JP5738319B2 - 燃料電池システム - Google Patents

燃料電池システム Download PDF

Info

Publication number
JP5738319B2
JP5738319B2 JP2012551023A JP2012551023A JP5738319B2 JP 5738319 B2 JP5738319 B2 JP 5738319B2 JP 2012551023 A JP2012551023 A JP 2012551023A JP 2012551023 A JP2012551023 A JP 2012551023A JP 5738319 B2 JP5738319 B2 JP 5738319B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
heat
unit
fuel cell
water
supply unit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2012551023A
Other languages
English (en)
Other versions
JPWO2012091063A1 (ja
Inventor
暁 山本
暁 山本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Eneos Corp
Original Assignee
JXTG Nippon Oil and Energy Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by JXTG Nippon Oil and Energy Corp filed Critical JXTG Nippon Oil and Energy Corp
Priority to JP2012551023A priority Critical patent/JP5738319B2/ja
Publication of JPWO2012091063A1 publication Critical patent/JPWO2012091063A1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP5738319B2 publication Critical patent/JP5738319B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04225—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during start-up
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H01M8/04022—Heating by combustion
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04373—Temperature; Ambient temperature of auxiliary devices, e.g. reformers, compressors, burners
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • H01M8/04738—Temperature of auxiliary devices, e.g. reformer, compressor, burner
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/2425—High-temperature cells with solid electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/244—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes with matrix-supported molten electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0618—Reforming processes, e.g. autothermal, partial oxidation or steam reforming
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。
従来の燃料電池システムとしては、例えば特許文献１に記載されているように、水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックを含むシステム本体と、熱需要に対する不足熱量を熱供給するためのバックアップボイラ（バックアップバーナ：熱供給部）と、を備えたものが知られている。このような燃料電池システムでは、水蒸気を用いて水素含有燃料を改質し水素含有ガスを生成する水素発生部（改質器）と、水蒸気を生成し水素発生部に供給する水気化部（水気化器）と、がシステム本体内に設けられている。
特開２００４−１６４８６８号公報
ここで、上述したような燃料電池システムでは、通常、燃焼部（例えば、オフガス燃焼部等）によって水気化部を加熱し、水蒸気を生成するための熱を水気化部に熱供給することが図られている。しかし、この場合、例えば他の部位（改質器、断熱材等）との構成上の位置関係や、他の部位による吸熱等によって、水気化部に十分に熱供給することが困難になるおそれがある。
また、例えば起動時には、セルスタックを保護する目的から、セルスタックに水素含有ガスを早期に（セル温度が低温のうちに）供給する必要がある。よって、起動時においては、水蒸気を早期に発生させるため、水気化部に十分に熱供給することが特に望まれる。
そこで、本発明は、水気化部に十分に熱供給することができる燃料電池システムを提供することを課題とする。
上記課題を解決するため、本発明の一側面に係る燃料電池システムは、水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックを含むシステム本体と、熱媒体を流通させて熱回収する熱回収系と、熱需要に応じて熱量を熱媒体に熱供給するための熱供給部と、を具備する燃料電池システムであって、システム本体内に設けられ、水蒸気を用いて水素含有燃料を改質し水素含有ガスを生成する水素発生部と、システム本体内に設けられ、水蒸気を生成し水素発生部に供給する水気化部と、熱供給部から排出される燃焼ガスを流通させる燃焼ガス流路と、を備え、燃焼ガス流路は、燃焼ガスによって水気化部が加熱されるよう当該水気化部内を流通する。
この本発明の燃料電池システムでは、燃焼ガスによって水気化部が加熱されるよう燃焼ガス流路が水気化部内を流通することから、熱供給部の燃焼ガスによっても水気化部を加熱することができる。これにより、本発明によれば、水気化部に十分に熱供給することが可能となる。
また、熱供給部の動作を制御する制御部をさらに備え、制御部は、熱需要に対する不足熱量を熱回収系の熱媒体に熱供給する際に熱供給部に起動信号を出力すると共に、水気化部を加熱する際に熱供給部に起動信号を出力してもよい。この場合、熱需要からの要請のみならず、水気化部への熱供給の要請によっても、熱供給部が起動されることとなる。
また、上記作用効果を好適に奏する構成として、具体的には、熱回収系は、燃焼ガス流路において水気化部の下流側に設けられた熱交換器を有し、熱交換器は、燃焼ガスと熱回収系の熱媒体とが流通され、燃焼ガスから当該熱媒体へ熱移動させる場合がある。
また、システム本体と熱供給部とは、一体化されていてもよい。この場合、これにより、燃焼ガス流路の引回しを簡易化することが可能となり、燃料電池システムの小型化及び低コスト化を実現することができる。
また、システム本体を内包する第１箱体と、熱供給部を内包する第２箱体と、をさらに備え、システム本体と熱供給部とは、第１箱体を構成する面の１つと第２箱体を構成する面の１つとを互いに面接触させることで一体化されていてもよい。
また、第３箱体をさらに備え、システム本体及び熱供給部は、第３箱体に内包されることにより一体化されていてもよい。また、熱媒体は、水である場合がある。
本発明によれば、水気化部に十分に熱供給することが可能となる。
第１実施形態に係る燃料電池システムを示す概略ブロック図である。 第１実施形態に係る燃料電池システムの要部を示す概略ブロック図である。 第２実施形態に係る燃料電池システムの要部を示す概略ブロック図である。 図３の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。 図３の燃料電池システムの動作の他の一例を示すフローチャートである。 図３の燃料電池システムの動作のさらに他の一例を示すフローチャートである。 図３の燃料電池システムの動作の別の一例を示すフローチャートである。 第３実施形態に係る燃料電池システムの要部を示す概略ブロック図である。 第４実施形態に係る燃料電池システムの要部を示す概略ブロック図である。 第５実施形態に係る燃料電池システムの要部を示す概略ブロック図である。
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る燃料電池システムを示す概略ブロック図である。図１に示すように、燃料電池システム１は、脱硫部２と、水気化部３と、水素発生部４と、セルスタック５と、オフガス燃焼部６と、水素含有燃料供給部７と、水供給部８と、酸化剤供給部９と、パワーコンディショナー１０と、制御部１１と、を備えている。
燃料電池システム１は、水素含有燃料及び酸化剤を用いて、セルスタック５にて発電を行う。燃料電池システム１におけるセルスタック５の種類は特に限定されず、例えば、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ：Phosphoric Acid Fuel Cell）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ：Molten Carbonate Fuel Cell）、及び、その他の種類を採用することができる。なお、セルスタック５の種類、水素含有燃料の種類、及び改質方式等に応じて、図１に示す構成要素を適宜省略してもよい。
水素含有燃料として、例えば、炭化水素系燃料が用いられる。炭化水素系燃料として、分子中に炭素と水素とを含む化合物（酸素等、他の元素を含んでいてもよい）若しくはそれらの混合物が用いられる。炭化水素系燃料として、例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類、バイオ燃料が挙げられ、これらの炭化水素系燃料は従来の石油・石炭等の化石燃料由来のもの、合成ガス等の合成系燃料由来のもの、バイオマス由来のものを適宜用いることができる。具体的には、炭化水素類として、メタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、都市ガス、タウンガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油が挙げられる。アルコール類として、メタノール、エタノールが挙げられる。エーテル類として、ジメチルエーテルが挙げられる。バイオ燃料として、バイオガス、バイオエタノール、バイオディーゼル、バイオジェットが挙げられる。
酸化剤として、例えば、空気、純酸素ガス（通常の除去手法で除去が困難な不純物を含んでもよい）、酸素富化空気が用いられる。
脱硫部２は、水素発生部４に供給される水素含有燃料の脱硫を行う。脱硫部２は、水素含有燃料に含有される硫黄化合物を除去するための脱硫触媒を有している。脱硫部２の脱硫方式として、例えば、硫黄化合物を吸着して除去する吸着脱硫方式や、硫黄化合物を水素と反応させて除去する水素化脱硫方式が採用される。脱硫部２は、脱硫した水素含有燃料を水素発生部４へ供給する。
水気化部（水気化器）３は、水を加熱し気化させることによって、水素発生部４に供給される水蒸気を生成する。水気化部３における水の加熱は、例えば、水素発生部４の熱、オフガス燃焼部６の熱、あるいは排ガスの熱を回収する等、燃料電池システム１内で発生した熱を用いてもよい。また、別途ヒータ、バーナ等の他熱源を用いて水を加熱してもよい。ここでの水気化部３は、例えば、水素発生部４及びセルスタック５近傍に配置され、水素発生部４及びセルスタック５とともに昇温されるように構成されている。なお、図１では、一例としてオフガス燃焼部６から水素発生部４へ供給される熱のみ記載されているが、これに限定されない。水気化部３は、生成した水蒸気を水素発生部４へ供給する。
水素発生部４は、脱硫部２からの水素含有燃料を用いて水素リッチガス（水素含有ガス）を発生させる。水素発生部４は、水素含有燃料を改質触媒によって改質する改質器を有している。水素発生部４での改質方式は、特に限定されず、例えば、水蒸気改質、部分酸化改質、自己熱改質、その他の改質方式を採用できる。なお、水素発生部４は、セルスタック５に要求される水素リッチガスの性状によって、改質触媒により改質する改質器の他に性状を調整するための構成を有する場合もある。例えば、セルスタック５のタイプが固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）やリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）であった場合、水素発生部４は、水素リッチガス中の一酸化炭素を除去するための構成（例えば、シフト反応部、選択酸化反応部）を有する。水素発生部４は、水素リッチガスをセルスタック５のアノード１２へ供給する。
セルスタック５は、水素発生部４からの水素リッチガス及び酸化剤供給部９からの酸化剤を用いて発電を行う。セルスタック５は、水素リッチガスが供給されるアノード１２と、酸化剤が供給されるカソード１３と、アノード１２とカソード１３との間に配置される電解質１４と、を備えている。セルスタック５は、パワーコンディショナー１０を介して、電力を外部へ供給する。セルスタック５は、発電に用いられなかった水素リッチガス及び酸化剤をオフガスとして、オフガス燃焼部６へ供給する。なお、水素発生部４が備えている燃焼部（例えば、改質器を加熱する燃焼器など）をオフガス燃焼部６と共用してもよい。
オフガス燃焼部６は、セルスタック５から供給されるオフガスを燃焼させる。オフガス燃焼部６によって発生する熱は、水素発生部４へ供給され、水素発生部４での水素リッチガスの発生に用いられる。
水素含有燃料供給部７は、脱硫部２へ水素含有燃料を供給する。水供給部８は、水気化部３へ水を供給する。酸化剤供給部９は、セルスタック５のカソード１３へ酸化剤を供給する。水素含有燃料供給部７、水供給部８、及び酸化剤供給部９は、例えばポンプによって構成されており、制御部１１からの制御信号に基づいて駆動する。
パワーコンディショナー１０は、セルスタック５からの電力を、外部での電力使用状態に合わせて調整する。パワーコンディショナー１０は、例えば、電圧を変換する処理や、直流電力を交流電力へ変換する処理を行う。
制御部１１は、燃料電池システム１全体の制御処理を行う。制御部１１は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、及び入出力インターフェイスを含んで構成されたデバイスによって構成される。制御部１１は、水素含有燃料供給部７、水供給部８、酸化剤供給部９、パワーコンディショナー１０、その他、図示されないセンサや補機と電気的に接続されている。制御部１１は、燃料電池システム１内で発生する各種信号を取得すると共に、燃料電池システム１内の各機器へ制御信号を出力する。
図２は、第１実施形態に係る燃料電池システムの要部を示す概略ブロック図である。図２に示すように、燃料電池システム１は、システム本体２１と、熱回収系２２と、バックアップボイラ（熱供給部）２３と、を含んで構成されている。
システム本体２１は、上記脱硫部２、上記水気化部３、上記水素発生部４、上記セルスタック５、上記オフガス燃焼部６、上記水素含有燃料供給部７、上記水供給部８及び上記酸化剤供給部９を少なくとも有しており、パッケージ２４内に配置されている。
熱回収系２２は、システム内において水（回収水）を循環するよう流通させて熱回収するものである。この熱回収系２２は、水を流通させるものとして例えば配管等で構成された水流路２２ｘと、当該水流路２２ｘの水を加熱するための熱交換器２２ｙと、を有している。
バックアップボイラ２３は、熱需要に対する不足熱量を熱回収系２２の水に熱供給する（いわゆる追い炊き給湯を行う）ものであり、バーナ等の燃焼部（不図示）を有している。このバックアップボイラ２３は、パッケージ２４内においてシステム本体２１と結合するよう設けられている。つまり、システム本体２１及びバックアップボイラ２３は、互いに一体化されて構成されている。換言すると、システム本体２１を内包する第１箱体の上面（第１箱体を構成する面の１つ）と、バックアップボイラ２３を内包する第２箱体の下面（第２箱体を構成する面の１つ）とは、互いに面接触されている。これにより、システム本体２１及びバックアップボイラ２３は、互いに一体化される。なお、システム本体及びバックアップボイラ２３は、第３箱体としてのパッケージ２４に内包されることで一体化されてもよい。
このバックアップボイラ２３には、ボイラ燃焼ガス流路（燃焼ガス流路）２３ｘが設けられている。ボイラ燃焼ガス流路２３ｘは、バックアップボイラ２３の燃焼部から排出されるボイラ燃焼ガス（燃焼ガス）を流通させるものであり、例えば配管等で構成されている。
ここで、本実施形態のボイラ燃焼ガス流路２３ｘは、ボイラ燃焼ガスによって水気化部３が加熱されるように水気化部３内を流通した後、熱交換器２２ｙ内を流通している。ここでのボイラ燃焼ガス流路２３ｘは、一旦パッケージ２４外へ延びた後、システム本体２１内に進入し、システム本体２１内の水気化部３内を流通している。そして、再度パッケージ２４外へ延び、その後、熱交換器２２ｙ内を流通している。つまり、本実施形態では、バックアップボイラ２３からのボイラ燃焼ガスが、水気化部３の加熱に用いられると共に熱回収系２２の水の加熱に用いられるようになっている。
また、熱交換器２２ｙは、水流路２２ｘ上であってボイラ燃焼ガス流路２３ｘにおける水気化部３の下流側に設けられており、ボイラ燃焼ガス及び水が流通されている。この熱交換器２２ｙは、ボイラ燃焼ガスから熱回収系２２の水へと熱移動させ、当該水を加熱する。
また、燃料電池システム１は、制御部３４をさらに備えている。制御部３４は、バックアップボイラ２３の動作を制御するものであり、システム本体２１内に搭載されている。この制御部３４は、熱需要に対する不足熱量を熱回収系２２で流通する水に熱供給する際、バックアップボイラ２３に起動信号を出力すると共に、水気化部３を加熱する際、バックアップボイラ２３に起動信号を出力する。
以上、本実施形態の燃料電池システム１においては、水素発生部４（図１参照）の熱やオフガス燃焼部６（図１参照）の熱によって水気化部３を加熱し、当該水気化部３にて水蒸気を生成できるのに加え、ボイラ燃焼ガス流路２３ｘが水気化部３内を流通することから、ボイラ燃焼ガスによっても水気化部３を加熱して水蒸気を生成することができる。すなわち、バックアップボイラ２３からの排熱を、熱需要を満たすための補助熱源としてのみ利用するのではなく、水気化部３を加熱するための熱源として利用することが可能となる。従って、本実施形態によれば、水気化部３に十分に熱供給することが可能となる。その結果、他の部位（改質器、断熱材等）に対する水気化部３の配置関係によらずに水気化部３に十分に熱供給し易くなり、水気化部３の配置自由度が増すこととなる。
また、本実施形態では、上述したように、制御部３４により、熱需要に対する不足熱量を熱回収系２２の水に熱供給する際だけでなく、水気化部３を加熱する際にもバックアップボイラ２３に起動信号を出力することができる。よって、熱需要からの要請のみならず、水気化部３への熱供給の要請によっても、バックアップボイラ２３を好適に起動することが可能となる。
また、本実施形態では、上述したように、システム本体２１とバックアップボイラ２３とが一体化されていることから、ボイラ燃焼ガス流路２３ｘの引回しを簡易化することが可能となり、一層の小型化及び低コスト化を実現することができる。ひいては、ボイラ燃焼ガス流路２３ｘの引回しに起因する放熱（ロス）をも低減することが可能となる。
なお、システム起動時には、セルスタック５を保護する目的から、セル温度が低温のうちにセルスタック５に水素リッチガスを早期供給する必要がある。よって、システム起動時においては、水素発生部４で水素リッチガスを早期発生させるべく水気化部３で水蒸気を早期発生させるため、水気化部３に十分に熱供給できることが特に望まれる。この点、本実施形態は、水気化部３に熱を十分に熱供給できるため、特に有効なものといえる。
［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。本実施形態の説明では、上記第１実施形態と異なる点について主に説明する。
図３は、第２実施形態に係る燃料電池システムの要部を示す概略ブロック図である。図３に示すように、本実施形態の燃料電池システム１００では、システム本体２１が発電部１０５、水気化部３及び加熱部１２３を少なくとも含んでいる。
発電部１０５は、上記脱硫部２、上記水素発生部４及び上記セルスタック５を少なくとも含むものであり、セルスタック５としては、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）が用いられている。この発電部１０５には、電池排ガス流路１１１及び改質水流路１１２が接続されている。電池排ガス流路１１１は、発電部１０５から排出される燃焼処理済みの電池排ガスを流通させる。電池排ガス流路１１１は、電池排ガスによって水気化部３が加熱されるように水気化部３内を流通した後、後述の熱交換器２２ｚ内を流通している。改質水流路１１２は、水気化部３により生成された改質水（蒸気）を水気化部３から発電部１０５へ供給する。
水気化部３には、熱交換器２２ｚで生じた排ガス回収水を流通させる回収水流路１２１が接続されている。回収水流路１２１上には、排ガス回収水を一時的に貯留する水タンク１２２が設けられている。水気化部３には、通常時に水気化部３を加熱するための加熱部１２３が設けられている。
また、本実施形態の燃料電池システム１００は、熱回収系１２２を備えている。熱回収系１２２は、システム内において熱媒体を循環するよう流通させて熱回収するものであり、熱媒体を流通させる熱媒体流路１２２ｘを有している。熱媒体としては、例えば、エチレングリコール及びその水溶液等の不凍液が用いられている。
熱媒体流路１２２ｘ上には、貯湯槽１１０、熱媒体タンク１０２及び熱交換器２２ｙ，２２ｚが設けられている。貯湯槽１１０は、給湯ライン１１０ａを介して外部から供給された例えば上水等の水を内部に貯えると共に、内部を通過する熱媒体流路１２２ｘを流れる熱媒体から熱を回収し、貯えた水へ蓄熱する。また、貯湯槽１９は、例えばユーザ等の需要に応じて、給湯ライン１１０ａを介して貯えた水を湯として排出する。なお、本実施形態のように発電部１０５がＰＥＦＣのセルスタック５を含む場合、発電部１０５に熱媒体が通過され（詳しくは後述）、熱媒体で発電部１０５からも熱回収が行われる。
熱媒体タンク１０２は、熱媒体を一時的に貯留する。熱交換器２２ｙは、ボイラ燃焼ガス流路２３ｘが通過するように設けられており、ボイラ燃焼ガスから熱媒体流路１２２ｘの熱媒体へと熱移動させ、当該熱媒体を加熱する。熱交換器２２ｚは、電池排ガス流路１１１が通過するように設けられている。熱交換器２２ｚは、電池排ガス流路１１１から熱媒体流路１２２ｘの熱媒体へと熱移動させ、当該熱媒体を加熱する。
このような熱媒体流路１２２ｘにおいて、貯湯槽１１０から導出された熱媒体は、熱媒体タンク１０２を通過した後、２分岐される。分岐された一方の熱媒体は、発電部１０５を通過し、熱交換器２２ｙで加熱され、バックアップボイラ２３を通過した後、貯湯槽１１０へ戻される。分岐された他方の熱媒体は、熱交換器２２ｚで加熱された後、貯湯槽１１０へ戻される。
また、本実施形態の制御部３４は、例えば水気化部３の温度、バックアップボイラ２３における熱媒体の入口温度及び出口温度等に基づいて、バックアップボイラ２３の動作を制御する（詳しくは、後述）。
次に、上記燃料電池システム１００におけるバックアップボイラ２３に関する動作について、各状況ごとに以下に例示して説明する。
（１）貯湯槽１１０から給湯する場合
図４に示すように、発電時において貯湯槽１１０から給湯するための給湯信号が制御部３４で受信されると、まず、当該給湯に係る熱需要に関する給湯熱需要情報が取得される（Ｓ１）。熱需要がありと判断されると、その熱需要に応じた燃焼量でバックアップボイラ２３が動作され、上記Ｓ１へ再び移行する（Ｓ２，Ｓ３）。一方、熱需要が無しと判断されると、バックアップボイラ２３がＯＦＦ（停止）とされる（Ｓ２，Ｓ４）。
或いは、図５に示すように、給湯信号が制御部３４で受信されると、給湯熱需要情報が取得され、熱需要がありと判断されると、出湯温度が適温よりも大きいか否かが判断される（Ｓ１１〜Ｓ１３）。上記Ｓ１３でＮｏの場合、熱需要に応じた燃焼量でバックアップボイラ２３が動作され、上記Ｓ１１へ再び移行する（Ｓ１４）。一方、上記Ｓ１３でＹｅｓの場合、現状維持するようにバックアップボイラ２３が制御され、現状の燃焼量でバックアップボイラ２３が継続動作される（Ｓ１５）。他方、上記Ｓ１２でＮｏの場合、バックアップボイラ２３がＯＦＦとされる（Ｓ１６）。
なお、上記では、発電時の給湯を例にして説明したが、非発電時における給湯についても同様となる。つまり、非発電時における給湯においても、ボイラ燃焼ガス流路２３ｘ及び熱媒体流路１２２ｘの切替え等は行なわれない。また、熱媒体が高温となった場合には、出湯時の温度に基づいて、バックアップボイラ２３の燃焼量を減らすフィードバック制御を行なってもよい。
（２）起動時
図６に示すように、燃料電池システム１００の始動時において始動信号が制御部３４で受信されると、まず、水素発生部４で部分酸化改質が開始されると共に、水気化部３の温度が取得される（Ｓ３１）。水気化部３の温度が、水が気化できる気化可能温度と所定値αとの合計（気化可能温度＋α）よりも大きい場合、水気化部３へ水供給するための信号が制御部３４へ送信され、水気化部３の水供給が開始される（Ｓ３２，Ｓ３３）。そして、改質反応がオートサーマル改質反応から水蒸気改質反応とされ移行され、発電が開始される。なお、「所定値α」は、バックアップボイラ２３をＯＦＦとした途端に熱不足となるのを防止するために設けられた設定値である。
一方、上記Ｓ３２でＮｏの場合、バックアップボイラ２３をＯＮ状態（作動状態）とされ、上記Ｓ３１へ再び移行される（Ｓ３４）。この上記Ｓ３４においてバックアップボイラ２３が既に起動（ＯＮ）されているときには、ＯＮ状態が維持される。
上記Ｓ３３の後、水気化部３の気化開始による温度低下に応じた処理として、水気化部３の温度が再度取得される（Ｓ３５）。水気化部３の温度が気化可能温度と所定値αとの合計よりも大きい場合、バックアップボイラ２３がＯＦＦとされる（Ｓ３６，Ｓ３７）。一方、上記Ｓ３６でＮｏの場合、バックアップボイラ２３をＯＮ状態（作動状態）が継続され、上記Ｓ３５へ再び移行される（Ｓ３８）。その後、例えば、給湯する場合の処理（上記（１）参照）が開始される。
（３）負荷増加（負荷上げ）時
図７に示すように、燃料電池システム１００の負荷増加（負荷上げ）時において負荷増加信号が制御部３４で受信されると、例えば改質水の必要量、現在の改質水量、及び水気化部３の温度に基づいて、バックアップボイラ２３が最大燃焼量で動作される（Ｓ４１）。
続いて、水気化部３の温度が取得され、当該水気化部３の温度が気化可能温度と所定値αとの合計よりも大きいか否かが判断される（Ｓ４２，Ｓ４３）。上記Ｓ４３でＮｏの場合、バックアップボイラ２３をＯＮ状態（作動状態）とされ、上記Ｓ４２へ再び移行される（Ｓ４４）。一方、上記Ｓ４３でＹｅｓの場合、現在の改質水量が必要量よりも大きいか否かがさらに判断される（Ｓ４５）。
上記Ｓ４５でＮｏの場合、水気化部３へ供給する改質水量を増量するための信号が制御部３４へ送信されて改質水量が増量され、上記Ｓ４２へ再び移行される（Ｓ４６）。一方、上記Ｓ４５でＹｅｓの場合、改質水量の増量が終了される（Ｓ４７）。そして、燃料電池システム１００の負荷が増加される。
続いて、水気化部３の温度が再度取得され、水気化部３の温度が気化可能温度と所定値αとの合計よりも大きい場合、バックアップボイラ２３がＯＦＦとされる（Ｓ４８〜Ｓ５０）。一方、上記Ｓ４９でＮｏの場合、バックアップボイラ２３をＯＮ状態が継続され、上記Ｓ４８へ再び移行される（Ｓ５１）。
以上、本実施形態においても、上記実施形態と同様な効果、すなわち、水気化部３に十分に熱供給するという効果が奏される。
また、本実施形態では、水気化部３に要される熱について、本来は加熱部１２３等でまかなうべきところを、例えば起動時や負荷変動時等の熱不足が発生した場合、バックアップボイラ２３からの排熱を利用することができる。つまり、水気化部３に対し、起動時・負荷上げ時の短時間の熱的補助を行なうことが可能となる。その結果、迅速な負荷追従性や起動性能を確保できる。
また、このようにバックアップボイラ２３からの排熱を、水気化部３を加熱するための熱源として利用することにより、給湯時に無駄に捨てる熱の回収が可能となる。
なお、貯湯槽１１０の満蓄時においては、貯湯槽１１０内温度を通常温度（例えば７０℃）よりも高い所定温度（例えば９０℃）に設定することにより、その温度差（マージン）の分でバックアップボイラ２３を作動させることができる。
［第３実施形態］
次に、第３実施形態について説明する。本実施形態の説明では、上記第２実施形態と異なる点について主に説明する。
図８は、第３実施形態に係る燃料電池システムの要部を示す概略ブロック図である。図８に示すように、本実施形態の燃料電池システム２００は、上記熱媒体流路１２２ｘ（図３参照）に代えて、貯湯槽１１０の水を熱媒体として流通させる熱媒体流路２２２ｘを備えている。
熱媒体流路２２２ｘでは、貯湯槽１１０から水が熱媒体として流出され、この熱媒体が２分岐される。分岐された一方の熱媒体は、発電部１０５を通過し、熱交換器２２ｙで加熱され、バックアップボイラ２３を通過した後、貯湯槽１１０へ戻される。分岐された他方の熱媒体は、熱交換器２２ｚで加熱された後、貯湯槽１１０へ戻される。この熱媒体流路２２２ｘは、上記熱媒体タンク１０２（図３参照）を有しておらず、水（湯）が留まることなく流れるように構成されている。
以上、本実施形態においても、上記実施形態と同様な効果、すなわち、水気化部３に十分に熱供給するという効果が奏される。
［第４実施形態］
次に、第４実施形態について説明する。本実施形態の説明では、上記第２実施形態と異なる点について主に説明する。
図９は、第４実施形態に係る燃料電池システムの要部を示す概略ブロック図である。図９に示すように、本実施形態の燃料電池システム３００は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）であるセルスタック５を少なくとも含む発電部１０５を備えている。また、燃料電池システム３００は、上記熱媒体流路１２２ｘ（図３参照）に代えて、発電部１０５を通過しない熱媒体流路３２２ｘを備えている。
以上、本実施形態においても、上記実施形態と同様な効果、すなわち、水気化部３に十分に熱供給するという効果が奏される。
［第５実施形態］
次に、第５実施形態について説明する。本実施形態の説明では、上記第３実施形態と異なる点について主に説明する。
図１０は、第５実施形態に係る燃料電池システムの要部を示す概略ブロック図である。図１０に示すように、本実施形態の燃料電池システム４００は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）であるセルスタック５を少なくとも含む発電部１０５を備えている。また、燃料電池システム４００は、上記熱媒体流路２２２ｘ（図８参照）に代えて、発電部１０５を通過しない熱媒体流路４２２ｘを備えている。
以上、本実施形態においても、上記実施形態と同様な効果、すなわち、水気化部３に十分に熱供給するという効果が奏される。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。
例えば、水気化部３の配置位置は、システム本体２１内であれば何れの位置としてもよく、例えばシステム本体２１の下部に設置してもよい。また、上記実施形態は、熱供給部としてバックアップボイラ２３を備えているが、熱供給部は、熱需要に応じて熱量を熱回収系２２の水に熱供給するためのものであればよく、例えば通常のボイラ（メインボイラを含む）等であってもよい。
また、上記実施形態では、熱媒体として水を用いているが、油、空気、二酸化炭素や窒素等のガス、又は蒸気等を用いてもよい。本発明の熱媒体は、熱を移動させるために用いられる流体であればよい。また、上記実施形態では、水素含有燃料として、純水素や水素富化ガス等の改質が不要なガスを供給することもできる。この場合、水素発生部４が有する改質器は不要となる。
本発明によれば、水気化部に十分に熱供給することが可能となる。
１…燃料電池システム、３…水気化部、４…水素発生部、５…セルスタック、２１…システム本体（第１箱体）、２２，１２２…熱回収系、２２ｙ…熱交換器、２３…バックアップボイラ（熱供給部，第２箱体）、２３ｘ…ボイラ燃焼ガス流路（燃焼ガス流路）、２４…パッケージ（第３箱体）、３４…制御部。

Claims (8)

  1. 水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックを含むシステム本体と、熱媒体を流通させて熱回収する熱回収系と、熱需要に応じて熱量を前記熱媒体に熱供給するための熱供給部と、を具備する燃料電池システムであって、
    前記システム本体内に設けられ、水蒸気を用いて水素含有燃料を改質し前記水素含有ガスを生成する水素発生部と、
    前記システム本体内に設けられ、前記水蒸気を生成し前記水素発生部に供給する水気化部と、
    前記熱供給部から排出される燃焼ガスを流通させる燃焼ガス流路と、を備え、
    前記燃焼ガス流路は、前記燃焼ガスによって前記水気化部が加熱されるよう当該水気化部内を流通し、
    前記熱供給部は、前記熱媒体を通過させて前記熱媒体に熱供給するボイラである、燃料電池システム。
  2. 前記熱供給部の動作を制御する制御部をさらに備え、
    前記制御部は、熱需要が無い場合に前記熱供給部を停止させ、熱需要がある場合に当該熱需要に応じた燃焼量で前記熱供給部を動作させる請求項１記載の燃料電池システム。
  3. 前記熱供給部の動作を制御する制御部をさらに備え、
    前記制御部は、熱需要に対する不足熱量を前記熱回収系の前記熱媒体に熱供給する際に前記熱供給部に起動信号を出力すると共に、前記水気化部を加熱する際に前記熱供給部に起動信号を出力する請求項１記載の燃料電池システム。
  4. 前記熱回収系は、前記燃焼ガス流路において前記水気化部の下流側に設けられた熱交換器を有し、
    前記熱交換器は、前記燃焼ガスと前記熱回収系の前記熱媒体とが流通され、前記燃焼ガスから当該熱媒体へ熱移動させる請求項１〜３の何れか一項記載の燃料電池システム。
  5. 前記システム本体と前記熱供給部とは、一体化されている請求項１〜４の何れか一項記載の燃料電池システム。
  6. 前記システム本体を内包する第１箱体と、
    前記熱供給部を内包する第２箱体と、をさらに備え、
    前記システム本体と前記熱供給部とは、前記第１箱体を構成する面の１つと前記第２箱体を構成する面の１つとを互いに面接触させることで一体化されている請求項５記載の燃料電池システム。
  7. 第３箱体をさらに備え、
    前記システム本体及び前記熱供給部は、前記第３箱体に内包されることにより一体化されている請求項５記載の燃料電池システム。
  8. 前記熱媒体は、水である請求項１〜７の何れか一項記載の燃料電池システム。
JP2012551023A 2010-12-28 2011-12-27 燃料電池システム Active JP5738319B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012551023A JP5738319B2 (ja) 2010-12-28 2011-12-27 燃料電池システム

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010292316 2010-12-28
JP2010292316 2010-12-28
JP2012551023A JP5738319B2 (ja) 2010-12-28 2011-12-27 燃料電池システム
PCT/JP2011/080329 WO2012091063A1 (ja) 2010-12-28 2011-12-27 燃料電池システム

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2012091063A1 JPWO2012091063A1 (ja) 2014-06-05
JP5738319B2 true JP5738319B2 (ja) 2015-06-24

Family

ID=46383153

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2012551023A Active JP5738319B2 (ja) 2010-12-28 2011-12-27 燃料電池システム

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP5738319B2 (ja)
WO (1) WO2012091063A1 (ja)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101783218B1 (ko) 2017-05-04 2017-09-29 국방과학연구소 잠수함용 개질기 시스템

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002063924A (ja) * 2000-08-15 2002-02-28 Sanyo Electric Co Ltd 熱電併給型燃料電池発電装置およびその運転方法
JP2007258020A (ja) * 2006-03-23 2007-10-04 Osaka Gas Co Ltd 固体高分子形燃料電池コージェネレーションシステムの停止方法
JP2007280650A (ja) * 2006-04-03 2007-10-25 Ebara Ballard Corp 燃料電池システムの運転方法及び燃料電池システム
JP2007292435A (ja) * 2006-03-31 2007-11-08 Osaka Gas Co Ltd 大気開放型蓄熱槽
JP2009076365A (ja) * 2007-09-21 2009-04-09 Petroleum Energy Center 燃料電池装置
JP2010030801A (ja) * 2008-07-25 2010-02-12 Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp 燃料電池用改質器
JP2010251309A (ja) * 2009-03-24 2010-11-04 Osaka Gas Co Ltd 固体酸化物形燃料電池システム及びこれを備えたコージェネレーションシステム

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002063924A (ja) * 2000-08-15 2002-02-28 Sanyo Electric Co Ltd 熱電併給型燃料電池発電装置およびその運転方法
JP2007258020A (ja) * 2006-03-23 2007-10-04 Osaka Gas Co Ltd 固体高分子形燃料電池コージェネレーションシステムの停止方法
JP2007292435A (ja) * 2006-03-31 2007-11-08 Osaka Gas Co Ltd 大気開放型蓄熱槽
JP2007280650A (ja) * 2006-04-03 2007-10-25 Ebara Ballard Corp 燃料電池システムの運転方法及び燃料電池システム
JP2009076365A (ja) * 2007-09-21 2009-04-09 Petroleum Energy Center 燃料電池装置
JP2010030801A (ja) * 2008-07-25 2010-02-12 Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp 燃料電池用改質器
JP2010251309A (ja) * 2009-03-24 2010-11-04 Osaka Gas Co Ltd 固体酸化物形燃料電池システム及びこれを備えたコージェネレーションシステム

Also Published As

Publication number Publication date
JPWO2012091063A1 (ja) 2014-06-05
WO2012091063A1 (ja) 2012-07-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2044644B1 (en) Steam reforming method for fuel cells
WO2012091096A1 (ja) 燃料電池システム
US20090197131A1 (en) Indirect internal reforming solid oxide fuel cell system
JP5852011B2 (ja) 燃料電池システム
JP5000412B2 (ja) 固体酸化物形燃料電池システムの運転温度制御法
JP6114197B2 (ja) 燃料電池システム
JP4902165B2 (ja) 燃料電池用改質装置およびこの燃料電池用改質装置を備える燃料電池システム
JP2010116304A (ja) 改質装置、燃料電池システム、改質装置の運転方法
JP5738319B2 (ja) 燃料電池システム
JP5782458B2 (ja) 燃料電池システム
WO2013146149A1 (ja) 燃料電池モジュール
JP5291915B2 (ja) 間接内部改質型固体酸化物形燃料電池とその運転方法
WO2012090875A1 (ja) 燃料電池システム及び脱硫装置
KR102664939B1 (ko) 선박용 연료전지 시스템
JP4917791B2 (ja) 燃料電池システム
WO2012091131A1 (ja) 燃料電池システム
GB2448089A (en) Steam Reformng Method for Fuel Cells
WO2012091132A1 (ja) 燃料電池システム
WO2012091094A1 (ja) 燃料電池システム
JP5557260B2 (ja) 固体酸化物形燃料電池システムの運転温度制御法
KR20230064041A (ko) 선박용 연료전지 시스템
US20080171242A1 (en) Reformer, Method for Controlling Pump in Fuel Cell System, and Control Unit
JP2012221934A (ja) 燃料電池モジュール
WO2012090964A1 (ja) 燃料電池システム
WO2012091127A1 (ja) 燃料電池システム

Legal Events

Date Code Title Description
A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20141111

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20150106

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20150414

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20150421

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5738319

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

S531 Written request for registration of change of domicile

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531

S533 Written request for registration of change of name

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

S111 Request for change of ownership or part of ownership

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313113

R360 Written notification for declining of transfer of rights

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R360

R360 Written notification for declining of transfer of rights

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R360

R371 Transfer withdrawn

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R371

S111 Request for change of ownership or part of ownership

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313113

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350