JP2008004516A - 燃料電池発電システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】燃料電池発電システム70において、燃料電池スタック50に積層された複数セルの全部又は一部と熱伝導性を有して係合された熱移動媒体61と、熱移動媒体61と熱導通接続するように燃料電池スタック50に隣接して配置され、当該熱移動媒体61を介して供給される熱に基づき水蒸気を発生する第2の蒸気生成器60とを設けるようにした。
【選択図】図4
Description
CH4+H2O→CO+3H2 ……(1)
CO+H2O→CO2+H2 ……(2)
給したメタンのうち、改質された割合)、Ufは燃料利用率(発電に必要な理論水素量と実際に燃料電池スタック50に供給する水素量との比)、Vは定格負荷運転時の電圧、V0は理論電圧、ηinvはインバーター効率を表す。
(1)第1の実施の形態
(1−1)燃料電池スタックの構成
図1は本発明の一実施例を示す燃料電池スタック50の構造を示し、当該燃料電池スタック50を第2の蒸気発生器51に隣接配置した構造を図2に示す。以下、図1及び図2を用いて本発明の一実施例について説明する。
・仮定条件
▲1▼システム容量 :家庭用1kW級発電システム (グロス出力1.3〔kW〕)
▲2▼燃料電池定格性能 :0.3〔A/cm2〕負荷電流時、セル電圧0.75〔V/cell〕、セル有効面積100〔cm2〕、セル数45〔cell〕
▲3▼改質器性能 :改質器転換効率90〔%〕、燃料利用率Uf=80〔%〕、スチーム/カーボン比=3
▲4▼放熱 = 0(理想条件)
次に、本発明で用いている熱移動媒体60について、図3(A)及び(B)を用いて説明する。熱移動媒体60は、プレート型ヒートパイプ構造を有しており、導電性を有する金属プレート中にループ型蛇行細管65が配置または形成され、当該細管中に熱輸送媒体である作動液が封入されている。導電性を有するプレートには、アルミニウム、ステンレス、銅等の導電性、加工性に優れた金属またはカーボン材質のものが用いられる。特に、本発明の熱移動媒体60に導電性が必要とされる理由は、前記熱移動媒体60を挟んだ燃料電池セル59間を電気的に直列に接続させるためである。
次に、本発明の燃料電池発電システムの構成について説明する。図10との対応部分に同一符号を付した図4は、本発明の一実施例である定置用燃料電池発電システムの構成の概略を示す構成図である。実施例の燃料電池発電システム70は、図示するように、外部より原料ガスの供給を受けて、原料ガスを水素リッチな改質ガスに改質する改質器24と、改質ガス中の一酸化炭素を低減して燃料ガスとするシフト反応器25と、燃料ガスと空気との供給を受けて電気化学反応により発電する燃料電池スタック50と、燃料電池スタック50の冷却水と貯湯槽23の低温水との熱交換を行なう熱交換器71と、燃料電池スタック50からの直流電力の電圧および電流を調整して所望の直流電力に変換するDC/DCコンバータ28と、変換された直流電力を商用電源(系統)と同位相の交流電力に変換して商用電源(系統)に電力を供給するインバータ29を備える。
(定格運転時の1kW級スタックの発熱量)>(定格運転時に改質蒸気生成に必要な熱量) ……(4)
の関係が成立するので、前記(4)式の差分の熱量を、純水タンク22に戻すように、純水供給ポンプ30の吐出流量と、第2の蒸気生成器51内の圧力を検知して動作する戻りライン78に配置された遮断弁77を制御することで、純水タンク22に燃料電池スタック50の発熱の一部を移動できるように構成されている。更に、この純水タンク22には、熱交換器71が設けられており、燃料電池スタック50の発熱の一部を受け取り昇温した純水との熱交換により、貯湯槽23からポンプ80により供給される低温水が加温されて貯湯槽23に貯湯されるように構成されている。
次に、本発明の燃料電池発電システム70の起動する際の操作について説明する。図5及び図6は本発明で実行される起動操作の一例を示すフローチャートである。
(2−1)燃料電池スタックの構成
図7及び図8に、本発明の第2の実施の形態である燃料電池スタック90の構成を示す。
図7に示すように、本発明においては、扁平形状の固体高分子電解質膜と、この固体高分子電解質膜の主両面のそれぞれに接合させた燃料電極および酸化剤電極、さらにその外側両面のそれぞれに燃料ガス流路を有する燃料ガス用セパレータおよび酸化剤ガス流路を有する酸化剤ガス用セパレータからなる燃料電池セルが複数枚積層され、積層端面が扁平状の燃料電池スタック90が構成される。
Claims (5)
- 電解質と当該電解質を挟むアノード及びカソードから成る一対の電極から構成されたセルと、前記電極のアノードに水素を含む燃料ガスを供給・排出し、カソードに酸素を含有する酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有する一対のセパレータを交互に複数積層された燃料電池スタックと、原料ガスから燃料電池本体に供給する燃料ガスを生成する燃料改質処理系と、前記燃料改質処理系にて改質反応を起こすために必要な水蒸気を供給する第1の蒸気生成器に純水を供給すると同時に排熱の有効利用を行うための純水系を有する燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料電池スタックに積層された複数セルの全部又は一部と熱伝導性を有して係合された熱移動媒体と、
前記熱移動媒体と熱導通接続するように前記燃料電池スタックに隣接して配置され、当該熱移動媒体を介して供給される熱に基づき水蒸気を発生する第2の蒸気生成器と
を備えることを特徴とする燃料電池発電システム。 - 前記第1の蒸気生成器と前記第2の蒸気生成器とを、第1の遮断弁を介して連結することで直列配置すると共に、
前記第2の蒸気生成器が、蒸気調整弁を介して前記燃料改質処理系の入口に連結するラインと、第2の遮断弁を介して前記純水系に戻すラインとを有し、
システム起動中に、前記第1の遮断弁を開状態にして、前記第1の蒸気生成器で生成した蒸気を前記第2の蒸気生成器へ供給することで、前記第2の蒸気生成器内に滞留した蒸気の熱を、前記熱移動媒体を介して、前記燃料電池スタックに与えて昇温を行い、
更に、前記燃料電池スタックの昇温完了後、システム負荷投入時に、前記蒸気調整弁を開状態にして、前記第1の蒸気生成器で生成した蒸気を前記第2の蒸気生成器を介して、前記燃料改質処理系に供給することで、システム負荷運転に移行し、
更に、負荷運転整定後に、前記第1の蒸気生成器と前記第2の蒸気生成器との間に配置した前記第1の遮断弁を閉状態にするとともに、前記第2の遮断弁を開状態にして、前記第2の蒸気生成器の単独運転に切り替える
ことを特徴とした請求項1に記載の燃料電池発電システム。 - 前記熱移動媒体は、前記燃料電池スタックに積層された前記複数セルについて、所定数の積層枚数毎に又は各前記セルと交互にそれぞれ挿入されている
ことを特徴する請求項1及び2に記載の燃料電池発電システム。 - 前記熱移動媒体は、プレート中に蛇行細管が配置または形成され、前記細管中に熱輸送媒体である作動液が封入された蛇行細管型ヒートパイプ構造である
ことを特徴とした請求項3に記載の燃料電池発電システム。 - 前記熱移動媒体は、前記複数セルの積層端面の少なくとも1面以上の面に、電気絶縁性の介在物を配して接触配置されている
ことを特徴とした請求項1及び2に記載の燃料電池発電システム。
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