JP5919139B2 - 高温型燃料電池システム - Google Patents
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Description
また、高温ブロワを使用する場合にはブロワ稼動のための補機動力が必要となり、更に、リサイクル燃料をブロワ使用可能温度まで冷却する必要があるため、燃料電池システム全体の効率低下につながるという問題もある。
さらに、補機動力ロスや熱損失を減らすためにリサイクル燃料量を減らしてしまうと、改質器における炭素析出が問題となる。
本発明は以下の内容を要旨とする。すなわち、本発明に係る高温型燃料電池システムは、
(1)水蒸気改質方式による高温型燃料電池システムであって、
水蒸気改質触媒を充填した改質器と、
改質器の下流側に第一セルスタックと、
第一セルスタックの下流側に第二セルスタックと、
第一セルスタック出の燃料オフガスを、改質器に戻すリサイクル回路(9)と、
改質器に炭化水素燃料を供給する主燃料供給手段と、
第二セルスタックに炭化水素燃料を供給する副燃料供給手段と、
を備えて成ることを特徴とする。
改質器に投入される燃料は、リサイクルによる燃料オフガス中の水分で改質され、第一セルスタックに供給される。第一セルスタックにおいて、発電過程でセルの電解質を通して酸素イオンが燃料中に取り込まれ、燃料中の水素や一酸化炭素と反応する。このため、第一セルスタックの燃料オフガス中には、改質燃料よりも多くの水蒸気が含まれた状態となっている。
第一セルスタック出の燃料オフガスと、副燃料供給手段を介して供給されるバイパス燃料との混合ガスを、第二セルスタックに供給する。ここで炭素析出を回避しつつ((4)参照)、スタックにおける内部改質反応が促進されて、発電が可能となる。
改質器においては、第二セルスタックオフガスの一部をリサイクルさせ、このリサイクル燃料中の水分を用いて改質を行う。この場合、改質器内での炭素析出を回避するため、リサイクル燃料量を制御する。
本発明によれば、上記(1)のシステムと比較してさらにリサイクル燃料量の減少が可能となる。
前記第一セルスタック出の燃料オフガスと、前記副燃料供給手段を介して供給される燃料ガスとの混合ガスを該予備改質器において水蒸気改質した後に、前記第二セルスタックに導入可能に構成したことを特徴とする。
そこで、第一セルスタックの燃料オフガスを一度400℃程度まで冷やし、そこでバイパス燃料と混合後に予備改質器に導入して、燃料オフガス中の水蒸気を用いて水蒸気改質を行い、改質燃料を第2スタックへ導入する構成とする。これにより、混合燃料が高温環境に曝される際には改質燃料になっているため、炭素析出を回避できる。
(4)上記各発明に係る高温型燃料電池システムにおいて、要求される電力量に対応して、前記改質器、前記第一セルスタック及び前記第二セルスタック内のガスを、炭素析出が生じない空気比相当のガス組成となるように、主燃料量、副燃料量、リサイクル量及び電流値を制御することを特徴とする。
<第一の実施形態>
図1は、本発明の一実施形態に係る固体酸化物形燃料電池(SOFC)システム1(以下、適宜燃料電池システム1又はシステム1と略記)の全体ブロック構成を示す図である。燃料電池システム1は、内部に部分改質用触媒を充填した改質器2と、改質器2の下流側に発電セル(図示せず)を積層した第1セルスタック(以下、適宜スタックと略記)3と、第1スタック3の下流側に第2スタック4と、改質器2及び第2スタック4の各燃料極(図示せず)に燃料であるメタン(CH4)を主成分とする都市ガスを供給する燃料供給手段5と、スタック3,4に空気(酸素)を供給する空気供給手段7と、第1スタック3の燃料極(図示せず)出の燃料オフガスの一部を分岐点9bから改質器2に戻すアノードリサイクル回路9と、各スタックで取り出した直流電力を交流電力に変換して負荷側に供給するパワーコンディショナー(PCS)10と、を主要構成として備えている。
空気供給手段7は、スタック3、4の空気極(図示せず)に電気化学反応のための酸素を供給する流路7a、7bにより構成されている。
各装置は各部を高温環境に保持するため、断熱処置を施した高温モジュール(図示せず)内に配置されている。これによりスタック3,4で発生した排熱は、改質器2の反応に利用可能に構成されている。
燃料は、主流路5aを介して改質器2に入る分と、バイパス流路5bを介してバイパスする分に分配される。改質器2には一部の燃料のみ導入し、残りは改質器2をバイパスさせる。
改質器2に供給される燃料及びスタック3出のリサイクル燃料(燃料オフガス)とは、触媒環境下で水蒸気改質反応(R1)、シフト反応(R2)により、反応生成物であるH2、CO及び未燃の炭化水素を含む改質ガスとなる。反応(R1)は吸熱反応であり、反応温度は700−1000℃が望ましい。後述するように触媒等への炭素析出を防止するため、空気比λ≧0.3相当のガス組成となるように、高温ブロアの出力調整により制御される。
CH4+H2O→CO+3H2・・・・(R1)
CO+H2O→CO2+H2 ・・・・(R2)
燃料極では電気化学反応(B)、(C)が、空気極(図示せず)では電気化学反応(D)が行われ、その際、酸素イオン(O2−)が電解質3c内部を移動する。(B)、(C)により放出される電子(e−)の両電極間を結ぶ外部配線を介しての移動により電力が取り出される。
H2+O2−→H2O+2e−・・・・(B)
CO+O2−→CO2+2e−・・・・(C)
O2+4e−→2O2−・・・・(D)
第2スタック4の燃料極出口から排出されるオフガスは、空気極出口ガスと混合燃焼し排ガスとなり、排ガス熱交換器(図示せず)において熱回収され、給湯等に利用される。
運転開始とともに負荷側の要求電力量(Pd)を把握する(S101)。次いで、要求電力量に対応する各スタックからの取り出し電流値(I1、I2)を、上述のPd−Idテーブルに基づいて求める(S102)。さらに、上記電流値を取り出し、かつ、炭素析出を回避するために必要な燃料供給量(F)、供給比(F1/F2)、改質器供給空気量(A)を演算する(S103)。演算の具体的内容については後述(実施例1)する。次いで、求めた燃料、空気供給量に対応して流量制御弁V1、V2の開度調整及びと高温ブロアの出力調整が行われる(S104)。
次に、本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態は、第1スタックと第2スタックの間に第二の改質器(予備改質器)を配置する態様に関する。
図2(a)を参照して、本実施形態に係るSOFC燃料電池システム20の構成が上述の燃料電池システム1と異なる点は、第1スタック3と第2スタック4の間に第2スタックに投入するガスを予め改質する予備改質器21を備えていることである。
その他の構成については、第一の実施形態と同様であるので、重複説明を省略する。
低温状態で混合したガスは、改質部21a内において高温(約700℃)状態で、燃料オフガス中の水蒸気を用いて改質反応により一部がH2,CO成分に改質されるとともに、平衡条件により定まる組成で第2スタック4に導入されることになる。混合燃料は、高温環境にさらされる際には改質燃料になっているため、炭素析出を回避することができる。
第2スタック4における電気化学反応の態様については、第一の実施形態と同様であるので重複説明を省略する。
次に、本発明の他の実施形態について説明する。図3を参照して、本実施形態に係るSOFC燃料電池システム30の構成が上述の燃料電池システム1と異なる点は、第1スタック3出の燃料オフガスを改質器2側にリサイクルするのではなく、第2スタック4を出て燃焼器(図示せず)に入る前の燃料オフガスの一部を、分岐点33からリサイクル回路32を介して改質器2側にすることである。その他の構成については、燃料電池システム1と同様であるので、重複説明を省略する。
また、改質器及び各スタックにおける電気化学反応の態様については、第一の実施形態と同様であるので重複説明を省略する。
さらに、他の実施形態について説明する。図4を参照して、本実施形態に係るSOFC燃料電池システム40の構成は、第2スタック4を出て燃焼器(図示せず)に入る前の燃料オフガスを、分岐点44からリサイクル回路43を介して改質器2側にリサイクルすることである。この点は、上述の燃料電池システム30と同様である。
燃料電池システム30と異なる点は、第1スタック3と第2スタック4の間に第2スタックに投入するガスを予め改質する予備改質器41を備えていることである。第1スタック3出の燃料オフガスは流路45を、バイパス燃料は流路42を、それぞれ介して予備改質器41に導入されるように構成されている。また、予備改質器41出の改質燃料は、流路46を介して第2スタック4に供給されるように構成されている。この点については、第二の実施形態に係る燃料電池システム20と同様である。その他の構成については、上述の各実施形態と同様であるので、重複説明を省略する。
また、改質器及び各スタックにおける電気化学反応の態様についても、第一の実施形態と同様であるので重複説明を省略する。
<実施例1>
以下、第一の実施形態のシステムにおける炭素析出回避実証の解析(シミュレーション)結果について説明する。
(1-1)運転条件
解析に際して、燃料及び燃料電池セルの条件は表1の通りである。この条件において、図5(a)の運転条件(燃料分配比、リサイクル率 等)により運転することにより、以下に示すように炭素析出回避可能であることが実証された。
図5(a)において、改質器に入る燃料量をF1[mol/min]、バイパス燃料量をF2[mol/min]、リサイクル燃料をFr[mol/min]とする。また、スタック1で空気極から取り込まれる酸素の量をA1[mol/min]、スタック2で空気極から取り込まれる酸素の量をA2[mol/min]、リサイクルされる酸素の量をAr[mol/min]、オフガスのリサイクル率をrとする。
Fr = (F1 +
Fr) × r
Fr = F1 × r / (1 - r)
Ar = (A1 + Ar) × r
Ar = A1 × r / (1 - r)
A1 = I × 60 × S1 / (R × 4)
図5(a)より、F1 = 0.038、F2 = 0.057、I
= 10.2、S1 = 40、S2 = 60、r = 0.40、
R = 96485とすると、Fr、Ar、A1は以下の値となる。
Fr = 0.025[mol/min]
Ar = 0.042[mol/min]
A1 = 0.063[mol/min]
スタック1空気比 = Ar / ((F1 + Fr) × A0)
スタック2空気比 = A1 / ((F1 + F2) × A0)
表1の都市ガスの場合、A0 = 2.25となり、前述のF1、F2、Fr、A1、Arより、スタック1と2共に空気比は0.3となり、第1、第2スタックとも炭素析出のない条件(λ≧0.3)が満たされる。
次に、第三の実施形態のシステムにおける炭素析出回避実証解析結果について説明する。運転条件において実施例1と異なる点は、セル枚数比である。本実施例の場合は、第1スタック枚数29枚、第2スタック枚数71枚となる。
図5(b)において、改質器に入る燃料量をF1[mol/min]、バイパス燃料量をF2[mol/min]、リサイクル燃料をFr[mol/min]とする。また、スタック1で空気極から取り込まれる酸素の量をA1[mol/min]、スタック2で空気極から取り込まれる酸素の量をA2[mol/min]、リサイクルされる酸素の量をAr[mol/min]
、オフガスのリサイクル率をrとする。
Fr = (F1 + F2) × r / (1 - r)
Ar = (A1 + A2 + Ar)× r
Ar = (A1 + A2) × r /(1 - r)
A1 = I × 60 ×S1 / (R × 4)
スタック2で空気極から取り込まれる酸素の量(A2)もA1同様以下式で表される。ただし、S2は第2スタックの枚数を表す。
A2 = I × 60 × S2 / (R × 4)
Fr = 0.018[mol/min]
Ar = 0.030[mol/min]
A1 = 0.046[mol/min]
A2 = 0.113[mol/min]
スタック1空気比 = Ar / ((F1 + Fr) × A0)
またスタック2には、F1+F2+Frの燃料とA1+Arの酸素が投入されることになるため、スタック2入口の空気比は以下式となる。
スタック2空気比 = (A1 + Ar) / ((F1 + F2 + Fr) × A0)
表1の都市ガスの場合、A0 = 2.25となり、前述のF1、F2、Fr、A1、Arより、スタック1と2共に空気比は0.3となり、第1、第2スタックとも炭素析出のない条件(λ≧0.3)が満たされる。
上記実施例1,3における熱ロス及びブロワ動力の試算結果を表2に示す。従来リサイクルシステムと比較して、熱ロス・ブロワ動力ともに低減していることが分かる。
20a・・・・高温モジュール
2・・・・水蒸気改質器
3・・・・第1スタック
4・・・・第2スタック
3a、4a・・・・燃料極
3b、4b・・・・空気極
3c、4c・・・・電解質
5・・・・・燃料供給手段
5a・・・・主流路
5b、23、42・・・・バイパス流路
5d・・・・混合部
6・・・・・第1スタック改質燃料流路
7・・・・・空気供給手段
8、22、45・・第1スタック燃料オフガス流路
9、32、43・・・・・アノードリサイクル回路
9a・・・・高温ブロア
9b、33、44・・・・リサイクル燃料分岐部
10・・・・パワーコンディショナー
11・・・・第2スタック燃流オフガス
21、41・・・・予備改質器
24、46・・・・第2スタック改質燃料流路
S1、S2・・・・電流計
Claims (3)
- 高温型燃料電池システムであって、
水蒸気改質触媒を充填した改質器と、
改質器の下流側に第一セルスタックと、
第一セルスタックの下流側に第二セルスタックと、
第一セルスタック出の燃料オフガスを、改質器に戻すリサイクル回路と、
改質器に炭化水素燃料を供給する主燃料供給手段と、
第二セルスタックに炭化水素燃料を供給する副燃料供給手段と、
を備えて成る水蒸気改質方式による高温型燃料電池システムにおいて、
要求される電力量に対応して、前記改質器、前記第一セルスタック及び前記第二セルスタック内のガスを、炭素析出が生じない空気比相当の酸素割合となるように、改質水量、主燃料量、副燃料量、リサイクル量及び電流値を制御することを特徴とする高温型燃料電池システムの運転方法。 - 請求項1において、前記高温型燃料電池システムが、
前記リサイクル回路に替えて、前記第二セルスタック出の燃料オフガスの一部を前記改質器に戻すリサイクル回路を備えて成る、
ことを特徴とする高温型燃料電池システムの運転方法。 - 請求項1又は2において、前記高温型燃料電池システムが、
前記第一セルスタックと前記第二セルスタックの間に、水蒸気改質触媒を充填した予備改質器を、さらに備え、
前記第一セルスタック出の燃料オフガスと、前記副燃料供給手段を介して供給される燃料ガスとの混合ガスを該予備改質器において水蒸気改質した後に、前記第二セルスタックに導入可能に構成して成る、
ことを特徴とする高温型燃料電池システムの運転方法。
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