JP2021044224A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
Description
<燃料電池システム>
図1に示すように、本発明の第1実施形態に係る燃料電池システム10は、気化器12、改質器14、燃焼器16、第1燃料電池セルスタック22、第2燃料電池セルスタック24、燃料再生器26、水タンク32、34、分流弁42A、42B、44A、44B、冷却機構52、54、ポンプ62、64、圧力調整装置66、流量調整機構67及び制御装置68を備えている。
気化器12には、原料ガスが流れる管である原料ガス管P1の一端が接続されている。原料ガス管P1の途中箇所には、気化器12へ供給する原料ガスの流量を調整する流量調整機構67が設けられている。流量調整機構67としては、一例として流量調整弁が用いられる。
改質器14は、原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する。改質器14には、配管P3の一端が接続されている。これにより原料ガス及び水蒸気が配管P3を通じて改質器14に供給される。
CH4+H2O→CO+3H2 ・・・(1)
CO+H2O→H2+CO2 ・・・(2)
第1燃料電池セルスタック22は例えば固体酸化物系の燃料電池セルスタックであり、積層された複数の燃料電池セル(不図示)を有している。個々の燃料電池セルは、電解質層と、電解質層の表裏面にそれぞれ積層されたカソード及びアノードと、を有する。なお、第1燃料電池セルスタック22は溶解炭酸塩型の燃料電池セルスタックとしてもよい。
燃料再生器26は、流入部26Aと透過部26Bとを備えており、流入部26A及び透過部26Bは、分離膜26Cにより区画されている。
燃焼器16は、第2燃料電池セルスタック24のカソード及びアノードから供給された使用済みのガスを焼却に供する。燃焼器16には、排気管P12の一端が接続されており、燃焼後の排出ガスは、排気管P12へ送出される。排気管P12の途中箇所は気化器12に配置されており、気化器12では、排気管P12の熱により水が気化される。
水タンク32には、燃料再生器26の透過部26Bから送出された透過部排出ガスが、配管P10を介して流入する。一端が透過部26Bに接続された配管P10の他端側は、2つの流路P10A、P10Bに分岐している。流路P10Aには、分流弁42A及び冷却機構52が設けられており、流路P10Aの端部は水タンク32へ挿入されている。冷却機構52は分流弁42Aより下流側に設けられている。また、流路P10Bには、分流弁42Bが設けられており、流路P10Bの端部は、外気に開放されている。また、流路P10Bの端部には、後述する圧力調整装置66が設けられている。圧力調整装置66は、例えば減圧ポンプを用いて構成されている。さらに、流路P10Bには、一端が水タンク32に挿入された流路P10Cの他端が接続されている。なお、分流弁42A、42Bは、本発明におけるバイパス弁の一例である。
冷却機構52は、配管P10における流路P10Aを流れる透過部排出ガスを冷却する装置であり、一例として熱交換器とされている。水タンク32には、冷却機構52の駆動時の冷却動作によって凝縮されて得られた水が排出され溜められる。冷却機構52は、例えば酸化ガス管P5を流れる酸化ガスと流路P10Aを流れる透過部排出ガスとを熱交換させて、透過部排出ガスを冷却する。
制御装置68は、第1燃料電池セルスタック22、第2燃料電池セルスタック24、水位センサ32S、34S、分流弁42A、42B、44A、44B、冷却機構52、54、ポンプ62、64、圧力調整装置66、流量調整機構67と電気的に接続されている。なお、制御装置68と第1燃料電池セルスタック22とは、電流などを制御するパワーコンディショナーを介して接続されている。制御装置68と第2燃料電池セルスタック24についても同様である。
第1実施形態に係る燃料電池システム10では、水供給管P2から供給された水が、改質器14の改質反応によって消費される[(1)式及び(2)式]。また、第1燃料電池セルスタック22、第2燃料電池セルスタック24の発電によって水が生成される[(4)式]。電流値が高い場合、改質器14において消費される水量と比較して、第1燃料電池セルスタック22及び第2燃料電池セルスタック24で生成される水量のほうが多い。このため、改質反応及び発電反応を通して、システム内の水は増加する。
制御装置68は、水位センサ32S、34Sから受取る水タンク32、34の水位情報に基づいて流量調整機構67を制御して、気化器12への原料ガスの投入量を調整することができる。例えば原料ガスの投入量を増やすことで、発電量を多くできる。
制御装置68は、水位センサ32S、34Sから受取る水タンク32、34の水位情報に基づいて、冷却機構52、54の駆動状態を調整することができる。
制御装置68は、水位センサ32S、34Sから受取る水タンク32、34の水位情報に基づいて、分流弁42A、42B、44A、44Bの開閉状態を調整することができる。
上述した分流弁42A、42Bの制御に加え、制御装置68は、水位センサ32S、34Sから受取る水タンク32、34の水位情報に基づいて「圧力調整装置66」を制御して、燃料再生器26の透過部26Bから排出される透過部排出ガス量を調整することができる。
制御装置68は、水位センサ32S、34Sから受取る水タンク32、34の水位情報に基づいて、ポンプ62、64の駆動状態を調整することができる。
制御装置68は、水位センサ32S、34Sから受取る水タンク32、34の水位情報に基づいて、第1燃料電池セルスタック22及び第2燃料電池セルスタック24の少なくとも一方の発電量を調整することができる。
<燃料電池システム>
図2に示す第2実施形態に係る燃料電池システム70は、図1に示す気化器12、水供給管P2、ポンプ62及びポンプ64が設けられていない点で、第1実施形態に係る燃料電池システム10と異なる。さらに燃料電池システム70は、図2に示す熱交換器72、水蒸気分離器74、集約タンク76が設けられている点で、第1実施形態に係る燃料電池システム10と異なる。
熱交換器72は、燃焼器16から排気管P12へ排出された高温の排出ガスと、後述する水蒸気分離器74から水蒸気供給管P14へ送出された水蒸気を含む原料ガスとを熱交換し、原料ガスの温度を昇温させる。熱交換器72には水蒸気供給管P17の一端が接続されており、水蒸気供給管P17へ原料ガスが排出される。水蒸気供給管P17の他端は改質器14に接続されている。
水蒸気分離器74は、燃料再生器26と水タンク32との間、すなわち、燃料再生器26から排出される透過部排出ガスの流路において水タンク32の上流側に配置されている。
集約タンク76は、水タンク32、34より低い位置に設けられ、水タンク32に接続されたオーバーフロー管P20と、水タンク34に接続されたオーバーフロー管P21とが挿入されている。オーバーフロー管P20、21は、水タンク32、34における凝縮水の水位が一定の高さになったところで、凝縮水を集約タンク76へ送出する。このため、水タンク32、34には、図1に示す水位センサ32S、34Sが設けられていない。
第2実施形態に係る燃料電池システム70では、水蒸気分離器74によって、水蒸気が透過部排出ガスから原料ガスへ移動する。また、水蒸気供給管P14、P17によって原料ガスと水蒸気が改質器14へ供給される。これにより、水蒸気が凝縮しないまま改質器14へ供給され、改質反応によって消費される。このため、水蒸気を凝縮させる場合と比較して、凝縮させた水を再度蒸発させるための熱量が不要でありエネルギー効率が高い。また、気化器を省略することができる。
<燃料電池システム>
図3に示す第3実施形態に係る燃料電池システム90は、燃料再生器26に原料ガスをスイープガスとして供給する点で、第2実施形態に係る燃料電池システム70と異なる。また、水蒸気分離器74に代えて、水蒸気分離器92が設けられている点で、第2実施形態に係る燃料電池システム70と異なる。
第3実施形態に係る燃料電池システム90においては、燃料再生器26の透過部26Bに、原料ガス管P22から供給された原料ガスが、スイープガスとして供給される。これにより、透過部26Bにおける水蒸気の分圧が下がり、流入部26Aから分離膜26Cを透過して水蒸気などが透過部26Bへ移動し易くなる。透過部26Bには配管P24の一端が接続されている。なお、原料ガス管P22の途中箇所には、燃料再生器26へ供給する原料ガスの流量を調整する流量調整機構67が設けられている。
水蒸気分離器92は、燃料再生器26と水タンク32との間に配置されている。水蒸気分離器92は、燃料再生器26と同様に、流入部92Aと透過部92Bとを備えており、流入部92A及び透過部92Bは、分離膜92Cにより区画されている。なお、本実施形態における分離膜92Cは、本発明における再分離膜の一例である。
第3実施形態に係る燃料電池システム90では、燃料再生器26の透過部26Bから排出された水蒸気を含む原料ガス(スイープガス)が、水蒸気分離器92の流入部92Aを経由して改質器14へ流入する。
上記各実施形態においては、排気管P12には水タンク34が接続されているが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば水タンク34を設けず、排気管P12から水蒸気を直接排気する構成としてもよい。水タンク34を設けなければ、分流弁44A、44B及び冷却機構54を設ける必要がないため、燃料電池システムの構成を簡略化できる。さらに、水タンク34を設けなければ、第2、第3実施形態における集約タンク76も省略できる。集約タンク76を省略した場合、水タンク32に水位センサを設ければよい。
12 気化器
14 改質器(改質部)
22 第1燃料電池セルスタック(燃料電池)
24 第2燃料電池セルスタック(後段燃料電池)
26 燃料再生器(再生器)
26C 分離膜
32 水タンク
32S 水位センサ
42A、42B 分流弁(バイパス弁)
52 冷却機構
66 圧力調整装置
67 流量調整機構(原料ガス流量調整機構)
68 制御装置
74C 分離膜(再分離膜)
92C 分離膜(再分離膜)
P2 水供給管(水供給管)
P14 水蒸気供給管(水蒸気供給経路)
P25 水蒸気供給管(原料ガス供給経路)
Claims (14)
- 原料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質部と、
前記改質部で生成された前記燃料ガスと酸化ガスとを反応させて発電を行なう燃料電池と、
前記燃料電池から排出されたオフガスから分離膜を介して水蒸気が移動する透過部を備えた再生器と、
前記透過部から排出される透過部排出ガスに含まれる前記水蒸気又は前記水蒸気が凝縮した凝縮水が投入され、システム内で利用する水として蓄えられる水タンクと、
前記透過部の圧力を調整する圧力調整装置と、
前記水タンクへ投入される水蒸気量及び凝縮水量の少なくとも一方を調整して、前記水タンク内の水量を所定範囲に維持する制御装置と、
を備えた燃料電池システム。 - 原料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質部と、
前記改質部で生成された前記燃料ガスと酸化ガスとを反応させて発電を行なう燃料電池と、
前記燃料電池から排出されたオフガスから分離膜を介して水蒸気が移動する透過部を備えた再生器と、
前記透過部から排出される透過部排出ガスに含まれる前記水蒸気が凝縮した凝縮水がシステム内で利用する水として蓄えられる水タンクと、
前記透過部の圧力を調整する圧力調整装置と、
前記水タンクに蓄えられた前記凝縮水を、気化器を介して前記改質部へ供給する水供給管と、
前記水タンクから前記水供給管へ排出される凝縮水量を調整して、前記水タンク内の水量を所定範囲に維持する制御装置と、
を備えた燃料電池システム。 - 前記水タンクの上流側で前記透過部排出ガスから前記原料ガスへ前記水蒸気を移動させる再分離膜と、
前記原料ガスに移動した前記水蒸気を前記改質部へ供給する水蒸気供給経路と、
を備えた請求項1又は2に記載の燃料電池システム。 - 前記制御装置は、前記圧力調整装置を制御して前記水タンクへ投入される水蒸気量を調整する、請求項1〜請求項3の何れか1項に記載の燃料電池システム。
- 前記透過部排出ガスを前記水タンクを経由せずに排出するためのバイパス弁を備え、
前記制御装置は、前記バイパス弁を制御して前記水タンクへ投入される水蒸気量を調整する、請求項1〜請求項4の何れか1項に記載の燃料電池システム。 - 前記透過部排出ガスを前記水タンクの上流側又は前記水タンク内で冷却して前記水蒸気を凝縮する冷却機構を備え、
前記制御装置は、前記冷却機構を制御して、前記水タンクへ投入される凝縮水量を調整する、請求項1〜請求項5の何れか1項に記載の燃料電池システム。 - 原料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質部と、
前記改質部で生成された前記燃料ガスと酸化ガスとを反応させて発電を行なう燃料電池と、
前記燃料電池から排出されたオフガスから、スイープガスとしての原料ガスへ水蒸気を移動させる分離膜と、
前記原料ガスから再分離膜を介して前記水蒸気が移動する透過部が形成された水蒸気分離器と、
前記透過部から排出される透過部排出ガスに含まれる前記水蒸気又は前記水蒸気が凝縮した凝縮水が投入され、システム内で利用する水として蓄えられる水タンクと、
前記透過部の圧力を調整する圧力調整装置と、
前記水蒸気の一部が前記透過部へ移動した前記原料ガスを前記改質部へ供給する原料ガス供給経路と、
前記水タンクへ投入される水蒸気量及び凝縮水量の少なくとも一方を調整して、前記水タンク内の水量を所定範囲に維持する制御装置と、
を備えた燃料電池システム。 -
前記制御装置は、前記圧力調整装置を制御して前記水タンクへ投入される水蒸気量を調整する、請求項7に記載の燃料電池システム。 - 前記透過部排出ガスを前記水タンクを経由せずに排出するためのバイパス弁を備え、
前記制御装置は、前記バイパス弁を制御して前記水タンクへ投入される水蒸気量を調整する、請求項7又は請求項8に記載の燃料電池システム。 - 前記透過部排出ガスを前記水タンクの上流側又は前記水タンク内で冷却して前記水蒸気を凝縮する冷却機構を備え、
前記制御装置は、前記冷却機構を制御して、前記水タンクへ投入される凝縮水量を調整する、請求項7〜請求項9の何れか1項に記載の燃料電池システム。 - 前記水タンクには水位センサが設けられており、
前記制御装置は、前記水位センサからの情報に基づいて、前記水タンク内の水量を所定範囲に維持する、請求項1〜請求項10の何れか1項に記載の燃料電池システム。 - 前記原料ガスの投入量を調整する原料ガス流量調整機構を備え、
前記制御装置は、前記原料ガス流量調整機構を制御して発電量を調整する、請求項1〜請求項11の何れか1項に記載の燃料電池システム。 - 前記オフガスに含まれる未反応の燃料ガスと酸化ガスとを反応させて発電を行なう後段燃料電池を備え、
前記制御装置は、前記燃料電池及び前記後段燃料電池の少なくとも一方の発電量を制御して、前記水タンクへ投入される水蒸気量を調整する、請求項1〜請求項12の何れか1項に記載の燃料電池システム。 - 前記後段燃料電池は前記水タンクの下流側に配置されている、請求項13に記載の燃料電池システム。
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