JP6152436B1 - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
Description
また、燃料電池から排出された排出燃料ガスを、燃料再循環ラインを介して前記燃料電池へと再循環することにより、前記燃料電池の燃料ガスとして再利用する構成を有し、前記再循環ラインに再循環中の前記排出燃料ガスから水蒸気の除去と二酸化炭素の除去とを同時に行うガス調整器を備えた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)。
また、燃料吸入流が供給された燃料電池スタックを運転して電気と200℃を超える温度の燃料排気流とを生成し、前記燃料排気流の温度を200℃以下に下げ、前記燃料排気流を第一の燃料排気分流と第二の燃料排気分流とに分割した後、前記第一の燃料排気分流を前記燃料吸入流へとリサイクルする燃料電池システムの運転方法が提案されている(例えば、特許文献3参照)。
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> 原料ガスを水蒸気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水蒸気を、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水蒸気分離膜と、前記オフガスの流通方向における前記水蒸気分離膜の下流に配置され、水蒸気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水蒸気分離膜により分離された水蒸気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水蒸気分離膜の下流かつ前記第2燃料電池の上流に配置され、前記水蒸気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。
Uf(1)≧2n/(m+2n)・・・・(1)
以下、本発明の燃料電池システムの一実施形態について図1を用いて説明する。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構成図である。第1実施形態に係る燃料電池システム10は、原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質器14と、改質ガスを用いて発電を行なう第1燃料電池11と、未反応の改質ガスを含むオフガスから水蒸気を分離する水蒸気分離膜16と、水蒸気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と、オフガスを水蒸気分離膜16のガス供給側16A及び第2燃料電池12に供給するオフガス供給経路52、54と、原料ガス及び分離された水蒸気を改質器14に供給する原料ガス供給経路24(原料ガス流通経路)と、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と、を備える。
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水蒸気分離膜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を流通する水蒸気の分圧を測定する測定手段として、圧力計28及び露点計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、原料ガスを水蒸気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+nH2O→nCO+(m/2+n)H2・・・・(a)
CH4+H2O→CO+3H2・・・・(b)
(ガス全圧/水蒸気分圧)=[(C/n+S)/S]・・・・(A)
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)
O2+2CO2+4e−→2CO3 2−・・・・(e)
H2+CO3 2−→H2O+CO2+2e−・・・・(f)
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、水蒸気を分離する水蒸気分離膜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、水蒸気分離膜16のガス供給側16Aに供給され、オフガス中の水蒸気は、ガス供給側16Aからガス透過側16Bへ矢印A方向に水蒸気分離膜16を通過する。水蒸気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、分離された水蒸気は、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、水蒸気分離膜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、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、オフガスの水蒸気分圧を高めて水蒸気分離膜16での水蒸気透過性を高めることができる。したがって、原料ガスの水蒸気改質に必要な量の水蒸気を水蒸気分離膜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、水蒸気分離膜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、オフガスの水蒸気分圧を高めて水蒸気分離膜16での水蒸気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によって水蒸気分離膜16のガス供給側16Aに供給されるオフガスの圧力を調整(水蒸気分離膜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。
Uf(1)≧2n/(m+2n)・・・・(1)
CnHm+nH2O→nCO+(m/2+n)H2・・・・(a)
(m/2+n)Uf(1)≧n・・・・(1)’
本実施形態に係る燃料電池システム10は、水蒸気分離膜16のガス供給側16Aの下流に配置され、水蒸気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、オフガスから二酸化炭素を除去する二酸化炭素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は水蒸気とともに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ため、発電効率をより高めることができる。
アノード:2H2O→2H2+O2 O2+2CO2+4e−→2CO3 2−
カソード:2CO3 2−→O2+2CO2+4e−
以下、本発明の第二実施形態に係る燃料電池システムについて図2を用いて説明する。
図2は、第2実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。第1実施形態に係る燃料電池システム10は、燃料電池を複数備える多段式の燃料電池システムであるが、第2実施形態に係る燃料電池システム20は、燃料電池を1つ有する循環式の燃料電池システムである。本実施形態において、上述の第1実施形態に係る燃料電池システム10と共通する構成については、同じ符号を付し、その説明を省略する。
Claims (6)
- 原料ガスを水蒸気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水蒸気を、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水蒸気分離膜と、
前記オフガスの流通方向における前記水蒸気分離膜の下流に配置され、水蒸気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水蒸気分離膜により分離された水蒸気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水蒸気分離膜の下流かつ前記第2燃料電池の上流に配置され、前記水蒸気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、
前記原料ガスの流通方向における前記水蒸気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水蒸気の分圧を測定する測定手段と、
を備え、
前記測定手段にて測定された、前記ガスの全圧と前記水蒸気の分圧との比率であるガス全圧/水蒸気分圧の値が、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燃料電池システム。 - 原料ガスを水蒸気改質して生成された改質ガスを用いて発電を行なう燃料電池と、
前記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水蒸気を、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水蒸気分離膜と、
前記オフガスの流通方向における前記水蒸気分離膜の下流に配置され、水蒸気が分離された前記オフガスを前記燃料電池に供給するオフガス循環経路と、
前記ガス透過側に配置され、前記原料ガス及び前記水蒸気分離膜により分離された水蒸気を流通する原料ガス流通経路と、
前記オフガス循環経路に配置され、前記水蒸気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、
前記原料ガスの流通方向における前記水蒸気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水蒸気の分圧を測定する測定手段と、
を備え、
前記測定手段にて測定された、前記ガスの全圧と前記水蒸気の分圧との比率であるガス全圧/水蒸気分圧の値が、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燃料電池システム。 - 前記第1燃料電池の燃料利用率をUf(1)とし、前記原料ガスに含まれる炭化水素ガスをCnHm(n、mはともに正の実数)とするとき、以下の式(1)を満たす請求項1に記載の燃料電池システム。
Uf(1)≧2n/(m+2n)・・・・(1) - 前記原料ガス流通経路を通じて前記原料ガス及び前記水蒸気分離膜により分離された水蒸気が供給され、前記原料ガスを水蒸気改質して前記改質ガスを生成する改質器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。
- 前記オフガスの流通方向における前記水蒸気分離膜の上流に配置され、前記オフガスを前記水蒸気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4のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
- 前記水蒸気分離膜の上流を流通するオフガスと、前記水蒸気分離膜の下流を流通する水蒸気が分離されたオフガスと、の間で熱交換を行なう熱交換器をさらに備える請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
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