JP2003272690A - 燃料電池システム - Google Patents

燃料電池システム

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JP2003272690A
JP2003272690A JP2002076967A JP2002076967A JP2003272690A JP 2003272690 A JP2003272690 A JP 2003272690A JP 2002076967 A JP2002076967 A JP 2002076967A JP 2002076967 A JP2002076967 A JP 2002076967A JP 2003272690 A JP2003272690 A JP 2003272690A
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fuel cell
fuel
combustion
cell system
reforming
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JP2002076967A
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Masahiro Kuroishi
正宏 黒石
Hiroaki Takeuchi
弘明 竹内
Toshiya Abe
俊哉 阿部
Satoshi Matsuoka
聡 松岡
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Toto Ltd
Original Assignee
Toto Ltd
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

(57)【要約】 【課題】改質反応に必要な燃焼用燃料を削減し燃料電池
システム全体として発電効率を向上できる燃料電池シス
テムを提供することを課題とする。 【解決手段】燃料電池システムの改質器の燃焼部の排気
ガスを改質器の改質部に供給する燃料電池システムが提
供する。さらに、燃焼熱を改質部に供給することによ
り、改質のために必要な燃焼用燃料を削減し、高効率な
燃料電池システムが提供できる。さらに、外部から供給
する水も削減できるために、貯水タンクを小さくでき、
コンパクトな燃料電池システムを提供できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、発電用原燃料を改
質して得られる改質ガスを燃料として用いる燃料電池シ
ステムに関する。
【0002】
【従来の技術】燃料電池は、電解質の両側にアノードお
よびカソードを有し、アノードに燃料を、カソードに酸
化剤を供給することにより電気化学的に燃料と酸化剤を
反応させて電気エネルギーに変換する発電素子である。
このとき燃料としては水素、一酸化炭素などが用いられ
る。しかしながら一般的に入手可能な発電用原燃料とし
ては都市ガスやプロパンガス、ブタンガス、灯油などの
炭化水素系燃料やメタノールやエタノールなどのアルコ
ール系燃料であり、このまま燃料電池に供給することは
できない。そこで、燃料電池に供給する前段に改質器を
設置し水蒸気改質により水素リッチなガスに改質して、
燃料電池に供給している。
【0003】このとき改質反応には600℃以上の高温
が必要になる。そこで改質器は燃料電池に利用可能な改
質ガスを生成する改質部とこの改質部に改質のための熱
を供給する燃焼部から形成されている。この燃焼部には
燃焼用燃料と空気が供給されており、燃焼用燃料を燃焼
させることにより反応に必要な熱を供給するようになっ
ている。また、この改質反応には水蒸気が必要であり、
改質部には改質される発電用原燃料と水が供給されてい
る。
【0004】図5において従来の燃料電池システムにつ
いて説明する。改質器1には改質反応に必要な熱を発生
させる燃焼部3と燃料電池に利用可能な改質ガスを生成
する改質部2が設けられている。前記燃焼部には燃焼用
燃料と空気が第二供給手段6を通じて供給され、燃焼反
応により発生した熱を前記改質部2に供給しつつ排気ガ
ス7として改質器から排出される。また、前記改質部2
には燃料電池に利用可能な改質ガスに改質される発電用
原燃料と水が第一供給手段5を通じて供給され、前記燃
焼部から熱の供給を受けて改質反応により燃料電池に利
用可能な改質ガスを生成し、燃料電池4へ燃料として供
給している。
【0005】前記燃料電池4では燃料として供給された
前記改質ガスと図示していない空気を用いて発電反応を
生じ、電力を発生している。この発電反応においては水
蒸気、二酸化炭素なども生じ、燃料電池排気ガス8とし
て排気されている。また、燃料電池4では供給された改
質ガスの全量が燃料として発電反応に利用されるわけで
はないため、前記燃料電池排気ガス8には未利用燃料も
含まれている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】前述のように、燃料電
池システムでは利用可能な燃料が限られているため、発
電用原燃料を燃料電池に利用可能な燃料に改質してい
る。このとき改質反応のために熱源を必要とするが、こ
の熱源として燃料電池の発電用原燃料ともなりうる燃料
を燃焼させている。このため、改質器を含む燃料電池シ
ステムとしては多くの燃料を消費することになり、総合
的には発電効率を低下させている。また、改質反応には
水が必要なため燃料電池システムには貯水タンクが設置
されているが使用する水が多くなると前記貯水タンクも
大きなものになり、システム全体を大きくしている。
【0007】本発明は、上記課題を解決し、改質反応に
必要な燃焼用燃料を削減し燃料電池システム全体として
発電効率を向上できる燃料電池システムを提供し、さら
に、外部から供給する水を削減することにより貯水タン
ク容量を小さくしてコンパクトな燃料電池システムを提
供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記課題解決するため、
発電用原燃料から燃料電池に適用可能な改質ガスを生成
する改質部およびこの改質部に改質のための熱を供給す
る燃焼部を有する改質器と、前記改質部に発電用原燃料
および水を供給する第一供給手段と、前記燃焼部に燃焼
用燃料と空気を供給する第二供給手段と、前記改質器で
生成された改質ガスを用いて発電する燃料電池とを備え
た燃料電池システムであって、前記燃焼部からの排気ガ
スを前記改質部へ供給する燃料電池システムを提供す
る。本発明によれば、前記燃焼部からの排気ガスを前記
改質部に供給することにより排気ガス中に含まれる水蒸
気も供給することになり、外部から供給する水が少なく
なる。さらに、排気ガスの持つ熱も改質部に供給するこ
とになるため、改質反応に必要な熱を与えるための燃焼
用燃料を少なくでき、コンパクトで、高効率な燃料電池
システムを実現することができる。
【0009】第2の発明では、第1の発明の改質部に前
記燃料電池から排出される燃料電池排気ガスを供給する
燃料電池システムを提供する。本発明によれば燃料電池
システムとして前記発明の効果に加え、燃料電池から排
出される水蒸気を含む未利用燃料燃料ガスを改質器に供
給することにより、外部から供給する水の量をさらに削
減でき、運転条件によっては外部から水を供給する必要
がなくなり、貯水タンクのないコンパクトな燃料電池シ
ステムを実現することができる。
【0010】第3の発明では、第1又は2の発明の燃焼
部に供給される空気と改質器で生成された改質ガスとを
熱交換することにより前記燃焼部に供給される空気を予
熱する燃料電池システムを提供する。本発明では、前記
発明の効果を保ちつつ、前記燃焼部に供給される空気が
熱交換により昇温されるため燃焼部で必要な熱を発生さ
せるために必要な燃焼用燃料を削減することができ、燃
料電池システム全体での発電効率を向上することができ
る。
【0011】第4の発明では、第1から3の発明の改質
部に供給される水の一部を前記燃焼部へ供給する燃料電
池システムを提供する。本発明によれば、燃焼部に、改
質に用いられる水の一部をあらかじめ混合することによ
り、通常の燃焼では残っている一酸化炭素を二酸化炭素
に変換することができる。この反応は発熱反応であるた
めこの分燃焼用燃料を削減することができより高効率な
燃料電池システムを提供できる。
【0012】第5の発明では、第1から4の発明の燃料
電池が固体酸化物形燃料電池である燃料電池システムを
提供する。本発明では、前記燃料電池を他の燃料電池よ
り動作温度の高い固体酸化物形燃料電池とすることによ
り、燃料電池からの排出される水蒸気を含む燃料電池排
ガスの温度が高くなり、燃焼に必要な燃料の削減量が多
くなり、より効率的な燃料電池システムを提供できる。
【0013】
【発明の実施の形態】以下に図面を参照して本発明をよ
り具体的に説明する。図1は、本発明の一実施例を略示
する図である。改質器1には改質反応に必要な熱を発生
させる燃焼部3と燃料電池に利用可能な改質ガスを生成
する改質部2が設けられている。前記燃焼部3には燃焼
用燃料と空気が第二供給手段6を通じて供給され、燃焼
反応により発生した熱を前記改質部2に供給しつつ排気
ガス7として改質器から排出される。また、前記改質部
2には燃料電池に利用可能な改質ガスに改質される発電
用原燃料と水が第一供給手段5を通じて供給され、前記
燃焼部3から熱の供給を受けて改質反応により燃料電池
に利用可能な改質ガスを生成し、燃料電池4へ燃料とし
て供給している。
【0014】ここで、前記燃焼部3から排気される排気
ガス7は炭化水素やアルコール系燃料である燃焼用燃料
を燃焼させた排気ガスであるため、この中には多くの水
蒸気を含んでいる。たとえは都市ガスを燃焼用燃料とし
て用いるとその排気ガス中には10%以上の水蒸気が含
まれる。図1では、この燃焼部3からの排気ガス7を前
記発電用原燃料と水を供給する第一供給手段5を通じ
て、改質部2へ供給している。この結果、燃料電池シス
テム外から供給する改質のために必要な水の量が削減で
き、貯水タンクを小さくできる。さらに、前記排気ガス
7は燃焼排ガスであり、高温のガスであるため改質反応
に必要な燃焼用燃料を削減でき、燃料電池システムとし
ては高効率な発電が行えるようになる。
【0015】図2は本発明の別の一実施例を略示する図
である。図2は図1に加え燃料電池4からの排出される
水蒸気を含む燃料電池排ガス8を、前記発電用原燃料と
水を供給する第一供給手段5を通じて、改質部2へ供給
している。前記燃料電池4では供給された改質ガスの全
量が燃料として発電反応に利用されるわけではないた
め、前記燃料電池排気ガス8には発電反応生成物である
水に加え、未利用燃料も含まれている。燃料電池の燃料
利用率が85%程度であるとすると、燃料電池排ガス8
には20%以上の水蒸気と5%程度の水素が含まれてい
る。このため、前記改質器1の燃焼部3からの排気ガス
7とこの燃料電池排ガス8を改質部2へ供給すると、燃
料電池システム外部から供給する改質に必要な水は大幅
に削減できる。燃料電池を固体酸化物型燃料電池として
燃料電池の作動温度を800℃程度、燃料利用率を85
%、発電量を0.3A/cm2とし、燃料を炭化水素、改質に必
要な水を燃料中の炭素数に対し2.5程度すると、燃料
電池システムの外部から供給する水は必要なくなる。こ
の結果、水の供給設備は不要になりコストの削減とシス
テムの小型化が可能になる。
【0016】図3は本発明のさらに別の一実施例を略示
する図である。図3は図1に加え改質器1の燃焼部3へ
供給する空気を、改質器の改質部2から排出される前記
改質ガスと熱交換する熱交換器9を設けている。改質反
応は600℃以上の高温で生じるため、その時の生成物
である改質ガスは非常に高温になっている。そこで、従
来室温で供給されている前記燃焼部3に供給される空気
を熱交換器9により予熱することにより、燃焼部で生じ
る燃焼ガスを容易に高温に出来るようになり、燃焼用燃
料を削減することができる。この結果、燃料電池システ
ム全体としては燃料使用量を削減でき、高効率な燃料電
池システムを実現できるようになる。
【0017】図4は本発明のさらに別の一実施例を略示
する図である。図4は図1に加え、前記発電用原燃料と
水を供給する第一供給手段5を通じて改質部2へ供給さ
れる水の一部を前記第二供給手段6を通じて、燃焼部3
へ供給している。排気ガス7は燃焼用燃料の燃焼排ガス
であり、通常の燃焼反応ではこのガス中には一酸化炭素
が含まれている。たとえば、灯油程度の炭素数の炭化水
素を燃料とすると、その燃焼排ガス中には水蒸気に加え
3%程度の一酸化炭素が生じる。燃焼用燃料が燃焼して
いるときに水を混合すると、水と一酸化炭素が反応しシ
フト反応により二酸化炭素と水素を生じる。この結果、
生じた水素を燃料と出来る分燃焼用燃料を削減できるこ
とになり、燃料電池全体としては燃料の削減が図られ、
高効率な燃料電池が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の燃料電池の1実施例を略示する図で
ある。
【図2】 本発明の燃料電池の別の1実施例を略示する
図である。
【図3】 本発明の燃料電池のさらに別の1実施例を略
示する図である。
【図4】 本発明の燃料電池のさらに別の1実施例を略
示する図である。
【図5】 従来の燃料電池の1実施例を略示する図であ
る。
【符号の説明】
1 改質器 2 改質部 3 燃焼部 4 燃料電池 5 第一供給手段 6 第二供給手段 7 熱交換器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 阿部 俊哉 福岡県北九州市小倉北区中島2丁目1番1 号 東陶機器株式会社内 (72)発明者 松岡 聡 福岡県北九州市小倉北区中島2丁目1番1 号 東陶機器株式会社内 Fターム(参考) 5H026 AA06 5H027 AA06 BA01 BA10

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 発電用原燃料から燃料電池に適用可能な
    改質ガスを生成する改質部およびこの改質部に改質のた
    めの熱を供給する燃焼部を有する改質器と、 前記改質部に発電用原燃料および水を供給する第一供給
    手段と、 前記燃焼部に燃焼用燃料と空気を供給する第二供給手段
    と、 前記改質器で生成された改質ガスを用いて発電する燃料
    電池とを備えた燃料電池システムであって、 前記燃焼部からの排気ガスを前記改質部へ供給すること
    を特徴とする燃料電池システム。
  2. 【請求項2】 さらに、前記改質部に前記燃料電池から
    排出される燃料電池排気ガスを供給することを特徴とす
    る請求項1に記載の燃料電池システム。
  3. 【請求項3】 前記燃焼部に供給される空気と改質器で
    生成された改質ガスとを熱交換することにより前記燃焼
    部に供給される空気を予熱することを特徴とする請求項
    1又は2に記載の燃料電池システム。
  4. 【請求項4】 前記改質部に供給される水の一部を前記
    燃焼部へ供給することを特徴とする請求項1から3のい
    ずれか1項に記載の燃料電池システム。
  5. 【請求項5】 前記燃料電池が固体酸化物形燃料電池で
    あることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に
    記載の燃料電池システム。
JP2002076967A 2002-03-19 2002-03-19 燃料電池システム Pending JP2003272690A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8623563B2 (en) 2005-01-07 2014-01-07 Nippon Oil Corporation Method for starting-up solid oxide fuel cell system
CN106133952B (zh) * 2014-04-02 2018-09-25 丰田自动车株式会社 非水电解质二次电池

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8623563B2 (en) 2005-01-07 2014-01-07 Nippon Oil Corporation Method for starting-up solid oxide fuel cell system
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