JP2005056775A - 燃料電池発電システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】燃料の水蒸気改質反応によって改質ガスをつくる改質器3と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させて発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を改質器3に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを改質器3に供給する固体酸化物形燃料電池セルスタック57と、前記改質ガス中の水素及び一酸化炭素を酸素及び二酸化炭素と電気化学的に反応させて発電を行う固体高分子形燃料電池セルスタック9と、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック201の燃料極排出ガス205中の燃料、水素及び一酸化炭素を酸素と燃焼反応させる燃焼器211を有することを特徴とする燃料電池発電システムを構成する。
【選択図】 図1
Description
(メタンの水蒸気改質反応)
CH4 + H2O → CO + 3H2 (1)
この(1)式に示したメタンの水蒸気改質反応等の炭化水素の水蒸気改質反応は吸熱反応であり、効率的に水素を生成させるためには、改質器3の外部から必要な反応熱を供給し、改質器3の温度を700〜750℃に維持することが必要である。このため、後述する改質器3の近傍に設置された800〜1000℃で発電を行う固体酸化物形燃料電池セルスタック57の高温排熱を、改質反応に必要な反応熱として改質器3に供給する。
(空気極反応)
1/2O2 + 2e− → O2− (2)
空気極56で生成した酸素イオンは、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)等の固体酸化物電解質55の内部を移動し、燃料極54に到達する。燃料極54では、ニッケル−YSZサーメット、ルテニウム−YSZサーメット等の金属系電極触媒の働きで、空気極56から固体酸化物電解質55の内部を燃料極54に移動してきた酸素イオンが、下記(3)式及び(4)式に示す反応により燃料極54に供給された水素豊富な改質ガス27中の水素及び一酸化炭素と反応し、水蒸気または二酸化炭素と電子が生成する。
(燃料極反応)
H2 + O2− → H2O + 2e− (3)
CO + O2− → CO2 + 2e− (4)
燃料極54で生成した電子は、外部回路を移動し、空気極56に到達する。空気極56に到達した電子は、前述した(2)式に示した空気極反応により酸素と反応する。この電子が外部回路を移動する過程で、電気エネルギーを燃料電池直流出力88として取り出すことができる。
(電池反応)
H2 + 1/2O2 → H2O (5)
CO + 1/2O2 → CO2 (6)
固体酸化物形燃料電池セルスタック57の発電によって得られた燃料電池直流出力88は、負荷87に合わせて出力調整装置86で電圧の変換と直流から交流への変換を行った後に、送電端交流出力89として負荷87に供給する。なお、図13では、出力調整装置86で直流から交流の変換を行っているが、出力調整装置86で電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷87に供給してもよい。
(水性シフト反応)
CO + H2O → CO2 + H2 (7)
水性シフト反応は発熱反応であり、発生した熱は脱硫器2に供給し、前述した吸熱反応である脱硫器2の硫化水素と硫化亜鉛の生成反応の反応熱として利用する。
(一酸化炭素の酸化反応)
CO + 1/2O2 → CO2 (8)
CO選択酸化器用空気33の供給量は、予め設定された流量制御弁74の開度(すなわち、COシフトコンバータ4への水素豊富な改質ガス27の供給量)と流量制御弁11の開度(すなわち、CO選択酸化器用空気33の供給量)の関係に基づいて、流量制御弁11の開度を制御することによって、COシフトコンバータ4への水素豊富な改質ガス27の供給量に見合った値に設定する。
(燃料極反応)
H2 → 2H+ + 2e− (9)
燃料極6で生成した水素イオンは、ナフィオン等のスルフォン酸基を有するフッ素系高分子から構成される固体高分子電解質7の内部に移動し、空気極8に到達する。一方、燃料極6で生成した電子は、外部回路を移動し、空気極8に到達する。この電子が外部回路を移動する過程で、電気エネルギーを燃料電池直流出力22として取り出すことができる。固体高分子形燃料電池セルスタック9の空気極8では、白金系電極触媒の働きで、燃料極6から固体高分子電解質7の内部を空気極8に移動してきた水素イオン、燃料極6から外部回路を空気極8に移動してきた電子及び空気極8に供給された固体高分子形燃料電池セルスタック用空気32中の酸素が、下記(10)式に示す空気極反応により反応し、水が生成する。
(空気極反応)
2H+ + 1/2O2 + 2e− → H2O (10)
(9)式と(10)式をまとめると、固体高分子形燃料電池セルスタック9の電池反応は、下記(11)式に示す水素と酸素から水ができる水の電気分解の逆反応として表すことができる。
(電池反応)
H2 + 1/2O2 → H2O (11)
固体高分子形燃料電池セルスタック9の発電によって得られた燃料電池直流出力22は、負荷21に合わせて出力調整装置20で電圧の変換と直流から交流へ変換を行った後に、送電端交流出力23として負荷21に供給する。なお、図13では、出力調整装置20で直流から交流への変換を行っているが、出力調整装置20で電圧変換のみ行い、送電端直流出力を負荷21に供給してもよい。
燃料の水蒸気改質反応により生成する水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う燃料電池発電システムにおいて、前記燃料の水蒸気改質反応によって水素豊富な改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の水素及び一酸化炭素を酸素及び二酸化炭素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックと、前記第二の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の燃料、水素及び一酸化炭素を酸素と燃焼反応させる燃焼器を有することを特徴とする燃料電池発電システムを構成する。
燃料の水蒸気改質反応により生成する水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う燃料電池発電システムにおいて、前記燃料の水蒸気改質反応によって水素豊富な改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の水素及び一酸化炭素を酸素及び二酸化炭素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの前記燃料極排出ガス中の燃料、水素及び一酸化炭素を酸素と燃焼反応させる燃焼器を有することを特徴とする燃料電池発電システムを構成する。
燃料の水蒸気改質反応により生成する水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う燃料電池発電システムにおいて、前記燃料の水蒸気改質反応によって水素豊富な改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの前記燃料極排出ガス中の水素及び一酸化炭素を酸素及び二酸化炭素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックと、前記第二の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の燃料、水素及び一酸化炭素を酸素と燃焼反応させる燃焼器を有することを特徴とする燃料電池発電システムを構成する。
燃料の水蒸気改質反応により生成する水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う燃料電池発電システムにおいて、燃料極で前記燃料の水蒸気改質反応を行わせ水素及び一酸化炭素を生成させるとともに、前記燃料極で生成した水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した熱を前記水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記燃料極に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの前記燃料極排出ガス中の水素及び一酸化炭素を酸素及び二酸化炭素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックと、前記第二の燃料電池セルスタックの前記燃料極排出ガス中の燃料、水素及び一酸化炭素を酸素と燃焼反応させる燃焼器を有することを特徴とする燃料電池発電システムを構成する。
前記燃焼器に前記燃焼反応の酸素源として前記第二の燃料電池セルスタックの空気極排出ガスを供給することを特徴とする請求項1、2、3または4記載の燃料電池発電システムを構成する。
前記燃焼器に前記燃焼反応の酸素源として空気を供給することを特徴とする請求項1、2、3または4記載の燃料電池発電システムを構成する。
前記燃焼器に前記燃焼反応の酸素源として前記第一の燃料電池セルスタックの空気極排出ガスを供給することを特徴とする請求項1、2、3または4記載の燃料電池発電システムを構成する。
前記第一の燃料電池セルスタックが固体酸化物形燃料電池セルスタックであり、前記第二の燃料電池セルスタックが溶融炭酸塩形燃料電池セルスタックであることを特徴とする請求項1、2、3、4、5、6または7記載の燃料電池発電システムを構成する。
図1は、本発明による燃料電池発電システムの一実施形態(これを実施形態1とする)を示す構成図である。図1において、前述した図13と同一のものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。
(空気極反応)
1/2O2 + CO2 + 2e− → CO3 2− (12)
空気極204で生成した炭酸イオンは、炭酸ナトリウム−炭酸カリウム、炭酸リチウム−炭酸ナトリウムなどの溶融炭酸塩電解質203の内部を移動し、燃料極202に到達する。溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック201の燃料極202では、ニッケル−クロムやニッケル−アルミナなど金属系電極触媒の働きで、空気極204から溶融炭酸塩電解質203の内部を燃料極202に移動してきた炭酸イオンが、下記(13)式に示す反応により燃料極202に供給された溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック用改質ガス200中の水素と反応し、水蒸気と二酸化炭素が生成する。
(燃料極反応)
H2 + CO3 2− → H2O + CO2 + 2e− (13)
燃料極202で生成した電子は、外部回路を移動し、空気極204に到達する。空気極204に到達した電子は、前述した(12)式に示した空気極反応により酸素及び二酸化炭素と反応する。この電子が外部回路を移動する過程で、電気エネルギーを燃料電池直流出力22として取り出すことができる。
(シフト反応)
H2O + CO → H2 + CO2 (14)
(12)式と(13)式をまとめると、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック201の電池反応は、下記(15)式に示す水素と酸素から水蒸気ができる水の電気分解の逆反応として表すことができる。
(電池反応)
H2 + 1/2O2 → H2O (15)
溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック201の発電によって得られた燃料電池直流出力22は、負荷21に合わせて出力調整装置20で電圧の変換と直流から交流への変換を行った後に、送電端交流出力23として負荷21に供給する。なお、図1では、出力調整装置20で電圧変換のみを行い、送電端直流出力23を負荷21に供給してもよい。
(水素の燃焼反応)
H2 + 1/2O2 → H2O (16)
(一酸化炭素の燃焼反応)
CO + 1/2O2 → CO2 (17)
燃焼器用空気210の供給量は、予め設定された流量制御弁74の開度(すなわち、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック用改質ガス200の供給量)及び溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック201の燃料電池直流出力22の発電電流と流量制御弁212の開度(すなわち、燃焼器用空気210の供給量)の関係に基づいて、流量制御弁212の開度を制御することによって、溶融炭酸塩形燃料電池セルスタック用改質ガス200の供給量と燃料電池直流出力22の発電電流に見合った値を設定する。
図2は、本発明による燃料電池発電システムのその他の一実施形態(これを実施形態2とする)を示す構成図である。図2において、前述した図13及び図1と同一のものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。
図3は、本発明による燃料電池発電システムのさらに他の一実施形態(これを実施形態3とする)を示す構成図である。図3において、前述した図13、図1及び図2と同一のものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。
図4は、本発明による燃料電池発電システムのさらに他の一実施形態(これを実施形態4とする)を示す構成図である。図4において、前述した図13、図1、図2及び図3と同一のものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。
図5は、本発明による燃料電池発電システムのさらに他の一実施形態(これを実施形態5とする)を示す構成図である。図5において、前述した図13、図1、図2、図3及び図4と同一のものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。
図6は、本発明による燃料電池発電システムのさらに他の一実施形態(これを実施形態6とする)を示す構成図である。図6において、前述した図13、図1、図2、図3、図4及び図5と同一のものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。
図7は、本発明による燃料電池発電システムのさらに他の一実施形態(これを実施形態7とする)を示す構成図である。図7において、前述した図13、図1、図2、図3、図4、図5及び図6と同一のものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省賂する。
図8は、本発明による燃料電池発電システムのさらに他の一実施形態(これを実施形態8とする)を示す構成図である。図8において、前述した図13、図1、図2、図3、図4、図5、図6及び図7と同一のものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。
図9は、本発明による燃料電池発電システムのさらに他の一実施形態(これを実施形態9とする)を示す構成図である。図9において、前述した図13、図1、図2、図3、図4、図5、図6、図7及び図8と同一のものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。
図10は、本発明による燃料電池発電システムのさらに他の一実施形態(これを実施形態10とする)を示す構成図である。図10において、前述した図13、図1、図2、図3、図4、図5、図6、図7、図8及び図9と同一のものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。
図11は、本発明による燃料電池発電システムのさらに他の一実施形態(これを実施形態11とする)を示す構成図である。図11において、前述した図13、図1、図2、図3、図4、図5、図6、図7、図8、図9及び図10と同一のものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。
図12は、本発明による燃料電池発電システムのさらに他の一実施形態(これを実施形態12とする)を示す構成図である。図12において、前述した図13、図1、図2、図3、図4、図5、図6、図7、図8、図9、図10及び図11と同一のものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。
Claims (8)
- 燃料の水蒸気改質反応により生成する水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う燃料電池発電システムにおいて、前記燃料の水蒸気改質反応によって水素豊富な改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の水素及び一酸化炭素を酸素及び二酸化炭素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックと、前記第二の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の燃料、水素及び一酸化炭素を酸素と燃焼反応させる燃焼器を有することを特徴とする燃料電池発電システム。
- 燃料の水蒸気改質反応により生成する水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う燃料電池発電システムにおいて、前記燃料の水蒸気改質反応によって水素豊富な改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の水素及び一酸化炭素を酸素及び二酸化炭素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの前記燃料極排出ガス中の燃料、水素及び一酸化炭素を酸素と燃焼反応させる燃焼器を有することを特徴とする燃料電池発電システム。
- 燃料の水蒸気改質反応により生成する水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う燃料電池発電システムにおいて、前記燃料の水蒸気改質反応によって水素豊富な改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの前記燃料極排出ガス中の水素及び一酸化炭素を酸素及び二酸化炭素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックと、前記第二の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の燃料、水素及び一酸化炭素を酸素と燃焼反応させる燃焼器を有することを特徴とする燃料電池発電システム。
- 燃料の水蒸気改質反応により生成する水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う燃料電池発電システムにおいて、燃料極で前記燃料の水蒸気改質反応を行わせ水素及び一酸化炭素を生成させるとともに、前記燃料極で生成した水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した熱を前記水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記燃料極に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの前記燃料極排出ガス中の水素及び一酸化炭素を酸素及び二酸化炭素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックと、前記第二の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の燃料、水素及び一酸化炭素を酸素と燃焼反応させる燃焼器を有することを特徴とする燃料電池発電システム。
- 前記燃焼器に前記燃焼反応の酸素源として前記第二の燃料電池セルスタックの空気極排出ガスを供給することを特徴とする請求項1、2、3または4記載の燃料電池発電システム。
- 前記燃焼器に前記燃焼反応の酸素源として空気を供給することを特徴とする請求項1、2、3または4記載の燃料電池発電システム。
- 前記燃焼器に前記燃焼反応の酸素源として前記第一の燃料電池セルスタックの空気極排出ガスを供給することを特徴とする請求項1、2、3または4記載の燃料電池発電システム。
- 前記第一の燃料電池セルスタックが固体酸化物形燃料電池セルスタックであり、前記第二の燃料電池セルスタックが溶融炭酸塩形燃料電池セルスタックであることを特徴とする請求項1、2、3、4、5、6または7記載の燃料電池発電システム。
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