JP2015041443A - 固体酸化物形燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】水を外部から供給する必要性を低減しつつ、負荷に対して発電出力が不十分となる可能性を低減できる固体酸化物形燃料電池システムを提供する。【解決手段】アノード2とカソード4とを備え、アノードに供給される水素含有ガスとカソードに供給される酸素含有ガスとの間で発電反応を行う、固体酸化物形燃料電池6と、固体酸化物形燃料電池から排出されるオフガスから回収された水を貯えるタンク12と、タンクから供給される水を用いて水蒸気を生成する蒸発器13と、原料と蒸発器から供給される水蒸気とを用いて水素含有ガスを生成する改質器8と、原料および酸素含有ガスの少なくともいずれか一方を供給する供給器10と、タンクの水位が低下すると、供給器を制御して、原料および酸素含有ガスの少なくともいずれか一方の供給量を調整することで、オフガスの露点を上昇させる、制御器14と、を備える、固体酸化物形燃料電池システム。【選択図】図1
Description
本発明は、固体酸化物形燃料電池システムに関する。
特許文献1は、タンクの水位が所定の高水位以上であることが水位センサにより検知されるとき、最高発電出力を出力制限せずに燃料電池の発電出力を制御し、タンクの水位が高水位よりも低い水位であることが水位センサにより検知されるとき、電力負荷の大きさに拘わらず、燃料電池の最高発電出力をこれの定格電力未満に出力制限する制御部とを具備する燃料電池システムを開示する。
しかしながら、特許文献1に開示された燃料電池システムでは、水を外部から供給する必要性を低減することはできても、負荷に対して発電出力が不十分となる場合がある。本発明は、水を外部から供給する必要性を低減しつつ、負荷に対して発電出力が不十分となる可能性を低減できる固体酸化物形燃料電池システムを提供することを目的とする。
本発明による固体酸化物形燃料電池システムの一態様は、アノードとカソードとを備え、前記アノードに供給される水素含有ガスと前記カソードに供給される酸素含有ガスとの間で発電反応を行う、固体酸化物形燃料電池と、前記固体酸化物形燃料電池から排出されるオフガスから回収された水を貯えるタンクと、前記タンクから供給される水を用いて水蒸気を生成する蒸発器と、原料と前記蒸発器から供給される水蒸気とを用いて前記水素含有ガスを生成する改質器と、前記原料および前記酸素含有ガスの少なくともいずれか一方を供給する供給器と、前記タンクの水位が低下すると、前記供給器を制御して、前記原料および前記酸素含有ガスの少なくともいずれか一方の供給量を調整することで、前記オフガスの露点を上昇させる、制御器と、を備える。
本発明の一態様によれば、水を外部から供給する必要性を低減しつつ、負荷に対して発電出力が不十分となる可能性を低減できる固体酸化物形燃料電池システムを提供できるという効果を奏する。
上記従来技術の課題を鑑みて本発明者らが鋭意検討をした結果、本発明者らは、以下の点に想到した。なお、本明細書では、特に明示しない限り、生成量、生成水量、生成する水の量、供給量、流量等は、それぞれ、単位時間当たりの生成量、単位時間当たりの生成水量、単位時間当たりに生成する水の量、単位時間当たりの供給量、単位時間当たりの流量等を意味する。
まず、固体酸化物形燃料電池システムにおいて、固体酸化物形燃料電池から排出されるオフガス(アノードオフガスおよび燃焼排ガス等)に含まれる水分を凝縮させて得られる凝縮水を貯留するようにタンクを構成し、蒸発器において、該タンクから供給される水を用いて水蒸気を生成して改質器に供給する場合を考える。
上記構成において、オフガスの露点が上昇すると、例えば同じ温度までオフガスを冷却した場合に、より多くの凝縮水が生成することになり、凝縮水の生成量は増加する。よって、タンクの水位が低下したときに、原料および酸素含有ガスの少なくともいずれか一方の供給量を調整し、オフガスの露点を上昇させることで、凝縮水の生成量を増加させることができる。
オフガスの露点は、発電により生成する水の量が一定であっても、上昇させることができる。例えば、オフガスの流量を減らしたり、オフガスを燃焼器において燃焼させることにより生成する水の量等を増加させたりすることで、オフガスの露点を上昇させることができる。換言すれば、オフガスの露点を上昇させるにあたり、固体酸化物形燃料電池の発電出力は必ずしも制限する必要はない。
なお、固体酸化物形燃料電池の発電出力は、固体酸化物形燃料電池から取り出す電流量を制御することにより調整されうる。固体酸化物形燃料電池から取り出す電流量は、発電により消費される水素分子(H2)および酸素分子(O2)等の量と、すなわち、電池反応により生成される水(H2O)の量と、正の相関を有する。
上記構成では、固体酸化物形燃料電池の発電出力を必ずしも制限することなく、凝縮水の生成量を増加させることができる。よって、水を外部から供給する必要性を低減しつつ、負荷に対して発電出力が不十分となる可能性を低減できる。
より具体的には例えば、発電出力を大きく変化させなくても、固体酸化物形燃料電池への水素含有ガスの供給量を減らし、アノードオフガスの生成量を減らすことで、すなわち固体酸化物形燃料電池における水素利用率を上昇させることで、アノードオフガスの露点は上昇し、凝縮水の生成量が増加する。
あるいは例えば、発電出力を大きく変化させなくても、固体酸化物形燃料電池への水素含有ガスの供給量を増やし、燃焼器へのアノードオフガスの供給量を増やすことで、すなわち固体酸化物形燃料電池における水素利用率を低下させることで、燃焼排ガスの露点は上昇し、凝縮水の生成量が増加する。
あるいは例えば、発電出力を大きく変化させなくても、固体酸化物形燃料電池への酸素含有ガスの供給量を減らし、燃焼器へのカソードオフガスの供給量を減らすことで、すなわち固体酸化物形燃料電池における酸素利用率を低下させることで、燃焼排ガスの露点は上昇し、凝縮水の生成量が増加する。
以下、添付図面を参照しつつ、各実施形態について説明する。各実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、あくまで一例である。以下の実施形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意に省略しうる構成要素として説明される。図面において、同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合がある。図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示したもので、形状および寸法比等については正確な表示ではない場合がある。方法においては、必要に応じて、各工程の順序等を変更でき、かつ、他の公知の工程を追加できる。
(第1実施形態)
第1実施形態の固体酸化物形燃料電池システムは、アノードとカソードとを備え、アノードに供給される水素含有ガスとカソードに供給される酸素含有ガスとの間で発電反応を行う、固体酸化物形燃料電池と、固体酸化物形燃料電池から排出されるオフガスから回収された水を貯えるタンクと、タンクから供給される水を用いて水蒸気を生成する蒸発器と、原料と蒸発器から供給される水蒸気とを用いて水素含有ガスを生成する改質器と、原料および酸素含有ガスの少なくともいずれか一方を供給する供給器と、タンクの水位が低下すると、供給器を制御して、原料および酸素含有ガスの少なくともいずれか一方の供給量を調整することで、オフガスの露点を上昇させる、制御器と、を備える。
第1実施形態の固体酸化物形燃料電池システムは、アノードとカソードとを備え、アノードに供給される水素含有ガスとカソードに供給される酸素含有ガスとの間で発電反応を行う、固体酸化物形燃料電池と、固体酸化物形燃料電池から排出されるオフガスから回収された水を貯えるタンクと、タンクから供給される水を用いて水蒸気を生成する蒸発器と、原料と蒸発器から供給される水蒸気とを用いて水素含有ガスを生成する改質器と、原料および酸素含有ガスの少なくともいずれか一方を供給する供給器と、タンクの水位が低下すると、供給器を制御して、原料および酸素含有ガスの少なくともいずれか一方の供給量を調整することで、オフガスの露点を上昇させる、制御器と、を備える。
供給器は、原料のみを供給する構成であってもよいし、酸素含有ガスのみを供給する構成であってもよいし、原料と酸素含有ガスの両方を供給する構成であってもよい。供給器は、原料と酸素含有ガスの少なくともいずれか一方に加え、原料と酸素含有ガス以外のもの(水等)を供給する構成であってもよい。
固体酸化物形燃料電池から排出されるオフガスとは、固体酸化物形燃料電池6の下流側を流れるガスをいい、より具体的には例えば、固体酸化物形燃料電池6から排出されたガスおよびこれを燃焼することにより得られるガスとしうる。
制御器は、タンクの水位が低下すると、供給器を制御して、オフガスの露点を上昇させる。そのための手段としては、原料の供給量を調整することとしてもよいし、酸素含有ガスの供給量を調整することとしてもよいし、原料と酸素含有ガスの両方の供給量を調整することとしてもよい。
上記固体酸化物形燃料電池システムにおいて、供給器は、少なくとも原料を供給するように構成され、制御器は、タンクの水位が低下すると、供給器を制御して、少なくとも原料の供給量を調整することで、オフガスの露点を上昇させるように構成されていてもよい。
第1実施形態の固体酸化物形燃料電池システムの運転方法は、固体酸化物形燃料電池において、アノードに水素含有ガスを供給するとともにカソードに酸素含有ガスを供給して発電反応を行い、固体酸化物形燃料電池から排出されるオフガスから回収された水をタンクに貯留し、蒸発器により、該タンクから供給される水を用いて水蒸気を生成し、改質器により、原料と蒸発器から供給される水蒸気とを用いて水素含有ガスを生成し、タンクの水位が低下すると、原料および酸素含有ガスの少なくともいずれか一方の供給量を調整することで、オフガスの露点を上昇させる。
上記固体酸化物形燃料電池システムの運転方法において、タンクの水位が低下すると、少なくとも原料の供給量を調整することで、オフガスの露点を上昇させてもよい。
図1は、第1実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。以下、図1を参照しつつ、第1実施形態の固体酸化物形燃料電池システム100について説明する。
図1に示すように、固体酸化物形燃料電池システム100は、固体酸化物形燃料電池6と、改質器8と、原料供給器10と、タンク12と、制御器14とを備える。原料供給器10は、供給器の一例である。
固体酸化物形燃料電池6は、アノード2とカソード4とを備える。固体酸化物形燃料電池6は、アノード2に供給される水素含有ガスと、カソード4に供給される酸素含有ガスと、の間で発電反応を行う。水素含有ガスは、改質器8から供給される。酸素含有ガスは、例えば、空気とすることができる。酸素含有ガスは、固体酸化物形燃料電池システム100の外部から供給されてもよいし、ブロワおよびポンプ等からなる酸素含有ガス供給器(図示せず)から供給されてもよい。
固体酸化物形燃料電池6は、例えば、アノード2とカソード4との間で発電反応を行って発電する複数の燃料電池単セルを直列に接続したスタックを含むように構成される。スタックは、アノードオフガスとカソードオフガスとがそれぞれ混合されることなく排出される密閉型であってもよいし、アノードオフガスとカソードオフガスとが混合された後に排出される開放型であってもよい。開放型スタックの場合、アノードオフガスとカソードオフガスは混合されたのち、スタック直後の燃焼器で燃焼されてもよい。
燃料電池単セルには、例えば、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)を電解質等に用いた公知の構成を採用しうる。燃料電池単セルの材料としては、イットリビウムやスカンジウムをドープしたジルコニア、あるいはランタンガレート系の固体電解質を用いることもできる。イットリア安定化ジルコニアを用いた燃料電池単セルでは、電解質の厚みにも依存するが、例えば、摂氏600度から摂氏1000度程度の温度範囲で発電反応が行われる。
固体酸化物形燃料電池6の発電により得られた電力は、図示されない端子を介して外部負荷へと供給される。外部負荷としては、例えば、携帯電話の基地局を構成する装置とすることができる。
改質器8は、原料と蒸発器13から供給される水蒸気とを用いて水素含有ガスを生成する。原料は、原料供給器10から供給される。水蒸気の元となる水は、少なくともその一部が、タンク12から供給される。生成された水素含有ガスは、固体酸化物形燃料電池6のアノード2へと供給される。改質器8とアノード2とは、水素含有ガス供給路により接続されていてもよい。改質器8へ供給される水蒸気の一部は、タンク12以外から供給された水に由来してもよい。改質器8へ供給される水蒸気の全部が、タンク12から供給される水に由来してもよい。
原料は、例えば、LPGガス、プロパンガス、ブタンガス、メタンを主成分とする都市ガス等の少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含むガス、灯油、アルコール等とすることができる。灯油、アルコール等の液体原料を用いる場合には、改質器8に供給される前に、液体原料が加熱されて気化されてもよい。
改質器8では、例えば、原料と水蒸気とを用いて、水蒸気改質反応(Steam Reforming)が行われてもよい。
改質器8では、例えば、原料に含まれる炭化水素と、水蒸気と酸素とを用いて、酸化的水蒸気改質反応(Oxidative Steam Reforming)が行われてもよい。酸化的水蒸気改質反応を利用した場合、熱収支の点で改質反応が進行しやすくなり、水蒸気改質を利用する場合よりも改質器8を小型化できる。また、原料中に硫黄化合物が含まれていても、SO2に変換されやすくなり、スタック内の触媒が被毒されにくくなる。
改質器8は、例えば、容器中に改質触媒が充填されて構成される。改質触媒は、例えば、白金およびロジウムの少なくとも一方を含浸したアルミナ担体を用いることができる。なお、改質触媒は特に限定されず、例えば、水蒸気改質反応および酸化的水蒸気改質反応の少なくともいずれか一方を進行させることのできる多様な触媒を用いることができる。
改質器8の上流に、改質器8に供給される原料中の硫黄化合物を除去する脱硫器が設けられてもよい。脱硫器としては、例えば、常温吸着脱硫器および水添脱硫器等を用いることができる。脱硫器の具体的構成については、種々の公知の構成を採用できるので、詳細な説明を省略する。
改質器8の下流に改質器8で生成された水素含有ガス中の一酸化炭素を低減するCO低減器を設けても構わない。CO低減器は、例えば、シフト反応により一酸化炭素を低減させる変成器と、酸化反応及びメタン化反応の少なくともいずれか一方により一酸化炭素を低減させるCO除去器との少なくともいずれか一方を備えてもよい。
原料供給器10は、少なくとも原料を改質器8へと供給する。原料供給器10は、改質器へ供給する原料ガスの流量を調整する機器であり、例えば、昇圧器と流量調整弁により構成されるが、これらのいずれか一方により構成されてもよい。昇圧器は、例えば、定容積型等のポンプが用いられるが、これに限定されるものではない。原料ガスは、原料ガス供給源より供給される。原料ガス源は、所定の供給圧を有しており、例えば、原料ガスボンベ、原料ガスインフラ等が挙げられる。
原料供給器10は、制御器14の制御により、改質器8への原料の供給量(例えば、1分あたりに供給する原料の容積)を調整できるように構成されている。このため、原料供給器10は、制御器14と通信可能に接続されていてもよい。
タンク12は、固体酸化物形燃料電池6から排出されるオフガスから回収された水(液体の水)を貯える。オフガスとは、固体酸化物形燃料電池6の下流側を流れるガスをいい、より具体的には例えば、固体酸化物形燃料電池6から排出されたガスおよびこれを燃焼することにより得られるガスとしうる。より具体的には、オフガスには、例えば、アノードオフガス、アノードオフガスを燃焼させて得られる燃焼排ガス等が含まれる。
オフガスから回収される水は、電池反応により生成した液水だけでなく、オフガスに含まれる水分から凝縮した凝縮水を含んでもよい。
オフガスから水を回収する構成は特に限定されない。具体的には、例えば、オフガスに含まれる水分を凝縮させる構成が、オフガスを冷媒で冷却してオフガスに含まれる水分を凝縮させる凝縮器であってもよい。凝縮器は、オフガスを冷媒で冷却する機器であればいなかる構成でも構わない。凝縮器は、例えば、冷媒としての大気によりオフガスを空冷する直接方式でもよいし、オフガスを一次冷媒としての水、不凍液等で冷却し、水、不凍液等を二次冷媒としての水、大気等で冷却する間接方式であってもよい。
また、冷媒を用いてオフガスを冷却する凝縮器を用いず、オフガスが流れるガス配管を用いてもよい。オフガスは、このガス配管を流れる間にガス配管の周囲温度との温度差で、自然冷却され、オフガス中の水分が凝縮する。
タンク12に貯えられた水は、その少なくとも一部が、蒸発器13へと供給される。タンク12と蒸発器13とは、直接接続されていてもよいし、凝縮水供給路により接続されていてもよい。タンク12から改質器8へと水を移動させる手段は特に限定されない。例えば、タンク12を改質器8よりも上方に設け、タンク12に貯溜された凝縮水が重力により改質器8へと供給されてもよい。あるいは例えば、凝縮水供給路に設けられたポンプ等によりタンク12に貯溜された凝縮水が改質器8へと供給されてもよい。ポンプとしては、プランジャ式ポンプ、ギアポンプ、および、マグネット式ポンプ等を用いることができる。
タンク12には、水位検出器(図示せず)が設けられていてもよい。水位検出器は、タンク12の水位を検出し、得られた水位に関する情報を、制御器14へと提供してもよい。水位検出器としては、フロート水位計、圧力計、電気伝導度センサ等を用いることができる。
蒸発器13は、タンク12から供給される水を用いて水蒸気を生成する。蒸発器13は改質器12と一体に構成されていてもよい。蒸発器13としては、例えば、公知の構成を用いることができるので、詳細な説明は省略する。
制御器14は、タンク12の水位が低下すると、原料供給器10を制御して、原料の供給量を調整することで、オフガスの露点を上昇させる。制御器14は、タンク12の水位が上昇すると、原料供給器10を制御して、原料の供給量を調整することで、オフガスの露点を低下させてもよい。制御器14は、原料供給器10を制御し、原料の供給量を調整して、オフガスの露点を制御することにより、タンク12の水位を所定の範囲に維持してもよい。
制御器14は、原料供給器10と通信可能に接続されていてもよい。制御器14は、タンク12が備える水位検出手段と通信可能に接続されていてもよい。制御器14は、制御機能を有するものであればよく、演算処理部(図示せず)と、制御プログラムを記憶する記憶部(図示せず)とを備えていてもよい。演算処理部としては、MPU、CPUが例示される。記憶部としては、メモリが例示される。制御器14は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよく、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。
制御器14が原料の供給量を調整することによりオフガスの露点を上昇させる具体的な方法は、固体酸化物形燃料電池システム100の具体的構成等に応じて適宜に採用することができる。
例えば、凝縮水をアノードオフガスから回収する場合には、固体酸化物形燃料電池6の発電出力に対して固体酸化物形燃料電池6への水素含有ガスの供給量を相対的に減らすことで、すなわち水素利用率Uf(例えば、単位時間当たりに発電により消費される水素分子H2の量[モル]/単位時間当たりに固体酸化物形燃料電池6へ供給される水素含有ガス中に含まれる水素分子H2の量[モル]として定義されうる。また、これは水素分子H2の量と電流量の相関式で言い換える事もできる。具体的には、Uf∝{[I(単位時間当たりに固体酸化物形燃料電池6で発電される電流量[A])×N(セル数)]/[m(原料中の水素分子のモル分率[%])×F(単位時間当たりに固体酸化物形燃料電池6へ供給される原料流量[SLM])]}となる、以下同様)を上昇させることで、アノードオフガスの生成量を減らすことが考えられる。この場合、アノードオフガスに含まれる生成水量に対し、アノードオフガスの生成量が相対的に少なくなる。よって、アノードオフガスの露点が上昇する。なお、生成水とは発電反応により生成される水をいう。
あるいは例えば、凝縮水を、アノードオフガスを燃焼させた燃焼排ガスから回収する場合には、固体酸化物形燃料電池6の発電出力に対して固体酸化物形燃料電池6への水素含有ガスの供給量を相対的に増やすことで、すなわち水素利用率Ufを低下させることで、燃焼により生成する水の量を増やすことが考えられる。この場合、燃焼排ガスの生成量に対し、燃焼排ガスに含まれる生成水量と燃焼により生成する水の量の合計が相対的に大きくなる。よって、燃焼排ガスの露点が上昇する。ここで、燃焼により生成する水とは、例えばアノードオフガス中に含まれる未利用の水素含有ガスおよび原料等に含まれる水素が酸素と反応して生成する水等をいう。
発電により消費される水素分子H2の量は電流量(発電出力)と正の相関を有する。すなわち、水素利用率Ufには、発電出力と水素含有ガスの供給量という2つの情報を含む。発電出力は、発電により生成される水の量と正の相関を有する。水素利用率Ufを制御することで、オフガスの露点を発電出力とは独立して調整することができる。
アノードオフガスおよび/または燃焼排ガスの露点が上昇すると、凝縮水の生成量が増加し、タンク12の内部の貯溜されている凝縮水の量が減少する速度が小さくなる。上述の通り、アノードオフガスおよび/または燃焼排ガスの露点を上昇させる上で、固体酸化物形燃料電池6の発電出力を制限する必要は必ずしもないため、負荷に対して発電出力が不十分となる可能性は小さくなる。なお、「凝縮水の量が減少する速度が小さくなる」とは、凝縮水の量が増加する速度が大きくなる場合を含む(以下、同様)。
上記のような構成により、固体酸化物形燃料電池システム100は、水を外部から供給する必要性を低減しつつ、負荷に対して発電出力が不十分となる可能性を低減できる。
図2は、第1実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。以下、図2を参照しつつ、第1実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池システム100の運転方法について説明する。以下の運転方法は、例えば、制御器14が記憶部に記憶された制御プログラムを実行することにより、固体酸化物形燃料電池システム100の各部を制御することにより実現されうる。
固体酸化物形燃料電池システム100の運転が開始されると、改質器8により、原料と蒸発器13から供給される水蒸気とを用いて水素含有ガスが生成される(図示せず)。固体酸化物形燃料電池6において、アノード2に水素含有ガスを供給するとともにカソード4に酸素含有ガスを供給することで、発電反応が行われる(図示せず)。固体酸化物形燃料電池6から排出されるオフガスから回収された水がタンク12に貯留される(図示せず)。タンク12内の水は、蒸発器13に供給される(図示せず)。
かかる運転が行われている中で、水位制御動作が開始されると(スタート)、タンク12の水位が低下しているか否かの判定が行われる(ステップS101)。該判定は、具体的には例えば、タンク12に設けられた水位検出器により検出された水位に関する情報に基づいて、制御器14により行われてもよい。
ステップS101による判定結果がNOの場合には、水位制御動作が終了する(エンド)。
ステップS101による判定結果がYESの場合には、原料供給量を調整することでオフガスの露点が上昇させられ(ステップS102)、水位制御動作が終了する(エンド)。原料供給量を調整することでオフガスの露点を上昇させる方法については、上述した通りであるので、詳細な説明は省略する。
[変形例]
第1実施形態の変形例にかかる固体酸化物形燃料電池システムは、第1実施形態の固体酸化物形燃料電池システムにおいて、供給器は、少なくとも酸素含有ガスを供給するように構成され、制御器は、タンクの水位が低下すると、供給器を制御して、少なくとも酸素含有ガスの供給量を調整することで、オフガスの露点を上昇させるように構成されている。
第1実施形態の変形例にかかる固体酸化物形燃料電池システムは、第1実施形態の固体酸化物形燃料電池システムにおいて、供給器は、少なくとも酸素含有ガスを供給するように構成され、制御器は、タンクの水位が低下すると、供給器を制御して、少なくとも酸素含有ガスの供給量を調整することで、オフガスの露点を上昇させるように構成されている。
第1実施形態の変形例にかかる固体酸化物形燃料電池システムの運転方法は、第1実施形態の固体酸化物形燃料電池システムの運転方法において、タンクの水位が低下すると、少なくとも酸素含有ガスの供給量を調整することで、オフガスの露点を上昇させる。
図3は、第1実施形態の変形例にかかる固体酸化物形燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。以下、図3を参照しつつ、第1実施形態の変形例にかかる固体酸化物形燃料電池システム200について説明する。
図3に示すように、固体酸化物形燃料電池システム200は、原料供給器10を酸素含有ガス供給器18に置き換え、制御器14の制御対象を酸素含有ガス供給器18とした点以外は、固体酸化物形燃料電池システム100と同様の構成とすることができる。よって、図1と図3とで共通する構成要素については、同一の符号および名称を付して詳細な説明を省略する。
酸素含有ガス供給器18は、少なくとも酸素含有ガスを固体酸化物形燃料電池6のカソード4へと供給する。酸素含有ガス供給器18としては、例えば、エアーポンプ、ブロワ等を用いることができる。酸素含有ガス供給器18と改質器8とは、酸素含有ガス供給路により接続されていてもよい。酸素含有ガス供給器18は、制御器14の制御により、カソード4への酸素含有ガスの供給量(例えば、1分あたりに供給する酸素含有ガスの容積)を調整できるように構成されている。このため、カソード4は、制御器14と通信可能に接続されていてもよい。
制御器14は、タンク12の水位が低下すると、酸素含有ガス供給器18を制御して、酸素含有ガスの供給量を調整することで、オフガスの露点を上昇させる。制御器14は、タンク12の水位が上昇すると、酸素含有ガス供給器18を制御して、酸素含有ガスの供給量を調整することで、オフガスの露点を低下させてもよい。制御器14は、酸素含有ガス供給器18を制御し、酸素含有ガスの供給量を調整して、オフガスの露点を制御することにより、タンク12の水位を所定の範囲に維持してもよい。
酸素含有ガスの供給量を調整することによりオフガスの露点を上昇させる具体的な方法は、固体酸化物形燃料電池システム200の具体的構成等に応じて適宜に採用することができる。
例えば、凝縮水を、アノードオフガスを燃焼させた燃焼排ガスから回収する場合には、固体酸化物形燃料電池6の発電出力に対して固体酸化物形燃料電池6への酸素含有ガスの供給量を相対的に減らすことで、すなわち酸素利用率Uo(例えば、単位時間当たりに発電により消費される酸素分子O2の量[モル]/単位時間当たりに固体酸化物形燃料電池6へ供給される酸素含有ガス中に含まれる酸素分子O2の量[モル]として定義されうる。また、これは酸素分子O2の量と電流量の相関式で言い換える事もできる。具体的には、Uo∝{[I(単位時間当たりに固体酸化物形燃料電池6で発電される電流量[A])×N(セル数)]/[n(カソードに供給される酸素含有ガス中の酸素分子のモル分率[%])×F(単位時間当たりにカソードに供給される酸素含有ガスの流量[SLM])]}となる、以下同様)を上昇させることで、燃焼排ガスの生成量を減らすことが考えられる。この場合、アノードオフガスに含まれる生成水量に対し、燃焼排ガスの生成量が相対的に小さくなる。よって、燃焼排ガスの露点が上昇する。
発電により消費される酸素分子O2の量は電流量(発電出力)と正の相関を有する。すなわち、酸素利用率Uoには、発電出力と酸素含有ガスの供給量という2つの情報を含む。発電出力は、発電により生成される水の量と正の相関を有する。酸素利用率Uoを制御することで、オフガスの露点を発電出力とは独立して調整することができる。
制御器14は、酸素含有ガス供給器18と通信可能に接続されていてもよい。制御器14は、タンク12が備える水位検出手段と通信可能に接続されていてもよい。その他、本変形例の制御器14は、第1実施形態の制御器14と同様の構成とすることができるので、詳細な説明を省略する。
燃焼排ガスの露点が上昇すると、凝縮水の生成量が増加し、タンク12の内部の貯溜されている凝縮水の量が減少する速度が小さくなる。上述の通り、アノードオフガスの露点を上昇させる上で、固体酸化物形燃料電池6の発電出力を制限する必要は必ずしもないため、負荷に対して発電出力が不十分となる可能性は小さくなる。
上記のような構成により、固体酸化物形燃料電池システム200は、水を外部から供給する必要性を低減しつつ、負荷に対して発電出力が不十分となる可能性を低減できる。
なお、固体酸化物形燃料電池システムが、原料供給器10と酸素含有ガス供給器18の両方を備える構成としてもよい。この場合において、制御器14は、タンク12の水位が低下すると、原料供給器10および酸素含有ガス供給器18の両方を制御して、原料および酸素含有ガスの供給量を調整することで、オフガスの露点を上昇させてもよい。制御器14は、タンク12の水位が上昇すると、原料供給器10および酸素含有ガス供給器18の両方を制御して、原料および酸素含有ガスの供給量を調整することで、オフガスの露点を低下させてもよい。制御器14は、原料供給器10および酸素含有ガス供給器18の両方を制御し、原料および酸素含有ガスの供給量を調整して、オフガスの露点を制御することにより、タンク12の水位を所定の範囲に維持してもよい。
かかる構成によっても、固体酸化物形燃料電池システムは、水を外部から供給する必要性を低減しつつ、負荷に対して発電出力が不十分となる可能性を低減できる。
図4は、第1実施形態の変形例にかかる固体酸化物形燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。以下、図4を参照しつつ、第1実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池システム200の運転方法について説明する。以下の運転方法は、例えば、制御器14が記憶部に記憶された制御プログラムを実行することにより、固体酸化物形燃料電池システム200の各部を制御することにより実現されうる。
固体酸化物形燃料電池システム200の運転が開始されると、改質器8により、原料と蒸発器13から供給される水蒸気とを用いて水素含有ガスが生成される(図示せず)。固体酸化物形燃料電池6において、アノード2に水素含有ガスを供給するとともにカソード4に酸素含有ガスを供給することで、発電反応が行われる(図示せず)。固体酸化物形燃料電池6から排出されるオフガスから回収された水がタンク12に貯留される(図示せず)。タンク12内の水は、蒸発器13に供給される(図示せず)。
かかる運転が行われている中で、水位制御動作が開始されると(スタート)、タンク12の水位が低下しているか否かの判定が行われる(ステップS201)。該判定は、具体的には例えば、タンク12に設けられた水位検出器により検出された水位に関する情報に基づいて、制御器14により行われてもよい。
ステップS201による判定結果がNOの場合には、水位制御動作が終了する(エンド)。
ステップS201による判定結果がYESの場合には、酸素含有ガス供給量を調整することでオフガスの露点が上昇させられ(ステップS202)、水位制御動作が終了する(エンド)。酸素含有ガス供給量を調整することでオフガスの露点を上昇させる方法については、上述した通りであるので、詳細な説明は省略する。
本変形例においても、第1実施形態と同様の変形が可能である。
(第2実施形態)
第2実施形態の固体酸化物形燃料電池システムは、第1実施形態の固体酸化物形燃料電池システムにおいて、オフガスはアノードから排出されるアノードオフガスであり、制御器は、タンクの水位が低下すると、供給器を制御して、固体酸化物形燃料電池における水素利用率を上昇させることで、オフガスの露点を上昇させるように構成されている。
第2実施形態の固体酸化物形燃料電池システムは、第1実施形態の固体酸化物形燃料電池システムにおいて、オフガスはアノードから排出されるアノードオフガスであり、制御器は、タンクの水位が低下すると、供給器を制御して、固体酸化物形燃料電池における水素利用率を上昇させることで、オフガスの露点を上昇させるように構成されている。
第2実施形態の固体酸化物形燃料電池システムの運転方法は、第1実施形態の固体酸化物形燃料電池システムの運転方法において、オフガスは、アノードから排出されるアノードオフガスであり、タンクの水位が低下すると、固体酸化物形燃料電池における水素利用率を上昇させることで、オフガスの露点を上昇させる。
図5は、第2実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。以下、図5を参照しつつ、第2実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池システム300について説明する。
図5に示すように、固体酸化物形燃料電池システム300は、オフガスをアノードオフガスとした点以外は、固体酸化物形燃料電池システム100と同様の構成とすることができる。よって、図1と図5とで共通する構成要素については、同一の符号および名称を付して詳細な説明を省略する。
タンク12は、固体酸化物形燃料電池6のアノードから排出されるアノードオフガスから回収された水(液体の水)を貯留し、該水を蒸発器13に供給する。アノードオフガスとは、固体酸化物形燃料電池6のアノードから排出されるガスをいう。アノードオフガスから回収される水は、電池反応により生成した液水だけでなく、アノードオフガスに含まれる水分から凝縮した凝縮水を含んでもよい。
アノードオフガスから水を回収する構成は特に限定されない。具体的には、例えば、固体酸化物形燃料電池システム300が、アノードオフガスに含まれる水分を凝縮させる凝縮器を備えていてもよい。凝縮器としては、第1実施形態で説明したものと同様とすることができるので、詳細な説明を省略する。
タンク12については、上記の点以外は、第1実施形態で説明したものと同様とすることができるので、詳細な説明を省略する。
制御器14は、タンク12の水位が低下すると、原料供給器10を制御して、原料の供給量を調整することで、アノードオフガスの露点を上昇させる。
本実施形態では、凝縮水をアノードオフガスから回収するため、例えば、固体酸化物形燃料電池6の発電出力に対して固体酸化物形燃料電池6への水素含有ガスの供給量を相対的に減らすことで、すなわち水素利用率Ufを上昇させることで、アノードオフガスの生成量を減らすことが考えられる。アノードオフガスに含まれる生成水量に対し、アノードオフガスの生成量が相対的に少なくなる。よって、アノードオフガスの露点が上昇する。
制御器14については、上記の点以外は、第1実施形態で説明したものと同様とすることができるので、詳細な説明を省略する。
アノードオフガスの露点が上昇すると、凝縮水の生成量が増加し、タンク12の内部の貯溜されている凝縮水の量が減少する速度が小さくなる。上述の通り、アノードオフガスの露点を上昇させる上で、固体酸化物形燃料電池6の発電出力を制限する必要は必ずしもないため、負荷に対して発電出力が不十分となる可能性は小さくなる。
上記のような構成により、固体酸化物形燃料電池システム300は、水を外部から供給する必要性を低減しつつ、負荷に対して発電出力が不十分となる可能性を低減できる。
本実施形態においても、第1実施形態およびその変形例と同様の変形が可能である。
(第3実施形態)
第3実施形態の固体酸化物形燃料電池システムは、第1実施形態の固体酸化物形燃料電池システムであって、さらに、アノードから排出されるアノードオフガスを燃焼させる燃焼器を備え、オフガスは燃焼器から排出される燃焼排ガスであり、制御器は、タンクの水位が低下すると、供給器を制御して、固体酸化物形燃料電池における水素利用率を低下させることで、オフガスの露点を上昇させるように構成されている。
第3実施形態の固体酸化物形燃料電池システムは、第1実施形態の固体酸化物形燃料電池システムであって、さらに、アノードから排出されるアノードオフガスを燃焼させる燃焼器を備え、オフガスは燃焼器から排出される燃焼排ガスであり、制御器は、タンクの水位が低下すると、供給器を制御して、固体酸化物形燃料電池における水素利用率を低下させることで、オフガスの露点を上昇させるように構成されている。
第3実施形態の固体酸化物形燃料電池システムの運転方法は、第1実施形態の固体酸化物形燃料電池システムの運転方法において、オフガスは、アノードから排出されるアノードオフガスを燃焼させる燃焼器から排出される燃焼排ガスであり、タンクの水位が低下すると、固体酸化物形燃料電池における水素利用率を低下させることで、オフガスの露点を上昇させる。
図6は、第3実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。以下、図6を参照しつつ、第3実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池システム400について説明する。
図6に示すように、固体酸化物形燃料電池システム400は、燃焼器16を備え、オフガスを燃焼排ガスとした点以外は、固体酸化物形燃料電池システム100と同様の構成とすることができる。よって、図1と図6とで共通する構成要素については、同一の符号および名称を付して詳細な説明を省略する。
燃焼器16は、アノード2から排出されるアノードオフガスを燃焼させる。燃焼に用いる酸素含有ガスは、固体酸化物形燃料電池システム400の外部から外気を取り込んでもよいし、カソード4から排出されるカソードオフガスを用いてもよいし、外気とカソードオフガスの両方を用いてもよい。燃焼排ガスは、固体酸化物形燃料電池システム400の外部へと排出されてもよいし、後述する加熱器の熱源として用いられてもよい。
タンク12は、燃焼器16から排出される燃焼排ガスから回収された水(液体の水)を貯留し、該水を蒸発器13に供給する。燃焼排ガスから回収される水は、燃焼反応により生成した水だけでなく、電池反応により生成した液水、及び、アノードオフガスに含まれる水分から凝縮した凝縮水の少なくともいずれか一方を含んでもよい。
燃焼排ガスから水を回収する構成は特に限定されない。具体的には例えば、固体酸化物形燃料電池システム400が、燃焼排ガスに含まれる水分を凝縮させる凝縮器を備えていてもよい。凝縮器としては、第1実施形態で説明したものと同様とすることができるので、詳細な説明を省略する。
タンク12については、上記の点以外は、第1実施形態で説明したものと同様とすることができるので、詳細な説明を省略する。
制御器14は、タンク12の水位が低下すると、原料供給器10を制御して、原料の供給量を調整することで、燃焼排ガスの露点を上昇させる。
本実施形態では、凝縮水を燃焼排ガスから回収するため、例えば、固体酸化物形燃料電池6の発電出力に対して固体酸化物形燃料電池6への水素含有ガスの供給量を相対的に増やすことで、すなわち水素利用率Ufを低下させることで、燃焼により生成する水の量を増やすことが考えられる。この場合、燃焼排ガスの生成量に対し、燃焼排ガスに含まれる生成水量と燃焼により生成する水の量の合計が相対的に大きくなる。よって、燃焼排ガスの露点が上昇する。
制御器14については、上記の点以外は、第1実施形態で説明したものと同様とすることができるので、詳細な説明を省略する。
燃焼排ガスの露点が上昇すると、凝縮水の生成量が増加し、タンク12の内部の貯溜されている凝縮水の量が減少する速度が小さくなる。上述の通り、燃焼排ガスの露点を上昇させる上で、固体酸化物形燃料電池6の発電出力を制限する必要は必ずしもないため、負荷に対して発電出力が不十分となる可能性は小さくなる。
上記のような構成により、固体酸化物形燃料電池システム400は、水を外部から供給する必要性を低減しつつ、負荷に対して発電出力が不十分となる可能性を低減できる。
本実施形態においても、第1実施形態、第2実施形態、およびそれらの変形例と同様の変形が可能である。
(第4実施形態)
第4実施形態の固体酸化物形燃料電池システムは、第1実施形態の固体酸化物形燃料電池システムであって、アノードから排出されるアノードオフガスをカソードから排出されるカソードオフガスにより燃焼させる燃焼器を備え、供給器は、少なくとも酸素含有ガスを供給するように構成され、オフガスは燃焼器から排出される燃焼排ガスであり、制御器は、タンクの水位が低下すると、供給器を制御して、固体酸化物形燃料電池における酸素利用率を上昇させることで、オフガスの露点を上昇させるように構成されている。
第4実施形態の固体酸化物形燃料電池システムは、第1実施形態の固体酸化物形燃料電池システムであって、アノードから排出されるアノードオフガスをカソードから排出されるカソードオフガスにより燃焼させる燃焼器を備え、供給器は、少なくとも酸素含有ガスを供給するように構成され、オフガスは燃焼器から排出される燃焼排ガスであり、制御器は、タンクの水位が低下すると、供給器を制御して、固体酸化物形燃料電池における酸素利用率を上昇させることで、オフガスの露点を上昇させるように構成されている。
第4実施形態の固体酸化物形燃料電池システムの運転方法は、第1実施形態の固体酸化物形燃料電池システムの運転方法において、オフガスは、アノードから排出されるアノードオフガスをカソードから排出されるカソードオフガスにより燃焼させる燃焼器から排出される燃焼排ガスであり、タンクの水位が低下すると、固体酸化物形燃料電池における酸素利用率を上昇させることで、オフガスの露点を上昇させる。
図7は、第4実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。以下、図7を参照しつつ、第4実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池システム500について説明する。
図7に示すように、固体酸化物形燃料電池システム500は、燃焼器17を備え、オフガスを燃焼排ガスとした点以外は、固体酸化物形燃料電池システム200と同様の構成とすることができる。よって、図3と図7とで共通する構成要素については、同一の符号および名称を付して詳細な説明を省略する。
燃焼器17は、アノード2から排出されるアノードオフガスをカソード4から排出されるカソードオフガスにより燃焼させる。燃焼に用いる酸素含有ガスとして、カソードオフガスに加え、固体酸化物形燃料電池システム400の外部から取り入れた外気を補足的に用いてもよく、「アノードオフガスをカソードオフガスにより燃焼させる」とはかかる構成をも含むものである。ただし、燃焼に用いる酸素含有ガスとして、カソードオフガスのみを用いる構成であってもよい。燃焼排ガスは、固体酸化物形燃料電池システム400の外部へと排出されてもよいし、後述する加熱器の熱源として用いられてもよい。
タンク12は、燃焼器17から排出される燃焼排ガスから回収された水(液体の水)を貯留し、該水を蒸発器13に供給する。燃焼排ガスから回収される水は、燃焼反応により生成した水だけでなく、電池反応により生成した液水、及び、アノードオフガスに含まれる水分から凝縮した凝縮水等を含んでもよい。
燃焼排ガスから水を回収する構成は特に限定されない。具体的には例えば、固体酸化物形燃料電池システム400が、アノードオフガスに含まれる水分を凝縮させる凝縮器を備えていてもよい。凝縮器としては、第1実施形態で説明したものと同様とすることができるので、詳細な説明を省略する。
タンク12については、上記の点以外は、第1実施形態で説明したものと同様とすることができるので、詳細な説明を省略する。
制御器14は、タンク12の水位が低下すると、酸素含有ガス供給器18を制御して、酸素含有ガスの供給量を調整することで、アノードオフガスの露点を上昇させる。
本実施形態では、凝縮水を燃焼排ガスからから回収するため、例えば、固体酸化物形燃料電池6の発電出力に対して固体酸化物形燃料電池6への酸素含有ガスの供給量を相対的に減らすことで、すなわち酸素利用率Uoを上昇させることで、燃焼排ガスの生成量を減らすことが考えられる。この場合、アノードオフガスに含まれる生成水量に対し、燃焼排ガスの生成量が相対的に小さくなる。よって、燃焼排ガスの露点が上昇する。
制御器14については、上記の点以外は、第1実施形態で説明したものと同様とすることができるので、詳細な説明を省略する。
燃焼排ガスの露点が上昇すると、凝縮水の生成量が増加し、タンク12の内部の貯溜されている凝縮水の量が減少する速度が小さくなる。上述の通り、アノードオフガスの露点を上昇させる上で、固体酸化物形燃料電池6の発電出力を制限する必要は必ずしもないため、負荷に対して発電出力が不十分となる可能性は小さくなる。
上記のような構成により、固体酸化物形燃料電池システム400は、水を外部から供給する必要性を低減しつつ、負荷に対して発電出力が不十分となる可能性を低減できる。
本実施形態において、固体酸化物形燃料電池は、高分子電解質形燃料電池(PEFC)であってもよい。
本実施形態においても、第1実施形態、第2実施形態、第3実施形態、およびそれらの変形例と同様の変形が可能である。
[変形例]
第4実施形態の変形例にかかる固体酸化物形燃料電池システムは、第4実施形態の固体酸化物形燃料電池システムであって、さらに、カソードに酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給路と、酸素含有ガス供給路上に設けられ、酸素含有ガスを予熱する加熱器と、加熱器よりも上流の酸素含有ガス供給路から分岐し、加熱器を介さずに、加熱器よりも下流の酸素含有ガス供給路へと合流するバイパス流路と、加熱器を流れる酸素含有ガスの量とバイパス流路を流れる酸素含有ガスの量の比を制御する流量比調整器と、を備える。
第4実施形態の変形例にかかる固体酸化物形燃料電池システムは、第4実施形態の固体酸化物形燃料電池システムであって、さらに、カソードに酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給路と、酸素含有ガス供給路上に設けられ、酸素含有ガスを予熱する加熱器と、加熱器よりも上流の酸素含有ガス供給路から分岐し、加熱器を介さずに、加熱器よりも下流の酸素含有ガス供給路へと合流するバイパス流路と、加熱器を流れる酸素含有ガスの量とバイパス流路を流れる酸素含有ガスの量の比を制御する流量比調整器と、を備える。
第4実施形態の変形例にかかる固体酸化物形燃料電池システムの運転方法は、第4実施形態の固体酸化物形燃料電池システムの運転方法において、固体酸化物形燃料電池における酸素利用率を上昇させる際に、酸素含有ガスを予熱する加熱器を流れる酸素含有ガスの量と、加熱器よりも上流の酸素含有ガス供給路から分岐し、加熱器を介さずに、加熱器よりも下流の酸素含有ガス供給路へと合流するバイパス流路を流れる酸素含有ガスの量との比を制御する。
図8は、第4実施形態の変形例にかかる固体酸化物形燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。以下、図8を参照しつつ、第4実施形態の変形例にかかる固体酸化物形燃料電池システム600について説明する。
図8に示すように、固体酸化物形燃料電池システム600は、加熱器20と、流量比調整器22と、酸素含有ガス供給路24と、バイパス流路26と、を備える点以外は、固体酸化物形燃料電池システム500と同様の構成とすることができる。よって、図7と図8とで共通する構成要素については、同一の符号および名称を付して詳細な説明を省略する。
加熱器20は、酸素含有ガス供給路24上に設けられ、酸素含有ガスを予熱するように構成されている。加熱器20としては、例えば、酸素含有ガスを酸素含有ガスを加熱する熱媒体と熱交換させる熱交換器を用いることができる。上記熱媒体としては、カソードオフガス、燃焼排ガス、アノードオフガス等が例示されるが、これらに限定されるものではない。
なお、上記熱媒体がカソードオフガス、アノードオフガス、燃焼排ガス等のオフガスであるとき、該熱交換器がオフガスに含まれる水分を凝縮させて凝縮水を生成し、該凝縮水をタンク12へと供給する凝縮器の機能を果たしてもよい。
流量比調整器22は、加熱器20を流れる酸素含有ガスの量とバイパス流路を流れる酸素含有ガスの量の比を制御するように構成されている。流量比調整器22の具体的構成および取り付け位置は、特に限定されない。図8に示す例では、流量比調整器22が、酸素含有ガス供給路24からバイパス流路26が分岐する分岐部に設けられているが、流量比調整器22は、酸素含有ガス供給路24へとバイパス流路26が合流する合流部に設けられていてもよいし、該分岐部から該合流部までの酸素含有ガス供給路24に設けられていてもよいし、バイパス流路26上に設けられていてもよい。流量比調整器22は、例えば、三方弁で構成されていてもよいし、流量調整弁で構成されていてもよい。
流量比調整器22が、加熱器20を流れる酸素含有ガスの量に対するバイパス流路を流れる酸素含有ガスの量の比を大きくすれば、加熱器20を通過しない酸素含有ガスの量が相対的に増加し、カソードに供給される酸素含有ガスの温度は低くなる。一方、加熱器20を流れる酸素含有ガスの量に対するバイパス流路を流れる酸素含有ガスの量の比を小さくすれば、加熱器20を通過する酸素含有ガスの量が相対的に増加し、カソードに供給される酸素含有ガスの温度は高くなる。
酸素含有ガス供給路24は、カソード4に酸素含有ガスを供給する流路である。酸素含有ガス供給路24は、その入口が、固体酸化物形燃料電池システム500の外部から外気を取り込む構成であってもよい。酸素含有ガス供給路24は、その入口が、固体酸化物形燃料電池システム500の内部に開放されていてもよいし、大気開放されていてもよい。
バイパス流路26は、加熱器20よりも上流の酸素含有ガス供給路24から分岐し、加熱器20を介さずに、加熱器20よりも下流の酸素含有ガス供給路へと合流する。
第4実施形態では、タンクの水位が低下すると、固体酸化物形燃料電池における酸素利用率Uoを上昇させる。このとき、カソード4への酸素含有ガスの供給量が低下する場合があり、その結果、カソード4およびセル等の温度が上昇してしまう可能性がある。本変形例では、カソード4への酸素含有ガスの供給量が低下する場合には、加熱器20を流れる酸素含有ガスの量に対するバイパス流路を流れる酸素含有ガスの量を大きくし、カソード4へ供給される前の段階における酸素含有ガスの加熱量を小さくすることで、カソード4およびセル等の温度が過剰に上昇してしまう可能性を低減することができる。
なお、カソード4への酸素含有ガスの供給量が上昇する場合には、加熱器20を流れる酸素含有ガスの量に対するバイパス流路を流れる酸素含有ガスの量を小さくし、カソード4へ供給される前の段階における酸素含有ガスの加熱量を大きくすることで、カソード4およびセル等の温度が過剰に低下することを抑制してもよい。
本変形例においても、第1実施形態、第2実施形態、第3実施形態、第4実施形態、およびそれらの変形例と同様の変形が可能である。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造および/又は機能の詳細を実質的に変更できる。
本発明の一態様は、水を外部から供給する必要性を低減しつつ、負荷に対して発電出力が不十分となる可能性を低減できる固体酸化物形燃料電池システムとして有用である。
2 アノード
4 カソード
6 固体酸化物形燃料電池
8 改質器
10 原料供給器
12 タンク
14 制御器
16 燃焼器
17 燃焼器
18 酸素含有ガス供給器
20 加熱器
22 流量比調整器
24 酸素含有ガス供給路
26 バイパス流路
100、200、300、400、500、600 固体酸化物形燃料電池システム
4 カソード
6 固体酸化物形燃料電池
8 改質器
10 原料供給器
12 タンク
14 制御器
16 燃焼器
17 燃焼器
18 酸素含有ガス供給器
20 加熱器
22 流量比調整器
24 酸素含有ガス供給路
26 バイパス流路
100、200、300、400、500、600 固体酸化物形燃料電池システム
Claims (12)
- アノードとカソードとを備え、前記アノードに供給される水素含有ガスと前記カソードに供給される酸素含有ガスとの間で発電反応を行う、固体酸化物形燃料電池と、
前記固体酸化物形燃料電池から排出されるオフガスから回収された水を貯えるタンクと、
前記タンクから供給される水を用いて水蒸気を生成する蒸発器と、
原料と前記蒸発器から供給される水蒸気とを用いて前記水素含有ガスを生成する改質器と、
前記原料および前記酸素含有ガスの少なくともいずれか一方を供給する供給器と、
前記タンクの水位が低下すると、前記供給器を制御して、前記原料および前記酸素含有ガスの少なくともいずれか一方の供給量を調整することで、前記オフガスの露点を上昇させる、制御器と、
を備える、固体酸化物形燃料電池システム。 - 前記供給器は、少なくとも前記原料を供給するように構成され、
前記制御器は、前記タンクの水位が低下すると、前記供給器を制御して、少なくとも前記原料の供給量を調整することで、前記オフガスの露点を上昇させるように構成されている、
請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池システム。 - 前記オフガスは前記アノードから排出されるアノードオフガスであり、
前記制御器は、前記タンクの水位が低下すると、前記供給器を制御して、前記固体酸化物形燃料電池における水素利用率を上昇させることで、前記オフガスの露点を上昇させるように構成されている、
請求項2に記載の固体酸化物形燃料電池システム。 - 前記アノードから排出されるアノードオフガスを燃焼させる燃焼器を備え、
前記オフガスは前記燃焼器から排出される燃焼排ガスであり、
前記制御器は、前記タンクの水位が低下すると、前記供給器を制御して、前記固体酸化物形燃料電池における水素利用率を低下させることで、前記オフガスの露点を上昇させるように構成されている、
請求項2に記載の固体酸化物形燃料電池システム。 - 前記アノードから排出されるアノードオフガスを前記カソードから排出されるカソードオフガスにより燃焼させる燃焼器を備え、
前記供給器は、少なくとも前記酸素含有ガスを供給するように構成され、
前記オフガスは前記燃焼器から排出される燃焼排ガスであり、
前記制御器は、前記タンクの水位が低下すると、前記供給器を制御して、前記固体酸化物形燃料電池における酸素利用率を上昇させることで、前記オフガスの露点を上昇させるように構成されている、
請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池システム。 - 前記カソードに前記酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給路と、
前記酸素含有ガス供給路上に設けられ、前記酸素含有ガスを加熱する加熱器と、
前記加熱器よりも上流の前記酸素含有ガス供給路から分岐し、前記加熱器を介さずに、前記加熱器よりも下流の前記酸素含有ガス供給路へと合流するバイパス流路と、
前記加熱器を流れる酸素含有ガスの量と前記バイパス流路を流れる酸素含有ガスの量の比を制御する流量比調整器と、
を備える、請求項5に記載の固体酸化物形燃料電池システム。 - 固体酸化物形燃料電池において、アノードに水素含有ガスを供給するとともにカソードに酸素含有ガスを供給して発電反応を行い、
固体酸化物形燃料電池から排出されるオフガスから回収された水をタンクに貯留し、
蒸発器により、前記タンクから供給される水を用いて水蒸気を生成し、
改質器により、原料と前記蒸発器から供給される水蒸気とを用いて前記水素含有ガスを生成し、
前記タンクの水位が低下すると、前記原料および前記酸素含有ガスの少なくともいずれか一方の供給量を調整することで、前記オフガスの露点を上昇させる、
固体酸化物形燃料電池システムの運転方法。 - 前記タンクの水位が低下すると、少なくとも前記原料の供給量を調整することで、前記オフガスの露点を上昇させる、
請求項7に記載の固体酸化物形燃料電池システムの運転方法。 - 前記オフガスは、前記アノードから排出されるアノードオフガスであり、
前記タンクの水位が低下すると、前記固体酸化物形燃料電池における水素利用率を上昇させることで、前記オフガスの露点を上昇させる、
請求項8に記載の固体酸化物形燃料電池システムの運転方法。 - 前記オフガスは、前記アノードから排出されるアノードオフガスを燃焼させる燃焼器から排出される燃焼排ガスであり、
前記タンクの水位が低下すると、前記固体酸化物形燃料電池における水素利用率を低下させることで、前記オフガスの露点を上昇させる、
請求項8に記載の固体酸化物形燃料電池システムの運転方法。 - 前記オフガスは、前記アノードから排出されるアノードオフガスを前記カソードから排出されるカソードオフガスにより燃焼させる燃焼器から排出される燃焼排ガスであり、
前記タンクの水位が低下すると、前記固体酸化物形燃料電池における酸素利用率を上昇させることで、前記オフガスの露点を上昇させる、
請求項7に記載の固体酸化物形燃料電池システムの運転方法。 - 前記固体酸化物形燃料電池における酸素利用率を上昇させる際に、酸素含有ガスを予熱する加熱器を流れる酸素含有ガスの量と、前記加熱器よりも上流の酸素含有ガス供給路から分岐し、前記加熱器を介さずに、前記加熱器よりも下流の前記酸素含有ガス供給路へと合流するバイパス流路を流れる酸素含有ガスの量との比を制御する、
請求項11に記載の固体酸化物形燃料電池システムの運転方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013170929A JP2015041443A (ja) | 2013-08-21 | 2013-08-21 | 固体酸化物形燃料電池システム |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2017174608A (ja) * | 2016-03-23 | 2017-09-28 | 大阪瓦斯株式会社 | 燃料電池システム |
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-
2013
- 2013-08-21 JP JP2013170929A patent/JP2015041443A/ja active Pending
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