JP5491284B2 - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池システムに関するものである。

近年、規模の大小にかかわらず高い効率が得られることから、燃料電池が注目されている。燃料電池は、酸素などの酸化剤ガスと水素などの燃料ガスとの化学反応を利用した電池であり、空気極と呼ばれる陽極と、燃料極と呼ばれる陰極とで電解質の層を挟んだ単セルを、並列または直列に複数重ね合わせたスタック構造を用いている。一組のセル（単セル）で得られる電気の電圧は、約１Ｖであるが、複数の単セルを重ね合わせて用いることで、所望とする電圧の供給が可能である。このような燃料電池により発電を行うシステムの一構成例を図６に示す。

図６に示す発電システムは、２台の発電モジュール１００と、この発電モジュール１００により発電された電力が供給される負荷１１０と、各発電モジュール１００に燃料ガスを供給する燃料ライン１２０と、各発電モジュール１００に窒素を供給する窒素ボンベ１３０と、各発電モジュール１００に水素ガスを供給する水素ボンベ１４０とを備えている。

ここで、発電モジュール１００は、内部の熱が外部に伝導するのを防ぐ断熱容器１０１と、この断熱容器１０１内部に設けられた改質器１０２と、断熱容器１０１内部に設けられたスタック１０３と、断熱容器１０１内部に設けられた加熱装置（図示せず）を備えている。改質器１０２は、燃料ライン１２０から供給される炭化水素等の燃料ガスを改質し、燃料ガスから水素を取り出す。スタック１０３は、複数の単セルと、各単セルを他の単セルと隔離して保持するとともに酸化剤ガスと燃料ガスを単セルに供給するセパレータとを備えており、これらを積層した構成を有する。

このような発電システムを動作させる場合、燃料ライン１２０から発電モジュール１００に炭化窒素等の燃料ガスが供給される。すると、発電モジュール１００は、その燃料ガスを改質器１０２により水素に改質してスタック１０３に供給する。スタック１０３は、改質器１０２から供給される改質ガス（水素）とコンプレッサ等（図示せず）から供給される空気等の酸化剤ガスを各単セルに供給する。このように水素と酸化剤ガスが所定の作動温度下において単セルに供給されると、燃料極と空気極とにおいて電気化学反応が発生する。このような状態で、スタック１０３の上端のセパレータと下端のセパレータとを端子として負荷１１０に接続すると、この負荷に電力が供給されることとなる。

このような発電システムでは、スタック１０３を起動時に作動温度まで昇温させたり、停止時に作動温度から降温させたりする際、単セルの劣化（再酸化）を防ぐためにスタック１０３を還元雰囲気とする必要がある。このため、従来では、発電システムの起動および停止の際に、窒素ボンベ１３０および水素ボンベ１４０から窒素に微量の水素を混合させたガスをパージガスとしてスタック１０３に供給することにより、スタック１０３を還元雰囲気とすることが行われている（例えば、非特許文献１参照。）。

田川博章、「固体酸化物燃料電池と地球環境」、アグネ承風社 、ｐｐ．２８３〜２８６、１９９８年６月発行

しかしながら、従来の燃料電池システムでは、水素ボンベ１４０が空になる度に水素ボンベ１４０を交換する必要があった。水素は高価であるとともに取扱いに注意を要するので、水素ボンベ１４０の交換にコストと手間がかかるため、水素ボンベの交換を不要とする燃料電池システムが望まれていた。

そこで、本発明は、使い勝手の良い燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法を提供することを目的とする。

上述したような課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、電解質、燃料極および空気極からなる少なくとも１つの単セルと、炭化水素ガスから水素を取り出す改質器とを有し、この改質器により取り出された水素を所定の温度下で単セルに供給することにより発電する少なくとも１つの発電モジュールと、水素を貯留し、貯留した水素を発電モジュールに供給する貯留装置とを備えたことを特徴とするものである。

上記燃料電池システムにおいて、改質器は、水素を単セルに供給し、貯留装置は、単セルにおいて発電に用いられなかった水素を貯留するようにしてもよい。

また、上記燃料電池システムにおいて、改質器は、炭化水素ガスから水素を取り出して単セルに供給する第１の改質器と、炭化水素ガスから水素を取り出して貯留装置に供給する第２の改質器とから構成されるようにしてもよい。

上記燃料電池システムにおいて、複数の発電モジュールを備え、貯留装置は、各発電モジュールで生成された水素を貯留して、各発電モジュールに水素を供給するようにしてもよい。

上記燃料電池システムにおいて、窒素ガスを発電モジュールに供給する窒素供給装置をさらに備えるようにしてもよい。

また、本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、炭化水素ガスから水素を取り出す取出ステップと、この取出ステップにより取り出された水素を用いて、電解質、燃料極および空気極からなる単セルを備えた発電モジュールで発電する発電ステップと、水素を貯留する貯留ステップと、この貯留ステップで貯留した水素を、発電モジュールの起動時または停止時に単セルに供給する供給ステップとを有することを特徴とするものである。

上記燃料電池システムの運転方法において、貯留ステップは、発電ステップで単セルの発電に用いられなかった水素を貯留するようにしてもよい。

また、上記燃料電池システムの運転方法において、貯留ステップは、取出ステップで取り出された水素を貯留するようにしてもよい。

また、上記燃料電池システムの運転方法において、発電ステップは、複数の発電モジュールで発電中に何れかの発電モジュールを停止させる場合、発電中の発電モジュールに対する燃料使用率を下げ、貯留ステップで貯留した水素を発電中の発電モジュールに供給するようにしてもよい。

本発明によれば、改質器により取り出された水素を貯留し、この貯留した水素を発電モジュールに供給する貯留装置を設けることにより、水素ボンベの交換が不要となるので、使い勝手がよい。

図１は、本発明に係る燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。 図２は、本発明に係る他の燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。 図３は、本発明に係る他の燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。 図４は、平板型固体酸化物形燃料電池における単セルの燃料利用率を示す図である。 図５は、本発明に係る他の燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。 図６は、従来の燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
まず、本発明に係る第１の実施の形態について説明する。

＜燃料電池システムの構成＞
図１に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システムは、発電モジュール１と、この発電モジュール１により発電された電力が供給される負荷２と、発電モジュール１に燃料ガスを供給する燃料ライン３と、発電モジュール１に窒素を供給する窒素ボンベ４と、発電モジュール１で未反応の改質ガスから水分を除去する水凝縮器５と、この水凝縮器５により水分が除去された改質ガスを貯留する貯留装置６とを備えている。

発電モジュール１は、内部の熱が外部に伝導するのを防ぐ断熱容器１１と、この断熱容器１１内部に設けられた改質器１２と、断熱容器１１内部に設けられたスタック１３と、断熱容器１１内部に設けられた加熱装置（図示せず）を備え、熱自立機能を有している。ここで、改質器１２は、スタック１３が発電する際に発生する熱を利用して、燃料ライン３から供給される炭化水素等の燃料ガスを改質して、燃料ガスから水素を取り出す。この取り出された水素（改質ガス）は、スタック１３に供給される。スタック１３は、複数の単セルと、各単セルを他の単セルと隔離して保持するとともに酸化剤ガスと燃料ガスを単セルに供給するセパレータとを備えており、これらを積層した構成を有する。

水凝縮器５は、公知の凝縮器から構成され、スタック１３から供給される未反応の改質ガスから水分を除去する。この水分が除去された改質ガス（水素）は、貯留装置６に送出される。

貯留装置６は、よく知られているガスタンクからなり、水凝縮器５から送出されてくる水素を貯留する。この貯留した水素は、水凝縮器５および改質器１２を介してスタック１３に供給され、燃料電池システムの起動時や停止時のプレパージガスに使用される。従来の発電システムで用いていた水素ボンベには、外部から水素が供給されないので、空になると交換しなければならない。これに対して、貯留装置６は、発電モジュール１から水凝縮器５を介して水素が供給されるので、従来の水素ボンベのような交換が不要である。

＜燃料電池システムの動作＞
次に、本実施の形態に係る燃料電池システムの動作について説明する。

発電システムを起動する場合、まず、加熱装置により発電モジュール１を昇温させるが、このときに窒素ボンベ４と貯留装置６から窒素に微量の水素を混合させたガスをパージガスとしてスタック１３に供給する。これにより、スタック１３が還元雰囲気となるので、単セルの劣化（再酸化）を防ぐことができる。なお、最初に発電システムを起動する場合には、予め貯留装置６に水素を貯留させておき、この水素をパージガスとして用いればよい。

発電モジュール１が所定の温度となると、燃料ライン３から発電モジュール１に炭化窒素等の燃料ガスを供給する。発電モジュール１は、その燃料ガスを改質器１２により水素に改質してスタック１３に供給する。スタック１３は、改質器１２から供給される改質ガス（水素）とコンプレッサ等（図示せず）から供給される空気等の酸化剤ガスを各単セルに供給する。このように水素と酸化剤ガスが所定の作動温度下において単セルに供給されると、燃料極と空気極とにおいて電気化学反応が発生する。このような状態で、スタック１３の上端のセパレータと下端のセパレータとを端子として負荷２に接続すると、この負荷に電力が供給されることとなる。

このように発電している際、改質器１２からスタック１３に供給される改質ガスのうちスタック１３で未反応の改質ガスは、このスタック１３から水凝縮器５に送出される。この水凝縮器５により水分が除去された改質ガス（水素）は、貯留装置６に送出され、この貯留装置６に貯留される。この貯留装置６に貯留された水素は、上述した起動時や後述する停止時にパージガスとして利用される。これにより、従来用いていた水素タンクのようにこの水素タンクを定期的に交換する手間が省けるので、使い勝手がよい。

発電を停止する場合、加熱装置を停止させ、燃料ガスの供給を停止させるが、このときに窒素ボンベ４と貯留装置６から窒素に微量の水素を混合させたガスをパージガスとしてスタック１３に供給する。これにより、スタック１３が還元雰囲気となるので、単セルの劣化（再酸化）を防ぐことができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、改質器１２により生成された改質ガスを貯留し、この貯留した改質ガスを発電モジュールに供給する貯留装置６を設けることにより、水素ボンベを不要とすることができる。このように、水素ボンベの交換が不要となるので、低コスト化を実現できるとともに、使い勝手を向上させることができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態に係る燃料電池システムは、第１の実施の形態で示した発電モジュールに２台の改質器を設けたものであり、その発電モジュール以外の構成は第１の実施の形態と同等である。したがって、本実施の形態において、第１の実施の形態と同等の構成要素には同じ名称および符号を付し、適宜説明を省略する。

図２に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システムは、熱自律機能を有する発電モジュール１’と、この発電モジュール１’により発電された電力が供給される負荷２と、発電モジュール１’に燃料ガスを供給する燃料ライン３と、発電モジュール１’に窒素を供給する窒素ボンベ４と、発電モジュール１’で未反応の改質ガスから水分を除去する水凝縮器５と、この水凝縮器５により水分が除去された改質ガスを貯留する貯留装置６とを備えている。

発電モジュール１’は、内部の熱が外部に伝導するのを防ぐ断熱容器１１と、この断熱容器１１内部に設けられた改質器１２ａおよび改質器１２ｂと、断熱容器１１内部に設けられたスタック１３と、断熱容器１１内部に設けられた加熱装置（図示せず）を備えている。

ここで、改質器１２ａ，１２ｂは、スタック１３が発電する際に発生する熱を利用して、燃料ライン３から供給される炭化水素等の燃料ガスを改質して水素からなる改質ガスを生成する。改質器１２ａで生成された改質ガスは、スタック１３に供給される。一方、改質器１２ｂで生成された改質ガスは、水凝縮器５に供給される。この水凝縮器５により水分が除去された改質ガスは、貯留装置６に送出されて貯留される。

このように、本実施の形態では、２台の改質器１２ａ，１２ｂを設けることにより、貯留装置６により確実に改質ガスを貯留することができる。また、改質ガスがスタック１３を経ずに貯留装置６に送出されるので、スタック１３における改質ガスの反応生成物等が貯留装置６に混入するのを防ぐことができ、水素以外の不純物が少ない改質ガスを貯留装置６に貯留することができる。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態に係る燃料電池システムは、第１の実施の形態で示した発電モジュールを１０台設けたものであり、これ以外の構成は第１の実施の形態と同等である。したがって、本実施の形態において、第１の実施の形態と同等の構成要素には同じ名称および符号を付し、適宜説明を省略する。

図３に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システムは、互いに電気的に並列に接続されそれぞれ同等の構成を有する１０台の発電モジュール１ａ〜１ｊと、この発電モジュール１ａ〜１ｊにより発電された電力が供給される負荷２と、各発電モジュール１ａ〜１ｊに燃料ガスを供給する燃料ライン３と、各発電モジュール１ａ〜１ｎに窒素を供給する窒素ボンベ４と、発電モジュール１ａ〜１ｊで未反応の改質ガスから水分を除去する水凝縮器５と、この水凝縮器５により水分が除去された改質ガスを貯留する貯留装置６とを備えている。

このように発電モジュールを複数設けた場合であっても、上述した第１の実施の形態と同等の作用効果を実現することができる。

また、複数の発電モジュール１ａ〜１ｊを備えることにより、運転中に故障が発生したり点検が必要になったりして発電モジュールを交換しなければならない場合であっても、この発電モジュール以外の発電モジュールにより負荷２に供給する電力を維持することが可能となる。この原理について、図４を参照して説明する。

図４は、平板型固体酸化物形燃料電池における単セルの燃料利用率の測定結果である。ここで、燃料利用率とは、供給した燃料量のうち実際の発電反応に利用された燃料量の割合を示すものである。この図４からわかるように、燃料利用率を８５％から３４％に引き下げると、単セルの出力を１．１１倍に引き上げることができる。このように電池モジュールの燃料利用率を下げると発電出力が上がるので、貯留装置６に貯留したガスを添加して燃料供給を増して１セル当たりの燃料利用率を引き下げることにより、負荷への電力供給を保つことができる。例えば、通常は燃料利用率８５％で稼働している燃料電池システムの１０台中１台の発電モジュールがダウンしても、貯留装置６に貯留されたガスを用いて、残り９台の発電モジュールの燃料利用率を一時的に３４％に引き下げることにより、燃料ガスの消費流量を増やすことなく負荷２に供給する電力を維持することができる。

このように、本実施の形態によれば、複数の発電モジュール１ａ〜１ｊを並列に接続することにより、１台の発電モジュールが動作停止しても、燃料ガスの供給を増やすことなく、すなわちシステム効率を下げることなく、システム全体の出力を一時的に保つことができる。これにより、故障に備えて余分な発電モジュールや二次電池を設けなくてもよくなる。

なお、図４に示す燃料利用率３４％は、実験結果により得られる実現可能な制御範囲内であり、これ以上発電モジュールを増やすと燃料利用率の制御のみでは出力を保つのが困難になる。したがって、発電モジュールの数量は１０台以下であることが望ましい。

また、本実施の形態において、１つの発電モジュールの出力規模は、断熱容器１１の断熱性能、燃焼器の不要性などを考慮すると１．５ｋＷ以上であることが望ましい。すなわち、１．５ｋＷ級の発電モジュール（改質機能を備えない）を断熱容器で覆い発電運転試験を行ったところ、定格８００℃のスタック内温度が８８０℃となった。このように、発電モジュールの出力規模が大きくなると、ガス改質に必要な熱を自身の発熱により補うことができ、さらに出力規模が大きくなると自身の発電能力以上のガスを改質する分の熱が発生するので、１つの発電モジュールの出力規模は１．５ｋＷ以上が望ましい。

また、本実施の形態では、発電モジュール１ａ〜１ｊが第１の実施の形態で説明した発電モジュール１と同等の構成を有する場合を例に説明したが、その発電モジュール１ａ〜１ｊは第２の実施の形態で説明した発電モジュール１’と同等の構成を有するようにしてもよいことは言うまでもない。

また、本実施の形態や上述した第１，第２の実施の形態において、改質ガスには水素のみならず一酸化炭素や水も含まれる場合があり、このような改質ガスが貯留装置６に貯留されることがある。そこで、貯留装置６に純水素のみが貯留されるよう、図５に示すように、図３で示した本実施の形態に係る燃料電池システムに一酸化炭素を削除するためのＰＳＡ（Pressure Swing Absorption）７をさらに設けるようにしてもよい。これにより、貯留装置６には純水素のみが貯留されることとなる。この純水素は、改質ガスよりも水素濃度が高いので、スタックに供給したときに貯留ガスよりも高出力を得ることができる。したがって、ＰＳＡ７を設けた場合には、ＰＳＡ７を設けない場合よりも貯留装置６への貯留量を少なくしても、ＰＳＡ７を設けない場合と同等またはそれ以上の出力を実現することができる。

本発明は、燃料電池システムに利用することができる。

１，１’，１ａ〜１ｊ…発電モジュール、２…負荷、３…燃料ライン、４…窒素ボンベ、５…水凝縮器、６…貯留装置、７…ＰＳＡ、１１…断熱容器、１２，１２ａ，１２ｂ…改質器、１３…スタック。

Claims (6)

1. 電解質、燃料極および空気極からなる少なくとも１つの単セルと、炭化水素ガスから水素を取り出す改質器とを有し、この改質器により取り出された前記水素を所定の温度下で前記単セルに供給することにより発電する少なくとも１つの発電モジュールと、
   前記水素を貯留し、貯留した前記水素を前記発電モジュールに供給する貯留装置と
   を備え、
   前記改質器は、
   前記炭化水素ガスから前記水素を取り出して前記単セルに供給する第１の改質器と、
   前記炭化水素ガスから前記水素を取り出して前記貯留装置に供給する第２の改質器と から構成されることを特徴とする燃料電池システム。
2. 複数の前記発電モジュールを備え、
   前記貯留装置は、各前記発電モジュールで生成された前記水素を貯留して、各前記発電モジュールに前記水素を供給する
   ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 窒素ガスを前記発電モジュールに供給する窒素供給装置をさらに備える
   ことを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
4. 炭化水素ガスから水素を取り出す取出ステップと、
   この取出ステップにより取り出された前記水素を用いて、電解質、燃料極および空気極からなる単セルを備えた発電モジュールで発電する発電ステップと、
   前記水素を貯留する貯留ステップと、
   この貯留ステップで貯留した前記水素を、前記発電モジュールの起動時または停止時に前記単セルに供給する供給ステップと
   を有し、
   前記発電ステップは、
   複数の前記発電モジュールで発電中に何れかの前記発電モジュールを停止させる場合、発電中の前記発電モジュールに対する燃料使用率を下げ、前記貯留ステップで貯留した前記水素を発電中の前記発電モジュールに供給する
   ことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
5. 前記貯留ステップは、前記発電ステップで前記単セルの発電に用いられなかった前記水素を貯留する
   ことを特徴とする請求項４記載の燃料電池システムの運転方法。
6. 前記貯留ステップは、前記取出ステップで取り出された前記水素を貯留する
   ことを特徴とする請求項４記載の燃料電池システムの運転方法。

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