JP5327693B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
燃料給排部において、新鮮な燃料ガスは、水タンク21(凝縮器12で除去された水を貯水)より水ポンプ22で所定水量を供給して再生蒸発器19が再生した水蒸気と混合される。次いで、新鮮な燃料ガスは、燃料改質器で約20〜50%の炭化水素が水蒸気と改質反応され、水素と一酸化炭素の燃料ガス濃度を増して燃料供給口1より発電室8に供給される。またリサイクル燃料ガスは、リサイクル燃料送風機13(送風機はモーター駆動による消費電力を少なくできることから低温部に形成することが好ましい。)が駆動され、燃料極オフガス取出口3より第1熱交換器10で冷却(例えば、約700から400℃)後、COシフト反応器11で一酸化炭素の濃度を低減(例えば、1%以下)し、凝縮器12で凝縮冷却(例えば、水分を5%以下に除去、約300から100℃)してリサイクル燃料送風機13より流量分配制御部14に導入される。次いで、流量分配制御部14により燃料電池スタック6に備えられた燃料電池セルの燃料極表面で炭化水素と内部改質する際の改質ガスとして水蒸気を補足する二酸化炭素の量(例えば、発電室8の燃料供給口1とリサイクル燃料供給口2の合計における組成中の二酸化炭素カーボンのモル比:二酸化炭素/炭素を1〜3なるように補足)を基準にして分配前後のガス温度と圧力の演算値を元にリサイクル燃料バイパスライン15に分配され、リサイクル燃料供給口2より発電室8に供給される。また排燃料ガスは、流量分配制御部14よりリサイクル燃料バイパスライン15に供給された残りが燃料排出ライン16に分配される。この燃料排出ライン16より燃焼器17に供給され、排燃料ガスと排空気が燃焼して燃焼ガスを生成される。この燃焼ガスは、燃料改質器18と再生蒸発器19を経由してそれぞれを加熱制御(例えば、燃料改質器の表面温度を改質触媒温度としたとき、燃料触媒温度は約300〜600℃に制御される。また再生蒸発器の内部温度は、約150〜300℃に制御される。)し、燃料電池本体や給湯器などの補機の保温に熱利用された後、排ガスとして放出される。
空気給排部において、新鮮な空気は、空気供給送風機27が駆動され、この送風機から第2熱交換器25と第1熱交換器10を経由してそれぞれで加熱され、さらに空気供給管7を介して加熱しながら、発電室8の燃料電池スタック6に備えられた燃料電池セルに供給される。また排空気は、第2熱交換器24で冷却された後、空気排出ライン28より燃焼器17に供給される。このとき、排空気は燃焼器17の温度制御をするため、流量制御バルブ25にて新鮮な空気供給可能な構成となっている。
発電室内部では、新鮮な燃料ガスとリサイクル燃料ガスが発電室8における燃料電池スタック6に備えられた燃料電池セルの燃料極表面に、また新鮮な空気が空気供給管7より発電室8における燃料電池スタック6に備えられた燃料電池セルの先端より空気極表面に、それぞれ供給されると、電解質の両側で電気化学反応が起こり、電力と熱と水を発生する。この反応は水の電気化学反応の逆反応である。反応済みの燃料極オフガスは燃料極オフガス取出口3、反応済みの空気極オフガスは空気極オフガス取出口4より、それぞれ排出される。
CH4+H2O⇒CO+3H2 a
CH4+CO2⇒2CO+2H2 b
H2O+CO⇔CO2+H2 c
H2+1/2O2⇒H2O d
このとき、燃料極オフガス中の水分が一部または全量を除去された状態で流量分配制御部により、リサイクル燃料バイパスライン15と燃料排出ライン16に分配され、発電室8と燃焼器17にそれぞれ供給される。リサイクル燃料バイパスラインから発電室に供給される燃料極オフガスは、このガス中の二酸化炭素を発電室の内部における燃料電池の燃料極表面で燃料ガスを改質反応させる反応ガスとして利用できるため、燃料改質器を経由して新鮮な燃料ガスと改質反応させる水蒸気の供給量を低減して燃料改質器の温度維持に必要な熱量を少なくできる。また、燃料排出ラインから燃焼器に供給される燃料極オフガスは、生成する燃焼ガスの水蒸気潜熱による熱ロスを低減して少ない燃料で燃料改質器を加熱でき、燃料電池システム中への二酸化炭素の蓄積を抑制できる。さらに、この燃料電池システムでは、二酸化炭素を除去するガス調整器のような複雑な保守管理(水溶液の交換、排出物の取り出し、ガスを分離する水溶液の循環など)が不要である。その結果、リサイクル可能な燃料を増やすことができるため、燃料電池システムは高燃料利用率で高い発電効率で運転でき、簡易な保守で管理できる。したがって、実用的で地球環境にやさしい優れた燃料電池システムを提供できる。
燃料給排部において、新鮮な燃料ガスは、凝縮器12で所定量の水蒸気を除去したリサイクル燃料ガスと燃料改質器18に供給される前に混合される。この混合ガスは、燃料改質器で炭化水素の約20〜50%が水蒸気と改質反応をして水素と一酸化炭素の燃料ガス濃度を増して燃料供給口29より発電室8に供給される。またリサイクル燃料ガスは、リサイクル燃料送風機13が駆動され、燃料極オフガス取出口3より第1熱交換器10で冷却(例えば、約700から400℃)後、凝縮器12で凝縮冷却(例えば、水分を40%除去、約300から150℃)してリサイクル燃料送風機13より流量分配制御部14に導入される。次いで、流量分配制御部14により燃料電池スタック6に備えられた燃料電池セルの燃料極表面で炭化水素と内部改質する際の改質ガスとして水蒸気を補足する二酸化炭素の量および燃料改質器に必要な水蒸気量を基準にしてリサイクル燃料バイパスライン29とリサイクル燃料改質ライン32に分配され、リサイクル燃料供給口30より燃料供給ライン33を通じて発電室8に供給される。また排燃料ガスは、流量分配制御部14より残りの燃料極オフガスが燃料排出ライン16に分配される。この燃料排出ライン16より燃焼器17に供給され、排燃料ガスと排空気が燃焼して燃焼ガスを生成される。この燃焼ガスは、燃料改質器18を加熱制御し、燃料電池本体や給湯器などの補機の保温に熱利用された後、排ガスとして放出される。
2、30…リサイクル燃料供給口
3…燃料極オフガス取出口
4…空気極オフガス取出口
5…燃料電池容器
6…燃料電池スタック
7…空気供給管
8…発電室
9…ガスシール部
10…第1熱交換器
11…COシフト反応器
12…凝縮器
13…リサイクル燃料送風機
14…流量分配制御部
15、31…リサイクル燃料バイパスライン
16…燃料排出ライン
17…燃焼器
18…燃料改質器
19…再生蒸発器
20…排ガスライン
21…水タンク
22…水ポンプ
23…水蒸気供給ライン
24、33…燃料供給ライン
25…第2熱交換器
26…流量制御バルブ
27…空気供給送風機
28…空気排出ライン
32…リサイクル燃料改質ライン
Claims (3)
- 複数の固体酸化物形燃料電池セルからなる燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックを内包する燃料電池容器と、を備えた固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記燃料電池容器に設けられ、前記燃料電池システムの外部から新鮮な燃料ガスを前記燃料電池容器内に流入させる燃料供給口と、
前記燃料電池スタックから排出される燃料極オフガスを前記燃料電池スタックに循環させるリサイクル燃料ラインと、
前記燃料電池容器に設けられ、前記リサイクル燃料ラインから前記燃料極オフガスを前記燃料電池容器内に流入させるリサイクル燃料供給口と、
前記リサイクル燃料ラインに設けられ、前記燃料極オフガスに含まれる水蒸気を脱湿する凝縮器と、
前記凝縮器の下流に配置され、前記燃料極オフガスを分配する分配部と、
前記分配部により前記リサイクル燃料ラインから分岐する燃料排出ラインに設けられ、分配された前記燃料極オフガスを燃焼する燃焼器と、
前記燃焼器の熱により前記燃料電池スタックに供給される燃料の改質を行う燃料改質器を備え、
前記燃料供給口から流入するガスと前記リサイクル燃料供給口から流入するガスとが含有する合計の二酸化炭素の量と炭素の量を基準にして二酸化炭素:二酸化炭素以外の、炭素を含む全ての化合物のモル比が1≦二酸化炭素/炭素≦3となるよう、前記燃料極オフガスを前記リサイクル燃料ラインと前記燃料排出ラインとに分配することを特徴とする燃料電池システム。 - 複数の固体酸化物形燃料電池セルからなる燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックを内包する燃料電池容器と、を備えた固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記燃料電池容器に設けられ、前記燃料電池システムの外部から新鮮な燃料ガスを前記燃料電池容器内に流入させる燃料供給口と、
前記燃料電池スタックから排出される燃料極オフガスを、前記燃料供給口を介して前記燃料電池スタックに循環させるリサイクル燃料ラインと、
前記リサイクル燃料ラインに設けられ、前記燃料極オフガスに含まれる水蒸気を脱湿する凝縮器と、
前記凝縮器の下流に配置され、前記燃料極オフガスを分配する分配部と、
前記分配部により前記リサイクル燃料ラインから分岐する燃料排出ラインに設けられ、分配された前記燃料極オフガスを燃焼する燃焼器と、
前記燃焼器の熱により前記燃料電池スタックに供給される燃料の改質を行う燃料改質器を備え、
前記燃料供給口から流入するガスが含有する二酸化炭素の量と炭素の量を基準にして二酸化炭素:二酸化炭素以外の、炭素を含む全ての化合物のモル比が1≦二酸化炭素/炭素≦3となるよう、前記燃料極オフガスを前記リサイクル燃料ラインと前記燃料排出ラインとに分配することを特徴とする燃料電池システム。 - 前記改質器は前記リサイクル燃料ラインに配置されていることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。
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