JP2005268171A - 燃料電池モジュールおよび燃料電池発電システム - Google Patents

燃料電池モジュールおよび燃料電池発電システム Download PDF

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Abstract

【課題】燃焼器で燃焼反応により発生する熱を有効に利用できる燃料電池モジュールを用い、高熱効率の燃料電池発電システムを構築する。
【解決手段】燃料極における燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成すると共に、改質ガス中の水素もしくは水素と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、発電に伴って発生した熱を水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費する燃料電池セルスタックと、燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の水素と一酸化炭素を燃料電池セルスタックの空気極排出ガス中の酸素と燃焼させる燃焼器を有する燃料電池モジュールを用い、燃焼器の内部もしくは燃焼器に隣接して配置され燃焼器で発生する熱を用いて燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器を有する燃料電池モジュールとする。
【選択図】図1

Description

本発明は、燃料電池モジュールとその燃料電池モジュールを用いた燃料電池発電システムに関するものである。
図5は従来の燃料電池モジュールを示す断面図である。図5において、101は固体酸化物燃料電池スタック(以下、SOFCスタックと略す)、102は燃焼器、103はSOFCスタック101の燃料極、104はSOFCスタック101の空気極、105はSOFCスタック101の固体酸化物電解質、106はSOFCスタック発電用空気、107は脱硫天然ガス208と水蒸気209の混合ガス、114は燃焼排出ガス、208は脱硫天然ガス、209は水蒸気、である。
以下、図5を用いて、この従来の燃料電池モジュール(非特許文献1参照)の作用について説明する。SOFCスタック発電用空気106をSOFCスタック101の空気極104に供給する。SOFCスタック101の空気極104では、金属酸化物系電極触媒の働きで、SOFCスタック発電用空気106中の酸素が次の(化1)式に示す空気極反応により電子と反応して酸素イオンに変わる。
(1/2)O+2e→O2−…(化1)
SOFCスタック101の空気極104で生成した酸素イオンは、SOFCスタック101の固体酸化物電解質105の内部を移動し、SOFCスタック101の燃料極103に到達する。
脱硫天然ガス208と水蒸気209の混合ガス107を、SOFCスタック101の燃料極103に供給する。SOFCスタック101の燃料極103では、燃料極触媒の働きにより脱硫天然ガス208に含まれる炭化水素(主にメタン)の水蒸気改質反応が行われ、水素と一酸化炭素を含む水素リッチな改質ガスが生成する。天然ガスの主成分であるメタンの水蒸気改質反応は次の(化2)式で表される。
CH十HO→CO+3H…(化2)
なお、上記「水素リッチ」は、電池反応によって発電に寄与するに足りる濃度の水素を含有することを意味する。
また、SOFCスタック101の燃料極103では、金属系電極触媒の働きで、SOFCスタック101の空気極104からSOFCスタック101の固体酸化物電解質105の内部を移動してきた酸素イオンが、次の(化3)式および(化4)式に示す反応により、SOFCスタック101の燃料極103において、上記(化2)式に示す水蒸気改質反応により生成した水素およ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。
+O2−→HO+2e…(化3)
CO+O2−→CO+2e…(化4)
炭化水素の水蒸気改質反応は吸熱反応であるが、SOFCスタック101の発電に伴って発生した熱を、炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として利用する。
SOFCスタック101の燃料極103で生成した電子は、外部回路を移動し、SOFCスタック101の空気極104に到達する。SOFCスタック101の空気極104に到達した電子は、上記(化1)式に示した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SOFCスタック101の発電電力として取り出すことができる。
上記(化1)式と(化3)式、(化1)式と(化4)式を、それぞれまとめると、SOFCスタック101の電池反応は次の(化5)式に示す水素の酸化反応と、(化6)式に示す一酸化炭素の酸化反応として表すことができる。
+(1/2)O→HO…(化5)
CO+(1/2)O→CO…(化6)
SOFCスタック101の燃料極排出ガス110とSOFCスタック101の空気極排出ガス111は、燃焼器102に供給する。燃焼器102では、SOFCスタック101の燃料極排出ガス110中の未反応水素、未反応一酸化炭素、および未反応燃料をSOFCスタック101の空気極排出ガス111中の未反応酸素と燃焼させる。燃焼器102から燃焼排出ガス114を排出する。
図6は、従来の燃料電池発電システムの一例を表す構成図で、図5(a)、(b)は、用いた従来の燃料電池モジュールの一例を表す。なお図5(a)は従来の燃料電池モジュールの縦断面図を示し、図5(b)は図5(a)のB矢視図を示す。図6において、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6において、1は天然ガス、14は天然ガス1の供給量を制御する流量制御弁、38は脱硫器、40はSOFCスタック発電用空気106の供給量を制御する流量制御弁、116は蒸発器、118は水、121は水118の供給量を制御する流量制御弁、130は水素、131は水素130の供給量を制御する流量制御弁である。
図6において、SOFCスタック101が一組のSOFCスタック101の燃料極103、SOFCスタック101の固体酸化物電解質105、およびSOFCスタック101の空気極6からなるSOFC単セルによって構成されているように示されているが、実際には、SOFCスタック101は図5に示したように複数のSOFC単セルから構成されている。
天然ガス1および水素130を脱硫器38に供給する。天然ガス1の供給量は、あらかじめ設定されたSOFCスタック101の発電電流と天然ガス1の供給量を制御する流量制御弁14の開度(すなわち、天然ガス1の供給量)の関係に基づいて、天然ガス1の供給量を制御する流量制御弁14の開度を制御することによって、SOFCスタック101の発電電流に見合った値に設定する。水素130の供給量は、あらかじめ設定された天然ガス1の供給量を制御する流量制御弁14の開度(すなわち、天然ガス1の供給量)と水素130の供給量を制御する流量制御弁131の開度(すなわち、水素130の供給量)の関係に基づいて、水素130の供給量を制御する流量制御弁131の開度を制御することによって、天然ガス1の供給量に見合った値に設定する。
脱硫器38では、充填された脱硫触媒のコバルト−モリブデン系触媒と酸化亜鉛吸着剤の働きにより、SOFCスタック101の燃料極103の電極触媒の劣化の原因となる天然ガス1中のメルカプタン等の腐臭剤に含まれる硫黄分を水添脱硫することにより吸着除去する。すなわち、コバルト−モリブデン系触媒により最初に硫黄分と水素130を反応させて硫化水素を生成させ、次に、この硫化水素と酸化亜鉛を反応させることによって硫化亜鉛を生成させて、硫黄分を除去する。硫化水素と硫化亜鉛の生成反応は吸熱反応であり、反応に必要な反応熱は、燃焼器102での燃焼反応によって発生する熱を燃焼器102から脱硫器38に供給することによって賄う。
また、水118を蒸発器116に供給する。水118の供給量は、あらかじめ設定された天然ガス1の供給量を制御する流量制御弁14の開度(すなわち、天然ガス1の供給量)と水118の供給量を制御する流量制御弁121の開度(すなわち、水118の供給量)の関係に基づいて、水118の供給量を制御する流量制御弁121の開度を制御することによって、天然ガス1の供給量に見合った値に設定する。
蒸発器116では、水118を燃焼器102から排出される高温の燃焼排出ガス114と熱交換させることによって、水蒸気209を生成させる。
SOFCスタック発電用空気106の供給量は、SOFCスタック101の発電電流とSOFCスタック発電用空気106の供給量を制御する流量制御弁40の開度(すなわち、SOFCスタック発電用空気106の供給量)の関係に基づいて、SOFCスタック発電用空気106の供給量を制御する流量制御弁40の開度を制御することによって、SOFCスタック101の発電電流に見合った値に設定する。
川野光信、吉田洋之、橋野幸次、佐々木常久、西脇太、加納二朗、稲垣亨、山田喬、千歳範壽、秋草順、小谷尚史、村上直也、アクベイ・タナー、宮澤隆、足立和則、長谷川昭宏、山田雅治、星野孝二、細井敬、駒田紀一、石原達己、滝田祐作:"低温作動固体酸化物形燃料電池の開発"、第10回燃料電池シンポジウム講演予稿集、pp.236〜243、2003.
従来の燃料電池モジュールを用いた従来の燃料電池発電システムでは、燃焼器で燃焼反応によって発生する熱は、脱硫器での硫化水素と硫化亜鉛の生成反応で消費する反応熱と蒸発器での蒸発熱の合計よりも多いので、燃焼器で燃焼反応によって発生する熱を有効に使いきることができず高効率な燃料電池発電システムを構築することができないという問題があつた。
上記課題を解決するために、本発明においては、特許請求の範囲に記載のような構成とするものである。すなわち、
請求項1に記載のように、
燃料極における燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成すると共に、上記改質ガス中の水素、もしくは水素およ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、上記発電に伴って発生した熱を上記水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費する燃料電池セルスタックと、
上記燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の水素と一酸化炭素を上記燃料電池セルスタックの空気極排出ガス中の酸素と燃焼させる燃焼器を有する燃料電池モジュールにおいて、
上記燃焼器の内部もしくは上記燃焼器に隣接して配置され上記燃焼器で発生する熱を用いて燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器を有する燃料電池モジュールとするものである。
また、請求項2に記載のように、
請求項1に記載の燃料電池モジュールおいて、上記燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の水素と一酸化炭素を上記燃料電池セルスタックの空気極排出ガス中の酸素と燃焼させる燃焼器を上記燃料電池セルスタックの周囲に配置し、上記燃焼器での燃焼反応によって生成する熱を用いて燃料の水蒸気改質反応により水素リッチな改質ガスを生成する改質器を上記燃焼器の周囲に隣接して配置した構造の燃料電池モジュールとするものである。
また、請求項3に記載のように、
請求項2において、上記燃料電池セルスタックは固体酸化物電解質型セルスタックである燃料電池モジュールとするものである。
また、請求項4に記載のように、
請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池モジュールと、上記燃料電池モジュールの改質器で生成する上記水素リッチな改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するCOシフトコンバータと、上記COシフトコンバータの排出ガス中の一酸化炭素を酸素と反応させ二酸化炭素に変換するCO選択酸化器と、上記CO選択酸化器の排出ガス中の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第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムとするものである。
また、請求項5に記載のように、
請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池モジュールと、上記燃料電池モジュールの上記改質器で生成する上記水素リッチな改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するCOシフトコンバータと、上記COシフトコンバータの排出ガス中の水素を選択的に分離する水素分離器と、上記水素分離器で分離した上記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第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムとするものである。
また、請求項6に記載のように、
請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池モジュールと、上記燃料電池モジュールの上記改質器で生成する上記水素リッチな改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するCOシフトコンバータと、上記COシフトコンバータの排出ガス中の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第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムとするものである。
また、請求項7に記載のように、
請求項4ないし請求項6のいずれか1項において、上記第二の燃料電池セルスタックが固体高分子形燃料電池セルスタックまたはりん酸形燃料電池セルスタックである燃料電池発電システムとするものである。
本発明を要説するならば、請求項1〜3に記載のように、燃料極における燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成させると共に、改質ガス中の水素、もしくは水素およ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、発電に伴って発生した熱を水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費する燃料電池セルスタック〔固体酸化物電解質(SOFC)〕と、
燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の水素と一酸化炭素を燃料電池セルスタックの空気極排出ガス中の酸素と燃焼させる燃焼器を有する燃料電池モジュールにおいて、燃焼器の内部もしくは燃焼器に隣接して配置され燃焼器で発生する熱を用いて燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成させる水蒸気改質器を有する燃料電池モジュールを構成するものである。
本発明の燃料電池モジュールと燃料電池発電システムを用いれば、燃焼器で燃焼反応により生成する熱を改質器で水蒸気改質反応の反応熱として有効に利用することができ、水素リッチな改質ガスを効率的に生成させることができる。その結果、この水素リッチな改質ガスを用いて第二の燃料電池スタックで発電を行うことが可能となり、従来の燃料電池発電システムよりも効率の高い燃料電池発電システムを実現することができる。
以下に、本発明を実施するための最良の形態としての実施例を挙げ、さらに詳細に説明する。
〈実施例1〉
図1(a)は本発明の燃料電池発電モジュールの縦断面図で、図1(b)は、図1(a)のA矢視図を示し、本発明の燃料電池発電モジュールの一実施例を表す。
図1(a)、(b)において、図5(a)、(b)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1において、108は改質器、115は水素リッチな改質ガス、120はSOFCスタック101の燃料極103に供給する脱硫天然ガス208と水蒸気209の混合ガス107の供給量を制御する流量制御弁、122は改質器108に供給する脱硫天然ガス208と水蒸気209の混合ガスの供給量を制御する流量制御弁である。
図5(a)、(b)に示した従来の燃料電池モジュールとは、燃料電池モジュールの外側に燃焼器102と隣接して改質器108を設けた点が大きく異なる。 図1に示した本発明の燃料電池モジュールでは、脱硫天然ガス208と水蒸気209の混合ガス107を、SOFCスタック101の燃料極103と改質器108に供給する。各供給量は、SOFCスタック101の燃料極103に供給する脱硫天然ガス208と水蒸気209の混合ガス107の供給量を制御する流量制御弁120と、改質器108に供給する脱硫天然ガス208と水蒸気209の混合ガス107の供給量を制御する流量制御弁122をそれぞれ用いて制御する。改質器108では、燃焼器102で生成した熱を反応熱に利用して、充填された改質触媒の働きにより、脱硫天然ガス208中の炭化水素の水蒸気改質反応が行われ、水素リッチな改質ガス115が生成する。
図1に示した本発明の燃料電池モジュールでは、図5に示した従来の燃料電池モジュールとは異なり、燃焼器102で燃焼反応によって生成する熱を改質器108での水蒸気改質反応の反応熱として有効に利用することにより、改質器108で水素リッチな改質ガス115を効率的に生成させることができる。その結果、水素リッチな改質ガス115を用いて、固体高分子形燃料電池スタック(以下、PEFCスタックと略す)や、りん酸形燃料電池スタック(以下、PAFCスタックと略す)などの第二の燃料電池スタックを組み合わせた図2、図3、および図4にシステム構成図を示す本発明の燃料電池発電システムでは、図5に示した従来の燃料電池モジュールを用いた図6にシステム構成図を示した従来の燃料電池発電システムよりも高い発電効率が実現できる。
〈実施例2〉
図2は、本発明の燃料電池発電システムの一実施例を表すシステム構成図である。図2において、図1、図5、および図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、説明を省略する。図2において、20はCOシフトコンバータ、21はCO選択酸化器、22は凝縮器、23は第二の燃料電池セルスタックであるPEFCスタック、24はPEFCスタック23の空気極、25はPEFCスタック23の固体高分子電解質、26はPEFCスタック23の燃料極、28はCO選択酸化器21に供給する一酸化炭素濃度を1%以下まで低減させた水素リッチな改質ガス、29は一酸化炭素濃度をppmオーダーまで低減させた水素リッチな改質ガス、30はCO選択酸化器21の酸化用空気、31は一酸化炭素濃度をppmオーダーまで低減させ水蒸気を除去した水素リッチな改質ガス、32はPEFCスタック発電用空気、33はPEFCスタック23の空気極排出ガス、34はPEFCスタック23の燃料極排出ガス、37は脱硫器リサイクルガスの供給量を制御する流量制御弁、41はPEFCスタック発電用空気32の供給量を制御する流量制御弁、42はCO選択酸化器21の酸化用空気30の供給量を制御する流量制御弁、44は一酸化炭素濃度を1%以下まで低減させた水素リッチな改質ガス、45は脱硫器リサイクルガス、46は凝縮水である。
図2において、SOFCスタック101が一組のSOFCスタック101の燃料極103、SOFCスタック101の固体酸化物電解質105、およびSOFCスタック101の空気極6からなるSOFC単セルによって構成されているように示されているが、実際には、SOFCスタック101は図1に示したように複数のSOFC単セルから構成されている。
図2に示した本実施例の燃料電池発電システムでは、天然ガス1を脱硫器38に供給する。天然ガス1の供給量は、あらかじめ設定されたSOFCスタック101の発電電流およびPEFCスタック23の発電電流と天然ガス1の供給量を制御する流量制御弁14の開度(すなわち、天然ガス1の供給量)の関係に基づいて、天然ガス1の供給量を制御する流量制御弁14の開度を制御することによって、SOFCスタック101の発電電流とPEFCスタック23の発電電流に見合った値に設定する。また、SOFCスタック101の燃料極103に供給する脱硫天然ガス208と水蒸気209の混合ガス107の供給量は、あらかじめ設定されたSOFCスタック101の発電電流とSOFCスタック101の燃料極103に供給する脱硫天然ガス208と水蒸気209の混合ガス107の供給量を制御する流量制御弁120の開度(すなわち、SOFCスタック101の燃料極103に供給する脱硫天然ガス208と水蒸気209の混合ガス107の供給量)の関係に基づいて、SOFCスタック101の燃料極103に供給する脱硫天然ガス208と水蒸気209の混合ガス107の供給量を制御する流量制御弁120の開度を制御することによって、SOFCスタック101の発電電流に見合った値に設定する。さらに、改質器108に供給する脱硫天然ガス208と水蒸気209の混合ガス107の供給量は、あらかじめ設定されたPEFCスタックの発電電流と改質器108に供給する脱硫天然ガス208と水蒸気209の混合ガス107の供給量を制御する流量制御弁122の開度(すなわち、改質器108に供給する脱硫天然ガス208と水蒸気209の混合ガス107の供給量)の関係に基づいて、改質器108に供給する脱硫天然ガス208と水蒸気209の混合ガス107の供給量を制御する流量制御弁122の開度を制御することによって、PEFCスタック23の発電電流に見合った値に設定する。
硫化水素の生成に必要な水素を供給するために、COシフトコンバータ20から排出される一酸化炭素濃度を1%以下に低減させた水素リッチな改質ガス44の一部を、脱硫器リサイクルガス45として脱硫器38に供給する。脱硫器リサイクルガス45の供給量は、あらかじめ設定された天然ガス1の供給量を制御する流量制御弁14の開度(すなわち、天然ガス1の供給量)と脱硫器リサイクルガス45の供給量を制御する流量制御弁37の開度(すなわち、脱硫器リサイクルガス45の供給量)の関係に基づいて、脱硫器リサイクルガス45の供給量を制御する流量制御弁37の開度を制御することによって、天然ガス1の供給量に見合った値に設定する。硫化水素と硫化亜鉛の生成反応に必要な反応熱は、後述する発熱反応であるCOシフトコンバータ20での水性シフト反応によって生成する熱をCOシフトコンバータ20から脱硫器38に供給することによって賄う。
水素リッチな改質ガス115には、PEFCスタック23の燃料極26の電極触媒の劣化の原因となる一酸化炭素が含まれているので、水素リッチな改質ガス115は、銅−亜鉛系触媒等のシフト触媒が充填されたCOシフトコンバータ20に供給し、シフト触媒の働きにより次の(化7)式に示す水性シフト反応を行わせることによって、水素リッチな改質ガス115中の一酸化炭素濃度を1%以下まで低減させる。
CO+HO→CO+H…(化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38に供給し、前述した吸熱反応である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。
COシフトコンバータ20で作られた一酸化炭素濃度を1%以下に低減させた水素リッチな水蒸気改質ガス44の一部は、前述したように脱硫器リサイクルガス45として脱硫器38に供給し、残りは、水素リッチな水蒸気ガス中の一酸化炭素濃度が100ppm以上であると、PEFCスタック23の燃料極26に供給した場合に電極触媒の劣化原因となるので、一酸化炭素濃度をppmオーダーに低減させるために、CO選択酸化器21に供給する一酸化炭素濃度を1%以下まで低下させた水素リッチな改質ガス28として、白金、ルテニウム等の貴金属系触媒がCO選択酸化触媒として充填されたCO選択酸化器21に供給する。また、CO選択酸化器21の酸化用空気30を、CO選択酸化器21に供給する。CO選択酸化器21では、CO選択酸化器21に供給する一酸化炭素濃度を1%以下まで低下させた水素リッチな改質ガス28に含まれる一酸化炭素を、発熱反応である次の(化8)式に示すCO選択酸化反応によりCO選択酸化器21の酸化用空気30中の酸素と反応させることによって二酸化炭素に変換し、CO選択酸化器21に供給する一酸化炭素濃度を1%以下まで低下させた水素リッチな改質ガス28中の一酸化炭素濃度をppmオーダーに低減させる。
CO+(1/2)O→CO…(化8)
CO選択酸化器21の酸化用空気30の供給量は、あらかじめ設定された改質器108に供給する脱硫天然ガス208と水蒸気209の混合ガス107の供給量を制御する流量制御弁122の開度(すなわち、改質器108に供給する脱硫天然ガス208と水蒸気209の混合ガス107の供給量)とCO選択酸化器21の酸化用空気30の供給量を制御する流量制御弁42の開度(すなわち、CO選択酸化器21の酸化用空気30の供給量)の関係に基づいて、CO選択酸化器21の酸化用空気30の供給量を制御する流量制御弁42の開度を制御することによって、改質器108に供給する脱硫天然ガス208と水蒸気209の混合ガス107の供給量に見合った値に設定する。
CO選択酸化器で作られた一酸化炭素濃度をppmオーダーまで低減させた水素リッチな改質ガス29に含まれる未反応水蒸気は、凝縮器22で100℃以下に冷却することによって、凝縮水46として回収する。凝縮器22で未反応水蒸気ガスを凝縮させることによって一酸化炭素濃度をppmオーダーまで低減させ水蒸気を除去した水素リッチな改質ガス31は、PEFCスタック23の燃料極26に供給する。一方、PEFCスタック発電用空気32を、PEFCスタック23の空気極24に供給する。PEFCスタック発電用空気32の供給量は、あらかじめ設定されたPEFCスタック23の発電電流とPEFCスタック発電用空気32の供給量を制御する流量制御弁41の開度(すなわち、PEFCスタック発電用空気32の供給量)の関係に基づいて、PEFCスタック発電用空気32の供給量を制御する流量制御弁41の開度を制御することによって、PEFCスタック23の発電電流に見合った値に制御する。PEFCスタック23の発電温度は、60〜80℃が一般的であり、電池反応による発熱により発電温度が維持される。
PEFCスタック23の燃料極26では、白金系電極触媒の働きで、一酸化炭素濃度をppmオーダーまで低減させ水蒸気を除去した水素リッチな改質ガス31中に含まれる水素の約80%が、次の(化9)式に示す燃料極反応により水素イオンと電子に変わる。
→2H+2e…(化9)
PEFCスタック23の燃料極26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PEFCスタック23の固体高分子電解質25の内部を移動し、PEFCスタック23の空気極24に到達する。一方、PEFCスタック23の燃料極26で生成した電子は、外部回路を移動し、PEFCスタック23の空気極24に到達する。この電子が外部回路を移動する過程で、電気エネルギーを発電電力として取り出すことができる。
PEFCスタック23の空気極24では、白金系電極触媒の働きで、PEFCスタック23の燃料極26からPEFCスタック23の固体高分子電解質25の内部をPEFCスタック23の空気極24まで移動してきた水素イオン、PEFCスタック23の燃料極26から外部回路をPEFCスタック23の空気極24まで移動してきた電子、およびPEFCスタック23の空気極24に供給されたPEFCスタック発電用空気32中の酸素が、次の(化10)式に示す空気極反応により反応し、水が生成する。
2H+(1/2)O+2e→HO…(化10)
上記(化9)式と上記(化10)式を纏めると、PEFCスタック23の電池反応は、次の(化11)式に示す水素の酸化反応として表すことができる。
+(1/2)O→HO…(化11)
(9)式と(10)式をまとめると、PEFCスタック23の電池反応は、(11)式に示す水素の酸化反応として表すことができる。
PEFCスタック発電用空気32は、PEFCスタック23の空気極24で酸素の一部を上記(化10)式に示した空気極反応により消費した後に、PEFCスタック23の空気極排出ガス33として排出する。一方、一酸化炭素濃度をppmオーダーまで低減させ水蒸気を除去した水素リッチな改質ガス31は、PEFCスタック23の燃料極26で水素の約80%を上記(化9)式に示した燃料極反応により消費した後に、PEFCスタック23の燃料極排出ガス34として排出する。
図2に示した本発明の燃料電池発電システムでは、燃焼器102で燃焼反応により生成する熱を改質器108で水蒸気改質反応の反応熱として有効に利用することにより、改質器108で水素リッチな改質ガス115を効率的に生成させることができる。その結果、この水素リッチな改質ガス115を用いて第二の燃料電池スタックであるPEFCスタック23の発電を行うことが可能となり、図6に示した従来の燃料電池発電システムよりも高い発電効率が実現できる。
〈実施例3〉
図3は本発明の燃料電池発電システムの他の実施例を表すシステム構成図である。図3において、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3において、48は水素分離器、50は一酸化炭素濃度を1%以下に低減させた水素分離器用水素リッチな改質ガス、51は水素、52は水素分離器排出ガス、67はパージ弁、68はパージガス、69は燃料極水素排出ガスである。本実施例では、水素51を第二の燃料電池セルスタックであるPEFCスタック23に供給する。
図3に示した本発明の燃料電池発電システムは、図2に示した本発明の燃料電池発電システムとは、CO選択酸化器21と凝縮器22の代わりに水素分離器48を設けた点が異なる。
次に、図3に示した本発明の燃料電池発電システムの作用について説明する。一酸化炭素濃度を1%以下に低減させた水素分離器用水素リッチな改質ガス50は、パラジウム膜等の水素分離膜を有する水素分離器48に供給し、水素51を分離する。その際、効率的な水素分離を行うために、必要に応じて一酸化炭素濃度を1%以下に低減させた水素分離器用水素リッチな改質ガス50の加圧を行う。水素分離器48で分離した水素51は、PEFCスタック23の燃料極26に供給し、PEFCスタック発電用空気32中の酸素と電気化学的に反応させることによってPEFCスタック23の発電を行う。未反応水素からなるPEFCスタック23の燃料極水素排出ガス69は、PEFCスタック23の発電効率を向上させるために、すべてPEFCスタック23の燃料極26にリサイクルする。しかし、PEFCスタック23の燃料極水素排出ガス69中には、水素以外の不純物が若干含まれているので、パージ弁67を間欠的に開け、パージガス68を放出する。
図3に示した本発明の燃料電池発電システムにおいても、燃焼器102で燃焼反応により生成する熱を改質器108で水蒸気改質反応の反応熱として有効に利用することにより、改質器108で水素リッチな改質ガス115を効率的に生成させることができる。その結果、この水素リッチな改質ガス115を用いて第二の燃料電池スタックであるPEFCスタック23の発電を行うことが可能となり、図6に示した従来の燃料電池発電システムよりも高い発電効率が実現できる。
〈実施例4〉
図4は本発明の燃料電池発電システムのその他の実施例を表すシステム構成図である。図4において、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において、55はPAFCスタック用水素リッチな改質ガス、56は第二の燃料電池セルスタックであるPAFCスタック、57はPAFCスタック56の空気極、58はPAFCスタック56のりん酸電解質、59はPAFCスタック56の燃料極、60はPAFCスタック発電用空気、61はPAFCスタック発電用空気60の供給量を制御する流量制御弁、62はPAFCスタック56の空気極排出ガス、63はPAFCスタック56の燃料極排出ガスである。
図4に示した本発明の燃料電池システムは、図2に示した本発明の燃料電池発電システムとは、CO選択酸化器21と凝縮器22が不要で、第二の燃料電池セルスタックとしてPEFCスタック23の代わりにPAFCスタック56を用いる点が異なる。次に、図4に示した本発明の燃料電池システムの作用について説明する。COシフトコンバータ20で作られた一酸化炭素濃度を1%以下に低減させた水素リッチな改質ガス44の一部を、PAFCスタック用水素リッチな改質ガス55としてPAFCスタック56の燃料極59に供給する。また、PAFCスタック発電用空気60をPAFCスタック56の空気極57に供給する。PAFCスタック発電用空気60の供給量は、あらかじめ設定されたPAFCスタック56の発電電流とPAFCスタック発電用空気60の供給量を制御する流量制御弁61の開度(すなわち、PAFCスタック発電用空気60の供給量)の関係に基づいて、PAFCスタック発電用空気60の供給量を制御する流量制御弁61の開度を制御することによって、PAFCスタック56の発電電流に見合った値に設定する。PAFCスタック56の発電温度は、190℃が一般的であり、電池反応による発熱により発電温度が維持される。
PAFCスタック56の燃料極59では、白金系電極触媒の働きで、PAFCスタック用水素リッチな改質ガス55に含まれる水素の約80%が、PEFCスタック23の場合と同様に上記(化9)式に示した燃料極反応により水素イオンと電子に変わる。
PAFCスタック56の燃料極59で生成した水素イオンは、PAFCスタック56のりん酸電解質58の内部を移動し、PAFCスタック56の空気極57に到達する。一方、P舳Cスタック56の燃料極59で生成した電子は、外部回路を移動し、PAFCスタック56の空気極57に到達する。この電子が外部回路を移動する過程で、電気エネルギーを発電電力として取り出すことができる。
PAFCスタック56の空気極57では、白金系電極触媒の働きで、PAFCスタック56の燃料極59からPAFCスタック56のりん酸電解質58の内部をPAFCスタック56の空気極57まで移動してきた水素イオン、PAFCスタック56の燃料極59から外部回路をPAFCスタック56の空気極57まで移動してきた電子、およびPAFCスタック56の空気極57に供給されたPAFCスタック発電用空気60中の酸素が、PEFCスタック23の場合と同様に(化10)式に示した空気極反応により反応し、水が生成する。
(化9)式と(化10)式を纏めると、PAFCスタック56の電池反応は、PEFCスタック23の場合と同様に(化11)式に示した水素の酸化反応として表すことができる。
PAFCスタック発電用空気60は、PAFCスタック56の空気極24で酸素の一部を(化10)式に示した空気極反応により消費した後に、PAFCスタック56の空気極排出ガス62として排出する。一方、PAFCスタック用水素リッチな改質ガス55は、PAFCスタック56の燃料極59で水素の約80%を(化9)式に示した燃料極反応により消費した後に、PAFCスタック56の燃料極排出ガス63として排出する。
図4に示した本発明の燃料電池発電システムにおいても、燃焼器102で燃焼反応により生成する熱を改質器108で水蒸気改質反応の反応熱として有効に利用することにより、改質器108で水素リッチな改質ガス115を効率的に生成させることができる。その結果、この水素リッチな改質ガス115を用いて第二の燃料電池スタックであるPAFCスタック56の発電を行うことが可能となり、図6に示した従来の燃料電池発電システムよりも高い発電効率が実現できる。
本発明の実施例1で例示した燃料電池モジュールの構成の一例を表す模式図。 本発明の実施例2で例示した燃料電池発電システムの構成の一例を表すシステム構成図。 本発明の実施例3で例示した燃料電池発電システムの他の構成の一例を表すシステム構成図。 本発明の実施例4で例示した燃料電池発電システムのその他の構成の一例を表すシステム構成図。 従来の燃料電池モジュールの構成の一例を表す模式図。 従来の燃料電池発電システムの構成の一例を表すシステム構成図。
符号の説明
1:天然ガス 14:天然ガス1の供給量を制御する流量制御弁
20:COシフトコンバータ 21:CO選択酸化器 22:凝縮器
23:PEFCスタック 24:PEFCスタック23の空気極
25:PEFCスタック23の固体高分子電解質
26:PEFCスタック23の燃料極
28:CO選択酸化器21に供給する一酸化炭素濃度を1%以下まで低減させた水素リッチな改質ガス
29:一酸化炭素濃度をppmオーダーまで低減させた水素リッチな改質ガス
30:CO選択酸化器21の酸化用空気
31:一酸化炭素濃度をppmオーダーまで低減させ水蒸気を除去した水素リッチな改質ガス
32:PEFCスタック発電用空気
33:PEFCスタック23の空気極排出ガス
34:PEFCスタック23の燃料極排出ガス
37:脱硫器リサイクルガスの供給量を制御する流量制御弁 38:脱硫器
40:SOFCスタック発電用空気106の供給量を制御する流量制御弁
41:PEFCスタック発電用空気32の供給量を制御する流量制御弁
42:CO選択酸化器21の酸化用空気30の供給量を制御する流量制御弁
44:一酸化炭素濃度を1%以下まで低減させた水素リッチな改質ガス
45:脱硫器リサイクルガス 46:凝縮水 48:水素分離器
50:一酸化炭素濃度を1%以下に低減させた水素分離器用水素リッチな改質ガス
51:水素 52:水素分離器排出ガス
55:PAFCスタック用水素リッチな改質ガス 56:PAFCスタック
57:PAFCスタック56の空気極
58:PAFCスタック56のりん酸電解質
59:PAFCスタック56の燃料極 60:PAFCスタック発電用空気
61:PAFCスタック発電用空気60の供給量を制御する流量制御弁
62:PAFCスタック56の空気極排出ガス
63:PAFCスタック56の燃料極排出ガス
67:パージ弁 68:パージガス 69:燃料極水素排出ガス
101:SOFCスタック 102:燃焼器
103:SOFCスタック101の燃料極
104:SOFCスタック101の空気極
105:SOFCスタック101の固体酸化物電解質
106:SOFCスタック発電用空気
107:脱硫天然ガス208と水蒸気209の混合ガス
108:改質器 110:SOFCスタック101の燃料極排出ガス
111:SOFCスタック101の空気極排出ガス
114:燃焼排出ガス 115:水素リッチな改質ガス
116:蒸発器 118:水
120:SOFCスタック101の燃料極103に供給する脱硫天然ガス208と水蒸気209の混合ガス107の供給量を制御する流量制御弁
121:水118の供給量を制御する流量制御弁
122:改質器108に供給する脱硫天然ガス208と水蒸気209の混合ガス107の供給量を制御する流量制御弁 130:水素
131:水素130の供給量を制御する流量制御弁
208:脱硫天然ガス 209:水蒸気

Claims (7)

  1. 燃料極における燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成すると共に、上記改質ガス中の水素、もしくは水素およ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、上記発電に伴って発生した熱を上記水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費する燃料電池セルスタックと、
    上記燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の水素と一酸化炭素を上記燃料電池セルスタックの空気極排出ガス中の酸素と燃焼させる燃焼器を有する燃料電池モジュールにおいて、
    上記燃焼器の内部もしくは上記燃焼器に隣接して配置され上記燃焼器で発生する熱を用いて燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器を有することを特徴とする燃料電池モジュール。
  2. 請求項1に記載の燃料電池モジュールおいて、上記燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の水素と一酸化炭素を上記燃料電池セルスタックの空気極排出ガス中の酸素と燃焼させる燃焼器を上記燃料電池セルスタックの周囲に配置し、上記燃焼器での燃焼反応によって生成する熱を用いて燃料の水蒸気改質反応により水素リッチな改質ガスを生成する改質器を上記燃焼器の周囲に隣接して配置したことを特徴とする燃料電池モジュール。
  3. 請求項2において、上記燃料電池セルスタックは固体酸化物電解質型セルスタックであることを特徴とする燃料電池モジュール。
  4. 請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池モジュールと、上記燃料電池モジュールの改質器で生成する上記水素リッチな改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するCOシフトコンバータと、上記COシフトコンバータの排出ガス中の一酸化炭素を酸素と反応させ二酸化炭素に変換するCO選択酸化器と、上記CO選択酸化器の排出ガス中の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第二の燃料電池セルスタックを有することを特徴とする燃料電池発電システム。
  5. 請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池モジュールと、上記燃料電池モジュールの上記改質器で生成する上記水素リッチな改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するCOシフトコンバータと、上記COシフトコンバータの排出ガス中の水素を選択的に分離する水素分離器と、上記水素分離器で分離した上記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第二の燃料電池セルスタックを有することを特徴とする燃料電池発電システム。
  6. 請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池モジュールと、上記燃料電池モジュールの上記改質器で生成する上記水素リッチな改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するCOシフトコンバータと、上記COシフトコンバータの排出ガス中の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第二の燃料電池セルスタックを有することを特徴とする燃料電池発電システム。
  7. 請求項4ないし請求項6のいずれか1項において、上記第二の燃料電池セルスタックが固体高分子形燃料電池セルスタックまたはりん酸形燃料電池セルスタックであることを特徴とする燃料電池発電システム。
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JP2016146287A (ja) * 2015-02-09 2016-08-12 パナソニックIpマネジメント株式会社 燃料電池システム
JP2016184504A (ja) * 2015-03-26 2016-10-20 東京瓦斯株式会社 燃料電池システム

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