JP2011525295A - 直列接続された２つの燃料電池スタックを有する燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
本発明は、発熱運転される第１燃料電池スタック（１４）と、非発熱運転される第２燃料電池スタック（１６）とを含む燃料電池システム（１０）であって、第１燃料電池スタック（１４）の水分子含有アノード排ガス（１８）を第２燃料電池スタック（１６）に供給することが可能であり、かつ、炭化水素（２０）を、供給ラインを経由してアノード排ガス（１８）に混合することが可能な燃料電池システム（１０）に関する。本発明によれば、第１燃料電池スタック（１４）のアノード排ガス（１８）を、未冷却状態において第２燃料電池スタック（１６）に供給できる。本発明は、さらに、燃料電池システムの運転方法に関する。
Description
本発明は、発熱運転される第１燃料電池スタックと、非発熱運転される第２燃料電池スタックとを含む燃料電池システムであって、第１燃料電池スタックからの水分子含有アノード排ガスを第２燃料電池スタックに供給することが可能であり、かつ、炭化水素を、供給ラインからアノード排ガスに混合することが可能な燃料電池システムに関する。
本発明は、さらに、発熱運転される第１燃料電池スタックと、非発熱運転される第２燃料電池スタックとを含む燃料電池システムの運転方法であって、第１燃料電池スタックからの水分子含有アノード排ガスを第２燃料電池スタックに供給し、炭化水素を、供給ラインからアノード排ガスに混合する燃料電池システムの運転方法に関する。
燃料電池システムは、従来型の燃焼機関に比較して化学エネルギーの電気エネルギーへの変換効率が潜在的に高いことによって、発電に関する将来的な高い可能性を提供する。燃料電池システムは、中心ユニットとして、少なくとも１つの燃料電池スタックを備えており、その燃料電池スタックにおいて、燃料電池スタックのアノード側に供給される水素に富む改質燃料がカソード側に供給されるカソード空気と反応する。この過程で電力および熱が生成される。燃料電池システムの効率を高めるため、反応の間に発生する排熱をさらに利用することが一般的に知られている。これは、例えば、排熱を、燃料電池の運転に必要な水素に富む改質燃料を生成する吸熱反応の改質プロセスに供給する熱交換器の形で具現化することができる。この点に関して、燃料を、燃料電池スタックの内部で改質燃料に転化することも知られている。この場合には、必要な熱エネルギーを、外部から燃料電池スタックに供給しなければならないか、あるいは、発電中に、燃料電池スタック自体によって発生させる。このような燃料電池スタックは、例えば、吸熱的にまたは自己熱によって機能することができる。
しかし、このような燃料電池システムの効率は、多くの場合満足できるものではない。従って、本発明の目的は、簡単な構造を有しかつ高効率の燃料電池システムを提供することにある。
この目的は独立請求項の特徴によって実現される。
本発明の有利な実施形態と、さらなる発展形態とが従属請求項から明らかになる。
本発明による燃料電池システムは、第１燃料電池スタックからのアノード排ガスを、未冷却状態において第２燃料電池スタックに供給できるという点で、当分野の現行技術を超えている。第１燃料電池スタックからの未冷却のアノード排ガスを第２燃料電池スタックに供給することによって、第１燃料電池スタックからアノード排ガスと共に排出される熱エネルギーを、アノード排ガスに混合される炭化水素の改質に使用できるので、燃料電池システムの効率が増大する結果が得られる。
また、燃料電池システムが、第１燃料電池スタックからのアノード排ガスに、炭化水素を、その炭化水素の炭素原子に対する水分子のモル比が１より大きい比率で混合することが可能な制御ユニットを含むことが有利であると考えられる。第１燃料電池スタックからのアノード排ガスに炭化水素を上記のモル比で混合することによって、第２燃料電池スタックに導入された後の引き続く蒸気改質における燃料の過剰が避けられる。この方法で、第２燃料電池スタックにおけるすすの堆積を防止できるか、あるいは少なくとも最少化できる。この場合、燃料として用いられる被混合炭化水素は、気体としてアノード排ガスに添加すればよい。
上記の制御ユニットが、炭化水素を、第１燃料電池スタックからのアノード排ガスに、その炭化水素の炭素原子に対する水分子のモル比が２より大きい比率で混合することができれば特に好ましい。
この場合、第１燃料電池スタックにおいて加熱されたカソード排ガスを第２燃料電池スタックに供給できるようにすることが有用であると考えられる。第１燃料電池スタックにおいて加熱されたカソード排ガスを第２燃料電池スタックに供給することによって、燃料電池システム全体としての熱効率がさらに向上する。
この場合、燃料電池システムが、比較的冷涼な空気の形の酸化剤を、温度調節用として第１燃料電池スタックからの加熱されたカソード排ガスに混合することが可能な制御ユニットを含むことが好ましいと考えられる。第１燃料電池スタックからのカソード排ガスは、加熱された形の酸化剤として第２燃料電池スタックに供給可能であり、比較的冷涼な新鮮空気の形のもう１つの酸化剤と有利に混合することができる。これによって、第２燃料電池スタックの温度調節が、第２燃料電池スタックの制御された冷却、もしくは制御された温度低下の形態において、あるいは、十分な量の酸化剤を燃料電池スタックのカソード側に供給するという形態において可能になる。後者は、第２燃料電池スタックに供給される第１燃料電池スタックからのアノード排ガスに、第２燃料電池スタックにおいてできるだけ完全に転化するべきさらに別の燃料が供給されたために、必要になる場合がある。
改質器は第１燃料電池スタックの上流側に設けることが好ましいと考えられる。特に、第１燃料電池スタックに供給される水素に富む改質燃料は、改質器、例えば、燃料と、１より低い空気比λを有する空気の形の酸化剤とが供給されるＰＯＸ改質器によって生成することができる。生起する部分酸化改質は、次式によって進行する発熱反応である。
この場合、第１燃料電池スタックおよび第２燃料電池スタックは、直列に電気接続することが好ましいと考えられる。２つの燃料電池スタックを、例えばガルバニック結合によって直列に電気接続すると、小型の燃料電池システムを用いて所要の電圧供給が可能になる。２つの燃料電池スタックを並列に電気接続することも可能であるが、その場合は、等しい高さの電圧を得るには、より大型の燃料電池システムが必要になるであろう。
第２燃料電池スタックを自己熱によって運転される燃料電池スタックとすることを、特に考えることができる。第２燃料電池スタックを自己熱による燃料電池スタックとして運転することによって、第２燃料電池スタックにおける効率的なエネルギー利用が可能になる。その場合、第２燃料電池スタックにおいて生起する吸熱反応の蒸気改質は、ＣｎＨ２ｎ＋２ｎＨ２Ｏ→３ｎＨ２＋ｎＣＯ２の式に従って進行する。吸熱反応の蒸気改質に必要なエネルギーは、燃料電池の膜における水素ガスと酸化剤からの酸素との引き続く触媒反応によって生成される。第１燃料電池スタックに由来する未使用の水素ガスは、続いて第２燃料電池スタックに流入して同様に転化することが可能であり、第２燃料電池スタックの温度維持を補助する。第２燃料電池スタックに導入される水素ガスの量は、燃料電池システムの運転における追加的な自由度を提供する。
第２燃料電池スタックが吸熱運転される燃料電池スタックであり、かつ、第１燃料電池スタックが第２燃料電池スタックに熱エネルギーを供給することが特に望ましい。第２燃料電池スタックを吸熱燃料電池スタックとして運転すること、換言すれば、蒸気改質が、発生した水素ガスの反応において引き続いて解放される熱エネルギーよりも多くのエネルギーを消費することが、効率の点から特に有利である。それは、発熱運転される第１燃料電池スタックから発生する熱エネルギーを、そのアノードおよびカソード排ガスを介して第２燃料電池スタックに伝達できるからである。この運転方式は、全燃料電池システムが、余剰の熱エネルギーを発生することなく見掛け上自己熱によって作動し得るので、全システムの効率に関して特に有効である。
第２燃料電池スタックからの新たなアノード排ガスを燃料電池システムから完全に排出することが有用であると考えられる。第２燃料電池スタックからのすべての新たなアノード排ガスをシステムから完全に排出することによって、両燃料電池スタックを通るアノードガスの連続的な流れが可能になる。この場合、新たなアノード排ガス中におそらくなお含有される一酸化炭素または水素ガスは、環境防護のためにアフタバーナで燃焼できる。新たなアノード排ガスに含まれる熱エネルギーは、熱交換器を介して燃料電池システムに戻すことが可能である。
本発明による方法は、第１燃料電池スタックからのアノード排ガスを、未冷却状態において第２燃料電池スタックに供給することによってさらに進展する。この方式で、本発明による燃料電池システムの利点および特性が、方法の枠内でも実現される。
これは、炭化水素を、その炭化水素の炭素原子に対する水分子のモル比が１より大きい比率で、第１燃料電池スタックからのアノード排ガスに混合することによってさらに有用に進展する。この方法で、アノードガスダクト内への、あるいは燃料電池スタックのアノード側へのすすの堆積を避けることが可能になる。
上記のモル比は２より大きいことが特に望ましい。
第１燃料電池スタックにおいて加熱されたカソード排ガスを第２燃料電池スタックに供給することが特に望ましい。
さらに、温度を制御するために、比較的冷涼な空気の形の酸化剤を、第１燃料電池スタックからの加熱されたカソード排ガスに混合することを考えることができる。この場合、「比較的冷涼な」というのは、第１燃料電池スタックからのカソード排ガスの温度が混合される空気の温度よりも高いということを意味する。
第１燃料電池スタックおよび第２燃料電池スタックを直列に電気接続して運転することが有用であると考えることができる。
第２燃料電池スタックを自己熱によって運転することを、特に考えることができる。
特に、第２燃料電池スタックを吸熱運転し、第２燃料電池スタックの運転に必要な熱エネルギーを第１燃料電池スタックから供給することが望ましいと考えられる。
ここで、本発明を、特に好ましい実施形態に基づいて、添付の図面を参照して事例的に説明する。
図１は、本発明による燃料電池システムの概略系統図を示す。燃料電池システム１０は、改質器２６に加えて、第１燃料電池スタック１４および第２燃料電池スタック１６と、制御ユニット１２と、燃料供給手段３０と、供給手段３６と、カソードガス供給装置４４と、追加燃料供給手段７０と、追加カソードガス供給装置７２とを含む。燃料供給手段３０は改質器２６に燃料３２を供給する。改質器２６には、さらに、酸化剤３４、例えば空気が、例えば簡単なファンとして具現化し得る供給手段３６から供給される。特に、発熱運転される部分酸化改質器（ＰＯＸ改質器と略称される）として具現化することができる改質器２６が、燃料３２を水素に富む改質燃料３８に転化する。この場合、燃料３２は炭化水素を含むこと、および、次式の部分酸化式が進行することが想定されている。
改質燃料３８は、アノードガスとして第１燃料電池スタック１４に供給される。カソードガス４２、例えば酸化剤としての空気は、カソードガス供給装置４４から燃料電池スタック１４に供給される。第１燃料電池スタック１４は発熱運転され、水素および一酸化炭素に富む改質燃料３８を水およびＣＯ２に転化する。この過程において、酸素イオンが、カソードガス４２から除去され、改質燃料３８の中に存在する水素分子および／または一酸化炭素と共に水または二酸化炭素に転化される。従って、第１燃料電池スタック１４から排出されるアノード排ガス１８の水素含有量は大きく減少しており、アノード排ガス１８は、その代わりに付加的な水を含有する。さらに、第１燃料電池スタック１４からは、カソードガス４２に比べて酸素含有量が低いカソード排ガス２２が排出される。アノード排ガス１８およびカソード排ガス２２は、第１燃料電池スタック１４に流入する改質燃料３８またはカソードガス４２に比較して、第１燃料電池スタック１４内で発生する熱エネルギーによって加熱されている。これは、第１燃料電池スタックを冷却することになる。その理由は、余剰な熱エネルギーが第１燃料電池スタック１４から排出されるからである。すなわち、アノード排ガス１８およびカソード排ガス２２は、発熱運転される第１燃料電池スタック１４内で発生するプロセス熱の少なくとも一部分を、一緒に持ち出すということである。アノード排ガス１８およびカソード排ガス２２は第２燃料電池スタック１６に供給される。従って、第１燃料電池スタック１４および第２燃料電池スタック１６は、アノードガスおよびカソードガスの流れに関して直列に接続されている。これによって、特に、カソードガスの容積流れの約５０％の縮減が可能になり、これは効率の向上に寄与する。アノード排ガス１８には、第２燃料電池スタック１６への導入前に、追加の炭化水素２０を追加燃料供給装置７０から混合する。混合される炭化水素２０は特に気体とすることができるが、この被混合炭化水素２０のモル比は、アノード排ガス１８に含有される水分子に応じて調節され、炭化水素の炭素原子に対する水分子の比率が少なくとも１より大きくなるように、好ましくは２より大きくなるように選定される。これによって、引き続いて第２燃料電池スタック１６内にて生起する吸熱反応の蒸気改質の間における、すすの形態の炭素原子の堆積が避けられる。カソード排ガス２２には、追加カソードガス供給装置７２から、非予熱空気の形の酸化剤２４を供給できる。この方法で、第２燃料電池スタック１６に供給されるカソード排ガス２２の温度レベルを、酸化剤２４の供給量によって制御することが可能になる。これによって、特に燃料電池システムの遷移状態における、すなわち加熱および冷却段階における熱的制御性を強化できる。第２燃料電池スタック１６は、吸熱的に、あるいは自己熱によって運転可能である。第２燃料電池スタック１６を吸熱運転する場合は、その運転に必要な追加の熱エネルギーは、第２燃料電池スタック１６に流入するアノード排ガス１８およびカソード排ガス２２を介して、第１燃料電池スタック１４から伝達される。このタイプの運転の場合は、第２燃料電池スタック１６における触媒発電によって生成されるよりも多量の熱エネルギーが蒸気改質のために必要である。燃料電池システム１０からは、第２燃料電池スタック１６から流出する新たなアノード排ガス２８およびカソード排ガス５０が排出される。しかし、排出の前に、この新たなアノード排ガス２８中におそらくなお含有される一酸化炭素または水素ガスを、環境防護のためにアフタバーナ（図示なし）で燃焼可能である。新たなアノード排ガス２８および新たなカソード排ガス５０にさらに含まれる熱エネルギーは、熱交換器（これも図示なし）を介して燃料電池システム１０に戻すことができる。第１燃料電池スタック１４および第２燃料電池スタック１６はガルバニック結合７４によって直列に接続され、消費設備６８に電力を供給する。
制御ユニット１２は、図示の個々の供給装置３０、３６、４４、７０および７２の供給容量を、供給装置３０、３６、４４、７０および７２のいずれかにそれぞれ接続される第１制御ライン５２、第２制御ライン５４、第３制御ライン５６、第４制御ライン５８および第５制御ライン６０を介して制御する。また、制御ユニット１２は、個々の供給装置３０、３６、４４、７０および７２の供給容量を、センサー手段４０、４６および４８の測定値に基づいて、センサーライン６２、６４および６６を介して制御する。センサー手段４０、４６および４８は、それぞれのガス流れ中の、例えば、温度、酸素含有量、水素含有量および水分含有量を検出することができる。
以上の明細書、図面並びに特許請求の範囲に開示された本発明の特徴は、個別にも、またいかなる組合せにおいても、本発明の実行に重要であり得る。
１０ 燃料電池システム
１２ 制御ユニット
１４ 第１燃料電池スタック
１６ 第２燃料電池スタック
１８ アノード排ガス
２０ 炭化水素
２２ カソード排ガス
２４ 酸化剤
２６ 改質器
２８ 新たなアノード排ガス
３０ 燃料供給手段
３２ 燃料
３４ 酸化剤
３６ 供給手段
３８ 改質燃料
４０ センサー装置
４２ カソードガス
４４ カソードガス供給装置
４６ センサー手段
４８ センサー手段
５０ 新たなカソード排ガス
５２ 第１制御ライン
５４ 第２制御ライン
５６ 第３制御ライン
５８ 第４制御ライン
６０ 第５制御ライン
６２ 第１センサーライン
６４ 第２センサーライン
６６ 第３センサーライン
６８ 消費設備
７０ 追加燃料供給手段
７２ 追加カソードガス供給装置
７４ ガルバニック結合
１２ 制御ユニット
１４ 第１燃料電池スタック
１６ 第２燃料電池スタック
１８ アノード排ガス
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Claims (18)
- 発熱運転される第１燃料電池スタック（１４）と、非発熱運転される第２燃料電池スタック（１６）とを含む燃料電池システム（１０）であって、前記第１燃料電池スタック（１４）からの水分子含有アノード排ガス（１８）を前記第２燃料電池スタック（１６）に供給することが可能であり、かつ、炭化水素（２０）を、供給ラインから前記アノード排ガス（１８）に混合することが可能な燃料電池システム（１０）において、前記第１燃料電池スタック（１４）からの前記アノード排ガス（１８）を、未冷却状態において前記第２燃料電池スタック（１６）に供給できる、ことを特徴とする燃料電池システム（１０）。
- 前記第１燃料電池スタック（１４）からの前記アノード排ガス（１８）に、前記炭化水素（２０）を、その炭化水素の炭素原子（２０）に対する水分子のモル比が１より大きい比率で混合することが可能な制御ユニット（１２）を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム（１０）。
- 前記制御ユニット（１２）が、前記炭化水素（２０）を、前記第１燃料電池スタック（１４）からの前記アノード排ガス（１８）に、その炭化水素の炭素原子（２０）に対する水分子のモル比が２より大きい比率で混合することが可能である、ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム（１０）。
- 前記第１燃料電池スタック（１４）において加熱されたカソード排ガス（２２）を前記第２燃料電池スタック（１６）に供給できる、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システム（１０）。
- 比較的冷涼な空気の形の酸化剤（２４）を、温度調節用として前記第１燃料電池スタック（１４）からの前記加熱されたカソード排ガス（２２）に混合することが可能な制御ユニット（１２）を含む、ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム（１０）。
- 改質器（２６）が前記第１燃料電池スタック（１４）の上流側に設けられる、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池システム（１０）。
- 前記第１燃料電池スタック（１４）および前記第２燃料電池スタック（１６）が直列に電気接続される、ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料電池システム（１０）。
- 前記第２燃料電池スタック（１６）が自己熱によって運転される燃料電池スタックである、ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の燃料電池システム（１０）。
- ― 前記第２燃料電池スタック（１６）が吸熱運転される燃料電池スタックであり、かつ、
― 前記第１燃料電池スタック（１４）が前記第２燃料電池スタック（１６）に熱エネルギーを供給する、
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の燃料電池システム（１０）。 - 前記第２燃料電池スタック（１６）からの新たなアノード排ガス（２８）が燃料電池システム（１０）から完全に排出される、ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の燃料電池システム（１０）。
- 発熱運転される第１燃料電池スタック（１４）と、非発熱運転される第２燃料電池スタック（１６）とを含む燃料電池システム（１０）の運転方法であって、前記第１燃料電池スタック（１４）からの水分子含有アノード排ガス（１８）を前記第２燃料電池スタック（１６）に供給し、かつ、炭化水素（２０）を、供給ラインから前記アノード排ガス（１８）に混合する燃料電池システム（１０）の運転方法において、前記第１燃料電池スタック（１４）からの前記アノード排ガス（１８）を、未冷却状態において前記第２燃料電池スタック（１６）に供給する、ことを特徴とする方法。
- 前記第１燃料電池スタック（１４）からの前記アノード排ガス（１８）に、前記炭化水素（２０）を、その炭化水素の炭素原子（２０）に対する水分子のモル比が１より大きい比率で混合する、ことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
- 前記モル比が２より大きい、ことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
- 前記第１燃料電池スタック（１４）において加熱されたカソード排ガス（２２）を前記第２燃料電池スタック（１６）に供給する、ことを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
- 比較的冷涼な空気の形の酸化剤（２４）を、温度を制御するために、前記第１燃料電池スタック（１４）からの前記加熱されたカソード排ガス（２２）に混合する、ことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
- 前記第１燃料電池スタック（１４）および前記第２燃料電池スタック（１６）を直列に電気接続して運転する、ことを特徴とする請求項１１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第２燃料電池スタック（１６）を自己熱によって運転する、ことを特徴とする請求項１１〜１６のいずれか一項に記載の方法。
- ― 前記第２燃料電池スタック（１６）を吸熱運転し、かつ、
― 前記第２燃料電池スタック（１６）の運転に必要な熱エネルギーを前記第１燃料電池スタック（１４）から供給する、
ことを特徴とする請求項１１〜１６のいずれか一項に記載の方法。
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