JP2020017338A - Fuel cell system and power generation method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システム及び発電方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system and a power generation method.
燃料電池システムにおいて、発電効率を向上させるため、燃料電池セルスタックを複数設けて多段式とする手法が知られている。例えば、燃料電池セルスタックを複数設け、前段の燃料電池セルスタックから排出された使用済みの燃料ガス中の未反応の燃料ガスを後段の燃料電池セルスタックで再利用する多段式の燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。 2. Description of the Related Art In a fuel cell system, a method of providing a plurality of fuel cell stacks to form a multi-stage system has been known to improve power generation efficiency. For example, there is a multi-stage fuel cell system in which a plurality of fuel cell stacks are provided, and the unreacted fuel gas in the used fuel gas discharged from the previous fuel cell stack is reused in the subsequent fuel cell stack. It is known (for example, see Patent Document 1).
ここで、特許文献１に記載の多段式の燃料電池システムでは、前段及び後段の燃料電池セルスタックから排出されるアノードオフガス中の燃料濃度については何ら検討されていない。多段式の燃料電池システムにおいて、前段及び後段の燃料電池セルスタックから排出されるアノードオフガス中の燃料濃度、すなわち、前段及び後段の燃料電池セルスタックの出口における燃料濃度が低い場合、燃料電池セルスタックの酸化等により燃料電池セルスタックの耐久性が低下するおそれがある。 Here, in the multi-stage fuel cell system described in Patent Literature 1, no consideration is given to the fuel concentration in the anode off-gas discharged from the front and rear fuel cell stacks. In a multi-stage fuel cell system, if the fuel concentration in the anode off-gas discharged from the front and rear fuel cell stacks, that is, the fuel concentration at the outlets of the front and rear fuel cell stacks is low, the fuel cell stack The durability of the fuel cell stack may be reduced due to oxidation or the like.
本発明は、燃料電池セルスタックの耐久性に優れた燃料電池システム、及びこの燃料電池システムを用いた発電方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a fuel cell system having excellent durability of a fuel cell stack, and a power generation method using the fuel cell system.
上記課題は、例えば以下の手段により解決される。
＜１＞ 水素ガスを用いて発電を行う第１燃料電池セルスタックと、前記第１燃料電池セルスタックから排出された未反応の前記水素ガスを含むアノードオフガスから、少なくとも一部の水蒸気を分離する分離手段と、前記分離手段の下流に配置され、少なくとも一部の水蒸気が分離された前記アノードオフガスを用いて発電を行う第２燃料電池セルスタックと、を備え、前記第１燃料電池セルスタックの出口における前記アノードオフガスの燃料濃度を第１燃料濃度、前記第２燃料電池セルスタックの出口における前記アノードオフガスの燃料濃度を第２燃料濃度とし、前記第１燃料電池セルスタック及び前記第２燃料電池セルスタックの全体の燃料利用率が特定値である場合に前記第１燃料濃度及び前記第２燃料濃度の値が等しくなるときの値をＣとすると、前記全体の燃料利用率が前記特定値である場合の前記第１燃料濃度及び前記第２燃料濃度がそれぞれ０．９Ｃ以上を満たす燃料電池システム。
The above problem is solved by, for example, the following means.
<1> At least a part of water vapor is separated from a first fuel cell stack that generates power using hydrogen gas and an anode off gas containing the unreacted hydrogen gas discharged from the first fuel cell stack. A separation unit, and a second fuel cell stack disposed downstream of the separation unit and configured to generate power using the anode off-gas from which at least a portion of the water vapor has been separated, The first fuel cell stack and the second fuel cell, wherein the fuel concentration of the anode off gas at the outlet is a first fuel concentration, and the fuel concentration of the anode off gas at the outlet of the second fuel cell stack is a second fuel concentration. When the first fuel concentration and the second fuel concentration are equal when the overall fuel utilization of the cell stack is a specific value Is a value of C, the fuel cell system in which the first fuel concentration and the second fuel concentration each satisfy 0.9 C or more when the overall fuel utilization is the specific value.
本形態の燃料電池システムでは、分離手段により第１燃料電池セルスタックから排出されたアノードオフガスから、少なくとも一部の水蒸気が分離され、アノードオフガスが再生されてその燃料濃度が上昇する。そして、燃料濃度が上昇したアノードオフガスが第２燃料電池セルスタックに供給されるため、本形態の燃料電池システムでは高い燃料利用率での運転が可能となり、高い発電効率を得ることができる。 In the fuel cell system of the present embodiment, at least a part of the water vapor is separated from the anode off-gas discharged from the first fuel cell stack by the separating means, and the anode off-gas is regenerated to increase the fuel concentration. Then, since the anode offgas having the increased fuel concentration is supplied to the second fuel cell stack, the fuel cell system of the present embodiment can operate at a high fuel utilization rate, and can achieve high power generation efficiency.
一般的に、多段式の燃料電池システムでは、第１燃料電池セルスタック中でのアノードガスの燃料濃度は、第１燃料電池セルスタックの入口にて最も高く、第１燃料電池セルスタックの出口にて最も低くなる。第２燃料電池セルスタック中でのアノードガスの燃料濃度についても同様である。ここで、第１燃料電池セルスタック及び第２燃料電池セルスタックにおいて、燃料電池セルスタック中におけるアノードガスの燃料濃度が低下すると、燃料電池セルスタックの酸化等により燃料電池セルスタックの耐久性が低下するおそれがある。そのため、燃料濃度が最も低くなる、第１燃料電池セルスタックの出口及び第２燃料電池セルスタックの出口における燃料濃度を高めて燃料電池セルスタックの酸化（例えば、燃料極の酸化）等を抑制することが好ましい。 Generally, in a multi-stage fuel cell system, the fuel concentration of the anode gas in the first fuel cell stack is highest at the inlet of the first fuel cell stack, and is higher at the outlet of the first fuel cell stack. And the lowest. The same applies to the fuel concentration of the anode gas in the second fuel cell stack. Here, in the first fuel cell stack and the second fuel cell stack, when the fuel concentration of the anode gas in the fuel cell stack decreases, the durability of the fuel cell stack decreases due to oxidation of the fuel cell stack and the like. There is a possibility that. Therefore, the fuel concentration at the outlet of the first fuel cell stack and the outlet of the second fuel cell stack, at which the fuel concentration becomes lowest, is increased to suppress oxidation of the fuel cell stack (for example, oxidation of the fuel electrode) and the like. Is preferred.
そこで、本形態の燃料電池システムでは、分離手段によりアノードオフガスを再生させて燃料濃度を高めるとともに、第１燃料電池セルスタックの出口における燃料濃度（第１燃料濃度）及び第２燃料電池セルスタックの出口における燃料濃度（第２燃料濃度）を高めることで、燃料電池セルスタックの酸化等を抑制している。より具体的には、第１燃料濃度及び第２燃料濃度を等しくすることで、第１燃料濃度及び第２燃料濃度の値をともに高い値とすることができ、燃料電池セルスタックの酸化等を好適に抑制することができ、燃料電池セルスタックの耐久性により優れた燃料電池システムを提供することができる。また、全体の燃料利用率が特定値である場合に第１燃料濃度及び第２燃料濃度が等しいときの値をＣとしたとき、全体の燃料利用率が前述の特定値である場合の第１燃料濃度及び第２燃料濃度が、０．９Ｃ以上、すなわち、それぞれの濃度が等しいときの９０％以上であれば、第１燃料濃度と第２燃料濃度との差を抑制することができ、また、燃料電池セルスタックの酸化等のリスクを抑制し、燃料電池セルスタックの耐久性に優れた燃料電池システムを提供することができる。 Therefore, in the fuel cell system of the present embodiment, the anode off gas is regenerated by the separation means to increase the fuel concentration, and the fuel concentration at the outlet of the first fuel cell stack (first fuel concentration) and the fuel concentration of the second fuel cell stack are increased. By increasing the fuel concentration (second fuel concentration) at the outlet, oxidation or the like of the fuel cell stack is suppressed. More specifically, by equalizing the first fuel concentration and the second fuel concentration, both the first fuel concentration and the second fuel concentration can be set to high values, and the oxidation of the fuel cell stack and the like can be reduced. It is possible to provide a fuel cell system which can be suitably suppressed and which is more excellent in the durability of the fuel cell stack. Further, when the value when the first fuel concentration and the second fuel concentration are equal is C when the overall fuel utilization is a specific value, the first fuel concentration when the overall fuel utilization is the aforementioned specific value is C. If the fuel concentration and the second fuel concentration are 0.9 C or more, that is, 90% or more when the respective concentrations are equal, the difference between the first fuel concentration and the second fuel concentration can be suppressed, and In addition, it is possible to provide a fuel cell system that suppresses risks such as oxidation of the fuel cell stack and has excellent durability of the fuel cell stack.
＜２＞ 前記分離手段にて少なくとも一部の水蒸気が分離された前記アノードオフガスの露点は、９０．５℃以下である前記＜１＞に記載の燃料電池システム。 <2> The fuel cell system according to <1>, wherein the dew point of the anode offgas from which at least a part of the water vapor is separated by the separation unit is 90.5 ° C or less.
本形態の燃料電池システムでは、アノードオフガスの露点が上記数値範囲を満たすことにより、アノードオフガスが再生されてその燃料濃度が好適に上昇する。そのため、本形態の燃料電池システムではより高い燃料利用率での運転が可能となり、より高い発電効率を得ることができる。 In the fuel cell system according to the present embodiment, when the dew point of the anode off-gas satisfies the above numerical range, the anode off-gas is regenerated and the fuel concentration thereof suitably increases. Therefore, the fuel cell system of the present embodiment can operate at a higher fuel utilization rate, and can achieve higher power generation efficiency.
＜３＞ 前記第１燃料電池セルスタックが備える燃料電池セルの有効表面積の合計をα１、前記第２燃料電池セルスタックが備える燃料電池セルの有効表面積の合計をα２としたとき、α１／α２が３．０超である前記＜１＞又は＜２＞に記載の燃料電池システム。
＜４＞ 前記第１燃料電池セルスタックが備える燃料電池スタックと前記第２燃料電池セルスタックが備える燃料電池スタックとが同一である場合、第１燃料電池セルスタックにおける燃料電池スタックの数β１、第２燃料電池セルスタックにおける燃料電池スタックの数β２としたとき、β１／β２が３．０超である前記＜１＞〜＜３＞のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
<3> When the total effective surface area of the fuel cells included in the first fuel cell stack is α 1 and the total effective surface area of the fuel cells included in the second fuel cell stack is α 2 , α 1 / alpha 2 is greater than 3.0 <1> or the fuel cell system according to <2>.
<4> When the fuel cell stack included in the first fuel cell stack and the fuel cell stack included in the second fuel cell stack are the same, the number β 1 of fuel cell stacks in the first fuel cell stack, the fuel cell system according to when the number beta 2 of the fuel cell stack, wherein the beta 1 / beta 2 is greater than 3.0 <1> to any one of <3> in the second fuel cell stack.
本形態の燃料電池システムでは、α１／α２又はβ１／β２が３．０超であることにより、α１／α２又はβ１／β２が３．０以下である場合と比較して、第１燃料濃度及び第２燃料濃度の値をともに高い値とすることができる。そのため、燃料電池セルスタックの酸化等を好適に抑制することができ、燃料電池セルスタックの耐久性により優れた燃料電池システムを提供することができる。 In the fuel cell system of the present embodiment, when α 1 / α 2 or β 1 / β 2 is more than 3.0, the fuel cell system is compared with the case where α 1 / α 2 or β 1 / β 2 is 3.0 or less. Thus, both the first fuel concentration and the second fuel concentration can be set to high values. Therefore, oxidation of the fuel cell stack can be suitably suppressed, and a fuel cell system having more excellent durability of the fuel cell stack can be provided.
＜５＞ 前記第１燃料濃度及び前記第２燃料濃度がそれぞれ６体積％以上である＜１＞〜＜４＞のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
＜６＞ 前記第１燃料濃度及び前記第２燃料濃度がそれぞれ１２体積％以上である＜１＞〜＜５＞のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
<5> The fuel cell system according to any one of <1> to <4>, wherein each of the first fuel concentration and the second fuel concentration is 6% by volume or more.
<6> The fuel cell system according to any one of <1> to <5>, wherein each of the first fuel concentration and the second fuel concentration is 12% by volume or more.
本形態の燃料電池システムでは、第１燃料濃度及び第２燃料濃度の値を上記数値範囲内とすることにより、燃料電池セルスタックの酸化等を好適に抑制することができ、燃料電池セルスタックの耐久性により優れた燃料電池システムを提供することができる。 In the fuel cell system of the present embodiment, by setting the values of the first fuel concentration and the second fuel concentration within the above numerical ranges, oxidation of the fuel cell stack and the like can be suitably suppressed, and A fuel cell system having better durability can be provided.
＜７＞ 前記水素ガスは、水素濃度が９９体積％以上である前記＜１＞〜＜６＞のいずれか１つに記載の燃料電池システム。 <7> The fuel cell system according to any one of <1> to <6>, wherein the hydrogen gas has a hydrogen concentration of 99% by volume or more.
本形態の燃料電池システムでは、水素濃度が高い水素ガスを燃料電池の燃料ガスとして用いることにより、二酸化炭素の排出を抑制することができる。 In the fuel cell system of the present embodiment, the emission of carbon dioxide can be suppressed by using hydrogen gas having a high hydrogen concentration as the fuel gas for the fuel cell.
＜８＞ ＜１＞〜＜７＞のいずれか１つに記載の燃料電池システムを用いた発電方法。
＜９＞ 前記第１燃料電池セルスタック及び前記第２燃料電池セルスタックを等しい電流密度で作動させて発電を行う＜８＞に記載の発電方法。
<8> A power generation method using the fuel cell system according to any one of <1> to <7>.
<9> The power generation method according to <8>, wherein power is generated by operating the first fuel cell stack and the second fuel cell stack at the same current density.
本形態の発電方法では、前述の燃料電池システムを用いて発電を行うため、燃料電池セルスタックの耐久性に優れ、長期的に安定した発電が可能となる。 In the power generation method of the present embodiment, power generation is performed using the above-described fuel cell system, and therefore, the durability of the fuel cell stack is excellent, and stable power generation is possible over a long period of time.
＜１０＞ 前記第１燃料電池セルスタックが備える燃料電池セルにおいて、有効表面積と前記第１燃料電池セルスタックを作動させたときの電流密度との積の合計をγ１、前記第２燃料電池セルスタックが備える燃料電池セルにおいて、有効表面積と前記第２燃料電池セルスタックを作動させたときの電流密度との積の合計をγ２としたとき、γ１／γ２を３．０超に調整して発電を行う＜８＞又は＜９＞に記載の発電方法。 <10> In the fuel cells provided in the first fuel cell stack, the sum of the product of the effective surface area and the current density when the first fuel cell stack is operated is γ 1 , and the second fuel cell is in the fuel cell provided in the stack, when the total of the product of the current density when operated the effective surface area and the second fuel cell stack as gamma 2, adjust the gamma 1 / gamma 2 to 3.0 than <8> or the power generation method according to <9>.
本形態の発電方法では、γ１／γ２が３．０超であることにより、γ１／γ２が３．０以下である場合と比較して、第１燃料濃度及び第２燃料濃度の値をともに高い値とすることができる。そのため、燃料電池セルスタックの酸化等を好適に抑制することができ、燃料電池セルスタックの耐久性により優れ、より長期的に安定した発電が可能となる。 The power generation method of this embodiment, by gamma 1 / gamma 2 is greater than 3.0, as compared with the case gamma 1 / gamma 2 is 3.0 or less, the first fuel concentration and a second fuel concentration Both values can be high. Therefore, oxidation and the like of the fuel cell stack can be suitably suppressed, and the durability of the fuel cell stack is more excellent, and stable power generation can be performed for a longer period.
本発明によれば、燃料電池セルスタックの耐久性に優れた燃料電池システム、及びこの燃料電池システムを用いた発電方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a fuel cell system having excellent durability of a fuel cell stack, and a power generation method using the fuel cell system.
本開示において、「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
本開示中に段階的に記載されている数値範囲において、一つの数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。また、本開示中に記載されている数値範囲において、その数値範囲の上限値又は下限値は、実施例の一例に示されている値に置き換えてもよい。
In the present disclosure, a numerical range represented by using “to” means a range including numerical values described before and after “to” as a lower limit and an upper limit.
In the numerical ranges described in stages in the present disclosure, the upper limit or lower limit described in one numerical range may be replaced with the upper limit or lower limit of the numerical range described in other stages. . Further, in a numerical range described in the present disclosure, the upper limit or the lower limit of the numerical range may be replaced with a value shown in an example of the embodiment.
以下、本発明の実施形態について説明する。但し、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態において、その構成要素は、特に明示した場合を除き、必須ではない。数値及びその範囲についても同様であり、本発明を制限するものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. However, the present invention is not limited to the following embodiments. In the following embodiments, the components are not essential unless otherwise specified. The same applies to numerical values and their ranges, and does not limit the present invention.
以下、本発明の燃料電池システムの一実施形態について図１を用いて説明する。図１は、一実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。一実施形態に係る燃料電池システム１０は、水素ガスを用いて発電を行う第１燃料電池セルスタック１１と、第１燃料電池セルスタック１１から排出された未反応の前記水素ガスを含むアノードオフガスから、少なくとも一部の水蒸気を分離する分離手段１６と、分離手段１６の下流に配置され、少なくとも一部の水蒸気が分離されたアノードオフガスを用いて発電を行う第２燃料電池セルスタック１２と、を備え、第１燃料電池セルスタック１１の出口におけるアノードオフガスの燃料濃度を第１燃料濃度、第２燃料電池セルスタック１２の出口におけるアノードオフガスの燃料濃度を第２燃料濃度とし、第１燃料電池セルスタック及び第２燃料電池セルスタックの全体の燃料利用率が特定値である場合に第１燃料濃度及び第２燃料濃度の値が等しくなるときの値をＣとすると、全体の燃料利用率が前述の特定値である場合の第１燃料濃度及び第２燃料濃度がそれぞれ０．９Ｃ以上を満たす。すなわち、燃料電池システム１０は、全体の燃料利用率が前述の特定値である場合の第１燃料濃度及び第２燃料濃度がそれぞれ０．９Ｃ以上を満たすように運転が行われる。 Hereinafter, an embodiment of the fuel cell system of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating a fuel cell system according to one embodiment. The fuel cell system 10 according to one embodiment includes a first fuel cell stack 11 that generates power using hydrogen gas, and an anode off gas containing the unreacted hydrogen gas discharged from the first fuel cell stack 11. A separation unit 16 for separating at least a part of water vapor, and a second fuel cell stack 12 which is disposed downstream of the separation unit 16 and generates power using the anode off-gas from which at least a part of the water vapor is separated. A fuel concentration of the anode off-gas at the outlet of the first fuel cell stack 11 as a first fuel concentration, and a fuel concentration of the anode off-gas at the outlet of the second fuel cell stack 12 as a second fuel concentration. When the overall fuel utilization of the fuel cell stack and the second fuel cell stack is a specific value, the first fuel concentration and the second fuel concentration When C the value when equal, the overall fuel utilization rate is first fuel concentration and the second concentration of the fuel when a specific value described above meet the above 0.9C, respectively. That is, the fuel cell system 10 is operated such that the first fuel concentration and the second fuel concentration satisfy 0.9 C or more, respectively, when the overall fuel utilization is the above-described specific value.
本実施形態の燃料電池システム１０では、分離手段１６により第１燃料電池セルスタック１１から排出されたアノードオフガスから、少なくとも一部の水蒸気が分離され、アノードオフガスが再生されてその燃料濃度が上昇する。そして、燃料濃度が上昇したアノードオフガスが第２燃料電池セルスタック１２に供給されるため、燃料電池システム１０では高い燃料利用率での運転が可能となり、高い発電効率を得ることができる。 In the fuel cell system 10 of the present embodiment, at least a part of the water vapor is separated from the anode off-gas discharged from the first fuel cell stack 11 by the separating means 16, and the anode off-gas is regenerated to increase the fuel concentration. . Then, since the anode off-gas having the increased fuel concentration is supplied to the second fuel cell stack 12, the fuel cell system 10 can be operated at a high fuel utilization rate, and high power generation efficiency can be obtained.
一般的に、多段式の燃料電池システムでは、第１燃料電池セルスタック中でのアノードガスの燃料濃度は、第１燃料電池セルスタックの入口にて最も高く、第１燃料電池セルスタックの出口にて最も低くなる。第２燃料電池セルスタック中でのアノードガスの燃料濃度についても同様である。ここで、第１燃料電池セルスタック及び第２燃料電池セルスタックにおいて、燃料電池セルスタック中のアノードガスの燃料濃度が低下すると、燃料電池セルスタックの酸化等により燃料電池セルスタックの耐久性が低下するおそれがある。そのため、燃料濃度が最も低くなる、第１燃料電池セルスタックの出口及び第２燃料電池セルスタックの出口における燃料濃度を高めて燃料電池セルスタックの酸化等を抑制することが好ましい。 Generally, in a multi-stage fuel cell system, the fuel concentration of the anode gas in the first fuel cell stack is highest at the inlet of the first fuel cell stack, and is higher at the outlet of the first fuel cell stack. And the lowest. The same applies to the fuel concentration of the anode gas in the second fuel cell stack. Here, in the first fuel cell stack and the second fuel cell stack, when the fuel concentration of the anode gas in the fuel cell stack decreases, the durability of the fuel cell stack decreases due to oxidation of the fuel cell stack and the like. There is a possibility that. Therefore, it is preferable to suppress the oxidation of the fuel cell stack by increasing the fuel concentration at the outlet of the first fuel cell stack and the outlet of the second fuel cell stack where the fuel concentration is lowest.
そこで、燃料電池システム１０では、分離手段１６によりアノードオフガスを再生させて燃料濃度を高めるとともに、第１燃料電池セルスタック１１の出口における燃料濃度（第１燃料濃度）及び第２燃料電池セルスタック１２の出口における燃料濃度（第２燃料濃度）を高めることで、燃料電池セルスタックの酸化等を抑制している。より具体的には、第１燃料濃度及び第２燃料濃度を等しくすることで、第１燃料濃度及び第２燃料濃度の値をともに高い値とすることができ、燃料電池セルスタックの酸化等を好適に抑制することができ、燃料電池セルスタックの耐久性により優れたシステムを提供することができる。また、全体の燃料利用率が特定値である場合に第１燃料濃度及び第２燃料濃度が等しいときの値をＣとしたとき、全体の燃料利用率が前述の特定値である場合の第１燃料濃度及び第２燃料濃度が、０．９Ｃ以上、すなわち、それぞれの濃度が等しいときの９０％以上であれば、第１燃料濃度と第２燃料濃度との差を抑制することができ、また、燃料電池セルスタックの酸化等のリスクを抑制し、燃料電池セルスタックの耐久性に優れたシステムを提供することができる。 Therefore, in the fuel cell system 10, the anode off-gas is regenerated by the separating means 16 to increase the fuel concentration, and the fuel concentration (first fuel concentration) at the outlet of the first fuel cell stack 11 and the second fuel cell stack 12 The oxidation of the fuel cell stack is suppressed by increasing the fuel concentration (second fuel concentration) at the outlet of the fuel cell. More specifically, by equalizing the first fuel concentration and the second fuel concentration, both the first fuel concentration and the second fuel concentration can be set to high values, and the oxidation of the fuel cell stack and the like can be reduced. It is possible to provide a system that can be suitably suppressed and that is more excellent in the durability of the fuel cell stack. Further, when the value when the first fuel concentration and the second fuel concentration are equal is C when the overall fuel utilization is a specific value, the first fuel concentration when the overall fuel utilization is the aforementioned specific value is C. If the fuel concentration and the second fuel concentration are 0.9 C or more, that is, 90% or more when the respective concentrations are equal, the difference between the first fuel concentration and the second fuel concentration can be suppressed, and In addition, it is possible to provide a system that suppresses risks such as oxidation of the fuel cell stack and has excellent durability of the fuel cell stack.
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、例えば、第１燃料電池セルスタック１１が備える燃料電池セルの有効表面積の合計（α１）に対する第２燃料電池セルスタックが備える燃料電池セルの有効表面積の合計（α２）の比率（α１／α２）を調整したり、第１燃料電池セルスタック１１が備える燃料電池スタックの数（β１）に対する第２燃料電池セルスタックが備える燃料電池スタックの数（β２）の比率（β１／β２）を調整したり、第１燃料電池セルスタック１１が備える燃料電池セルの電流密度及び第２燃料電池セルスタックが備える燃料電池セルの電流密度をそれぞれ調整したり、分離手段における水蒸気の分離の度合いを調整したりする等により、第１燃料濃度及び第２燃料濃度を０．９Ｃ以上に調整することができる。 The fuel cell system 10 according to the present embodiment, for example, calculates the effective surface area of the fuel cells included in the second fuel cell stack with respect to the total effective surface area (α 1 ) of the fuel cells included in the first fuel cell stack 11. The ratio (α 1 / α 2 ) of the total (α 2 ) is adjusted, and the number of the fuel cell stacks included in the second fuel cell stack relative to the number (β 1 ) of the fuel cell stacks included in the first fuel cell stack 11 is adjusted. The ratio (β 1 / β 2 ) of the number (β 2 ) is adjusted, and the current densities of the fuel cells included in the first fuel cell stack 11 and the current densities of the fuel cells included in the second fuel cell stack are adjusted. The first fuel concentration and the second fuel concentration can be adjusted to 0.9 C or more by adjusting each of them or adjusting the degree of separation of steam in the separation means. That.
以下、本実施形態に係る燃料電池システム１０の各構成について説明する。 Hereinafter, each configuration of the fuel cell system 10 according to the present embodiment will be described.
（水素ガス供給経路）
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、水素ガスを第１燃料電池セルスタック１１のアノード（図示せず）に供給する水素ガス供給経路４２を備えている。水素ガス供給経路４２には、水素ガスを第１燃料電池セルスタック１１のアノードへ送るための水素ガスブロワ２４が設置されている。
(Hydrogen gas supply path)
The fuel cell system 10 according to the present embodiment includes a hydrogen gas supply path 42 that supplies hydrogen gas to an anode (not shown) of the first fuel cell stack 11. The hydrogen gas supply path 42 is provided with a hydrogen gas blower 24 for sending hydrogen gas to the anode of the first fuel cell stack 11.
水素ガス供給経路４２内を流通する水素ガスとしては、水素を含むガスであればよく、水素濃度が９９体積％以上である水素ガス（純水素ガス）であることが好ましい。水素濃度が高い水素ガスを燃料電池の燃料ガスとして用いることにより、二酸化炭素の排出を抑制することができる。 The hydrogen gas flowing through the hydrogen gas supply path 42 may be a gas containing hydrogen, and is preferably a hydrogen gas (pure hydrogen gas) having a hydrogen concentration of 99% by volume or more. By using hydrogen gas having a high hydrogen concentration as a fuel gas for a fuel cell, the emission of carbon dioxide can be suppressed.
純水素ガスを得る方法としては、メタン、メタノール等の改質可能な炭素化合物原料を改質して水素ガスを含む改質ガスを改質器にて生成し、改質器にて生成された改質ガスを水素精製器を用いて純水素ガスとそれ以外の成分とに分離する方法、再生可能エネルギーに由来する電気を用い、水を電気分解する方法などが挙げられる。再生可能エネルギーとしては、太陽光、太陽熱、風力、水力、地熱、バイオマス、潮力、波力、海流等のエネルギーが挙げられる。 As a method of obtaining pure hydrogen gas, a reformable gas containing hydrogen gas is generated in a reformer by reforming a reformable carbon compound raw material such as methane and methanol, and the reformed gas is generated in the reformer. Examples include a method of separating the reformed gas into pure hydrogen gas and other components using a hydrogen purifier, a method of electrolyzing water using electricity derived from renewable energy, and the like. Examples of the renewable energy include energy such as sunlight, solar heat, wind power, hydraulic power, geothermal energy, biomass, tidal power, wave power, and ocean current.
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、炭素化合物原料を改質して改質ガスを生成する改質器及び改質器にて生成された改質ガスを精製して純水素ガスとする水素精製器を更に備えていてもよい。 The fuel cell system 10 according to the present embodiment includes a reformer that reforms a carbon compound raw material to generate a reformed gas, and hydrogen that purifies the reformed gas generated by the reformer to generate pure hydrogen gas. A purifier may be further provided.
また、本実施形態に係る燃料電池システム１０を、再生可能エネルギーを利用して発電する発電装置、及び発電装置での発電により生じた電力を用いて水を電気分解する水電解装置と組み合わせて発電システムとしてもよい。 In addition, the fuel cell system 10 according to the present embodiment is combined with a power generation device that generates power using renewable energy, and a water electrolysis device that electrolyzes water using power generated by the power generation device. It may be a system.
（空気供給経路）
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、空気を第１燃料電池セルスタック１１のカソード（図示せず）に供給する空気供給経路４４を備えている。空気供給経路４４には、水素ガスを第１燃料電池セルスタック１１のカソードへ送るための空気ブロワ２５が設置されている。
(Air supply path)
The fuel cell system 10 according to the present embodiment includes an air supply path 44 that supplies air to a cathode (not shown) of the first fuel cell stack 11. The air supply path 44 is provided with an air blower 25 for sending hydrogen gas to the cathode of the first fuel cell stack 11.
（第１燃料電池セルスタック）
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、水素ガス供給経路４２を通じて供給された水素ガスを用いて発電を行う第１燃料電池セルスタック１１を備えている。第１燃料電池セルスタック１１としては、例えば、空気極（カソード）、電解質及び燃料極（アノード）を備える燃料電池セルを複数積層あるいは複数接続した燃料電池スタックを少なくとも一つ備えた燃料電池セルスタックである。また、第１燃料電池セルスタックとしては、６００℃〜１０００℃程度で作動する高温型の燃料電池、例えば、６００℃〜１０００℃程度で作動する固体酸化物形燃料電池、６００℃〜７００℃程度で作動する溶融炭酸塩形燃料電池が挙げられる。なお、第１燃料電池セルスタック１１及び後述の第２燃料電池セルスタック１２としては、燃料濃度の低下を抑制でき、燃料電池セルスタックの酸化等のリスクをより好適に抑制できる点から、固体酸化物形燃料電池であることが好ましい。
(First fuel cell stack)
The fuel cell system 10 according to the present embodiment includes a first fuel cell stack 11 that generates power using hydrogen gas supplied through a hydrogen gas supply path 42. As the first fuel cell stack 11, for example, a fuel cell stack including at least one fuel cell stack in which a plurality of fuel cells including an air electrode (cathode), an electrolyte, and a fuel electrode (anode) are stacked or connected. It is. Further, as the first fuel cell stack, a high-temperature type fuel cell operating at about 600 ° C. to 1000 ° C., for example, a solid oxide fuel cell operating at about 600 ° C. to 1000 ° C., about 600 ° C. to 700 ° C. And a molten carbonate fuel cell that operates on The first fuel cell stack 11 and a second fuel cell stack 12 to be described later are capable of suppressing a decrease in fuel concentration and more suitably suppressing the risk of oxidation of the fuel cell stack and the like. It is preferably a physical fuel cell.
第１燃料電池セルスタック１１が固体酸化物形燃料電池の場合、第１燃料電池セルスタック１１のカソードには、空気供給経路４４を通じて空気が供給される。空気がカソードに供給されることにより、以下の式（ａ）に示す反応が起こり、その際、酸素イオンが固体酸化物電解質（図示せず）の内部を移動する。
Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２−・・・・（ａ）
When the first fuel cell stack 11 is a solid oxide fuel cell, air is supplied to the cathode of the first fuel cell stack 11 through the air supply path 44. When the air is supplied to the cathode, a reaction represented by the following equation (a) occurs, and at this time, oxygen ions move inside the solid oxide electrolyte (not shown).
O 2 + 4e − → 2O 2 -... (A)
第１燃料電池セルスタック１１が固体酸化物形燃料電池の場合、第１燃料電池セルスタック１１のアノードには、水素ガス供給経路４２を通じて水素ガスが供給される。アノードと固体酸化物電解質との界面にて水素が固体酸化物電解質の内部を移動する酸素イオンと反応することにより、以下の式（ｂ）に示す反応が起こる。
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−・・・・（ｂ）
When the first fuel cell stack 11 is a solid oxide fuel cell, hydrogen gas is supplied to the anode of the first fuel cell stack 11 through the hydrogen gas supply path 42. When hydrogen reacts with oxygen ions moving inside the solid oxide electrolyte at the interface between the anode and the solid oxide electrolyte, a reaction represented by the following formula (b) occurs.
H 2 + O 2- → H 2 O + 2e − (b)
第１燃料電池セルスタック１１が溶融炭酸塩形燃料電池の場合、第１燃料電池セルスタック１１のカソード（図示せず）には、空気供給経路４４を通じて酸素及び二酸化炭素を含むガスが供給される。酸素及び二酸化炭素を含むガスがカソードに供給されることにより、以下の式（ｃ）に示す反応が起こり、その際、炭酸イオンが電解質（図示せず）の内部を移動する。
Ｏ２＋２ＣＯ２＋４ｅ−→２ＣＯ３ ２−・・・・（ｃ）
When the first fuel cell stack 11 is a molten carbonate fuel cell, a gas containing oxygen and carbon dioxide is supplied to the cathode (not shown) of the first fuel cell stack 11 through the air supply path 44. . When a gas containing oxygen and carbon dioxide is supplied to the cathode, a reaction represented by the following formula (c) occurs, and at that time, carbonate ions move inside the electrolyte (not shown).
O 2 + 2CO 2 + 4e − → 2CO 3 2 -... (c)
第１燃料電池セルスタック１１が溶融炭酸塩形燃料電池の場合、第１燃料電池セルスタック１１のアノードには、水素ガス供給経路４２を通じて水素ガスが供給される。アノードと電解質との界面にて水素が電解質の内部を移動する炭酸イオンと反応することにより、以下の式（ｄ）に示す反応が起こる。
Ｈ２＋ＣＯ３ ２−→Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２＋２ｅ−・・・・（ｄ）
When the first fuel cell stack 11 is a molten carbonate fuel cell, hydrogen gas is supplied to the anode of the first fuel cell stack 11 through the hydrogen gas supply path 42. When hydrogen reacts with carbonate ions moving inside the electrolyte at the interface between the anode and the electrolyte, a reaction represented by the following formula (d) occurs.
H 2 + CO 3 2- → H 2 O + CO 2 + 2e - ···· (d)
上記式（ｂ）及び式（ｄ）に示すように、第１燃料電池セルスタック１１での水素ガスの電気化学的な反応により、固体酸化物形燃料電池及び溶融炭酸塩形燃料電池では水蒸気が生成される。また、アノードで生成された電子は、外部回路を通じてカソードに移動する。このようにして電子がアノードからカソードに移動することにより、第１燃料電池セルスタック１１にて発電が行われる。 As shown in the above equations (b) and (d), due to the electrochemical reaction of hydrogen gas in the first fuel cell stack 11, water vapor is generated in the solid oxide fuel cell and the molten carbonate fuel cell. Generated. The electrons generated at the anode move to the cathode through an external circuit. When the electrons move from the anode to the cathode in this manner, power is generated in the first fuel cell stack 11.
カソードから排出されたカソードオフガスは、下流側の空気供給経路４４を通じて、第２燃料電池セルスタック１２のカソード（図示せず）に供給される。 The cathode off-gas discharged from the cathode is supplied to the cathode (not shown) of the second fuel cell stack 12 through the air supply path 44 on the downstream side.
一方、アノードから排出された未反応の水素ガスを含むアノードオフガスは、オフガス経路５２を通じて分離手段１６へ供給される。ここで、未反応の水素ガスを含むアノードオフガスは、第１燃料電池セルスタック１１が固体酸化物形燃料電池の場合、水素、水蒸気などを含む混合ガスであり、第１燃料電池セルスタック１１が溶融炭酸塩形燃料電池の場合、水素、水蒸気、二酸化炭素などを含む混合ガスである。 On the other hand, the anode off-gas containing unreacted hydrogen gas discharged from the anode is supplied to the separation unit 16 through the off-gas path 52. Here, when the first fuel cell stack 11 is a solid oxide fuel cell, the anode off-gas containing unreacted hydrogen gas is a mixed gas containing hydrogen, water vapor, and the like. In the case of a molten carbonate fuel cell, it is a mixed gas containing hydrogen, water vapor, carbon dioxide, and the like.
オフガス経路５２及びオフガス経路５４には熱交換器２１が設置されており、熱交換器２１により、オフガス経路５２内を流通するアノードオフガスと、オフガス経路５４内を流通する少なくとも一部の水蒸気が分離されたアノードオフガスとの間で熱交換を行う。これにより、オフガス経路５２内を流通するアノードオフガスは、分離手段１６により少なくとも一部の水蒸気を分離する際に好ましい温度まで冷却され、オフガス経路５４内を流通する少なくとも一部の水蒸気が分離されたアノードオフガスは、第２燃料電池セルスタック１２の作動温度に適した温度に加熱される。そのため、システム全体の発電効率及び熱効率がより向上する。 The heat exchanger 21 is installed in the off-gas path 52 and the off-gas path 54, and the heat exchanger 21 separates the anode off-gas flowing in the off-gas path 52 from at least a part of the water vapor flowing in the off-gas path 54. Heat exchange is performed with the anode off-gas. Thereby, the anode off-gas flowing through the off-gas path 52 is cooled to a preferable temperature when at least a part of the water vapor is separated by the separation means 16, and at least a part of the water vapor flowing through the off-gas path 54 is separated. The anode off-gas is heated to a temperature suitable for the operating temperature of the second fuel cell stack 12. Therefore, the power generation efficiency and the heat efficiency of the entire system are further improved.
（分離手段）
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、第１燃料電池セルスタック１１から排出された未反応の水素ガスを含むアノードオフガスから、少なくとも一部の水蒸気を分離する分離手段１６を備えている。
(Separation means)
The fuel cell system 10 according to the present embodiment includes a separation unit 16 that separates at least a part of water vapor from an anode off gas containing unreacted hydrogen gas discharged from the first fuel cell stack 11.
燃料電池システム１０では、分離手段１６にて少なくとも一部の水蒸気が分離されるため、第２燃料電池セルスタック１２に供給されるアノードオフガス中の水蒸気濃度を低くすることができ、燃料電池システム１０の発電効率を高めることができる。 In the fuel cell system 10, at least a part of the water vapor is separated by the separation unit 16, so that the water vapor concentration in the anode off-gas supplied to the second fuel cell stack 12 can be reduced, and the fuel cell system 10 Power generation efficiency can be increased.
分離手段１６としては、アノードオフガスから少なくとも一部の水蒸気を分離できるものであれば限定されず、水吸収材、水吸着剤、分離膜、凝縮器等が挙げられる。 The separation means 16 is not limited as long as it can separate at least a part of the water vapor from the anode off-gas, and examples thereof include a water absorbent, a water adsorbent, a separation membrane, and a condenser.
分離膜としては、アノードオフガス中の少なくとも一部の水蒸気を分離できるものであればよく、有機高分子膜、無機材料膜、有機高分子−無機材料複合膜、液体膜等が挙げられる。また、分離膜は、ガラス状高分子膜、ゴム状高分子膜、イオン交換樹脂膜、アルミナ膜、シリカ膜、炭素膜、ゼオライト膜、セラミック膜、アミン水溶液膜又はイオン液体膜であることが好ましい。また、分離膜は、多孔質性の支持体に支持されていてもよい。 The separation membrane may be any one capable of separating at least a part of water vapor in the anode off-gas, and examples thereof include an organic polymer membrane, an inorganic material membrane, an organic polymer-inorganic material composite membrane, and a liquid membrane. Further, the separation membrane is preferably a glassy polymer membrane, a rubbery polymer membrane, an ion exchange resin membrane, an alumina membrane, a silica membrane, a carbon membrane, a zeolite membrane, a ceramic membrane, an amine aqueous solution membrane or an ionic liquid membrane. . Further, the separation membrane may be supported by a porous support.
水吸収材、水吸着剤及び分離膜において、アノードオフガス中の水蒸気除去率、及び少なくとも一部の水蒸気が分離されたアノードオフガスの露点は、アノードオフガスの流量、アノードオフガスの温度等を調節することにより、適宜調節することができる。
分離膜を用いる場合、分離効率を向上させるため、透過側にスイープガスを供給してもよい。
In the water absorbent, the water adsorbent, and the separation membrane, the water vapor removal rate in the anode off gas and the dew point of the anode off gas from which at least a part of the water vapor is separated are adjusted by controlling the flow rate of the anode off gas, the temperature of the anode off gas, and the like. Can be adjusted appropriately.
When a separation membrane is used, a sweep gas may be supplied to the permeation side in order to improve the separation efficiency.
凝縮器としては、アノードオフガス中の水蒸気を凝縮により分離できるものであればよい。また、凝縮器におけるアノードオフガス中の水蒸気除去率、及び少なくとも一部の水蒸気が分離されたアノードオフガスの露点は、凝縮温度を調節することにより、適宜調節することができる。 Any condenser can be used as long as it can separate water vapor in the anode off-gas by condensation. The removal rate of water vapor in the anode off-gas in the condenser and the dew point of the anode off-gas from which at least a part of the water vapor has been separated can be appropriately adjusted by adjusting the condensation temperature.
また、分離手段としては、アノードオフガスを再生させてその燃料濃度を好適に上昇させる点から、少なくとも一部の水蒸気が分離されたアノードオフガスの露点は、９０．５℃以下であることが好ましく、９０℃以下であることがより好ましく、８５℃以下であることが更に好ましく、８０℃以下であることが特に好ましい。アノードオフガスを再生させてその燃料濃度を好適に上昇させることにより、燃料電池システムにおいて、より高い燃料利用率での運転が可能となり、より高い発電効率を得ることができる。また、前記アノードオフガスの露点は、２０℃以上であってもよい。 In addition, as a separation means, from the viewpoint of regenerating the anode off-gas and suitably increasing the fuel concentration, the dew point of the anode off-gas from which at least a part of the water vapor is separated is preferably 90.5 ° C. or less, The temperature is more preferably 90 ° C or lower, further preferably 85 ° C or lower, and particularly preferably 80 ° C or lower. By regenerating the anode off-gas and suitably increasing the fuel concentration, the fuel cell system can be operated at a higher fuel utilization rate, and higher power generation efficiency can be obtained. Further, the dew point of the anode off-gas may be 20 ° C. or higher.
また、分離手段としては、アノードオフガスを再生させてその燃料濃度を好適に上昇させる点から、水蒸気除去率が６０％以上を満たすことが好ましく、６５％以上を満たすことがより好ましく、７０％以上を満たすことが更に好ましく、８０％以上を満たすことが特に好ましい。アノードオフガスを再生させてその燃料濃度を好適に上昇させることにより、燃料電池システムにおいて、より高い燃料利用率での運転が可能となり、より高い発電効率を得ることができる。また、水蒸気除去率の上限は、１００％以下であればよく、例えば、９９％以下であってもよい。 Further, as the separation means, from the viewpoint of regenerating the anode off-gas and suitably increasing the fuel concentration, the water vapor removal rate preferably satisfies 60% or more, more preferably 65% or more, and 70% or more. Is more preferably satisfied, and particularly preferably 80% or more. By regenerating the anode off-gas and suitably increasing the fuel concentration, the fuel cell system can be operated at a higher fuel utilization rate, and higher power generation efficiency can be obtained. The upper limit of the water vapor removal rate may be 100% or less, for example, 99% or less.
第１燃料電池セルスタック１１が溶融炭酸塩形燃料電池の場合、分離手段１６としては、未反応の水素ガスを含むアノードオフガスから、少なくとも一部の水蒸気とともに少なくとも一部の二酸化炭素を分離するものであってもよい。このとき、１つの分離手段にて未反応の水素ガスを含むアノードオフガスから、少なくとも一部の水蒸気及び少なくとも一部の二酸化炭素を分離してもよく、２つ以上の分離手段を組み合わせて未反応の水素ガスを含むアノードオフガスから、少なくとも一部の水蒸気及び少なくとも一部の二酸化炭素を分離してもよい。 When the first fuel cell stack 11 is a molten carbonate fuel cell, the separating means 16 separates at least a part of carbon dioxide together with at least a part of water vapor from an anode off gas containing an unreacted hydrogen gas. It may be. At this time, at least a part of the water vapor and at least a part of the carbon dioxide may be separated from the anode off gas containing the unreacted hydrogen gas by one separation means, and the unreacted water may be separated by combining two or more separation means. At least part of water vapor and at least part of carbon dioxide may be separated from the anode off-gas containing hydrogen gas.
１つの分離手段を用いて未反応の水素ガスを含むアノードオフガスから、少なくとも一部の水蒸気及び少なくとも一部の二酸化炭素を分離する場合、この分離手段としては、吸収材、吸着剤、分離膜等が挙げられる。分離膜としては、前述したものが挙げられる。 In the case where at least a part of water vapor and at least a part of carbon dioxide are separated from the anode off gas containing unreacted hydrogen gas by using one separating means, the separating means includes an absorbent, an adsorbent, a separation membrane, and the like. Is mentioned. Examples of the separation membrane include those described above.
２つ以上の分離手段を用いて未反応の水素ガスを含むアノードオフガスから、少なくとも一部の水蒸気及び少なくとも一部の二酸化炭素を分離する場合、少なくとも一部の二酸化炭素を分離する分離手段としては、二酸化炭素吸収材、二酸化炭素吸着剤、分離膜、吸収液等が挙げられる。分離膜としては、前述したものが挙げられる。 When separating at least a part of water vapor and at least a part of carbon dioxide from an anode off gas containing an unreacted hydrogen gas by using two or more separation means, the separation means for separating at least a part of carbon dioxide , A carbon dioxide absorbent, a carbon dioxide adsorbent, a separation membrane, an absorbing solution and the like. Examples of the separation membrane include those described above.
吸収液としては、アノードオフガス中の二酸化炭素を吸収できるものであればよく、例えば、アミン等のアルカリ性水溶液が挙げられる。また、吸収液としては、アミン等のアルカリ性水溶液のように、アノードオフガスと接触させ二酸化炭素を吸収させた後に加熱することで二酸化炭素を分離できるものであってもよい。 The absorbing liquid may be any liquid that can absorb carbon dioxide in the anode off-gas, and examples thereof include an alkaline aqueous solution of an amine or the like. Further, the absorbing liquid may be a liquid such as an alkaline aqueous solution of an amine or the like, which is capable of separating carbon dioxide by heating after contacting with an anode off-gas to absorb carbon dioxide.
第１燃料電池セルスタック１１が溶融炭酸塩形燃料電池の場合、分離手段としては、アノードオフガスを再生させてその燃料濃度を好適に上昇させる点から、二酸化炭素除去率が６０％以上を満たすことが好ましく、６５％以上を満たすことがより好ましく、７０％以上を満たすことが更に好ましく、８０％以上を満たすことが特に好ましい。アノードオフガスを再生させてその燃料濃度を好適に上昇させることにより、燃料電池システムにおいて、より高い燃料利用率での運転が可能となり、より高い発電効率を得ることができる。また、二酸化炭素除去率の上限は、１００％以下であればよく、例えば、９９％以下であってもよい。 When the first fuel cell stack 11 is a molten carbonate fuel cell, the separation means must have a carbon dioxide removal rate of 60% or more from the viewpoint of regenerating anode off-gas and suitably increasing the fuel concentration. Is preferably satisfied, more preferably 65% or more, still more preferably 70% or more, and particularly preferably 80% or more. By regenerating the anode off-gas and suitably increasing the fuel concentration, the fuel cell system can be operated at a higher fuel utilization rate, and higher power generation efficiency can be obtained. The upper limit of the carbon dioxide removal rate may be 100% or less, and may be, for example, 99% or less.
（第２燃料電池セルスタック）
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、分離手段１６の下流に配置され、少なくとも一部の水蒸気が分離されたアノードオフガスを用いて発電を行う第２燃料電池セルスタック１２を備えている。第２燃料電池セルスタック１２としては、例えば、空気極（カソード）、電解質及び燃料極（アノード）を備える燃料電池セルを複数積層あるいは複数接続した燃料電池スタックを少なくとも一つ備えた燃料電池セルスタックである。なお、第２燃料電池セルスタック１２における電気化学的反応は、上述の第１燃料電池セルスタック１１と同様であるため、その説明は省略する。
(Second fuel cell stack)
The fuel cell system 10 according to the present embodiment includes a second fuel cell stack 12 that is disposed downstream of the separation unit 16 and that generates power using the anode off-gas from which at least a part of water vapor has been separated. As the second fuel cell stack 12, for example, a fuel cell stack including at least one fuel cell stack in which a plurality of fuel cells including an air electrode (cathode), an electrolyte, and a fuel electrode (anode) are stacked or connected in plurality It is. Since the electrochemical reaction in the second fuel cell stack 12 is the same as that in the first fuel cell stack 11, the description is omitted.
燃料電池システム１０では、第２燃料電池セルスタック１２は、少なくとも一部の水蒸気が分離されたアノードオフガスを用いて発電を行う。そのため、第２燃料電池セルスタック１２では、電極間の酸素分圧差に起因する理論電圧が向上するとともに、アノードオフガス中の少なくとも一部の水蒸気が分離されたことに起因して濃度過電圧が低減され、特に高電流密度時に高い性能を発揮することができる。よって、燃料電池システム１０は、高い発電効率を得ることができる。 In the fuel cell system 10, the second fuel cell stack 12 generates power using the anode off-gas from which at least a part of the water vapor is separated. Therefore, in the second fuel cell stack 12, the theoretical voltage due to the oxygen partial pressure difference between the electrodes is improved, and the concentration overvoltage is reduced due to at least a part of the water vapor in the anode off-gas being separated. In particular, high performance can be exhibited at high current density. Therefore, the fuel cell system 10 can obtain high power generation efficiency.
＜第１燃料電池セルスタック及び第２燃料電池セルスタックの好ましい条件＞
本実施形態に係る燃料電池システム１０では、全体の燃料利用率が特定値である場合に第１燃料濃度及び前記第２燃料濃度の値が等しくなるときの値をＣとすると、全体の燃料利用率が前述の特定値である場合の第１燃料濃度及び第２燃料濃度がそれぞれ０．９Ｃ以上を満たしていればよく、好ましくは、第１燃料濃度及び第２燃料濃度がそれぞれ０．９５Ｃ以上を満たしていればよい。なお、第１燃料濃度の上限としては特に限定されず、例えば、１．７Ｃ以下であってもよく、１．５Ｃ以下であってもよく、１．１Ｃ以下であってもよい。第２燃料濃度の上限としては、特に限定されず、例えば、１．２Ｃ以下であってもよく、１．１Ｃ以下であってもよい。
<Preferred conditions of the first fuel cell stack and the second fuel cell stack>
In the fuel cell system 10 according to the present embodiment, when the value of the first fuel concentration and the value of the second fuel concentration are equal to each other when the overall fuel utilization is a specific value, the overall fuel utilization is The first fuel concentration and the second fuel concentration in the case where the rate is the specific value described above need only satisfy 0.9 C or more, and preferably, the first fuel concentration and the second fuel concentration are 0.95 C or more, respectively. What is necessary is just to satisfy. The upper limit of the first fuel concentration is not particularly limited, and may be, for example, 1.7 C or lower, 1.5 C or lower, or 1.1 C or lower. The upper limit of the second fuel concentration is not particularly limited, and may be, for example, 1.2 C or lower, or 1.1 C or lower.
本実施形態に係る燃料電池システム１０では、第１燃料電池セルスタック１１が備える燃料電池セルの有効表面積の合計をα１、第２燃料電池セルスタック１２が備える燃料電池セルの有効表面積の合計をα２としたとき、α１／α２が３．０超であることが好ましい。これにより、α１／α２が３．０以下である場合と比較して、第１燃料濃度及び第２燃料濃度の値をともに高い値とすることができるため、燃料電池セルスタックの酸化等を好適に抑制することができ、燃料電池セルスタックの耐久性により優れた燃料電池システムを提供することができる。なお、燃料電池セルの有効表面積が増加すると、水素ガスの消費量も増加する傾向にある。
α１／α２は、３．５以上であることがより好ましい。
In the fuel cell system 10 according to the present embodiment, the total effective surface area of the fuel cells included in the first fuel cell stack 11 is α 1 , and the total effective surface area of the fuel cells included in the second fuel cell stack 12 is α 1 . When α 2 , α 1 / α 2 is preferably more than 3.0. This makes it possible to increase both the first fuel concentration and the second fuel concentration as compared with the case where α 1 / α 2 is 3.0 or less. And a fuel cell system having more excellent durability of the fuel cell stack can be provided. It should be noted that as the effective surface area of the fuel cell increases, the consumption of hydrogen gas also tends to increase.
α 1 / α 2 is more preferably 3.5 or more.
α１／α２は、第１燃料濃度及び第２燃料濃度の値の低下を抑制する、特に、第１燃料濃度の値の低下を抑制する点から、１５以下であることが好ましく、１２以下であることがより好ましく、１０以下であることが更に好ましく、８．０以下であることが特に好ましく、６．０以下であることがより一層好ましい。 α 1 / α 2 is preferably 15 or less, and more preferably 12 or less from the viewpoint of suppressing a decrease in the first fuel concentration and the second fuel concentration, and in particular, suppressing a decrease in the first fuel concentration. Is more preferable, it is more preferably 10 or less, particularly preferably 8.0 or less, and still more preferably 6.0 or less.
なお、第１燃料電池セルスタック１１及び第２燃料電池セルスタック１２にそれぞれ含まれる燃料電池スタックが同一のものである場合等には、第１燃料電池セルスタック１１における燃料電池スタックの数β１、第２燃料電池セルスタック１２における燃料電池スタックの数β２としたとき、β１／β２が３．０超であることが好ましい。β１／β２の好ましい数値範囲は、上述のα１／α２と同様である。 When the fuel cell stacks included in the first fuel cell stack 11 and the second fuel cell stack 12 are the same, for example, the number β 1 of fuel cell stacks in the first fuel cell stack 11 When the number β 2 of the fuel cell stacks in the second fuel cell stack 12 is set, β 1 / β 2 is preferably more than 3.0. The preferred numerical range of β 1 / β 2 is the same as α 1 / α 2 described above.
また、本実施形態に係る燃料電池システム１０を用いて発電を行う場合、第１燃料電池セルスタック１１及び第２燃料電池セルスタック１２を等しい電流密度で作動させて発電を行うことが好ましい。前述の＜第１燃料電池セルスタック及び第２燃料電池セルスタックの好ましい条件＞を満たしつつ、第１燃料電池セルスタック１１及び第２燃料電池セルスタック１２を等しい電流密度で作動させて発電を行うことにより、燃料電池セルスタックの耐久性に優れ、長期的に安定した発電が可能となる。 When power is generated using the fuel cell system 10 according to the present embodiment, it is preferable to generate power by operating the first fuel cell stack 11 and the second fuel cell stack 12 at the same current density. Power generation is performed by operating the first fuel cell stack 11 and the second fuel cell stack 12 at the same current density while satisfying the above-mentioned <preferred conditions for the first fuel cell stack and the second fuel cell stack>. As a result, the durability of the fuel cell stack is excellent, and stable power generation can be performed for a long period of time.
また、第１燃料電池セルスタック１１が備える燃料電池セルの有効表面積と第１燃料電池セルスタック１１を作動させたときの当該燃料電池セルの電流密度との積の合計をγ１、第２燃料電池セルスタック１２が備える燃料電池セルの有効表面積と第２燃料電池セルスタック１２を作動させたときの当該燃料電池セルの電流密度との積の合計をγ２としたとき、γ１／γ２を３．０超に調整して発電を行うことも好ましい。これにより、γ１／γ２が３．０以下である場合と比較して、第１燃料濃度及び第２燃料濃度の値をともに高い値とすることができるため、燃料電池セルスタックの酸化等を好適に抑制することができ、燃料電池セルスタックの耐久性により優れ、より長期的に安定した発電が可能となる。γ１／γ２の好ましい数値範囲は、上述のα１／α２と同様である。
なお、第１燃料電池セルスタック１１が備える特定の燃料電池セルの有効表面積と、この燃料電池セルの電流密度との積を求め、かつ、第１燃料電池セルスタック１１が備える他の燃料電池セルについても同様に積を求めたときの、これらの積の合計値がγ１に対応し、γ２についても同様である。
また、γ１及びγ２は、それぞれ第１燃料電池セルスタック１１及び第２燃料電池セルスタック１２における水素ガスの消費量と比例関係にある。
The sum of the product of the effective surface area of the fuel cell included in the first fuel cell stack 11 and the current density of the fuel cell when the first fuel cell stack 11 is operated is γ 1 , the second fuel Assuming that the sum of the product of the effective surface area of the fuel cell included in the battery cell stack 12 and the current density of the fuel cell when the second fuel cell stack 12 is operated is γ 2 , γ 1 / γ 2 It is also preferable to adjust the value to more than 3.0 to generate power. This makes it possible to increase both the first fuel concentration and the second fuel concentration as compared with the case where γ 1 / γ 2 is 3.0 or less. , The durability of the fuel cell stack is more excellent, and stable power generation can be performed for a longer period of time. The preferred numerical range of γ 1 / γ 2 is the same as α 1 / α 2 described above.
The product of the effective surface area of a specific fuel cell included in the first fuel cell stack 11 and the current density of the fuel cell is obtained, and the other fuel cells included in the first fuel cell stack 11 are determined. when Multiplies Similarly for the sum of these products corresponds to the gamma 1, which is the same for gamma 2.
Further, γ 1 and γ 2 are proportional to the hydrogen gas consumption in the first fuel cell stack 11 and the second fuel cell stack 12, respectively.
燃料電池セルスタックの酸化等を好適に抑制する点から、第１燃料濃度及び第２燃料濃度がそれぞれ６体積％以上であることが好ましく、１２体積％以上であることがより好ましく、１４体積％以上であることが更に好ましく、１６体積％以上であることが特に好ましく、１８体積％以上であることがより一層好ましい。 From the viewpoint of suitably suppressing oxidation and the like of the fuel cell stack, each of the first fuel concentration and the second fuel concentration is preferably 6% by volume or more, more preferably 12% by volume or more, and 14% by volume. More preferably, it is at least 16% by volume, particularly preferably at least 18% by volume.
本実施形態に係る燃料電池システム１０では、全体の燃料利用率が８０％以上であることが好ましく、８５％以上であることがより好ましく、８５％以上９５％以下であることが更に好ましく、９０％以上９５％以下であることが特に好ましい。本実施形態に係る燃料電池システム１０では、分離手段を設けることにより、第２燃料電池セルスタックでの燃料利用率及び全体の燃料利用率を高めるとともに、上記条件を満たすように第１燃料濃度及び第２燃料濃度を調整している。そのため、本実施形態に係る燃料電池システムでは、高い燃料利用率による発電効率の向上と、燃料電池セルスタックの耐久性の向上とを両立している。 In the fuel cell system 10 according to the present embodiment, the overall fuel utilization is preferably 80% or more, more preferably 85% or more, further preferably 85% or more and 95% or less, and 90% or less. % Or more and 95% or less is particularly preferable. In the fuel cell system 10 according to the present embodiment, by providing the separation means, the fuel utilization rate and the overall fuel utilization rate in the second fuel cell stack are increased, and the first fuel concentration and the fuel concentration are adjusted so as to satisfy the above conditions. The second fuel concentration is adjusted. Therefore, in the fuel cell system according to the present embodiment, both the improvement of the power generation efficiency due to the high fuel utilization rate and the improvement of the durability of the fuel cell stack are compatible.
第２燃料電池セルスタック１２のカソードからカソードオフガスが排出され、第２燃料電池セルスタック１２のアノードからアノードオフガスが排出される。 The cathode off-gas is discharged from the cathode of the second fuel cell stack 12, and the anode off-gas is discharged from the anode of the second fuel cell stack 12.
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、第１燃料濃度及び第２燃料濃度がそれぞれ０．９Ｃ以上を満たすように第１燃料電池セルスタック及び第２燃料電池セルスタックの作動条件を制御する制御部を備えていてもよい。また、制御部は、水蒸気除去率又は少なくとも一部の水蒸気が分離されたアノードオフガスの露点に基づき、第１燃料濃度及び第２燃料濃度がそれぞれ０．９Ｃ以上を満たすように第１燃料電池セルスタック及び第２燃料電池セルスタックの作動条件を制御する構成であってもよい。例えば、制御部は、前述の水蒸気除去率又は前述のアノードオフガスの露点に基づき、第１燃料電池セルスタック及び第２燃料電池セルスタックの燃料利用率を調節すればよい。燃料利用率は、例えば、第１燃料電池セルスタック及び第２燃料電池セルスタックでの電流量、燃焼温度、ガス流量等を変動させて調節すればよい。
また、第１燃料電池セルスタック１１が溶融炭酸塩形燃料電池の場合、制御部は、水蒸気除去率又は少なくとも一部の水蒸気が分離されたアノードオフガスの露点、及び二酸化炭素除去率に基づき、第１燃料濃度及び第２燃料濃度がそれぞれ０．９Ｃ以上を満たすように第１燃料電池セルスタック及び第２燃料電池セルスタックの作動条件を制御する構成であってもよい。
The fuel cell system 10 according to the present embodiment controls the operating conditions of the first fuel cell stack and the second fuel cell stack such that the first fuel concentration and the second fuel concentration satisfy 0.9 C or more, respectively. May be provided. Further, the control unit may control the first fuel cell so that the first fuel concentration and the second fuel concentration satisfy 0.9 C or more, respectively, based on the water vapor removal rate or the dew point of the anode offgas from which at least a part of the water vapor has been separated. A configuration for controlling operating conditions of the stack and the second fuel cell stack may be employed. For example, the control unit may adjust the fuel utilization of the first fuel cell stack and the second fuel cell stack based on the above-described water vapor removal rate or the above-described dew point of the anode off-gas. The fuel utilization may be adjusted by, for example, changing the current amount, the combustion temperature, the gas flow rate, and the like in the first fuel cell stack and the second fuel cell stack.
Further, when the first fuel cell stack 11 is a molten carbonate fuel cell, the control unit determines the second fuel cell stack based on the steam removal rate or the dew point of the anode off-gas from which at least a part of the steam is separated, and the carbon dioxide removal rate. The operating conditions of the first fuel cell stack and the second fuel cell stack may be controlled such that the first fuel concentration and the second fuel concentration satisfy 0.9 C or more, respectively.
前述の一実施形態では、空気供給経路４４が直列となっているため、第１燃料電池セルスタック１１に空気を供給した後、第２燃料電池セルスタック１２に第１燃料電池セルスタック１１から排出されたカソードオフガスが供給されるが、空気供給経路４４は並列であってもよい。つまり、空気が流通する空気供給経路４４が分岐し、第１燃料電池セルスタック１１及び第２燃料電池セルスタック１２のカソードに空気をそれぞれ供給する構成であってもよい。 In the above-described embodiment, since the air supply path 44 is in series, the air is supplied to the first fuel cell stack 11 and then discharged from the first fuel cell stack 11 to the second fuel cell stack 12. The supplied cathode off gas is supplied, but the air supply path 44 may be parallel. That is, the air supply path 44 through which the air flows may be branched to supply air to the cathodes of the first fuel cell stack 11 and the second fuel cell stack 12, respectively.
［本発明の一例］
以下、本発明の一例の燃料電池システムについて検討する。燃料電池システムとしては、第１燃料電池セルスタック、分離手段及び第２燃料電池セルスタックを備えるシステムについて検討した。検討における条件は以下の通りである。
＜条件＞
第１燃料電池セルスタック及び第２燃料電池セルスタック：固体酸化物形燃料電池
燃料ガス：水素
セルの負荷電流：第１燃料電池セルスタック及び第２燃料電池セルスタックで同じ
全体の燃料利用率：９３（％）
燃料利用率の関係：Ｕf(total)＝［Ｕf(first)＋（１−Ｕf(first)）・Ｕf(second)］（式中、Ｕf(total)は全体の燃料利用率、Ｕf(first)は第１燃料電池セルスタックの燃料利用率及びＵf(second)は第２燃料電池セルスタックの燃料利用率を指す。）
第１燃料電池セルスタックの入口における燃料濃度Ｃ０：９９％（体積％）
＜各パラメータの算出式＞
第２燃料電池セルスタックの燃料利用率：Ｕf(second)＝（Ｕf(total)−Ｕf(first)）／（１−Ｕf(first)）
第２燃料電池セルスタックのスタック数に対する第１燃料電池セルスタックのスタック数の比率（燃料電池セルスタックを構成する燃料電池スタック及び電流密度は全て同じ、β１／β２に対応）：Ｕf(first)／（Ｕf(total)−Ｕf(first)）
第１燃料電池セルスタックの出口におけるアノードオフガスの濃度（第１燃料濃度Ｃ１）：Ｃ０×（１−Ｕf(first)）
第２燃料電池セルスタックの入口における燃料濃度（第３燃料濃度Ｃ３）：Ｃ１／{１−除去率（１−Ｃ１）}
第２燃料電池セルスタックの出口におけるアノードオフガスの濃度（第２燃料濃度Ｃ２）：Ｃ３×（１−Ｕf(second)）
[Example of the present invention]
Hereinafter, a fuel cell system according to an example of the present invention will be described. As a fuel cell system, a system including a first fuel cell stack, a separation unit, and a second fuel cell stack was studied. The conditions in the study are as follows.
<Conditions>
First fuel cell stack and second fuel cell stack: solid oxide fuel cell Fuel gas: hydrogen Load current of cell: Same for first fuel cell stack and second fuel cell stack Overall fuel utilization: 93 (%)
Relationship of fuel utilization rate: Uf (total) = [ Uf (first) + (1- Uf (first) ). Uf (second) ] (where Uf (total) is the overall fuel utilization rate) , U f (first) refers to the fuel utilization of the first fuel cell stack and U f (second) refers to the fuel utilization of the second fuel cell stack.)
Fuel concentration C 0 at the entrance of the first fuel cell stack: 99% (% by volume)
<Calculation formula for each parameter>
Fuel utilization rate of the second fuel cell stack: Uf (second) = ( Uf (total) −Uf (first) ) / (1− Uf (first) )
Ratio of the number of stacks of the first fuel cell stack to the number of stacks of the second fuel cell stack (the fuel cell stacks and current densities constituting the fuel cell stack are all the same, corresponding to β 1 / β 2 ): U f (first) / (U f (total) −U f (first) )
Anode off-gas concentration at the outlet of the first fuel cell stack (first fuel concentration C 1 ): C 0 × (1−U f (first) )
Fuel concentration at the entrance of the second fuel cell stack (third fuel concentration C 3 ): C 1 / {1-removal rate (1-C 1 )}
Anode off-gas concentration at the outlet of the second fuel cell stack (second fuel concentration C 2 ): C 3 × (1-U f (second) )
（検討１）
分離手段にて水蒸気を少なくとも一部分離除去する場合について説明する。以下、分離手段にて水蒸気を６０％〜９９％分離除去する場合（前述の算出式における「除去率」が０．６〜０．９９である場合）の燃料電池システムについて検討する。
(Study 1)
A case where at least a part of the water vapor is separated and removed by the separating means will be described. Hereinafter, a fuel cell system in which steam is separated and removed by 60% to 99% by the separating means (when the “removal rate” in the above-described calculation formula is 0.6 to 0.99) will be discussed.
水蒸気の除去率が９９％である場合において、第１燃料電池セルスタックの燃料利用率と、第１燃料濃度及び第２燃料濃度との関係を図２に示す。燃料電池システムの全体の燃料利用率が一定である場合、図２に示すように、第１燃料電池セルスタックの燃料利用率を増加させると、第１燃料濃度Ｃ１が小さくなる。一方、燃料電池システムの全体の燃料利用率が一定の条件にて第１燃料電池セルスタックの燃料利用率が増加した場合、第２燃料電池セルスタックの燃料利用率が低下する効果が大きいため、図２に示すように、第２燃料濃度Ｃ２は大きくなる。そして、図２に示すように、第１燃料濃度Ｃ１及び第２燃料濃度Ｃ２が等しくなるときに、第１燃料濃度Ｃ１及び第２燃料濃度Ｃ２の最小値が最大となり、燃料濃度の低下によるセルスタック酸化等のリスクを低減することができる。 FIG. 2 shows the relationship between the fuel utilization rate of the first fuel cell stack, the first fuel concentration and the second fuel concentration when the water vapor removal rate is 99%. If the overall fuel utilization in the fuel cell system is constant, as shown in FIG. 2, increasing the fuel utilization rate of the first fuel cell stack, a first fuel concentration C 1 decreases. On the other hand, when the fuel utilization of the first fuel cell stack increases under the condition that the overall fuel utilization of the fuel cell system is constant, the effect of decreasing the fuel utilization of the second fuel cell stack is great, as shown in FIG. 2, the second fuel concentration C 2 is increased. Then, as shown in FIG. 2, when the first fuel concentration C 1 and the second fuel concentration C 2 is equal, the minimum value of the first fuel concentration C 1 and the second fuel concentration C 2 is maximized, the fuel concentration Thus, the risk of cell stack oxidation or the like due to a decrease in the number of cells can be reduced.
分離手段にて水蒸気を９９％分離除去する場合、すなわち除去率が０．９９である場合に、第１燃料濃度Ｃ１及び第２燃料濃度Ｃ２が等しくなるとき、前述の算出式に基づき、以下の値が算出される。
第１燃料電池セルスタックの燃料利用率Ｕf(first)：０．７３７８（７３．７８％）
第２燃料電池セルスタックの燃料利用率Ｕf(second)：０．７３３（７３．３％）
第１燃料濃度Ｃ１及び第２燃料濃度Ｃ２が等しくなるときの値（最大濃度）：２５．９６％
第２燃料電池セルスタックのスタック数に対する第１燃料電池セルスタックのスタック数の比率（スタック比）：３．８４
If you 99% separating and removing the water vapor in the separation means, i.e. if the removal rate is 0.99, when the first fuel concentration C 1 and the second fuel concentration C 2 is equal, on the basis of the calculation formula described above, The following values are calculated:
Fuel utilization rate U f (first) of the first fuel cell stack: 0.7378 (73.78%)
Fuel utilization rate U f (second) of the second fuel cell stack: 0.733 (73.3%)
Value when the first fuel concentration C 1 and the second fuel concentration C 2 is equal (maximum concentration): 25.96%
Ratio of the number of stacks of the first fuel cell stack to the number of stacks of the second fuel cell stack (stack ratio): 3.84
次に、第１燃料濃度Ｃ１及び第２燃料濃度Ｃ２が、第１燃料濃度Ｃ１及び第２燃料濃度Ｃ２の最小値が最大となるときの９０％以上、すなわち、２５．９６％の９０％以上であれば、第１燃料濃度Ｃ１及び第２燃料濃度Ｃ２をともに高い値とすることができ、第１燃料電池セルスタック及び第２燃料電池セルスタックにて燃料濃度の低下によるセルスタック酸化等のリスクを低減することができる。そこで、第１燃料濃度Ｃ１及び第２燃料濃度Ｃ２の下限値を算出すると２３．３６％となる。 Next, the first fuel concentration C 1 and the second fuel concentration C 2 is more than 90% when the minimum value of the first fuel concentration C 1 and the second fuel concentration C 2 is maximum, i.e., 25.96% Is 90% or more, both the first fuel concentration C 1 and the second fuel concentration C 2 can be set to high values, and the fuel concentration decreases in the first fuel cell stack and the second fuel cell stack. Can reduce the risk of cell stack oxidation and the like. Accordingly, the 23.36% when calculating the first lower limit value of the fuel concentration C 1 and the second fuel concentration C 2.
第１燃料濃度Ｃ１が２３．３６％である場合、前述の算出式に基づき、以下の値が算出される（表３参照）。
第１燃料電池セルスタックの燃料利用率Ｕf(first)：０．７６４（７６．４％）
第２燃料電池セルスタックの燃料利用率Ｕf(second)：０．７０３４（７０．３４％）
第２燃料電池セルスタックのスタック数に対する第１燃料電池セルスタックのスタック数の比率（スタック比）：４．６
When the first fuel concentration C 1 is 23.36%, based on the calculation formula described above, the following values are calculated (see Table 3).
Fuel utilization rate U f (first) of the first fuel cell stack: 0.764 (76.4%)
Fuel utilization rate U f (second) of the second fuel cell stack: 0.7034 (70.34%)
Ratio of the number of stacks of the first fuel cell stack to the number of stacks of the second fuel cell stack (stack ratio): 4.6
また、第２燃料濃度Ｃ２が２３．３６％である場合、前述の算出式に基づき、以下の値が算出される（表２参照）。
第１燃料電池セルスタックの燃料利用率Ｕf(first)：０．７０７５（７０．７５％）
第２燃料電池セルスタックの燃料利用率Ｕf(second)：０．７６０７（７６．０７％）
第２燃料電池セルスタックのスタック数に対する第１燃料電池セルスタックのスタック数の比率（スタック比）：３．１８
Also, if the second fuel concentration C 2 is 23.36%, based on the calculation formula described above, the following values are calculated (see Table 2).
Fuel utilization rate U f (first) of the first fuel cell stack: 0.7075 (70.75%)
Fuel utilization rate U f (second) of the second fuel cell stack: 0.7607 (76.07%)
Ratio of the number of stacks of the first fuel cell stack to the number of stacks of the second fuel cell stack (stack ratio): 3.18
したがって、上記条件を満たし、かつ、分離手段にて水蒸気を９９％分離除去する場合、セルスタック酸化等のリスクを低減する点から、第１燃料濃度Ｃ１及び第２燃料濃度Ｃ２をともに２３．３６％以上とし、スタック比を３．１８以上４．６以下とすることが好ましい。 Therefore, when the above conditions are satisfied and 99% of the water vapor is separated and removed by the separation means, the first fuel concentration C 1 and the second fuel concentration C 2 are both set to 23 from the viewpoint of reducing the risk of cell stack oxidation and the like. It is preferable to set the stack ratio to 3.36% or more and the stack ratio to 3.18 to 4.6.
次に、検討１において、分離手段にて水蒸気を６０％〜９５％分離除去する場合における、最大濃度、第１燃料電池セルスタックの燃料利用率Ｕf(first)、第２燃料電池セルスタックの燃料利用率Ｕf(second)、第２燃料電池セルスタックのスタック数に対する第１燃料電池セルスタックのスタック数の比率（スタック比）、及び９０％濃度（最大濃度の９０％）を前述の各パラメータの算出式に従い、それぞれ算出した。
分離手段にて水蒸気をともに９９％分離除去する場合とともに結果を表１〜表３及び図３に示す。スタック比としては、図３における最大値及び最小値の間の範囲を取ることが好ましい。
なお、表１中において、「露点」は、水蒸気を６０％〜９９％除去したアノードオフガスの露点を意味する。
また、表１中において、「最大濃度」は、全体の燃料利用率が９３％であり、かつ水蒸気除去率が６０％〜９９％である場合に第１燃料濃度及び第２燃料濃度が等しくなるときの値を意味する。
また、表１において、「９０％濃度」は、最大濃度の９０％の値を意味し、第１燃料濃度及び第２燃料濃度がともに表１に示す９０％濃度以上であれば、燃料電池セルスタックの酸化等のリスクが軽減される。
表２では、第２燃料濃度Ｃ２を表１の９０％濃度の値にしたときのＵf(first)、Ｕf(second)及びスタック比を示している。
また、表３では、第１燃料濃度Ｃ１を表１の９０％濃度の値にしたときのＵf(first)、Ｕf(second)及びスタック比を示している。
Next, in Study 1, the maximum concentration, the fuel utilization Uf (first) of the first fuel cell stack, the fuel utilization of the second fuel cell stack, and The fuel utilization U f (second) , the ratio of the number of stacks of the first fuel cell stack to the number of stacks of the second fuel cell stack (stack ratio), and the 90% concentration (90% of the maximum concentration) are described above. Each was calculated according to the parameter calculation formula.
The results are shown in Tables 1 to 3 and FIG. 3 together with the case where 99% of the water vapor is separated and removed by the separating means. It is preferable that the stack ratio take a range between the maximum value and the minimum value in FIG.
In addition, in Table 1, "dew point" means the dew point of the anode offgas from which 60% to 99% of water vapor has been removed.
In Table 1, the "maximum concentration" indicates that the first fuel concentration and the second fuel concentration are equal when the overall fuel utilization is 93% and the water vapor removal rate is 60% to 99%. Means the value when.
In Table 1, “90% concentration” means a value of 90% of the maximum concentration. If both the first fuel concentration and the second fuel concentration are equal to or higher than the 90% concentration shown in Table 1, the fuel cell Risks such as stack oxidation are reduced.
Table 2 shows U f (first) , U f (second), and the stack ratio when the second fuel concentration C 2 is set to the value of 90% concentration in Table 1.
Table 3 shows U f (first) , U f (second), and the stack ratio when the first fuel concentration C 1 is set to the value of 90% concentration in Table 1.
１０…燃料電池システム、１１…第１燃料電池セルスタック、１２…第２燃料電池セルスタック、１６…分離手段、２１…熱交換器、２４…水素ガスブロワ、２５…空気ブロワ、４２…水素ガス供給経路、４４…空気供給経路、５２、５４…アノードオフガス経路 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell system, 11 ... 1st fuel cell stack, 12 ... 2nd fuel cell stack, 16 ... Separation means, 21 ... Heat exchanger, 24 ... Hydrogen gas blower, 25 ... Air blower, 42 ... Hydrogen gas supply Path, 44: Air supply path, 52, 54: Anode off gas path
Claims (10)
前記第１燃料電池セルスタックから排出された未反応の前記水素ガスを含むアノードオフガスから、少なくとも一部の水蒸気を分離する分離手段と、
前記分離手段の下流に配置され、少なくとも一部の水蒸気が分離された前記アノードオフガスを用いて発電を行う第２燃料電池セルスタックと、
を備え、
前記第１燃料電池セルスタックの出口における前記アノードオフガスの燃料濃度を第１燃料濃度、前記第２燃料電池セルスタックの出口における前記アノードオフガスの燃料濃度を第２燃料濃度とし、前記第１燃料電池セルスタック及び前記第２燃料電池セルスタックの全体の燃料利用率が特定値である場合に前記第１燃料濃度及び前記第２燃料濃度の値が等しくなるときの値をＣとすると、前記全体の燃料利用率が前記特定値である場合の前記第１燃料濃度及び前記第２燃料濃度がそれぞれ０．９Ｃ以上を満たす燃料電池システム。 A first fuel cell stack that generates power using hydrogen gas,
Separating means for separating at least a portion of water vapor from an unreacted anode off gas containing the hydrogen gas discharged from the first fuel cell stack;
A second fuel cell stack, which is disposed downstream of the separation means and performs power generation using the anode offgas from which at least a part of the water vapor has been separated,
With
The fuel concentration of the anode off-gas at the outlet of the first fuel cell stack is defined as a first fuel concentration, and the fuel concentration of the anode off-gas at the outlet of the second fuel cell stack is defined as a second fuel concentration. If the value of the first fuel concentration and the value of the second fuel concentration are equal to each other when the overall fuel utilization of the cell stack and the second fuel cell stack is a specific value, and the value is C, A fuel cell system in which the first fuel concentration and the second fuel concentration each satisfy 0.9 C or more when the fuel utilization is the specific value.
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