JP2020170705A - 高温燃料電池システムのための再循環を利用する方法及び配置 - Google Patents
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Abstract
Description
燃料電池システムの始動及びシャットダウン状況においてパージガス及び外部水接続の必要が最小化されるか、もしくは完全に無視される場合、本発明の目的は燃料電池システムを完成することである。この目的は、高温燃料電池システムのための再循環を利用する装置(arrangement)により達成される。燃料電池システム中の各燃料電池セルは、アノード側、カソード側及び前記アノード側とカソード側との間に電解質を有し、及び前記燃料電池システムは反応物質のアノード側再循環フローを実施するための手段を有する。前記装置は、
再循環フローに関してリサイクル率70%以上を達成するための手段、
前記再循環に実質的に高酸素含有量を有するフィードインフローを供給するための手段であって、前記フィードインフローは全フローの30%以下である手段、
前記再循環フロー内に実質的に低温条件を与えるため、熱交換を実施する手段、
燃料電池システムの始動もしくはシャットダウン状況の際、前記再循環フローに関して実質的に高い水素量を生成するための前記再循環フロー内で接触部分酸化を実施する手段、及び
前記アノード側再循環から全フローの30%以下を排出する手段
を有し、前記接触部分酸化を実施する手段に対して入口温度350℃乃至500℃を与える一方で、前記手段の出口温度は800℃を超えないように前記熱交換を実施する及びリサイクル率を達成するための手段は配置される。
再循環フローに関してリサイクル率70%以上が達成され、
前記再循環に、実質的に高酸素含有量を有するフィードインフローが供給され、及び前記フィードインフローは全フローの30%以下であり、
前記再循環フロー内に実質的に低温条件を与えるため、熱交換が実施され、
燃料電池システムの始動もしくはシャットダウン状況の際、前記再循環フローに関して実質的に高い水素量を生成するための前記再循環フロー内で接触部分酸化が実施され、及び
前記アノード側再循環から全フローの30%以下が排出され、前記熱交換は、前記接触部分酸化に対して入口温度350℃乃至500℃を与える一方で、出口温度は800℃を超えない。
固体酸化物型燃料電池(SOFC)は多様な(multiple)ジオメトリを有し得る。平坦なジオメトリ(図1)は、電解質104が電極(アノード100及びカソード102)間にサンドイッチされている、燃料電池のほとんどのタイプで利用される典型的なサンドイッチ型ジオメトリである。SOFCはまた、例えば空気もしくは燃料のいずれかがチューブの内側を通り抜け、他方のガスはチューブの外側に沿って通る、管状ジオメトリからなっていてもよい。これはまた、燃料として使用されるガスがチューブの内側を通り抜け、空気はチューブの外側に沿って通るように配置されてもよい。SOFCの他のジオメトリは、波状構造が平面セルの従来のフラットな構成に取って代わる、変更した(modified)平面セル(MPCもしくはMPSOFC)を包含する。このような意匠は、平面セル(低抵抗)と管状セルの両方の利点を有するので有望である。
燃料電池システム中の各燃料電池セルは、アノード側(100)、カソード側(102)及び前記アノード側とカソード側との間に電解質(104)を有し、及び前記燃料電池システムは反応物質のアノード(100)側再循環フローを実施するための手段(109)を有する、高温燃料電池システムのための再循環を利用する配置であって、
当該配置は、
前記再循環フロー体積に関してリサイクル率70%以上を達成するための手段(120)、
前記再循環に、実質的に高酸素含有量を有するフィードインフローを供給するための手段(122)であって、前記フィードインフローは全フロー体積の30%以下である手段(122)、
前記再循環フロー内に実質的に低温条件を与えるため、熱交換を実施する手段(105)、
燃料電池システムの始動もしくはシャットダウン状況の際、前記再循環フローに関して実質的に高い水素量を生成するための前記再循環フロー内で接触部分酸化を実施する手段(107)、及び
前記アノード側再循環から全フロー体積の30%以下を排出する手段(114)
を有し、
前記手段(107)に対して入口温度350℃乃至500℃を与える一方で、前記手段(107)の出口温度は800℃を超えないように前記手段(105)及び(120)は配置されることを特徴とする、配置。
請求項2
前記配置は、前記手段(107)により実施される酸化反応からの熱を含むガス化合物を可能にするため、前記再循環フロー体積に関してリサイクル率80%乃至94%を達成するための手段(120)としてアノードリサイクルブロワ(120)を有することを特徴とする、請求項1に記載の再循環を利用する配置。
請求項3
前記再循環に対して、フィードインフローを供給するように、前記供給手段(122)は配置されること、前記フィードインフローは、フィードインフローの前記実質的に高い酸素量を示す0.55乃至0.90の範囲のラムダ値を有することを特徴とする、請求項1に記載の再循環を利用する配置。
請求項4
前記実質的に高い水素量として、再循環フロー体積に関して水素について含有量パーセント3.5%乃至15%を生成するように、前記再循環フロー内で接触部分酸化を実施する手段(107)は配置されることを特徴とする、請求項1に記載の再循環を利用する配置。
請求項5
混合されたフィードインフローと再循環フローとにより接触部分酸化を実施するように、前記再循環フロー内で接触部分酸化を実施する手段(107)は配置され、それにより燃料電池システムのアノード側におけるガスは、燃料電池システム加熱もしくは冷却もしくは運転の正常な温度範囲におけるコーキング領域の熱力学的に外側であることを特徴とする、請求項1に記載の再循環を利用する配置。
請求項6
反応物質のアノード(100)側再循環フローが実施される、高温燃料電池システムのための再循環を利用する方法であって、当該方法において、再循環フロー体積に関してリサイクル率70%以上が達成されること、
前記再循環に、実質的に高酸素含有量を有するフィードインフローが供給されること、及び前記フィードインフローは全フロー体積の30%以下であること、
前記再循環フロー内に実質的に低温条件を与えるため、熱交換が実施されること、
燃料電池システムの始動もしくはシャットダウン状況の際、前記再循環フローに関して実質的に高い水素量を生成するための前記再循環フロー内で接触部分酸化を実施すること、及び
前記アノード側再循環から全フロー体積の30%以下を排出することであって、前記熱交換は、前記接触部分酸化に対して入口温度350℃乃至500℃を与える一方で、出口温度は800℃を超えないことを特徴とする、方法。
請求項7
当該方法において、前記接触部分酸化反応からの熱を含むガス化合物を可能にするため、前記再循環フロー体積に関してリサイクル率80%乃至94%は、アノード(100)リサイクルブローにより達成されることを特徴とする、請求項6に記載の方法。
請求項8
当該方法において、前記再循環に対して、フィードインフローの前記実質的に高い酸素量を示す0.55乃至0.90の範囲のラムダ値を有するフィードインフローが供給されることを特徴とする、請求項6に記載の方法。
請求項9
当該方法において、前記実質的に高い水素量として、再循環フロー体積に関して水素の含有量パーセント3.5%乃至15%を生成するように、前記再循環フロー内で接触部分酸化を実施することを特徴とする、請求項6に記載の方法。
請求項10
当該方法において、混合されたフィードインフローと再循環フローとにより接触部分酸化を実施し、それにより燃料電池システムのアノード側におけるガスは、燃料電池システム加熱もしくは冷却もしくは運転の正常な温度範囲におけるコーキング領域の熱力学的に外側であることを特徴とする、請求項6に記載の方法。
Reformer inlet 改質器入口
Reformer outlet 改質器出口
Recycle ratio リサイクル率
100 アノード側
102 カソード側
103 スタック
105a,105b,105c,105d 熱交換器
107 手段;触媒;改質器
109 手段;フィードバック装置;システムパーツ
114 排出する手段
120 手段;アノードリサイクルブロワ
121 冷却
122a,122b 手段;供給手段;システムパーツ
Claims (5)
- 反応物質のアノード側再循環フローを実施し、且つ、再循環フロー体積に関してリサイクル率70%以上を達成する、高温燃料電池システムのための再循環を利用する方法であって、当該方法は、
前記再循環フロー体積に、酸素含有量を包含するフィードインフローを供給するステップであって、前記フィードインフローは全フロー体積の30%以下である、ステップと、
前記再循環フロー内に実質的に低い温度条件を提供するため、熱交換及び反応物質再循環を実施するステップと、
始動もしくはシャットダウン状況の際、燃料電池システムにおいて前記再循環フローに関して水素量を生成するため、前記再循環フロー内で接触部分酸化を実施するステップと、及び
前記アノード側再循環フローから全フロー体積の30%以下を排出するステップであって、前記接触部分酸化のラムダ値は0.55を超え、前記部分酸化触媒に対する入口温度は350℃を超え、且つ、前記触媒の出口温度は800℃を超えない、ステップと、
前記再循環に対して、フィードインフローを供給するステップであって、大きな発熱条件(exoterm, conditions)を維持するための部分酸化モードにおいて前記フィードインフローの高い酸素含有量を示す0.55乃至0.90のラムダ値を含む、ステップと、
を含む、方法。 - 前記接触部分酸化からの熱を含むガス化合物を生成するため、アノードリサイクルブロワを使用して、前記再循環フロー体積に関してリサイクル率80%乃至94%を達成するステップ、
を含む、請求項1に記載の方法。 - 高い水素量として、前記再循環フロー体積に関して水素の含有量パーセント3.5%乃至15%を生成するように、前記再循環フロー内で前記接触部分酸化を実施するステップ、
を含む、請求項1に記載の方法。 - 混合されたフィードインフローと再循環フローとにより前記接触部分酸化を実施するステップであって、それにより前記燃料電池システムのアノード側におけるガスは、前記燃料電池システムの加熱、冷却もしくは運転中、燃料電池システムのコーキング領域の熱力学的に外側である、ステップ、
を含む、請求項1に記載の方法。 - 高温燃料電池システムのための再循環を利用する装置であって、前記燃料電池システムにおける各燃料電池セルは:
アノード側(100)と、
カソード側(102)と、
前記アノード側と前記カソード側との間に電解質(104)と、
を含み、且つ、当該装置は、
反応物質のアノード(100)側再循環フローを実施するための手段(109)と、
前記再循環フロー体積に関してリサイクル率70%以上を達成するための手段(120)と、
前記再循環に、フィードインフローを供給するための手段(122)であって、前記フィードインフローは前記フィードインフローの酸素含有量を包含し、且つ、前記フィードインフローは全フロー体積の30%以下である手段(122)と、
前記再循環フロー内に実質的に低い温度条件を提供するため、熱交換及び反応物質再循環を実施するための手段(105)と、
始動もしくはシャットダウン状況の際、燃料電池システムにおける前記再循環フローに関して水素量を生成するため、前記再循環フロー内で接触部分酸化を実施するための手段(107)と、
前記アノード側再循環フローから全フロー体積の30%以下を排出するための手段(114)と、
を含み、
前記接触部分酸化のラムダ値は0.55を超え、前記部分酸化触媒に対する入口温度は350℃を超え、且つ、前記触媒の出口温度は800℃を超えず、
前記フィードインフローは、大きな発熱条件(exoterm, conditions)を維持するための部分酸化モードにおいて前記フィードインフローの高い酸素含有量を示す0.55乃至0.90のラムダ値を含む、装置。
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