JP5366801B2 - 燃料電池システム、及び燃料電池システムの運転方法 - Google Patents
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- Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
- Y02P20/10—Process efficiency
Description
燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
原料から水素を含む前記燃料ガスを生成する燃料ガス生成器と、
前記燃料ガス生成器から前記燃料電池に前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路と、
前記燃料ガス生成器を加熱する燃焼器と、
前記発電に用いられなかった前記燃料ガスを前記燃料電池から前記燃焼器へ供給するためのオフガス経路と、
前記燃料ガス生成器より送出される前記燃料ガスを前記燃料電池をバイパスして前記燃焼器に供給するよう前記燃料ガス供給路と前記オフガス経路とを接続するバイパス経路と、前記燃料ガス生成器から送出される前記燃料ガスが前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに供給される流量を制御するための流量制御器と、制御器とを備え、
前記燃料電池の内部には、前記燃料ガス生成器から前記燃料電池へ前記燃料ガスの供給を開始する前に、前記原料が充填されており、
前記制御器は、前記燃料ガス生成器から前記燃料電池への前記燃料ガスの供給を開始する際に、前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに前記燃料ガスが分流されるよう前記流量制御器を制御する、燃料電池システムである。
前記制御器は、前記燃料ガス生成器から前記燃料電池への前記燃料ガスの供給が開始されてから所定時間経過後、前記バイパス経路側への前記燃料ガスの分流が停止され、前記燃料ガス生成器より送出される前記燃料ガスが、前記燃料電池にのみ供給されるよう前記流量制御器を制御する、第1の本発明の燃料電池システムである。
前記所定時間は、前記燃料電池内に充填されている前記原料が前記燃料電池から掃気されるために必要な時間以上である、第2の本発明の燃料電池システムである。
前記燃料電池の電圧を検知する電圧検知器を備え、
前記所定時間は、前記燃料ガス生成器から前記燃料電池への前記燃料ガスの供給を開始した後、前記電圧検知器によって検知される電圧が、所定の閾値以上になるまでの時間である、第2の本発明の燃料電池システムである。
前記制御器は、前記燃料ガス生成器から前記燃料電池への前記燃料ガスの供給を開始する前、前記燃料ガスが、前記バイパス経路を通って前記燃焼器にて燃焼されるよう前記流量制御器を制御する、第1の本発明の燃料電池システムである。
前記流量制御器は、前記燃料ガス供給路から前記バイパス経路への分岐部と前記燃料電池との間の前記燃料ガス供給路上に配置された第1の流量制御器と、
前記オフガス経路への前記バイパス経路の合流部と前記燃料電池との間の前記オフガス経路上に配置された第2の流量制御器とを備え、
前記制御器は、前記燃料ガス生成器から前記燃料電池への前記燃料ガスの供給を開始する際に、前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに前記燃料ガスを分流するように、前記第1の流量制御器及び前記第2の流量制御器を制御する、第1乃至5のいずれかの本発明の燃料電池システムである。
前記流量制御器は、
前記燃料ガス生成器より送出される前記燃料ガスを前記燃料電池及び前記バイパス流路のそれぞれに分流する比率を調整するために、前記燃料ガス流路の前記バイパス流路への分岐部に配置された分配器を備え、
前記制御器は、前記燃料ガス生成器から前記燃料電池への前記燃料ガスの供給を開始する際に、前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに前記燃料ガスが分流されるよう前記分配器を制御する、第1乃至5のいずれかの本発明の燃料電池システムである。
前記流量制御器は、
前記バイパス経路を流れる前記燃料ガスと前記オフガス経路を流れる前記発電に用いられなかった余剰の前記燃料ガスの混合比率を調整するために、前記バイパス経路の前記オフガス経路への合流部に配置された混合器を備え、
前記制御器は、前記燃料ガス生成器から前記燃料電池への前記燃料ガスの供給を開始する際に、前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに前記燃料ガスが分流されるように前記混合器を制御する、第1乃至5のいずれかの本発明の燃料電池システムである。
前記第1の流量制御器及び第2の流量制御器が、開閉弁であり、前記燃料ガス生成器から前記燃料電池への前記燃料ガスの供給を開始する際に、前記制御器が、前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに前記燃料ガスを分流させるよう前記開閉弁のいずれも開にした場合に、前記燃焼器における空気比が1以上を満たすように、前記燃料ガス供給路、前記オフガス経路、前記バイパス経路、及び前記燃料電池の流路抵抗が予め設定されている、第6の本発明の燃料電池システムである。
前記制御器は、前記燃焼器における空気比が1以上になるように、前記分配器を制御して前記分流比率を調節する、第7の本発明の燃料電池システムである。
前記制御器は、前記燃焼器における空気比が1以上になるように、前記混合器を制御して前記混合比率を調節する、第8の本発明の燃料電池システムである。
前記原料は、炭化水素ガスである、第1乃至11のいずれかの本発明の燃料電池システムである。
前記原料を供給するための原料供給器を備え、
前記制御器は、停止動作又は起動動作時又は停止中に、前記原料供給器から前記燃料電池に前記原料を供給することにより前記燃料電池の内部が前記原料により充填されるように制御する、第1乃至12のいずれかの本発明の燃料電池システムである。
前記原料を前記燃料ガス生成器に供給する原料供給器を備え、
前記制御器は、前記燃料電池が発電を停止している間に前記原料供給器を用いて前記燃料電池の内部に前記原料を充填し、その後、前記燃料ガスの分流の制御を行う、燃料電池システムである。
燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
改質反応により原料から水素を含む前記燃料ガスを生成する燃料ガス生成器と、
前記燃料ガス生成器から前記燃料電池に前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路と、
前記燃料ガス生成器を加熱する燃焼器と、
前記発電に用いられなかった前記燃料ガスを前記燃料電池から前記燃焼器へ供給するためのオフガス経路と、
前記燃料ガス供給路の途中と前記オフガス経路の途中を接続するバイパス経路とを備えた燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池の内部には、前記燃料ガス生成器から前記燃料電池へ前記燃料ガスの供給を開始する前に、前記原料が充填されており、
前記燃料ガス生成器から前記燃料電池への前記燃料ガスの供給を前記燃料ガス供給路を通じて開始する際に、前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに前記燃料ガスを分流する分流工程を含む、燃料電池システムの運転方法である。
図1は、本発明の実施の形態1に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。尚、図1において、燃料電池システムを構成する各構成要素の間の実線は、水や燃料ガス、酸化剤ガス、電気信号等が流れる経路を示している。又、それらの実線上に記される矢印は、水や燃料ガスまたは酸化剤ガス等の流れる流動方向を示している。又、図1では、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを示しており、それ以外の構成要素については図示を省略している。
H4+2H2O → CO2+4H2 ・・・(1)
ここで、原料供給器11から燃料ガス生成器2に供給される天然ガスの供給量を便宜上Q(L/分)とすると、式(1)に示す化学反応によれば、燃料ガス生成器2の改質部で生成される水素量は4Q(L/分)となり、燃焼バーナ2aに燃料ガス経路Aを介して同量の水素が供給される。
4H2+2O2 → 4H2O ・・・(2)
ここで、空気中の酸素濃度を20%とすると、理論上、10Q(L/分)の割合で空気を供給する必要がある。しかし一方で燃焼バーナ2aへの空気供給量がちょうど10Q(L/分)(酸素供給量2Q(L/分))であると、燃焼バーナ2aの特性上、不完全燃焼になることが多い。このため、本実施の形態1では、空気比を1.5に設定し、燃焼バーナ2aへの空気供給量を15Q(L/分)(酸素濃度を20%としたとき酸素供給量3Q(L/分))とし、燃焼バーナ2aでの燃焼安定性が確保されている。
5CH4+10O2 → 5CO2+10H2O ・・・(3)
又、予め充填されている天然ガス中のメタン濃度は約90%であるため、押し出された天然ガスの量5Q(L/分)は、メタンの体積5Qと概ね等しいとして計算することが出来る。
4nQ H2+2n QO2 → 4nQ H2O・・・(4)
5(1−n)Q CH4 +10(1−n)Q O2
→ 5(1−n)Q CO2 +10(1−n) H2O ・・・(5)
さらに燃焼バーナ2aでの燃焼安定性を確保するために、例えば空気比1.2と設定すると、6(10−8n)Q(L/分)(酸素供給量1.2(10−8n)Q(L/分))の空気供給量が必要となる。
T≧V/5(1−n)Q ・・・(6)
次に、上述のように、燃焼バーナ2aでの燃焼安定性を確保するための空気比を1.2に設定した理由を説明する。
5α(10−8n)Q≦15Q ・・・(7)
空気比αを1.5に近い値に設定すると燃焼バーナ2aでの燃焼安定性をさらに向上することができるが、式(7)よりnが1に近くなるため、式(6)で示す「所定時間」T(分)が長くなる。一方、逆に空気比を1.0に近くすると不完全燃焼の可能性が高くなる。そのため、空気比αが1.2という値に設定されている。
以下に、本発明にかかる実施の形態2における燃料電池システムについて説明する。
以下に、本発明にかかる実施の形態3における燃料電池システムについて説明する。
図7は、本発明の実施の形態4に係る燃料電池システム400の構成を模式的に示したブロック図である。図7において図1と同一又は相当する構成要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
図8は本発明の実施の形態4の変形例1に係る燃料電池システムの構成を模式的に示したブロック図である。
図9は本発明の実施の形態4の変形例2に係る燃料電池システムの構成を模式的に示したブロック図である。
なお、実施の形態2及び3においても、上記変形例1又は2と同様に、それぞれ、可燃ガス検知25又は電圧検知器6を設け、これらの検知出力に基づいて、制御器101が分配器12の弁開度又は混合器13の弁開度を制御して分流比率を調整するようにしてもよいことは言うまでもない。
1a 燃料ガス用流路
1b 酸化剤ガス用流路
2 燃料ガス生成器
2a 燃焼バーナ
2b 燃焼ファン
3 ブロワ
4 熱交換器
5 貯湯タンク
6a、6b ポンプ
7、8、9、10 開閉弁
11 原料供給器
12 分配器
13 混合器
14,15 流量調整弁
22 燃料ガス供給路
23 オフガス経路
24 バイパス経路
25 可燃ガス検知器
26 電圧検知器
27 電気出力端子
28 排燃焼ガス経路
100、200、300、400 燃料電池システム
101 制御器
R1 第1経路
R2 第2経路
R3 第3経路
R4 第4経路
R5 第5経路
A 第1の燃料ガス経路
B 第2の燃料ガス経路
Claims (7)
- 燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
原料から水素を含む前記燃料ガスを生成する燃料ガス生成器と、
前記燃料ガス生成器から前記燃料電池に前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路と、
前記燃料ガス生成器を加熱する燃焼器と、
前記燃焼器に空気を供給する燃焼ファンと、
前記発電に用いられなかった前記燃料ガスを前記燃料電池から前記燃焼器へ供給するためのオフガス経路と、
前記燃料ガス生成器より送出される前記燃料ガスを前記燃料電池をバイパスして前記燃焼器に供給するよう前記燃料ガス供給路と前記オフガス経路とを接続するバイパス経路と、
前記燃料ガス生成器から送出される前記燃料ガスが前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに供給される流量を制御するための流量制御器と、
前記バイパス経路にのみに供給されている前記燃料ガス生成器からの前記燃料ガスを前記原料が充填された前記燃料電池へ供給開始する際に、前記流量制御器を制御して、前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに前記燃料ガスが分流させる分流工程を行う制御器とを備え、
前記分流工程前後での前記燃焼ファンの空気供給量が一定のままで、前記分流工程における前記燃焼器の空気比が1以上になるような比率で、前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに前記燃料ガスが分流するように、前記バイパス経路に分岐する分岐部よりも上流の前記燃料ガス供給路、前記バイパス経路、及び前記バイパス経路との合流部よりも下流の前記オフガス経路から構成される燃料ガス経路Aと前記燃料ガス供給路、前記燃料電池内の燃料ガス用流路、及び前記オフガス経路から構成される燃料ガス経路Bとの流路抵抗が予め設定されている、燃料電池システム。 - 前記制御器は、前記分流工程開始後、前記燃料電池内に充填されている前記原料が前記燃料電池から掃気されてから前記分流工程を停止し、前記燃料ガス生成器より送出される前記燃料ガスが、前記燃料電池のみに供給されるよう前記流量制御器を制御する、請求項1記載の燃料電池システム。
- 前記制御器は、前記分流工程開始後、前記燃料電池内に充填されている前記原料が前記燃料電池から掃気されるために必要な時間が経過してから前記分流工程を停止し、前記燃料ガス生成器より送出される前記燃料ガスが、前記燃料電池のみに供給されるよう前記流量制御器を制御する、請求項2記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池の電圧を検知する電圧検知器を備え、
前記制御器は、前記分流工程開始後、前記電圧検知器によって検知される電圧が所定の閾値以上になってから前記分流工程を停止し、前記燃料ガス生成器より送出される前記燃料ガスが、前記燃料電池のみに供給されるよう前記流量制御器を制御する、請求項2記載の燃料電池システム。 - 燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
原料から水素を含む前記燃料ガスを生成する燃料ガス生成器と、
前記燃料ガス生成器から前記燃料電池に前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路と、
前記燃料ガス生成器を加熱する燃焼器と、
前記燃焼器に空気を供給する燃焼ファンと、
前記発電に用いられなかった前記燃料ガスを前記燃料電池から前記燃焼器へ供給するためのオフガス経路と、
前記燃料ガス生成器より送出される前記燃料ガスを前記燃料電池をバイパスして前記燃焼器に供給するよう前記燃料ガス供給路と前記オフガス経路とを接続するバイパス経路と、
前記燃料ガス生成器から送出される前記燃料ガスが前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに供給される流量を制御するための流量制御器と、
前記バイパス経路にのみに供給されている前記燃料ガス生成器からの前記燃料ガスを前記燃料電池へ供給開始する際に、前記流量制御器を制御して、前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに前記燃料ガスが分流させる分流工程を行う制御器と、を備え、
前記流量制御器は、
前記燃料ガス生成器より送出される前記燃料ガスを前記燃料電池及び前記バイパス流路のそれぞれに分流する比率を調整するために、前記燃料ガス流路の前記バイパス流路への分岐部に配置された分配器を備え、
前記制御器は、前記燃料ガス生成器から前記燃料電池への前記燃料ガスの供給を開始する際に、前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに前記燃料ガスが分流されるよう前記分配器を制御し、前記分流工程前後での前記燃焼ファンの空気供給量が一定のままで、前記燃焼器における空気比が1以上になるように、前記分配器を制御して前記比率を調節する、燃料電池システム。 - 燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
原料から水素を含む前記燃料ガスを生成する燃料ガス生成器と、
前記燃料ガス生成器から前記燃料電池に前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路と、
前記燃料ガス生成器を加熱する燃焼器と、
前記燃焼器に空気を供給する燃焼ファンと、
前記発電に用いられなかった前記燃料ガスを前記燃料電池から前記燃焼器へ供給するためのオフガス経路と、
前記燃料ガス生成器より送出される前記燃料ガスを前記燃料電池をバイパスして前記燃焼器に供給するよう前記燃料ガス供給路と前記オフガス経路とを接続するバイパス経路と、
前記燃料ガス生成器から送出される前記燃料ガスが前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに供給される流量を制御するための流量制御器と、
前記バイパス経路にのみに供給されている前記燃料ガス生成器からの前記燃料ガスを前記燃料電池へ供給開始する際に、前記流量制御器を制御して、前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに前記燃料ガスが分流させる分流工程を行う制御器と、を備え、
前記流量制御器は、
前記バイパス経路を流れる前記燃料ガスと前記オフガス経路を流れる前記発電に用いられなかった余剰の前記燃料ガスの混合比率を調整するために、前記バイパス経路の前記オフガス経路への合流部に配置された混合器を備え、
前記制御器は、前記燃料ガス生成器から前記燃料電池への前記燃料ガスの供給を開始する際に、前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに前記燃料ガスが分流されるように前記混合器を制御し、前記分流工程前後での前記燃焼ファンの空気供給量が一定のままで、前記燃焼器における空気比が1以上になるように、前記混合器を制御して前記比率を調節する、燃料電池システム。 - 燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
原料から水素を含む前記燃料ガスを生成する燃料ガス生成器と、
前記燃料ガス生成器から前記燃料電池に前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路と、
前記燃料ガス生成器を加熱する燃焼器と、
前記燃焼器に空気を供給する燃焼ファンと、
前記発電に用いられなかった前記燃料ガスを前記燃料電池から前記燃焼器へ供給するためのオフガス経路と、
前記燃料ガス生成器より送出される前記燃料ガスを前記燃料電池をバイパスして前記燃焼器に供給するよう前記燃料ガス供給路と前記オフガス経路とを接続するバイパス経路と、
前記燃料ガス生成器から送出される前記燃料ガスが前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに供給される流量を制御するための流量制御器と、
前記バイパス経路にのみに供給されている前記燃料ガス生成器からの前記燃料ガスを前記燃料電池へ供給開始する際に、前記流量制御器を制御して、前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに前記燃料ガスが分流させる分流工程を行う制御器と、
前記原料を前記燃料ガス生成器に供給する原料供給器と、を備え、
前記制御器は、前記燃料電池が発電を停止している間に前記原料供給器を用いて前記燃料電池の内部に前記原料を充填し、その後、前記燃料ガス生成器から前記燃料電池への前記燃料ガスの供給を開始する際に、前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに前記燃料ガスが分流されるように前記流量制御器を制御し、前記分流工程前後での前記燃焼ファンの空気供給量が一定のままで、前記燃焼器における空気比が1以上になるように、前記流量制御器を制御して、前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに分流される前記燃料ガスの流量を調整する、燃料電池システム。
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