガスＧ１を導入する分離ユニット１４の数を調整するができる。よって、分離ユニット１４における単位流量あたりの分岐ガスＧ１に対する分離膜Ｓの面積が過度に増大することを防ぐことが可能となる。これにより、二酸化炭素よりも分離膜Ｓを透過しにくい成分、例えば水素の透過量が増大することを防ぎ、二酸化炭素リッチガスＧ１１に含まれる二酸化炭素の濃度の低下を防ぐことができる。
これにより、閾値により分岐ガスＧ１を導入する分離ユニット１４の数を調整するができる。よって、分離ユニット１４における単位流量あたりの分岐ガスＧ１に対する分離膜Ｓの面積が過度に増大することを防ぐことが可能となる。これにより、二酸化炭素よりも分離膜Ｓを透過しにくい成分、例えば水素の透過量が増大することを防ぎ、二酸化炭素リッチガスＧ１１に含まれる二酸化炭素の濃度の低下を防ぐことができる。
【0070】
また、複数の分離ユニット１４の動作時間を取得する動作時間取得部２４をさらに備え、分配機構ＤＭを制御する制御装置１９は、動作時間取得部２４によって取得された複数の分離ユニット１４の動作時間に基づき、複数の分離ユニット１４の動作時間が均一になるように分配機構ＤＭを制御する。
これにより、複数の分離ユニット１４にそれぞれ含まれる分離膜Ｓの使用時間を同等にすることができる。よって、分離膜Ｓの積算使用時間に基づく分離膜Ｓの交換またはメンテナンスのタイミングを同じ時期にすることができる。
これにより、複数の分離ユニット１４にそれぞれ含まれる分離膜Ｓの使用時間を同等にすることができる。よって、分離膜Ｓの積算使用時間に基づく分離膜Ｓの交換またはメンテナンスのタイミングを同じ時期にすることができる。
【0071】
また、圧力調整器Ｃｐを制御して分岐ガスＧ１の圧力を変更することで、分配遮断弁Ｖｉの開閉状態が変更される際の分離ユニット１４の動作圧力を調整する。
これにより、分配遮断弁Ｖｉの開閉時に、分離ユニット１４の動作圧力が急激に変化することを防ぐことができる。これにより、分離ユニット１４の急激な動作圧力の変化によるガス分離能力の低下を防ぐことができる。
これにより、分配遮断弁Ｖｉの開閉時に、分離ユニット１４の動作圧力が急激に変化することを防ぐことができる。これにより、分離ユニット１４の急激な動作圧力の変化によるガス分離能力の低下を防ぐことができる。
【0072】
また、分離装置Ｄから排出される二酸化炭素リッチガスＧ１１を吸引する真空ポンプを有する。
この構成によれば、導入室Ｒ１と回収室Ｒ２の圧力比を大きくすることでき、分離膜Ｓの性能を高めることができる。さらに、回収室Ｒ２に二酸化炭素リッチガスＧ１１が滞留することを抑制できる。したがって、回収室Ｒ２の二酸化炭素濃度が高いために分離膜Ｓにおいて二酸化炭素の透過が停滞する現象を抑制できる。
この構成によれば、導入室Ｒ１と回収室Ｒ２の圧力比を大きくすることでき、分離膜Ｓの性能を高めることができる。さらに、回収室Ｒ２に二酸化炭素リッチガスＧ１１が滞留することを抑制できる。したがって、回収室Ｒ２の二酸化炭素濃度が高いために分離膜Ｓにおいて二酸化炭素の透過が停滞する現象を抑制できる。
【0073】
実施の形態２．
次に、図４を用いて、実施の形態２に係る燃料電池システム１００Ａについて説明する。燃料電池システム１００Ａは、基本的な構成は実施の形態１の燃料電池システム１００と同様であるため、異なる点を中心に説明する。
次に、図４を用いて、実施の形態２に係る燃料電池システム１００Ａについて説明する。燃料電池システム１００Ａは、基本的な構成は実施の形態１の燃料電池システム１００と同様であるため、異なる点を中心に説明する。
【0074】
図４に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム１００Ａは、燃焼器３ａに設けた温度検出機構３０をさらに有する。温度検出機構３０は、燃焼器３ａの温度を測定する。温度検出機構３０の温度情報は、制御装置１９に入力される。
【0075】
燃焼器３ａは、燃料を燃焼させることで、改質器３内が適切な温度帯となるように熱を発生させる。上述のように、燃焼器３ａの燃料としては、分離装置Ｄから排出された再生燃料ガスＧ１２を利用されている。
本実施の形態では、温度検出機構３０によって燃焼器３ａの燃焼温度を測定し、温度検出機構３０からの温度情報により、制御装置１９は分離装置Ｄにおけるガス分離量（再生燃料ガスＧ１２の量）を推定する。そして、推定したガス分離量に応じて、分離装置Ｄにおけるガス分離量の制御を実施する。分離装置Ｄにおけるガス分離量は、分配機構ＤＭまたは圧力調整器２１によって制御される。
例えば、燃焼温度が目標値よりも低い場合には、再生燃料ガスＧ１２の量が増えるよう制御装置１９により分配機構ＤＭまたは圧力調整器２１を制御し、分離装置Ｄにおけるガス分離量を増やしてもよい。燃焼温度が目標値よりも高い場合には、再生燃料ガスＧ１２の量が減るよう制御装置１９により分配機構ＤＭまたは圧力調整器２１を制御し、分離装置Ｄにおけるガス分離量を減らしてもよい。
本実施の形態では、温度検出機構３０によって燃焼器３ａの燃焼温度を測定し、温度検出機構３０からの温度情報により、制御装置１９は分離装置Ｄにおけるガス分離量（再生燃料ガスＧ１２の量）を推定する。そして、推定したガス分離量に応じて、分離装置Ｄにおけるガス分離量の制御を実施する。分離装置Ｄにおけるガス分離量は、分配機構ＤＭまたは圧力調整器２１によって制御される。
例えば、燃焼温度が目標値よりも低い場合には、再生燃料ガスＧ１２の量が増えるよう制御装置１９により分配機構ＤＭまたは圧力調整器２１を制御し、分離装置Ｄにおけるガス分離量を増やしてもよい。燃焼温度が目標値よりも高い場合には、再生燃料ガスＧ１２の量が減るよう制御装置１９により分配機構ＤＭまたは圧力調整器２１を制御し、分離装置Ｄにおけるガス分離量を減らしてもよい。
【0076】
本実施の態様における燃料電池システム１００Ａでは、炭化水素系燃料から水素を生成する改質器３と、前記改質器と熱的に接続された燃焼器３ａと、を有し，分離装置Ｄから排出される、分岐ガスＧ１と比較して水素濃度が高い再生燃料ガスＧ１２を燃焼器３ａに供給する。燃焼器３ａに設けた温度検出機構３０からの情報に基づいて，分配機構ＤＭもしくは圧力調整器２１を制御する。
この構成によれば、プロセスガスよりも二酸化炭素の濃度が低く、かつ、水素の濃度が高い再生燃料ガスＧ１２を、燃焼器３ａの燃料として効率よく再利用できる。したがって、システム全体の発電効率を、より高めることができる。
この構成によれば、プロセスガスよりも二酸化炭素の濃度が低く、かつ、水素の濃度が高い再生燃料ガスＧ１２を、燃焼器３ａの燃料として効率よく再利用できる。したがって、システム全体の発電効率を、より高めることができる。
【0077】
実施の形態３．
次に、図５を用いて、実施の形態３に係る燃料電池システム１００Ｂについて説明する。燃料電池システム１００Ｂは、基本的な構成は実施の形態１の燃料電池システム１００と同様であるため、異なる点を中心に説明する。
次に、図５を用いて、実施の形態３に係る燃料電池システム１００Ｂについて説明する。燃料電池システム１００Ｂは、基本的な構成は実施の形態１の燃料電池システム１００と同様であるため、異なる点を中心に説明する。
【0078】
図５に示すように、燃料電池システム１００Ｂは、二酸化炭素から合成燃料を生成する燃料合成反応機構４０をさらに備える。
分離装置Ｄによって分岐ガスＧ１から分離され、二酸化炭素回収系統１４ａに導入された二酸化炭素リッチガスＧ１１が、外部から供給された水素ガスとともに、燃料合成反応機構４０に供給される。外部から供給される水素ガスは、別途水電解から生成された水素、またはその他の生成方法により貯蔵・輸送された水素等である。
二酸化炭素リッチガスＧ１１の炭素と水素とが反応し、炭化水素系燃料である合成燃料（例えばメタン）が生成される。
分離装置Ｄによって分岐ガスＧ１から分離され、二酸化炭素回収系統１４ａに導入された二酸化炭素リッチガスＧ１１が、外部から供給された水素ガスとともに、燃料合成反応機構４０に供給される。外部から供給される水素ガスは、別途水電解から生成された水素、またはその他の生成方法により貯蔵・輸送された水素等である。
二酸化炭素リッチガスＧ１１の炭素と水素とが反応し、炭化水素系燃料である合成燃料（例えばメタン）が生成される。
【0079】
本実施の態様における燃料電池システム１００Ｂでは、二酸化炭素から合成燃料を生成する燃料合成反応機構４０と、分離装置Ｄによって分岐ガスＧ１から分離された二酸化炭素リッチガスＧ１１を燃料合成反応機構４０に供給する二酸化炭素回収系統１４ａと、をさらに備える。
これによれば、分離装置Ｄから排出された二酸化炭素リッチガスＧ１１を利用して合成燃料が合成できる。
これによれば、分離装置Ｄから排出された二酸化炭素リッチガスＧ１１を利用して合成燃料が合成できる。
【0080】
実施の形態４．
次に、図６を用いて、実施の形態３に係る燃料電池システム１００Ｃについて説明する。燃料電池システム１００Ｃは、基本的な構成は実施の形態３の燃料電池システム１００Ｂと同様であるため、異なる点を中心に説明する。
次に、図６を用いて、実施の形態３に係る燃料電池システム１００Ｃについて説明する。燃料電池システム１００Ｃは、基本的な構成は実施の形態３の燃料電池システム１００Ｂと同様であるため、異なる点を中心に説明する。
【0081】
図６に示すように、燃料電池システム１００Ｃは、二酸化炭素回収系統１４ａと燃料合成反応機構４０との間に、共電解セル５０をさらに備える。
共電解セル５０には、分離装置Ｄによって分岐ガスＧ１から分離され、二酸化炭素回収系統１４ａに導入された二酸化炭素リッチガスＧ１１が導入される。
共電解セル５０では、二酸化炭素リッチガスＧ１１から水素および一酸化炭素を含む合成ガスを生成する。当該合成ガスは燃料合成反応機構４０へ導入され、水素および一酸化炭素を含む合成ガスから、合成燃料（例えばメタンや高次炭化水素）が生成される。
共電解セル５０には、分離装置Ｄによって分岐ガスＧ１から分離され、二酸化炭素回収系統１４ａに導入された二酸化炭素リッチガスＧ１１が導入される。
共電解セル５０では、二酸化炭素リッチガスＧ１１から水素および一酸化炭素を含む合成ガスを生成する。当該合成ガスは燃料合成反応機構４０へ導入され、水素および一酸化炭素を含む合成ガスから、合成燃料（例えばメタンや高次炭化水素）が生成される。
【0082】
本実施の態様によれば、二酸化炭素回収系統１４ａと、燃料合成反応機構４０との間に、水素および一酸化炭素を含む合成ガスを生成する共電解セル５０を、さらに備える。
これにより、燃料合成反応機構４０において、実施の形態３で外部から供給される水素に代わって、共電解セル５０において生成された水素を用いることができる。
これにより、燃料合成反応機構４０において、実施の形態３で外部から供給される水素に代わって、共電解セル５０において生成された水素を用いることができる。
【0083】
原料として使用した炭素成分を、合成燃料にすることで、カーボンリサイクルが実現できる。
【0084】
なお、本開示の技術的範囲は前記実施の形態に限定されず、本開示の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【0085】
例えば、分岐部１０と、分離装置Ｄに供給される前記分岐ガスＧ１を昇圧させる圧縮機１２と、の間に一酸化炭素を二酸化炭素に変成するシフト反応部６１と，シフト反応部の熱と水蒸気との間での熱交換を行うシフト反応熱交換部６２とを設けてもよい。熱交換に利用する水蒸気は、改質器３に供給される水蒸気を利用してもよい。
シフト反応部６１およびシフト反応熱交換部６２では、シフト反応により分岐ガスＧ１の各ガスの濃度変化が起こる。このため、シフト反応部６１およびシフト反応熱交換部６２は、ガス情報取得部１１ａよりも上流に配置されることが好ましい。さらに、シフト反応部６１では、水蒸気分圧が高い方が、二酸化炭素が生成する方向に反応が進むことから、水蒸気発生器７と凝縮タンク９の間の適切な温度領域に設けることがより好ましい。
シフト反応により、分離装置Ｄに導入される前の分岐ガスＧ１において、一酸化炭素の濃度を下げ、二酸化炭素および水素の濃度を上げることが可能となる。よって、分離装置Ｄから導出される二酸化炭素リッチガスＧ１１および再生燃料ガスＧ１２において、二酸化炭素または水素の濃度をより高めることが可能となる。
シフト反応部６１およびシフト反応熱交換部６２では、シフト反応により分岐ガスＧ１の各ガスの濃度変化が起こる。このため、シフト反応部６１およびシフト反応熱交換部６２は、ガス情報取得部１１ａよりも上流に配置されることが好ましい。さらに、シフト反応部６１では、水蒸気分圧が高い方が、二酸化炭素が生成する方向に反応が進むことから、水蒸気発生器７と凝縮タンク９の間の適切な温度領域に設けることがより好ましい。
シフト反応により、分離装置Ｄに導入される前の分岐ガスＧ１において、一酸化炭素の濃度を下げ、二酸化炭素および水素の濃度を上げることが可能となる。よって、分離装置Ｄから導出される二酸化炭素リッチガスＧ１１および再生燃料ガスＧ１２において、二酸化炭素または水素の濃度をより高めることが可能となる。
【0086】
また、実施の形態１では、圧縮機１２および調整弁２１が、圧力調整器Ｃｐとして機能した。しかしながら、圧力調整器Ｃｐの機能は、圧縮機１２および調整弁２１のどちらか一方によってのみ実現されてもよい。また、燃料電池システム１００は、分岐部１０を備えず、アノードオフガスＧの全量をそのまま分離装置Ｄに供給してもよい。
【0087】
また、前記実施の形態では、制御装置１９が、温度調整器１３および圧力調整器Ｃｐ等を制御した。制御装置１９の機能は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等のプロセッサが、プログラムメモリに格納されたプログラムを実行することにより実現される。これらの機能のうち一部または全部は、ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、またはＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）等のハードウェアにより実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアが協働することで実現されてもよい。また、制御装置１９の機能は、１つのハードウェアによって実現されてもよい。あるいは、温度調整器１３を制御するハードウェアと、圧力調整器Ｃｐを制御するハードウェアとが異なっていてもよい。
【0088】
その他、上記した実施の形態あるいは変形例を、適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【0089】
３…改質器 ３ａ…燃焼器 ４…燃料電池 ４Ａ…アノード ４Ｂ…カソード １０…分岐部 １１…分岐ガス系統 １１ａ…ガス情報取得部 １３…温度調整器 １４…分離ユニット １４ａ…二酸化炭素回収系統 １５…真空ポンプ １８…運転状態取得部 １９…制御装置 ２２…温度計 ２４…動作時間取得部 ３０…温度検出機構 ４０…燃料合成反応機構 ５０…共電解セル ６１…シフト反応部 ６２…シフト反応熱交換部 １００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ…燃料電池システム Ｃｐ…圧力調整器 Ｄ…分離装置 ＤＭ…分配機構 Ｇ…アノードオフガス（プロセスガス） Ｇ１…分岐ガス Ｇ２…リサイクルガス Ｇ１１…二酸化炭素リッチガス Ｇ１２…再生燃料ガス（残留ガス） Ｖｉ…分配遮断弁 ＮＶ…逆止弁
【要約】
本開示に係る燃料電池システムは、アノードおよびカソードを有する燃料電池と、前記アノードから排出されたアノードオフガスを、分岐ガスとリサイクルガスとに分岐させる分岐部と、前記分岐ガスから特定のガス成分を分離する複数の分離ユニットを有する分離装置と、前記分岐ガスを昇圧する圧縮機と、前記分離装置に導入される前記分岐ガスの圧力を計測する圧力計と、前記分岐ガスの圧力を調整する圧力調整器と、前記分岐ガスの組成および流量を取得するガス情報取得部と、前記複数の分離ユニットに前記分岐ガスを分配する分配機構と、備える。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】