JP5241157B2 - 高温作動型燃料電池システム - Google Patents
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Description
燃料電池1は、全体が中空円筒形状に構成されている。燃料電池1の円筒形の中空部分は燃料極1aとして作用し、円筒形の外周部(外側)は空気極1cとして作用する。
気化器6は、燃料供給管20において、原燃料供給手段4と燃料電池1との間の領域に介装されている。
給水ポンプ5と気化器6とは、給水管Lwによって連通している。
給水ポンプ5は、改質用の水を供給する部材であり、給水管Lwを介して気化器6に水を供給する。
給水ポンプ5から供給された改質用の水は、気化器6において気化して水蒸気となる。そして、原燃料供給手段4から供給された燃料ガスと、気化器6で発生した水蒸気とが混合される。
空気供給手段3は、空気供給管Laにより、空気極1cと接続されている。
不活性ガス供給管86は、燃料供給管20における原燃料供給手段4と気化器6との間に連通している。パージ用不活性ガス供給手段80は、停止時における危険防止のために、燃料供給手段2における空気と燃料ガスを追い出すべく、パージ用不活性ガスを燃料供給手段2の燃料供給管20へ供給する。
係る酸化、劣化、破損を防止するために、パージ用不活性ガスを燃料電池1(特に燃料極1a)に充填し、燃料極1aに空気が進入するのを防止している。
しかし、係る装置(ボンベ等を用いた装置)82を使用した場合には、高温作動型燃料電池システム200全体が大型化してしまうという問題がある。
また、ボンベ交換等の煩雑なメンテナンスが必要になってしまう。
さらに、希ガスは一般に高価であるため、係る希ガスをパージ用不活性ガスとして使用する場合には、高温作動型燃料電池システム200の導入コストを増加させ、発電コストの上昇を惹起するという問題が存在する。
それに対して、地震や停電の様な緊急時には、その様な停止シーケンスに従って停止することが出来ず、燃料電池1の燃料極1aに空気が進入してしまうので、酸化、劣化、破損してしまう恐れが存在するのである。
しかし、係る燃料電池システム(特許文献2)では、電気的な制御を前提としているので、急な停電が発生した場合には、予め定めた停止シーケンスを実行できず、高温の燃料極に空気が進入して、酸化を進行せしめ、劣化、破損を惹起してしまう不都合が存在する。
燃料電池で発電した電気を用いて制御することが可能であったとしても、停電と燃料遮断とが同時に生じた場合には、燃料が遮断されているため、燃料電池システムで発電することが出来ず、商用電源も使用できないため、緊急停止のための制御を行うことが不可能である。
ρgが水蒸気の密度、ρLが水の密度、lが絞り部(22)の流路長、dventが絞り部(22)のガス流路直径、dcellがセルアノード電極ガス流路直径、νが水蒸気の動粘性係数、gが重力加速度、Dが水蒸気と空気の相互拡散係数、x0がアノード電極内空気拡散距離であるとき
h≧32(ρg/ρL)(ν・l/g)(dcell 2/dvent 4)(D/x0)
なる関係にある。
ここで、貯水タンク(7)内に貯蔵された水の水面が気化器(6)よりも上方(図1において符号「h」)へ位置する様に配置されており、貯水タンク(7)内部の水は、気化器(6)よりも上方に存在する。そのため、気化器内部の燃料ガスが無くなり、気化器内部圧力が水の重力よりも低下すると、貯水タンク(7)内部の水は、下方に位置している気化器(6)に降下(滴下)する。
すなわち、停電時には、燃料極(1a)が高圧に保たれ、且つ、燃料極(1a)は水蒸気雰囲気に保持されるので、空気が燃料極(1a)内に進入する事が防止される。
ここで、本発明による燃料電池のパージは、貯水タンク(7)が気化器(6)よりも上方にあるために作用する重力と、気化器(6)に残存する熱量とにより行われ、外部からの動力の供給は全く不要である。そのため、停電時において、燃料や水の供給が遮断されても、燃料電池(1)のパージを確実に実行して、燃料電池(1)の酸化、劣化、破損を防止することが出来る。
もちろん、燃料電池(1)への燃料或いは水の遮断と停電とが同時に生じたとしても、本発明によれば、気化器(6)から水蒸気が発生して燃料電池(1)のパージを確実に実行するので、燃料電池(1)の酸化、劣化、破損を防止することが出来る。
図1において、図3と同様な部材については、図3と同様な符号を付して説明する。
燃料電池1は、全体が中空円筒形状に構成されている。燃料電池1の円筒形の中空部分1aは、燃料ガスが流れる部分であり燃料極1aとして作用し、円筒形の外周部(外側:以下、「空気極」と記載する)1cには空気が流れる。
燃料電池1で使用されなかった燃料は、図1の符号1eの部分で空気と混じって燃焼する。
なお、図1では説明を簡略化するために、燃料電池1を1つのみ示しているが、実際には、燃料電池1が複数本装備されている場合もある。
燃料供給管20における気化器6と燃料電池1との間の領域には、絞り部(以下、「オリフィス」と記載する)22が形成されている。
オリフィス22については、後述する。
水蒸気パージ弁8は、電力が供給されている場合(通電時)には(大気側に)閉じており、電力が供給されていない場合(非通電時)には大気側に開放される様に構成されている。換言すれば、水蒸気パージ弁8は、いわゆるノルマルオープンタイプに構成されている。
貯水タンク7は、貯水タンク7内の水面が、気化器6よりも上方に位置するように配置されている。図1、図2において、貯水タンク7内の水面と気化器6との垂直方向位置(高さ)の差は、符号「h」で示されている。
気化器6では、貯水タンク7から供給される水を気化して水蒸気にせしめ、その水蒸気を燃料供給管20から供給される燃料ガスと混合している。
気化器6の下方にはドレンラインLdが接続され、気化器6内に溜まった水をケーシング9外に排出するように構成されている。ケーシング9外のドレンラインLdには、ドレンバルブ10が介装されている。ドレンバルブ10は、ドレン抜き以外では、閉鎖されている。
図示の実施形態においては、従来技術で用いられているパージ用不活性ガス供給手段(図3の符号80を参照)は存在しない。
そして、給水ポンプ5から気化器6までの間の部材(貯水タンク7及び水蒸気パージ弁8)が、図示の実施形態において、燃料極1aに空気が入らない様にパージを行う構成である。
通常運転では、原燃料供給手段4から燃料供給管20を介して、燃料ガス(例えば都市ガス)が、燃料電池1に供給される。また、通常の給水状態(通電時)では、蒸気パージ弁8は閉じており、給水ポンプ5から供給された改質用の水は、貯水タンク7を経由して、そのまま気化器6内に進入する。
また、停電時には、例えば燃料ガスの都市ガスの場合であれば本管側で供給を停止するので、燃料ガスは燃料供給手段4に供給されず、高温作動型燃料電池システム100に対する燃料供給は停止する。
しかし、図示の実施形態では、以下に述べる様に、気化器6内部で水蒸気を発生して、燃料極内の燃料極流路内の燃料ガスをパージすることが出来る。
ここで、図1において符号「h」で示されている様に、貯水タンク7内部に貯えられた水のレベルは、気化器6に対して、常に上方に位置している。
停電時において、燃料供給手段4から燃料ガスが供給されなくなり、給水ポンプ5が停止すると、気化器6内部の残留燃料が燃料電池1へ少しずつ流れて行き、気化器6内部の圧力が徐々に低下する。
上述した様に、停電した場合には蒸気パージ弁8は大気に開放されているので、気化器6内部圧力と大気圧の差が水の重力よりも小さくなると、外部から動力を供給しなくても、貯水タンク7内の水は気化器6に移動或いは落下(滴下)する。貯水タンク7内の水が気化器6内に落下すると、気化器6内部の熱により、直ちに気化して水蒸気が発生する。水蒸気の発生により、気化器6内部の圧力は上昇する。
明確には図示されていないが、オリフィス22は、絞り率を自在に変更することが出来る可変オリフィスとすることが望ましい。
この作用は、気化器6の温度が下がり、水蒸気が生成されなくなるまで繰り返される。そして、気化器6の温度が下がり、水蒸気が生成されなくなるまでには、燃料電池1は、燃料極1aが酸化あるいは劣化しなくなる温度(例えば400度)まで、温度降下する。
すなわち、図1の高温作動型燃料電池システム100によれば、燃料電池1が酸化あるいは劣化しなくなる温度(例えば400度)に温度降下するまでの間、水蒸気を供給し続けることが可能となる。
貯水タンク7の水が気化器6に落下(滴下)しなければ、気化器6内に水蒸気は発生せず、燃料極1a内に水蒸気を充填して、水蒸気雰囲気に保持することは出来なくなってしまう。
そのような事態を防止するため、水蒸気パージ弁8は、ノルマルオープンタイプに構成されているのである。
図1の高温作動型燃料電池システム100における係るパージは、貯水タンク7が気化器6よりも上方(符号「h」)にあるため貯水タンク7内の水に作用する重力と、気化器6に残存する熱量とにより行われる。外部からの動力の供給は全く不要である。
そのため、電力供給が遮断され(停電時)、水及び/又は燃料の供給が遮断されても、気化器6から水蒸気が発生して燃料電池1のパージを確実に実行し、燃料電池1の酸化、劣化、破損を防止することが出来る。
換言すれば、図1において、符号hで示す寸法(貯水タンク内の水面の気化器B3に対する高さ)の設定について、図2を参照して説明する。
ρ(l):密度(水)
ρ(g):密度(水蒸気)
ν:動粘性係数(水蒸気)
D:相互拡散係数(水蒸気−空気)(水蒸気が空気中にどの程度拡散するのかと、空気が水蒸気中にどの程度拡散するのかを示す係数)
g:重力加速度
h:気化器に対する貯水タンク水面の高さ
V:貯水タンク容量
P:気化器内部圧力
Vcell:燃料電池アノード内水蒸気流速
Vvent:絞り部内水蒸気流速
dcell:セルアノード電極ガス流路直径
dvent:絞り部ガス流路直径
l:絞り部流路長
T:燃料電池温度
絞り部22の温度と燃料電池1の温度が同一と仮定すれば、絞り部22内の流速(Vvent)は、式(2)で表される。
ガスの拡散速度は、通常、濃度勾配と拡散係数の積であり、次式(6)で表される。
アノード電極出口部分からの位置を図2(A)のX軸で示す様に考えた場合に、アノード電極出口近傍における空気濃度が、図2(B)で示す様に、アノード電極出口部分からの距離に対して直線的に変化する(空気濃度勾配が直線である)と仮定する。係る仮定に従えば、アノード電極内の空気拡散距離x0(図2(B)参照)と、燃料電池アノード内水蒸気流速Vcellとの関係は、次式(7)で表現される。
式(5)、式(7)より、次式(8)が成り立つ
dcell=0.05(m)
dvent=0.003(m)
l=0.1(m)
また、アノード電極出口部分の空気拡散距離x0を5mmと仮定する(x0=0.005m)。
式(8)に対して、表1の物性値と上述した仮定を適用し、各温度において必要な水面高さhと、その際の水の流量Qを計算すると、下表2で示す様になる。
図1で示す高温作動型燃料電池システム100において、貯水タンク7の設計においては、各温度について、下表2で示す以上の水面高さhが確保出来るように、タンク7の形状や設置箇所を決定する必要がある。
2・・・燃料供給手段
3・・・空気供給手段
4・・・原燃料供給手段
5・・・給水手段/給水ポンプ
6・・・気化器
7・・・貯水タンク
8・・・蒸気パージ弁
10・・・ドレンバルブ
100・・・高温作動型燃料電池システム
Claims (2)
- 燃料電池(1)と、燃料供給手段(2)と、空気供給手段(3)とを備え、前記燃料供給手段(2)は、原燃料供給手段(4)と、その原燃料供給手段(4)と燃料電池(1)との間に配設された気化器(6)と、原燃料供給手段(4)から燃料電池(1)に連通する燃料供給管(20)と、前記気化器(6)に改質用の水を供給する給水手段(5)とを備えた高温作動型燃料電池システムにおいて、前記気化器(6)と給水手段(5)とを連通する給水管(Lw)に貯水タンク(7)を介装し、その貯水タンク(7)に水蒸気パージ弁(8)を取り付け、その水蒸気パージ弁(8)は通電時には閉鎖され非通電時には前記貯水タンク(7)内部に貯えられた水が前記気化器(6)に移動することにより、該気化器(6)において水蒸気となり、該水蒸気により燃料極流路内の燃料をパージするために、大気側に開放する構成であり、前記燃料供給管(20)の気化器(6)と燃料電池(1)との間には流速を調整するための絞り部(22)が形成されており、そして水の流量を確保できるように前記貯水タンク(7)は内部の水面が気化器(6)より上方へ高さ(h)を有する位置に配置されていることを特徴とする高温作動型燃料電池システム。
- 前記気化器(6)に対する貯水タンク(7)の水面高さ(h)は、
ρgが水蒸気の密度、ρLが水の密度、lが絞り部(22)の流路長、dventが絞り部(22)のガス流路直径、dcellがセルアノード電極ガス流路直径、νが水蒸気の動粘性係数、gが重力加速度、Dが水蒸気と空気の相互拡散係数、x0がアノード電極内空気拡散距離であるとき
h≧32(ρg/ρL)(ν・l/g)(dcell 2/dvent 4)(D/x0)
なる関係にある請求項1の高温作動型燃料電池システム。
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