JP2015201266A - 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1は、固体酸化物電解質、燃料極、及び空気極を備える第1の燃料電池スタック7と、固体酸化物電解質、燃料極、及び空気極を備え、第1の燃料電池スタック7よりも下流に配置されている第2の燃料電池スタック10と、第1の燃料電池スタック7及び第2の燃料電池スタック10に接続され、第1の燃料電池スタック7の燃料極側から排出される排出ガスを第2の燃料電池スタック10に供給する排出ガス供給管12と、排出ガス供給管12に接続されており、排出ガス供給管12を介して、炭化水素燃料を第2の燃料電池スタック10に供給する炭化水素燃料副供給管3と、排出ガス供給管12に接続され、第2の燃料電池スタック10に供給される少なくとも排出ガス中の二酸化炭素を除去する第1の二酸化炭素除去装置9と、を備える。
【選択図】図1
Description
<1> 固体酸化物電解質、燃料極、及び空気極を備える第1の燃料電池スタックと、固体酸化物電解質、燃料極、及び空気極を備え、前記第1の燃料電池スタックよりも下流に配置されている第2の燃料電池スタックと、前記第1の燃料電池スタック及び前記第2の燃料電池スタックに接続され、前記第1の燃料電池スタックの燃料極側から排出される排出ガスを前記第2の燃料電池スタックに供給する第1の排出ガス供給管と、前記第1の排出ガス供給管に接続されており、前記第1の排出ガス供給管を介して、炭化水素燃料を前記第2の燃料電池スタックに供給する第1の炭化水素燃料供給管と、前記第1の排出ガス供給管に接続され、前記第2の燃料電池スタックに供給される少なくとも前記排出ガス中の二酸化炭素を除去する第1の二酸化炭素除去装置と、を備える燃料電池発電システムである。
本発明の一実施形態に係る燃料電池発電システム1は、改質器5(第1の改質器)と、二酸化炭素除去装置6(第2の二酸化炭素除去装置)と、第1の燃料電池スタック7と、改質器8(第2の改質器)と、二酸化炭素除去装置9(第1の二酸化炭素除去装置)と、第2の燃料電池スタック10とを上流側からこの順番になるように備えている。これら各構成は、図1に示すように、炭化水素燃料主供給管2、炭化水素燃料副供給管3(第1の炭化水素燃料供給管)、改質水供給管4、改質ガス供給管11、及び排出ガス供給管12(第1の排出ガス供給管)を介して接続されている。
CH4+H2O→CO+3H2・・・・(1)
CO+H2O→CO2+H2・・・・(2)
O2+4e−→2O2−・・・・(3)
CO+3H2+4O2−→CO2+3H2O+8e−・・・・(4)
本発明の燃料電池発電システムを用いた発電方法の一実施形態について、以下に説明する。まず、本実施形態に係る燃料電池発電システム1では、炭化水素燃料主供給管2に改質前の炭化水素燃料(例えば、メタンガスなど)が供給される。また、改質水供給管4に改質水(例えば、水道水など)が供給される。そして、改質器5に炭化水素燃料及び改質水が供給される。なお、炭化水素燃料主供給管2と改質水供給管4とを接続させて、改質器5に炭化水素燃料及び改質水を供給してもよい。この場合、気化器で改質水を気化して水蒸気とした後、炭化水素燃料と水蒸気とを混合し、この混合ガスを改質器5に供給することが好ましい。
燃料電池発電システム1は、供給された炭化水素燃料を改質器5にて水蒸気改質を行ない、主に一酸化炭素及び水素を含有する改質ガスに改質した後、水蒸気改質により生成される二酸化炭素、及び、第1の燃料電池スタック7からの排出ガス中の二酸化炭素を二酸化炭素除去装置6にて除去する。そして、二酸化炭素を除去した改質ガスを第1の燃料電池スタック7に供給し、発電を行なう。これにより、第1の燃料電池スタック7に供給される改質ガス中の酸素濃度を小さくすることができ、第1の燃料電池スタック7にて燃料極側と空気極側とでより大きな酸素分圧差が生じる。その結果、燃料電池発電システム1での起電力を向上させることができ、より発電効率を向上させることができる。
本発明に係る燃料電池発電システムは、上述した燃料電池発電システム1の構成に限定されず、他の形態であってもよい。例えば、本発明に係る燃料電池発電システムでは、改質器が第1の燃料電池スタック又は第2の燃料電池スタックの外部に取り付けられている必要はなく、各燃料電池スタックの内部で水蒸気改質(内部改質)を行なう構成であってもよい。燃料電池スタック内部での反応温度は700℃〜1000℃と高温であるため、燃料極を構成するニッケルの触媒作用によって、電池内で水蒸気改質を行なうことが可能である。
本発明に係る燃料電池発電システムでは、二酸化炭素除去装置9(第1の二酸化炭素除去装置)が改質器8(第2の改質器)よりも下流に配置されている上記構成に限定されず、第1の二酸化炭素除去装置が第2の改質器よりも上流に配置されていてもよい。これにより、第2の改質器の後段における第1の排出ガス供給管に炭素が析出する炭素析出を抑制することができ、その結果、第1の排出ガス供給管の詰まりを抑制することができる。第1の二酸化炭素除去装置を第2の改質器の前に配置した場合であっても、第1の燃料電池スタックからの排出ガス中の二酸化炭素を除去するため、第2の燃料電池スタックに供給されるガス中の酸素濃度を好適に小さくすることができ、燃料電池発電システムの起電力向上に寄与する。
本発明に係る燃料電池発電システムが備える燃料電池スタックは、第1の燃料電池スタック及び第2の燃料電池スタックの二つに限定されず、図3に示すように、三つ以上であってもよい。図3は、他の形態に係る燃料電池発電システムを示す概略構成図である。
以下、図4を用いて、本実施形態に係る燃料電池発電システムのシミュレーション結果を説明する。図4は、n=2とし、第1の燃料電池スタックに対して、S/C(スチームカーボン比)=2.5と固定し、第1、2の燃料電池スタックの燃料利用率をそれぞれ75%とした場合の第2の燃料電池スタックにおける開回路電圧(OCV)上昇を計算した結果を示したものである。なお、図4では、二酸化炭素除去装置がない場合のOCVと、二酸化炭素除去装置がある場合のOCV(OCV w CO2filter)とを比較している。また、このシミュレーションでは、理想的な環境として二酸化炭素除去装置にてすべての二酸化炭素が除去されたものと仮定している。シミュレーション結果では、炭素析出が発生しない条件で、第1の燃料電池スタックにできるだけ少ない燃料を流した場合に最も出力が大きくなった。そのときの発電効率は1ポイント上昇した。
2 炭化水素燃料主供給管
3、13 炭化水素燃料副供給管(第1の炭化水素燃料供給管、第(n−1)の炭化水素燃料供給管)
4 改質水供給管
5 改質器(第1の改質器)
6 二酸化炭素除去装置(第2の二酸化炭素除去装置)
7 第1の燃料電池スタック
8 改質器(第2の改質器)
9 二酸化炭素除去装置(第1の二酸化炭素除去装置)
10 第2の燃料電池スタック
11 改質ガス供給管
12、22 排出ガス供給管(第1の排出ガス供給管、第(n−1)の排出供給管)
17 第(n−1)の燃料電池スタック
18 改質器(第nの改質器)
19 二酸化炭素除去装置(第nの二酸化炭素除去装置)
20 第nの燃料電池スタック
V1、V2、V3、V 流量制御バルブ
202 固体酸化物電解質
204 燃料極
206 空気極
208 単電池
210 インターコネクタ
210A 改質ガス流路形成溝
210B 酸化剤ガス流路形成溝
Claims (7)
- 固体酸化物電解質、燃料極、及び空気極を備える第1の燃料電池スタックと、
固体酸化物電解質、燃料極、及び空気極を備え、前記第1の燃料電池スタックよりも下流に配置されている第2の燃料電池スタックと、
前記第1の燃料電池スタック及び前記第2の燃料電池スタックに接続され、前記第1の燃料電池スタックの燃料極側から排出される排出ガスを前記第2の燃料電池スタックに供給する第1の排出ガス供給管と、
前記第1の排出ガス供給管に接続されており、前記第1の排出ガス供給管を介して、炭化水素燃料を前記第2の燃料電池スタックに供給する第1の炭化水素燃料供給管と、
前記第1の排出ガス供給管に接続され、前記第2の燃料電池スタックに供給される少なくとも前記排出ガス中の二酸化炭素を除去する第1の二酸化炭素除去装置と、
を備える燃料電池発電システム。 - 前記第1の燃料電池スタックの上流に配置され、炭化水素燃料を水蒸気改質して改質ガスを生成する第1の改質器と、
前記第1の改質器と前記第1の燃料電池スタックとを連通し、前記改質ガスを前記第1の燃料電池スタックに供給する改質ガス供給管と、
をさらに備える請求項1に記載の燃料電池発電システム。 - 前記改質ガス供給管に接続され、前記改質ガス中の二酸化炭素を除去する第2の二酸化炭素除去装置をさらに備える請求項2に記載の燃料電池発電システム。
- 前記第1の炭化水素燃料供給管は、前記第1の二酸化炭素除去装置よりも上流にて前記第1の排出ガス供給管と接続している、又は、前記第1の二酸化炭素除去装置よりも下流にて前記第1の排出ガス供給管と接続している請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池発電システム。
- 前記第1の排出ガス供給管に接続され、かつ、前記第1の排出ガス供給管と前記第1の炭化水素燃料供給管との接続部分、又は該接続部分よりも下流に配置された、前記第1の炭化水素燃料供給管より供給される炭化水素燃料を水蒸気改質する第2の改質器をさらに備える請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の燃料電池発電システム。
- 固体酸化物電解質、燃料極、及び空気極を備える第(n−1)の燃料電池スタック(nは3以上の整数)よりも下流に配置され、固体酸化物電解質、燃料極、及び空気極を備える第nの燃料電池スタックと、
前記第(n−1)の燃料電池スタック及び前記第nの燃料電池スタックに接続され、前記第(n−1)の燃料電池スタックの燃料極側から排出される排出ガスを前記第nの燃料電池スタックに供給する第(n−1)の排出ガス供給管と、
前記第(n−1)の排出ガス供給管に接続されており、前記第(n−1)の排出ガス供給管を介して、炭化水素燃料を前記第nの燃料電池スタックに供給する第(n−1)の炭化水素燃料供給管と、
前記第(n−1)の排出ガス供給管に接続され、前記第nの燃料電池スタックに供給される少なくとも前記排出ガス中の二酸化炭素を除去する第nの二酸化炭素除去装置と、
をさらに備える請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の燃料電池発電システム。 - 前記第(n−1)の排出ガス供給管に接続され、かつ、前記第(n−1)の排出ガス供給管と前記第(n−1)の炭化水素燃料供給管との接続部分、又は該接続部分よりも下流に配置された、前記第(n−1)の炭化水素燃料供給管より供給される炭化水素燃料を水蒸気改質する第nの改質器をさらに備える請求項6に記載の燃料電池発電システム。
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