JP2018147818A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】セルスタックの劣化を抑制しつつ、燃料ガスの消費量を低減することの可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム10は、改質器30と、セルスタック40と、タンク70と、アフターバーナ部50と、ホットモジュール20とを備える。改質器30は、改質水により燃料ガスを改質させて改質ガスを生成する。セルスタック40は、改質ガスが供給される燃料極41と、酸化剤ガスとしての空気が供給される空気極42とを有する燃料電池セルの積層構造により構成され、空気に含まれる酸素と改質ガスとの反応に基づき発電する。タンク70は、燃料極41から排出される燃料オフガスに含まれる改質ガスを貯める。アフターバーナ部50は、タンク70から流出する燃料オフガスを燃焼させる。【選択図】図1
Description
本開示は、固体酸化物形燃料電池からなるセルスタックを有する燃料電池システムに関する。
このような燃料電池システムでは、燃料電池セルの積層構造からなるセルスタックを高温状態に保持しつつ、燃料ガスを改質させた改質ガスをセルスタックの燃料極に供給するとともに、空気を空気極に供給することにより発電が行われる。このような燃料電池システムでは、システムの停止時にセルスタックの温度を短時間で下げることが困難である。温度の高いセルスタックの燃料極にセルスタックの内部に残留する酸化剤ガスが到達すると、燃料極が酸化される可能性がある。燃料極の酸化は、セルスタックの劣化を招く要因となるため、好ましくない。
そこで、特許文献1に記載の燃料電池システムでは、システムの停止時にセルスタックの空気極側への酸化剤ガスの供給を維持するとともに、燃料電池の温度が所定温度に低下するまで燃料極側に改質ガスを供給し続けている。これにより、燃料極を還元雰囲気に維持しつつ、燃料電池の温度を低下させることができるため、燃料極の酸化を抑制することができる。
ところで、特許文献1に記載の燃料電池システムでは、その停止時から燃料電池の温度が所定温度まで低下するまでの期間に燃料極に供給し続けられる改質ガスは、燃料極の酸化を抑制する目的のためだけに用いられており、発電には何ら寄与しない。このような発電に寄与しない無駄な改質ガスの消費を抑えることができれば、結果的に燃料ガスの消費量を抑えることができるため、燃料電池システムの発電効率を向上させることが可能である。
本開示は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、セルスタックの劣化を抑制しつつ、燃料ガスの消費量を低減することの可能な燃料電池システムを提供することにある。
上記課題を解決する燃料電池システム(10)は、改質器(30)と、セルスタック(40)と、タンク(70)と、アフターバーナ部(50)と、ホットモジュール(20)と、を備える。改質器は、改質水により燃料ガスを改質させて改質ガスを生成する。セルスタックは、改質ガスが供給される燃料極(41)と、酸化剤ガスとしての空気が供給される空気極(42)とを有する燃料電池セルの積層構造により構成され、空気に含まれる酸素と改質ガスとの反応に基づき発電する。タンクは、燃料極から排出される燃料オフガスに含まれる改質ガスを貯める。アフターバーナ部は、タンクから流出する燃料オフガスを燃焼させる。ホットモジュールは、改質器、セルスタック、及びアフターバーナ部を収容する内部空間(21)を有し、内部空間を保温する。
この構成によれば、燃料電池システムが作動している場合には、燃料極から排出される燃料オフガスがタンクに流入するため、タンクには、改質ガスが常に貯まっている。燃料電池システムが停止すると、ホットモジュールの温度の低下に伴ってホットモジュール内の改質ガスの温度も低下する。そのため、ホットモジュール内の改質ガスの体積が時間の経過に伴って縮小する。これにより、タンク内に貯まっている改質ガスがホットモジュールに逆流して燃料極に供給されるため、燃料極を改質ガスで満たすことができる。すなわち、燃料極を還元雰囲気の状態に保つことができるため、燃料極の酸化を抑制することができ、ひいてはセルスタックの劣化を抑制することができる。また、このような構成によれば、燃料電池システムが停止した後に燃料ガスの供給を継続することなく燃料極を改質ガスで満たすことができるため、燃料ガスの消費量を低減することもできる。
また、上記課題を解決する燃料電池システム(10)は、改質器(30)と、セルスタック(40)と、アフターバーナ部(50)と、ホットモジュール(20)と、タンク(70)と、を備える。改質器は、改質水により燃料ガスを改質させて改質ガスを生成する。セルスタックは、改質ガスが供給される燃料極(41)と、酸化剤ガスとしての空気が供給される空気極(42)とを有する燃料電池セルの積層構造により構成され、空気に含まれる酸素と改質ガスとの反応に基づき発電する。アフターバーナ部は、燃料極から排出される燃料オフガスを燃焼させる。ホットモジュールは、改質器、セルスタック、及びアフターバーナ部を収容する内部空間(21)を有し、内部空間を保温する。タンクは、アフターバーナ部から排出される燃焼オフガスに含まれる改質ガスを貯める。
この構成によれば、燃料電池システムが作動している場合には、アフターバーナ部から排出される燃焼オフガスがタンクに流入するため、タンクには、燃焼オフガス内に残留している改質ガスが徐々に貯まっていく。燃料電池システムが停止すると、ホットモジュールの温度の低下に伴ってホットモジュール内の改質ガスの温度も低下する。そのため、ホットモジュール内の改質ガスの体積が時間の経過に伴って縮小する。これにより、タンク内に貯まっている改質ガスがホットモジュールに逆流して燃料極に供給されるため、燃料極を改質ガスで満たすことができる。すなわち、燃料極を還元雰囲気の状態に保つことができるため、燃料極の酸化を抑制することができ、ひいてはセルスタックの劣化を抑制することができる。また、このような構成によれば、燃料電池システムが停止した後に燃料ガスの供給を継続することなく燃料極を改質ガスで満たすことができるため、燃料ガスの消費量を低減することもできる。
なお、上記手段、及び特許請求の範囲に記載の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
本開示によれば、セルスタックの劣化を抑制しつつ、燃料ガスの消費量を低減することの可能な燃料電池システムを提供できる。
以下、燃料電池システムの一実施形態について図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
<第1実施形態>
図1に示されるように、本実施形態の燃料電池システム10は、ホットモジュール20と、改質器30と、セルスタック40と、アフターバーナ部50と、加熱部60と、タンク70とを備えている。
<第1実施形態>
図1に示されるように、本実施形態の燃料電池システム10は、ホットモジュール20と、改質器30と、セルスタック40と、アフターバーナ部50と、加熱部60と、タンク70とを備えている。
ホットモジュール20の内部空間21には、改質器30、セルスタック40、アフターバーナ部50、及び加熱部60が収容されている。ホットモジュール20は、内部空間21を保温することができるように断熱材により構成されている。
改質器30には、改質水用配管W10を通じて改質水が供給されるとともに、燃料用配管W20を通じて燃料ガスが供給されている。改質水は、例えば純水である。燃料ガスは、例えば都市ガスやLPガスである。改質器30は、改質水用配管W10を通じて供給される改質水を蒸発させることにより水蒸気を生成するとともに、生成された水蒸気により、燃料用配管W20から供給される燃料ガスを水蒸気改質反応により改質することにより、水素リッチな改質ガスを生成する。改質器30は、生成した改質ガスをセルスタック40に供給する。
燃料用配管W20には、遮断弁80と、燃料ポンプ90とが設けられている。遮断弁80は、例えば商用電力の供給及び停止に基づき燃料用配管W20を開閉させることの可能な電磁弁からなる。遮断弁80が閉状態になることにより、改質器30への燃料ガスの供給が遮断される。また、遮断弁80が開状態になることにより、改質器30に燃料ガスが供給される。燃料ポンプ90は、燃料用配管W20における遮断弁80よりも燃料の流れ方向の下流側の部分に設けられている。燃料ポンプ90は、例えば電動式のポンプからなり、電力の供給に基づき燃料ガスを改質器30に圧送する。
セルスタック40は、複数の燃料電池セルの積層構造からなる固体酸化物形燃料電池である。具体的には、各燃料電池セルは、燃料極41と、空気極42と、図示しない電解質膜とを有している。燃料極41には、改質器30から改質ガスが供給される。空気極42には、空気用配管W30から空気が供給される。空気用配管W30には、空気ポンプ91が設けられている。空気ポンプ91は、例えば電力の供給に基づき空気をセルスタック40の空気極42に圧送する電動式のポンプからなる。
セルスタック40の各燃料電池セルは、燃料極に供給される燃料ガスと、空気極に供給される酸化剤ガスとしての空気とが電解質膜を介して化学反応することにより発電する。より詳しくは、空気に含まれる酸素が酸化剤ガスとして用いられる。図1では、各燃料電池セルの燃料極41がまとめて符号41で図示されるとともに、各燃料電池セルの空気極42がまとめて符号42で図示されている。化学反応を経て燃料極41から燃料オフガスが排出されるとともに、空気極42から空気オフガスが排出される。燃料オフガスは、未反応の改質ガスを含んでいる。空気オフガスは、未反応の酸素を含んでいる。燃料極41から排出される燃料オフガスは、燃料オフガス用配管W40を通じてタンク70に流入する。空気極42から排出される空気オフガスは、アフターバーナ部50に流入する。
タンク70は、鉛直方向z1,z2に直立するように設置されている。タンク70は、ホットモジュール20よりも鉛直方向下方z2に配置されている。タンク70の鉛直方向上方z1の上壁部71には、流入口72が形成されている。流入口72には、燃料オフガス用配管W40が接続されている。したがって、セルスタック40の燃料極41から排出される燃料オフガスは、燃料オフガス用配管W40及び流入口72を通じて、タンク70の内部における鉛直方向上方の部分に流入する。
タンク70の鉛直方向下方z2の下壁部73には、流出口74が形成されている。流出口74には、燃料オフガス用配管W41の一端部が接続されている。燃料オフガス用配管W41の他端部はアフターバーナ部50に接続されている。したがって、タンク70の流出口74から流出した燃料オフガスは、燃料オフガス用配管W41を通じて、アフターバーナ部50に流入する。
燃料オフガス用配管W41の途中には、開閉弁81が設けられている。開閉弁81は、例えば商用電力の供給及び停止に基づき燃料オフガス用配管W41を開閉させることの可能な電磁弁からなる。
アフターバーナ部50は、タンク70から流出する燃料オフガスと、セルスタック40の空気極42から流出する空気オフガスとを合流させる空間からなる。アフターバーナ部50では、水素の自然発火温度以上の温度を有する燃料オフガスに空気オフガスが合流することにより、燃料オフガスに含まれる改質ガスが自然発火して燃焼する。燃焼により生成される高温の燃焼オフガスは、排出管W50を通じて外部に排出される。
アフターバーナ部50は、タンク70から流出する燃料オフガスと、セルスタック40の空気極42から流出する空気オフガスとを合流させる空間からなる。アフターバーナ部50では、水素の自然発火温度以上の温度を有する燃料オフガスに空気オフガスが合流することにより、燃料オフガスに含まれる改質ガスが自然発火して燃焼する。燃焼により生成される高温の燃焼オフガスは、排出管W50を通じて外部に排出される。
加熱部60は、アフターバーナ部50に隣接するように燃料オフガス用配管W41の途中部分に設けられている。加熱部60は、アフターバーナ部50で生成される熱エネルギを利用することにより、タンク70からアフターバーナ部50に供給される燃料オフガスを加熱する部分である。加熱部60は、例えばアフターバーナ部50の近くを通るように配置される配管や、アフターバーナ部50の周囲にらせん状に配置される配管等からなる。なお、加熱部60は、熱伝導性を高めるために、配管の外面にフィン等を有する構造であってもよい。
次に、燃料電池システム10の電気的な構成について説明する。
図1に示されるように、燃料電池システム10は、燃料用配管W20に設けられる圧力センサ100と、ホットモジュール20に設けられる温度センサ101〜104とを備えている。
図1に示されるように、燃料電池システム10は、燃料用配管W20に設けられる圧力センサ100と、ホットモジュール20に設けられる温度センサ101〜104とを備えている。
圧力センサ100は、燃料用配管W20における遮断弁80よりも燃料の流れ方向の上流側の部分に設けられている。圧力センサ100は、燃料用配管W20の内圧を検出するとともに、検出された内圧に応じた信号を出力する。
温度センサ101は、改質器30の温度を検出するとともに、検出された改質器30の温度に応じた信号を出力する。温度センサ102は、セルスタック40の温度を検出するとともに、検出されたセルスタック40の温度に応じた信号を出力する。温度センサ103は、アフターバーナ部50の温度を検出するとともに、検出されたアフターバーナ部50の温度に応じた信号を出力する。温度センサ104は、加熱部60の温度を検出するとともに、検出された加熱部60の温度に応じた信号を出力する。
温度センサ101は、改質器30の温度を検出するとともに、検出された改質器30の温度に応じた信号を出力する。温度センサ102は、セルスタック40の温度を検出するとともに、検出されたセルスタック40の温度に応じた信号を出力する。温度センサ103は、アフターバーナ部50の温度を検出するとともに、検出されたアフターバーナ部50の温度に応じた信号を出力する。温度センサ104は、加熱部60の温度を検出するとともに、検出された加熱部60の温度に応じた信号を出力する。
図2に示されるように、燃料電池システム10は、制御部110を更に備えている。制御部110は、CPUや記憶装置等を有するマイクロコンピュータを中心に構成されている。制御部110の動作電源は、例えば商用電力により確保されている。制御部110は、各センサ100〜104の出力信号に基づいて、燃料用配管W20の内圧、改質器30の温度、セルスタック40の温度、アフターバーナ部50の温度、及び加熱部60の温度等の情報を取得している。制御部110は、圧力センサ100により検出される燃料用配管W20の内圧に基づいて、燃料ガスの供給が正常に行われているか否かを監視している。また、制御部110は、温度センサ101〜104により検出される各種温度に基づいてホットモジュール20内の各要素の動作状態を監視している。制御部110は、このような監視を継続しつつ、遮断弁80、開閉弁81、燃料ポンプ90、及び空気ポンプ91のそれぞれの動作を制御することにより、燃料電池システム10の動作を統括的に管理している。
具体的には、制御部110は、セルスタック40において発電が行われている場合には、すなわち燃料電池システム10が作動している場合には、遮断弁80及び開閉弁81を開状態にしている。また、制御部110は、燃料ポンプ90及び空気ポンプ91を駆動させることにより、燃料ガスを改質器30に供給するとともに、空気をセルスタック40の空気極42に供給している。改質器30に供給された燃料ガスは、改質器30にて改質されることにより改質ガスとなる。この改質ガスは、セルスタック40の燃料極41に供給される。これにより、セルスタック40は、燃料極41に供給される改質ガスと、空気極42に供給される空気中の酸素との化学反応に基づき発電する。
セルスタック40の燃料極41から排出される燃料オフガスは、燃料オフガス用配管W40を通じてタンク70に流入する。燃料オフガスには、セルスタック40の燃料極41において反応せずに残った改質ガスが含まれている。タンク70に貯まる改質ガスは、タンク70の外部の空気との熱交換により冷却される。これにより、改質ガスの体積が縮小するため、タンク70の容量を小さくすることが可能となっている。
タンク70に貯まる燃料オフガスは、燃料オフガス用配管W41を通じてホットモジュール20の内部に流入する。この改質ガスを含む燃料オフガスは加熱部60を流れることにより加熱される。これにより、燃料オフガスの温度を水素の自然発火温度以上に上昇させる。加熱部60により加熱された燃料オフガスがアフターバーナ部50に流入することにより、燃料オフガスに含まれる改質ガスが、セルスタック40の空気極42から排出された空気オフガスに含まれる酸素と反応して燃焼する。この燃焼により発生する熱エネルギにより、ホットモジュール20の内部空間21の温度が、改質器30、セルスタック40、及び加熱部60のそれぞれの機能を確保可能な温度に維持されている。
制御部110は、セルスタック40における発電を停止する場合には、換言すれば燃料電池システム10を停止する場合には、遮断弁80を閉状態にするとともに、開閉弁81を閉状態にする。また、制御部110は、燃料ポンプ90及び空気ポンプ91を停止させる。これにより、セルスタック40への改質ガス及び空気の供給が遮断される。
燃料電池システム10の停止直後は、セルスタック40の燃料極41が改質ガスで満たされているが、この改質ガスの温度は、自然冷却によるホットモジュール20の温度の低下に伴って低下する。したがって、燃料極41の改質ガスの体積は時間の経過に伴って縮小する。これにより、タンク70内に貯まっている改質ガスが燃料オフガス用配管W40を通じてホットモジュール20に逆流して燃料極41に供給されるため、燃料極41を改質ガスで満たすことができる。すなわち、燃料極41を還元雰囲気の状態に保つことができるため、燃料極41の酸化を抑制することができる。
また、開閉弁81が閉状態となっているため、外部の空気が排出管W50からホットモジュール20に流入することがない。これにより、燃料極41に空気が侵入し難くなるため、より的確に燃料極41の酸化を抑制することができる。
一方、制御部110は、遮断弁80及び開閉弁81を閉状態にし、且つ燃料ポンプ90及び空気ポンプ91を停止させた後、温度センサ104を通じて検出される加熱部60の温度が水素の自然発火温度未満に低下したか否かを監視している。制御部110は、加熱部60の温度が水素の自然発火温度以上である場合には、開閉弁81を閉状態に維持する。これにより、タンク70内の改質ガスが、セルスタック40の空気極42に残留している空気や、排出管W50からホットモジュール20に逆流する空気と反応することにより発生する意図しない燃焼を防止することができる。
一方、制御部110は、遮断弁80及び開閉弁81を閉状態にし、且つ燃料ポンプ90及び空気ポンプ91を停止させた後、温度センサ104を通じて検出される加熱部60の温度が水素の自然発火温度未満に低下したか否かを監視している。制御部110は、加熱部60の温度が水素の自然発火温度以上である場合には、開閉弁81を閉状態に維持する。これにより、タンク70内の改質ガスが、セルスタック40の空気極42に残留している空気や、排出管W50からホットモジュール20に逆流する空気と反応することにより発生する意図しない燃焼を防止することができる。
制御部110は、加熱部60の温度が水素の自然発火温度未満に低下したと判断した時点で、開閉弁81を開状態にする。これにより、意図しない燃焼の発生を防止しつつ、大気とホットモジュール20内との圧力差により、外部の空気が排出管W50から燃料オフガス用配管W41を通じてタンク70の流出口74からタンク70の内部に導入される。これにより、タンク70の内部の改質ガスが燃料極41に導入されるため、燃料極41が改質ガスに満たされている状態を維持することができる。すなわち、燃料極41を還元雰囲気の状態に保つことができるため、燃料極41の酸化を抑制することができる。また、タンク70内の負圧が解消されるため、タンク70の耐久性を確保することができる。
以上説明した本実施形態の燃料電池システム10によれば、以下の(1)〜(5)に示される作用及び効果を得ることができる。
(1)燃料電池システム10が停止した後、タンク70に貯まっている改質ガスがセルスタック40の燃料極41に供給されるため、燃料極41を改質ガスで満たすことができる。よって、燃料極41の酸化を抑制することができるため、結果的にセルスタック40の劣化を抑制することができる。また、本実施形態によれば、燃料電池システム10が停止した後に燃料ガスの供給を継続することなく燃料極41を改質ガスで満たすことができるため、燃料ガスの消費量を低減することもできる。さらに、タンク70内の改質ガスは通常の発電中に貯蔵されるため、改質ガスの生成のための特別な設備が不要である。また、改質ガスの温度変化に基づく体積変化を利用した圧力差によりタンク70内の改質ガスが燃料極41に導入されるため、タンク70内の改質ガスを燃料極41に導入するためのポンプ等の補機が不要である。よって、補機を駆動させるために必要なエネルギを削減することもできる。
(1)燃料電池システム10が停止した後、タンク70に貯まっている改質ガスがセルスタック40の燃料極41に供給されるため、燃料極41を改質ガスで満たすことができる。よって、燃料極41の酸化を抑制することができるため、結果的にセルスタック40の劣化を抑制することができる。また、本実施形態によれば、燃料電池システム10が停止した後に燃料ガスの供給を継続することなく燃料極41を改質ガスで満たすことができるため、燃料ガスの消費量を低減することもできる。さらに、タンク70内の改質ガスは通常の発電中に貯蔵されるため、改質ガスの生成のための特別な設備が不要である。また、改質ガスの温度変化に基づく体積変化を利用した圧力差によりタンク70内の改質ガスが燃料極41に導入されるため、タンク70内の改質ガスを燃料極41に導入するためのポンプ等の補機が不要である。よって、補機を駆動させるために必要なエネルギを削減することもできる。
(2)燃料電池システム10は、タンク70の内部からアフターバーナ部50に燃料オフガスを流す配管W41を開閉させる開閉弁81を備える。これにより、燃料電池システム10の停止時に開閉弁81を閉状態にすれば、外部の空気が排出管W50からホットモジュール20やタンク70に逆流することがない。そのため、タンク70の改質ガスが、空気極42に残留する空気や外部の空気と反応することにより意図しない燃焼が発生することを回避できる。
(3)燃料電池システム10は、タンク70からアフターバーナ部50に流れる燃料オフガスを加熱する加熱部60を備える。これにより、タンク70で一旦冷却された燃料オフガスの温度を水素の自然発火温度以上に上昇させることができるため、より確実に燃料オフガスに含まれる改質ガスを燃焼させることができる。
(4)タンク70は、流入口72を上壁部71に有するとともに、流出口74を下壁部73に有する。これにより、タンク70に改質ガスを貯め易くなるため、燃料電池システム10が停止した後に、より確実に改質ガスを燃料極41に供給することができる。
(5)タンク70は、ホットモジュール20の外部に配置されている。これにより、タンク70の内部に貯まる改質ガスとタンク70の外部の空気との熱交換により、改質ガスが冷却されるため、改質ガスの体積を縮小させることができる。結果的に、タンク70の容量を小さくすることができるため、タンク70の小型化が可能である。
(5)タンク70は、ホットモジュール20の外部に配置されている。これにより、タンク70の内部に貯まる改質ガスとタンク70の外部の空気との熱交換により、改質ガスが冷却されるため、改質ガスの体積を縮小させることができる。結果的に、タンク70の容量を小さくすることができるため、タンク70の小型化が可能である。
<第2実施形態>
次に、燃料電池システム10の第2実施形態について説明する。以下、第1実施形態の燃料電池システム10との相違点を中心に説明する。
図3に示されるように、本実施形態の燃料電池システム10は、燃料オフガス用配管W40に設けられる冷却部120を更に備えている。冷却部120は、その内部を流れる燃料オフガスと外部の空気との間で熱交換を行うことにより、燃料オフガスを冷却する部分である。冷却部120は、例えばらせん状に形成された配管からなる。なお、冷却部120は、熱伝導性を高めるために、配管の外面にフィン等を有する構造であってもよい。
次に、燃料電池システム10の第2実施形態について説明する。以下、第1実施形態の燃料電池システム10との相違点を中心に説明する。
図3に示されるように、本実施形態の燃料電池システム10は、燃料オフガス用配管W40に設けられる冷却部120を更に備えている。冷却部120は、その内部を流れる燃料オフガスと外部の空気との間で熱交換を行うことにより、燃料オフガスを冷却する部分である。冷却部120は、例えばらせん状に形成された配管からなる。なお、冷却部120は、熱伝導性を高めるために、配管の外面にフィン等を有する構造であってもよい。
以上説明した本実施形態の燃料電池システム10によれば、以下の(6)に示される作用及び効果を更に得ることができる。
(6)冷却部120を通過することにより冷却された燃料オフガスがタンク70に流入するため、タンク70内に貯まる改質ガスの体積を縮小させることができる。そのため、タンク70における改質ガスの貯蔵量を増加させることができる。結果的に、タンク70の容量を小さくすることができるため、タンク70の更なる小型化が可能である。
(6)冷却部120を通過することにより冷却された燃料オフガスがタンク70に流入するため、タンク70内に貯まる改質ガスの体積を縮小させることができる。そのため、タンク70における改質ガスの貯蔵量を増加させることができる。結果的に、タンク70の容量を小さくすることができるため、タンク70の更なる小型化が可能である。
<第3実施形態>
次に、燃料電池システム10の第3実施形態について説明する。以下、第1実施形態との相違点を中心に説明する。
図4に示されるように、本実施形態のホットモジュール20では、セルスタック40の燃料極41から排出される燃料オフガスがアフターバーナ部50に供給されている。したがって、アフターバーナ部50では、燃料極41から排出される燃料オフガスと、空気極42から排出される空気オフガスとが合流することにより、燃料オフガスに含まれる改質ガスが自然発火して燃焼する。燃焼により生成される高温の燃焼オフガスは、配管W60を通じてホットモジュール20の外部に排出される。なお、本実施形態のホットモジュール20は、加熱部60を有していない点で第1実施形態のホットモジュール20と異なる。
次に、燃料電池システム10の第3実施形態について説明する。以下、第1実施形態との相違点を中心に説明する。
図4に示されるように、本実施形態のホットモジュール20では、セルスタック40の燃料極41から排出される燃料オフガスがアフターバーナ部50に供給されている。したがって、アフターバーナ部50では、燃料極41から排出される燃料オフガスと、空気極42から排出される空気オフガスとが合流することにより、燃料オフガスに含まれる改質ガスが自然発火して燃焼する。燃焼により生成される高温の燃焼オフガスは、配管W60を通じてホットモジュール20の外部に排出される。なお、本実施形態のホットモジュール20は、加熱部60を有していない点で第1実施形態のホットモジュール20と異なる。
燃焼オフガス用配管W60は、タンク70の側壁部75における鉛直方向下方z2側の部分に形成される流入口76に接続されている。したがって、ホットモジュール20から排出される燃焼オフガスは、タンク70の流入口76を通じてタンク70の内部に流入する。
タンク70の上壁部71には、流出口77が形成されている。流出口77には、バイパス配管W70の一端部が接続されている。バイパス配管W70の他端部は燃焼オフガス用配管W60の途中部分に接続されている。バイパス配管W70には開閉弁81が設けられている。したがって、開閉弁81が開状態である場合、タンク70の上部に貯まっている改質ガスが流出口77及びバイパス配管W70を通じて燃焼オフガス用配管W60に流入可能である。
タンク70における側壁部75とは反対側の側壁部78には、排出口79が形成されている。排出口79には排出管W61が接続されている。タンク70に流入する燃料オフガスが排出口79及び排出管W61を通じて触媒燃焼器130に流入することにより、燃料オフガスに含まれる一酸化炭素等が完全燃焼する。燃焼後の燃料オフガスは触媒燃焼器130から外部に排出される。
次に、本実施形態の制御部110の動作例について説明する。
次に、本実施形態の制御部110の動作例について説明する。
制御部110は、セルスタック40において発電が行われている場合には、すなわち燃料電池システム10が作動している場合には、開閉弁81を閉状態にする。これにより、ホットモジュール20から排出される燃焼オフガスが燃焼オフガス用配管W60を通じてタンク70に流入する。タンク70に流入した燃焼オフガスに含まれるガス成分のうち、質量の軽い改質ガスはタンク70の上部に貯まる。また、燃料オフガスの残りのガス成分は排出口79及び排出管W61を通じて外部に排出される。
制御部110は、セルスタック40における発電を停止する場合には、換言すれば燃料電池システム10を停止する場合には、開閉弁81を開状態にする。これにより、自然冷却によるホットモジュール20の温度の低下に伴って燃料極41の改質ガスの体積が縮小すると、タンク70内に貯まっている改質ガスが流出口77、バイパス配管W70、及び燃焼オフガス用配管W60を通じて燃料極41に逆流するため、燃料極41を改質ガスで満たすことができる。すなわち、燃料極41を還元雰囲気の状態に保つことができるため、燃料極41の酸化を抑制することができる。
このような構成によれば、第1実施形態の燃料電池システム10に類似の作用及び効果を得ることができる。
<他の実施形態>
なお、各実施形態は、以下の形態にて実施することもできる。
<他の実施形態>
なお、各実施形態は、以下の形態にて実施することもできる。
・制御部110は、燃料電池システム10を停止させた後に空気ポンプ91の駆動を継続してもよい。これにより、空気ポンプ91によりホットモジュール20に圧送される空気によりホットモジュール20を冷却することができるため、ホットモジュール20の冷却速度を速めることができる。
・タンク70は、ホットモジュール20の内部に配置されていてもよい。このような構成によれば、タンク70を高温状態に維持することができるため、タンク70からアフターバーナ部50に高温状態の燃料オフガスを供給することができる。よって、燃料電池システム10から加熱部60を除くことができるため、部品点数を削減することが可能である。
・燃料電池システム10は、停電時に開閉弁81及び制御部110の電源を賄うことの可能なバッテリを更に備えるものであってもよい。これにより、何らかの異常により燃料ガスや商用電力が遮断された場合でも、制御部110が開閉弁81を制御することができるため、セルスタック40を劣化させることなく燃料電池システム10を停止させることができる。
・制御部110が提供する手段及び/又は機能は、実体的な記憶装置に記憶されたソフトウェア及びそれを実行するコンピュータ、ソフトウェアのみ、ハードウェアのみ、あるいはそれらの組み合わせにより提供することができる。例えば制御部110がハードウェアである電子回路により提供される場合、それは多数の論理回路を含むデジタル回路、またはアナログ回路により提供することができる。
・本開示は上記の具体例に限定されるものではない。上記の具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素、及びその配置、条件、形状等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。
W41:配管
10:燃料電池システム
20:ホットモジュール
21:内部空間
30:改質器
40:セルスタック
41:燃料極
42:空気極
50:アフターバーナ部
60:加熱部
70:タンク
71:上壁部
72:流入口
73:下壁部
74:流出口
81:開閉弁
120:冷却部
10:燃料電池システム
20:ホットモジュール
21:内部空間
30:改質器
40:セルスタック
41:燃料極
42:空気極
50:アフターバーナ部
60:加熱部
70:タンク
71:上壁部
72:流入口
73:下壁部
74:流出口
81:開閉弁
120:冷却部
Claims (7)
- 改質水により燃料ガスを改質させて改質ガスを生成する改質器(30)と、
前記改質ガスが供給される燃料極(41)と、酸化剤ガスとしての空気が供給される空気極(42)とを有する燃料電池セルの積層構造により構成され、前記空気に含まれる酸素と前記改質ガスとの反応に基づき発電するセルスタック(40)と、
前記燃料極から排出される燃料オフガスに含まれる改質ガスを貯めるタンク(70)と、
前記タンクから流出する燃料オフガスを燃焼させるアフターバーナ部(50)と、
前記改質器、前記セルスタック、及び前記アフターバーナ部を収容する内部空間(21)を有し、前記内部空間を保温するホットモジュール(20)と、
を備える燃料電池システム。 - 前記タンクの内部から前記アフターバーナ部に前記燃料オフガスを流す配管(W41)を開閉させる開閉弁(81)を更に備える
請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記タンクから前記アフターバーナ部に流れる前記燃料オフガスを加熱する加熱部(60)を更に備える
請求項2に記載の燃料電池システム。 - 前記タンクは、
前記燃料極から排出される燃料オフガスが流入する流入口(72)を鉛直方向上方の上壁部(71)に有し、
前記タンクの内部から前記アフターバーナ部に前記燃料オフガスを流出させる流出口(74)を鉛直方向下方の下壁部(73)に有する
請求項2又は3のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 - 前記タンクは、
前記ホットモジュールの外部に設置されている
請求項1〜4のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料極から前記タンクに流入する前記燃料オフガスを冷却する冷却部(120)を更に備える
請求項1〜5のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 - 改質水により燃料ガスを改質させて改質ガスを生成する改質器(30)と、
前記改質ガスが供給される燃料極(41)と、酸化剤ガスとしての空気が供給される空気極(42)とを有する燃料電池セルの積層構造により構成され、前記空気に含まれる酸素と前記改質ガスとの反応に基づき発電するセルスタック(40)と、
前記燃料極から排出される燃料オフガスを燃焼させるアフターバーナ部(50)と、
前記改質器、前記セルスタック、及び前記アフターバーナ部を収容する内部空間(21)を有し、前記内部空間を保温するホットモジュール(20)と、
前記アフターバーナ部から排出される燃焼オフガスに含まれる改質ガスを貯めるタンク(70)と、
を備える燃料電池システム。
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JP2017043856A JP2018147818A (ja) | 2017-03-08 | 2017-03-08 | 燃料電池システム |
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Publication Number | Publication Date |
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ID=63592294
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JP2017043856A Pending JP2018147818A (ja) | 2017-03-08 | 2017-03-08 | 燃料電池システム |
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Country | Link |
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JP (1) | JP2018147818A (ja) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2000277137A (ja) * | 1999-03-24 | 2000-10-06 | Matsushita Electric Works Ltd | 燃料電池発電システムの残留ガスのパージ方法 |
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-
2017
- 2017-03-08 JP JP2017043856A patent/JP2018147818A/ja active Pending
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