JP6084314B1 - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
Description
二酸化炭素改質を行なう燃料電池システムとしては、燃料電池の排ガスに含まれる二酸化炭素を用いて二酸化炭素改質を行ない、発生した水素を燃料電池に供給して発電を行なうシステムも提案されている。
また、二酸化炭素を含むアノード排ガスを発生する燃料電池と、該燃料電池の前段に配設され、該燃料電池のアノード排ガスに含まれる二酸化炭素を利用して、炭化水素系の原料ガスを二酸化炭素改質し、一酸化炭素と水素を含む合成ガスを生成させる二酸化炭素改質器とを有する燃料電池システムが提案されている(例えば、特許文献2参照)。
ここで、分離膜の透過側に空気を供給するため、あるいは、分離膜の透過側を減圧するためには、空気を供給するための経路及び空気ブロワ又は減圧ポンプが別途必要となることから、製造コストが増加し、空気ブロワ又は減圧ポンプによる消費電力量の増加によりシステム全体の発電効率が低下するという問題がある。さらに、システムが複雑化してしまい、システムの信頼性が低下するという問題もある。
<1> 原料ガスを二酸化炭素改質して生成された改質ガスを用いて発電を行なう第1燃料電池と、前記第1燃料電池から排出された未反応の前記改質ガスを含むオフガスから二酸化炭素を、ガス供給側からガス透過側へ透過することにより分離する二酸化炭素分離膜と、前記オフガスの流通方向における前記二酸化炭素分離膜の下流に配置され、二酸化炭素が分離された前記オフガスを用いて発電を行なう第2燃料電池と、前記ガス透過側に配置され、前記原料ガス及び前記二酸化炭素分離膜により分離された二酸化炭素を流通する原料ガス流通経路と、前記オフガスの流通方向における前記二酸化炭素分離膜の下流かつ前記第2燃料電池の上流に配置され、前記二酸化炭素分離膜に供給される前記オフガスの圧力を調整する背圧調整弁と、を備える燃料電池システム。
本実施形態に係る燃料電池システム10は、原料ガスを改質器14に供給する原料ガス供給経路24を備えており、原料ガス供給経路24は、原料ガスを流通させるためのブロワ25が設置されている。
さらに、原料ガス供給経路24には、ガス透過側16Bの下流(原料ガスの流通方向における二酸化炭素分離膜16の下流)かつ改質器14の上流に、原料ガス供給経路24を流通するガスの全圧及び原料ガス供給経路24を流通する二酸化炭素の分圧を測定する測定手段として、圧力計28及び二酸化炭素濃度計29が設けられている。
本実施形態に係る燃料電池システム10は、原料ガスを二酸化炭素改質して改質ガスを生成する改質器14を備えている。改質器14は、例えば、バーナ又は燃焼触媒を配置した燃焼部18と、改質用触媒を備える改質部19とにより構成される。
CnHm+nCO2→2nCO+(m/2)H2・・・・(a)
CH4+CO2→2CO+2H2・・・・(b)
(ガス全圧/二酸化炭素分圧)=[(A/n+B)/B]・・・・(X)
本実施形態に係る燃料電池システム10は、改質ガス供給経路42を通じて改質器14から供給された改質ガスを用いて発電を行なう第1燃料電池11を備えている。第1燃料電池11としては、例えば、空気極(カソード)、電解質及び燃料極(アノード)を備える燃料電池セルであってもよく、燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックであってもよい。また、第1燃料電池としては、600℃〜800℃程度で作動する高温型の燃料電池、例えば、700℃〜800℃程度で作動する固体酸化物形燃料電池、600℃〜700℃程度で作動する溶融炭酸塩形燃料電池が挙げられる。
O2+4e−→2O2−・・・・(c)
H2+O2−→H2O+2e−・・・・(d)
2CO+2O2−→2CO2+4e−・・・・(e)
O2+2CO2+4e−→2CO3 2−・・・・(f)
H2+CO3 2−→H2O+CO2+2e−・・・・(g)
CO+H2O→H2+CO2・・・・(h)
本実施形態に係る燃料電池システム10は、第1燃料電池11から排出された未反応の改質ガスを含むオフガスから、二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離膜16を備えている。オフガス供給経路52を流通するオフガスは、二酸化炭素分離膜16のガス供給側16Aに供給され、オフガス中の二酸化炭素は、ガス供給側16Aからガス透過側16Bへ矢印A方向に二酸化炭素分離膜16を通過する。二酸化炭素が分離されたオフガスは、ガス供給側16Aからオフガス供給経路54を流通し、第2燃料電池12へ供給される。一方、分離された二酸化炭素は、ガス透過側16Bを流れる原料ガスと混合され、ガス透過側16Bから原料ガス供給経路24を流通し、改質器14の改質部19へ供給される。
本実施形態に係る燃料電池システム10は、オフガス供給経路54に配置され、ガス供給側16Aに供給されるオフガスの圧力を調整する背圧調整弁27を備えている。そのため、背圧調整弁27の開度を調整することで、二酸化炭素分離膜16のガス供給側16Aに供給されるオフガスの圧力を変えることができる。ガス供給側16Aに供給されるオフガスの圧力を上昇させることで、オフガスの二酸化炭素分圧を高めて二酸化炭素分離膜16での二酸化炭素透過性を高めることができる。したがって、原料ガスの二酸化炭素改質に必要な量の二酸化炭素を二酸化炭素分離膜16により分離することができる。背圧調整弁27としては、例えば、ニードル弁が挙げられる。
本実施形態に係る燃料電池システム10は、オフガス供給経路52に配置され、オフガスをガス供給側16Aに供給するためのブロワ26を備えている。これにより、二酸化炭素分離膜16のガス供給側16Aに供給されるオフガスの圧力をより好適に調整することができ、ガス供給側16Aに供給されるオフガスの圧力を上昇させることで、オフガスの二酸化炭素分圧を高めて二酸化炭素分離膜16での二酸化炭素透過性をより好適に高めることができる。本実施形態において、ブロワ26を配置することなく、原料ガスを流通させるためのブロワ25によって二酸化炭素分離膜16のガス供給側16Aに供給されるオフガスの圧力を調整(二酸化炭素分離膜16を加圧)してもよい。しかしながら、ブロワ26によってガス供給側16Aに供給されるオフガスの圧力を調整することで、ブロワ25によってガス供給側16Aに供給されるオフガスの圧力を調整する場合と比較して、第1燃料電池11のアノードにかかる圧力を小さくでき、第1燃料電池11の耐久性及び燃料電池システム10の信頼性が向上する。
CnHm+nCO2→2nCO+(m/2)H2・・・・(a)
2nUf(1)≧n・・・・(1)’
本実施形態に係る燃料電池システム10は、二酸化炭素分離膜16のガス供給側16Aの下流に配置され、二酸化炭素が分離されたオフガスを用いて発電を行なう第2燃料電池12を備えている。第2燃料電池12としては、例えば、空気極(カソード)、電解質及び燃料極(アノード)を備える燃料電池セルであってもよく、燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックであってもよい。なお、第2燃料電池12は、上述の第1燃料電池11と同様の構成であるため、共通する事項に関する説明は省略する。
本実施形態に係る燃料電池システム10は、第1燃料電池11の下流かつ第2燃料電池12の上流に配置され、オフガスから水蒸気を除去する水蒸気除去部をさらに備えていてもよい。これにより、第2燃料電池12は二酸化炭素とともに水蒸気が分離されたオフガスを用いて発電を行なうため、発電効率をより高めることができる。
また、本実施形態に係る燃料電池システム10では、二酸化炭素分離膜16として、二酸化炭素とともに水蒸気を分離する分離膜を用いてもよい。二酸化炭素とともに水蒸気を分離する分離膜としては、前述の二酸化炭素分離膜が挙げられる。
Claims (5)
- 原料ガスを二酸化炭素改質して生成された改質ガスを用いて発電を行なう第1燃料電池と、
前記第1燃料電池から排出された未反応の前記改質ガスを含むオフガスから二酸化炭素を、ガス供給側からガス透過側へ透過することにより分離する二酸化炭素分離膜と、
前記オフガスの流通方向における前記二酸化炭素分離膜の下流に配置され、二酸化炭素が分離された前記オフガスを用いて発電を行なう第2燃料電池と、
前記ガス透過側に配置され、前記原料ガス及び前記二酸化炭素分離膜により分離された二酸化炭素を流通する原料ガス流通経路と、
前記オフガスの流通方向における前記二酸化炭素分離膜の下流かつ前記第2燃料電池の上流に配置され、前記二酸化炭素分離膜に供給される前記オフガスの圧力を調整する背圧調整弁と、
を備える燃料電池システム。 - 前記原料ガス流通経路を通じて前記原料ガス及び前記二酸化炭素分離膜により分離された二酸化炭素が供給され、前記原料ガスを二酸化炭素改質して前記改質ガスを生成する改質器をさらに備え、
前記第1燃料電池は、前記改質器から供給された前記改質ガスを用いて発電を行なう請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記第1燃料電池の燃料利用率は、50%以上である請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システム。
- 前記オフガスの流通方向における前記二酸化炭素分離膜の上流に配置され、前記オフガスを前記二酸化炭素分離膜に供給するためのブロワをさらに備える請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
- 前記原料ガスの流通方向における前記二酸化炭素分離膜の下流に配置され、前記原料ガス流通経路を流通するガスの全圧及び前記原料ガス流通経路を流通する二酸化炭素の分圧を測定する測定手段をさらに備え、
前記測定手段にて測定された、前記ガスの全圧と前記二酸化炭素の分圧との比率であるガス全圧/二酸化炭素分圧の値が、一定の数値範囲内となるように、前記背圧調整弁を調整する請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
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